УСТАНОВКА ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КЛЕТОК ИЛИ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 1994 года по МПК C12M3/00 

Изобретение предназначено для исследования процессов культивирования животных, растительных и микробных клеток, а также для отработки технологии проведения процессов культивирования микроорганизмов в условиях микрогравитации на борту орбитального космического комплекса.

Получение клетки или продукты их жизнедеятельности используются в народном хозяйстве для получения биологически активных веществ-белков, ферментов, используемых в медицине, микробиологии и диагностики.

Проведение дальнейшей очистки и выделения биологически активных соединений (БАС) в условиях микрогравитации происходит более продуктивно и на порядок с большей разрешающей способностью и производительностью, чем в условиях земной гравитации.

Известна установка для культивирования животных, растительных и микробных клеток.

Установка содержит половолоконный мембранный аппарат (ПМА), выполненный в виде одного модуля, со штуцерами загрузки инокулята и отвода суспензии клеток в сливной стакан, штуцером подвода питательной среды, соединенным с емкостью для хранения питательной среды и насыщаемой в той же емкости газом, и штуцером отвода питательной среды, соединенным с емкостью для хранения питательной среды.

Известна установка для культивирования животных, растительных и микробных клеток, принятая за прототип.

Установка содержит ПМА, соединенный со сливным стаканом для приема суспензии клеток, и емкость для хранения и подачи питательной среды через перистальтический насос, при этом ПМА выполнена в виде двух модулей, каждый из которых снабжен штуцерами подвода и отвода питательной среды, а первый модуль снабжен дополнительно штуцерами подвода и отвода газа, второй модуль имеет штуцеры заполнения инокулятом и отвода суспензии клеток, внутри каждого модуля пучок, соединенный между собой полых мембран с пористыми стенками, входной и выходной концы указанного пучка половолоконных мембран первого модуля соединены соответственно со штуцерами подвода и отвода газа, а входные концы пучка половолоконных мембран второго модуля соединены соответственно со штуцерами ввода и штуцером отвода питательной среды второго модуля, штуцеры отвода и подвода питательной среды соответственно первого и второго модуля соединены между собой.

Известные технические решения не обеспечивают процесс культивирования животных, растительных и микробных клеток в условиях микрогравитации (МГ) на борту космического аппарата (КА):
- из-за возможного проникновения в гидравлический тракт циркуляции питательной среды газовых пузырей, которое в случае работы этих установок в условиях МГ на борту КА привело бы к образованию застойных зон и прекращению питания клеток;
- невозможности отбора готовой суспензии клеток без выброса ее в атмосферу приборного и жилого отсека КА;
- отсутствия бактериальной защиты установки, которое не обеспечивало биологическую чистоту эксперимента и привело бы к заражению клетками и культуральной жидкостью пространства приборного отсека КЛ и оператора; кроме того, указанные установки неэкономичны из-за нерационального использования потенциала питательной среды.

Целью изобретения является обеспечение возможности культивирования животных, растительных и микробных клеток в условиях орбитального полета с одновременным повышением экономичности и биологической чистоты установки.

Цель достигается тем, что в установку для культивирования животных, растительных и микробных клеток, содержащей корпус с размещенным в нем термостатируемым половолоконным мембранным аппаратом со штуцерами подвода и отвода питательной среды и газа, загрузки инокулята и отвода суспензии клеток и соединенным через штуцер подачи питательной среды и газа и через перистальтический насос соответственно системой хранения и подачи питательной среды и газа, а через штуцер отвода суспензии клеток - с приемником суспензии клеток, при этом штуцер отвода питательной среды ПМА соединен с системой хранения и подачи питательной среды, дополнительно введены системы оперативного контроля состояния питательной среды и системы бактериальной защиты.

Система подачи питательной среды выполнена в виде гидроцилиндра, внутри которого размещен сильфон, заполненный питательной средой и герметично прикрепленный к закрытому торцу гидроцилиндра, контактирующий со стороны открытого торца с поршнем, соединенным через шток с приводом, при этом на закрытом торце гидроцилиндра выполнены штуцера для подачи и возврата питательной среды, штуцер для отвода питательной среды, соединенный с системой оперативного контроля состояния питательной среды, штуцер заполнения и вакуумирования сильфонной полости, а система оперативного контроля состояния питательной среды и приемник суспензии клеток выполнены идентично в виде коллекторов, снабженных штуцерами для вакуумирования и соединенных трубопроводами с приемными капсулами, капсулы системы оперативного контроля имеют смотровые окна, а каждый соединительный трубопровод системы оперативного контроля состояния питательной среды и каждый соединительный трубопровод приемника суспензии клеток образуют пару, снабженную одним вентилем. Система бактериальной защиты имеет чехол из бактериального фильтра, герметично закрепленный внутри прозрачного корпуса вокруг установки, и адсорбер, установленный на линии выхода газа из мембранного аппарата.

Снабжение установки системами оперативного контроля состояния питательной среды и бактериальной защиты, выполненные системы хранения и подачи питательной среды в виде, обеспечивающем постоянную гомогенную питательную среду для роста клеток, гарантированный отбор суспензии клеток, наличие гидравлической связи между системами оперативного контроля и приемником суспензии клеток является новым и существенно отличает предложенную установку от известных и обеспечивает выполнение поставленной цели.

На фиг. 1 изображена схема установки; на фиг. 2 - мембранный аппарат; на фиг. 3 - гидроцилиндр.

Установка содержит корпус 1 с крышкой. По периметру корпуса внутри него закреплен путем приклеивания к корпусу 1 в отдельных точках чехол 2, представляющий собой бактериальный фильтр, выполненный, например, из двухслойной фильтрационной бумаги с проложенной между слоями тканью Петрянова. Чехол герметичен (не пропускает микрочастиц размером более 0,5 мкм). Половолоконный мембранный аппарат (ПМА) состоит из двух модулей 3 и 4, внутри каждого модуля размещен пучок соединенных между собой полых волоконных мембран с пористыми стенками 5 и 6. Первый модуль 3 снабжен штуцерами подвода 7 и отвода 8 питательной среды, штуцерами подвода 9 и отвода 10 газа, при этом входной и выходной концы пучка половолоконных мембран 5 соединены соответственно со штуцерами подвода 9 и отвода 10 газа. Второй модуль 4 снабжен штуцерами подвода 11 и отвода 12 питательной среды, штуцером заполнения межволоконного пространства модуля инокулята 13 и штуцером отвода суспензии клеток 14, при этом входной и выходной концы пучка половолоконных мембран второго модуля 4 соединены соответственно со штуцерами подвода 11 и отвода 12 питательной среды.

Штуцер 8 и 11 соединены между собой гидравлическим трубопроводом подачи питательной среды 15. Штуцер отвода газа 10 первого модуля 3 соединен трубопроводом с адсорбером 16. Все трубопроводы выполнены, например, на основе прозрачной силиконовой резины.

Адсорбер выполнен, например, в виде мешочка, заполненного силикагелем (объемом 100 мл), в котором через приклеенную прокладку введен перфорированный наконечник, соединенный с трубопроводом.

Штуцер подвода газа 19 соединен с трубопроводом подачи газа 17 с бактериальным фильтром 18, установленным в корпусе под чехлом 2. Бактериальный фильтр с размером пор 0,2 мкм.

Система хранения и подачи питательной среды выполнена в виде гидроцилиндра 19, внутри которого размещен сильфон 20, приваренный к закрытому торцу гидроцилиндра 21. Со стороны открытого торца сильфон 20 контактирует с поршнем 22, соединенным через шток 23 с приводом 24. Привод может быть выполнен, например, в виде шагового двигателя, обмотка статора которого электрически соединена с блоком управления, а выходной вал через редуктор и червячную передачу - со штоком 23 (не показано).

На закрытый торец гидроцилиндра 21 выведены штуцеры 25 для подачи питательной среды из сильфонной полости 26, штуцер 27 для возврата питательной среды в сильфонную полость, штуцер 28 для отвода пробы питательной среды и штуцер 29 вакуумирования и заполнения питательной средой сильфонной полости. Штуцеры 25 и 7 соединены между собой трубопроводом подачи питательной среды 30, а штуцер отвода питательной среды 12 из половолоконного модуля 4 соединен трубопроводом возврата питательной среды 31 со штуцером 27.

Перистальтический насос 32 типа с приводом и головкой 33, задающий движение. Трубопроводы подачи питательной среды 30 и подачи газа 17 расположены контактно с головкой 33 перистальтического насоса.

Штуцер 14 отвода суспензии клеток из ПМА соединен трубопроводом 34 с коллектором 35 и далее через соединительный трубопровод 36 и вентиль 37 с одной из капсул 38.

Аналогично штуцер 28 соединен трубопроводом 39 с коллектором 40 и далее соединен трубопроводом 41 через вентиль 37 с капсулой 42. Каждая капсула 42 имеет прозрачный силиконовый вкладыш для пробы, а корпус ее снабжен смотровым окном 43.

Коллекторы 35 и 40 имеют соответственно штуцеры 44 и 45 для вакуумирования указанных систем.

Каждый соединительный трубопровод 36 приемника суспензии клеток и каждый соединительный трубопровод 41 системы оперативного контроля образуют пару, снабженную одним вентилем 37.

Внутри корпуса 1 под чехлом 2 размещены все узлы и системы, входящие в состав установки: ПМА, система хранения и подачи питательной среды с приводом штока гидроцилиндра, перистальтический насос с приводом, приемник суспензии клеток, система контроля состояния питательной среды, трубопроводы подачи газа, трубопровод отвода газа с адсорбером и трубопроводы гидравлического контура связи между системами и обслуживающие названные системы элементы, не указанные на чертеже, например, источник питания, элементы системы термостатирования, элементы управления и т. п.

Фиксация всех элементов установки внутри чехла корпуса осуществлена, например, в пенопластовых мешочках.

Установка работает следующим образом.

Через штуцеры 29, 45 и 44 вакуумируется сильфонная полость 26 системы хранения и подачи питательной среды, капсулы 42, системы оперативного контроля состояния питательной среды и капсулы 38, 38 приемника суспензии клеток.

Заполняются сильфонная полость 26 и весь тракт циркуляции питательной среды (трубопроводы подачи 15, 30, трубопровод отвода 31, пучки полых волокон 5 и 6) питательной средой. Через штуцер 13 заполняется межволоконное пространство ПМА инокулятом.

Затем осуществляется дозированная подача питательной среды из сильфонной полости 26 через штуцер 25 путем включения в работу привода 24, соединенного со штоком 23 и поршнем 22, одновременно перистальтическим насосом 32 подают питательную среду и газ (например, воздух) через штуцеры 7 и 9 соответственно половолоконного модуля 3.

В половолоконном модуле 3 происходит насыщение питательной среды газом через пористые волокна 5. Далее насыщенная газом питательная среда поступает через штуцеры 11 и 8 и соединяющих их трубопровод 15 в пучок полых мембранных волокон 6 модуля 4 МПА. В модуле 4 в межволоконном пространстве происходит рост клеток за счет диффузии компонентов питательной среды, насыщенной газом при одновременном отводе низкомолекулярных компонентов жизнедеятельности клеток в питательную среду через пористое волокно 6. Обедненная питательная среда, выходя через штуцер 12 и трубопровод 31, возвращается через штуцер 27 в сильфонную полость 26 системы хранения и подачи питательной среды.

Через штуцер 14 и трубопровод 34 готовая суспензия клеток отводится через коллектор 35, трубопровод 36 и отсечной вентиль 37 в одну из капсул 39 приемника суспензии клеток.

Одновременно через штуцер 28 по трубопроводу 39 через коллектор 40, трубопровод 41 отсечной вентиль 37 отводится проба питательной среды в капсулы 42, соответствующую парной капсуле 38.

Отвод суспензии клеток и пробы питательной среды происходит синхронно за счет регулированного изменения объема сильфонной полости 26 системы подачи и хранения питательной среды. Одновременность отвода пробы питательной среды и суспензии клеток обусловлена необходимостью идентифицирования концентрации и качества полученной среды в капсуле 42. В процессе культивирования клеток газ через штуцер 10 и адсорбер 16 сбрасывается под чехол из бактериального фильтра 2.

Часть компонентов питательной среды вместе с газовым потоком выносится из половолоконного модуля 3 и сорбируется адсорбером 16, чехол из бактериального фильтра 2 защищает атмосферу внутри установки от попадания посторонней микрофлоры, что обеспечивает биологическую чистоту процесса. Одновременно защищается атмосфера приборного отсека и оператор.

По изменению цвета питательной среды, наблюдаемого через смотровое окно 43 капсулы 42, оперативно контролируется состояние питательной среды, т. е. ее пригодность для дальнейшей подачи в ПМА для осуществления процесса культивирования клеток. При скачкообразном изменении цвета в очередной капсуле 42 системы оперативного контроля оператор перекрывает очередной вентиль 37, прекращает подачу питательной среды в МПА, подачу газа, через фильтр 18 выключает перистальтический насос. Установка, заключенная в корпус 1, прекращает работу.

Таким образом, предлагаемая установка позволяет выполнить поставленную цель - обеспечить культивирование клеток микроорганизмов в условиях микрогравитации на борту КА. Это, в свою очередь, позволяет сопрягать процессы культивирования и биосинтеза клеток и продуктов жизнедеятельности клеток с процессом их очистки до товарного состояния в условиях микрогравитации.

Установка экономична благодаря наличию единой циркуляционной подаче питательной среды, а также системе оперативного контроля состояния питательной среды и ее связи через единый отсечной вентиль с приемником суспензии клеток. Установка позволяет полностью использовать потенциал питательной среды, по истощению питательной среды - отсекать поступление некондиционной суспензии клеток в капсулы приемника, что в дальнейшем выделение из нее биологически активных соединений позволяет избежать дополнительных дорогостоящих операций по первичному концентрированию БАС. Установка биологически защищена. (56) Патент Франции N 2476124, кл. С 12 М 1/00, 1981.

Описание установки "ACUSYST" - Ir. Проспект фирмы и Endotronics", США, 1986.

Использование: культивирование клеток или микроорганизмов, исследование процессов их выращивания и отработка технологии, преимущественно в условиях космического полета при малых значениях гравитации и нагрузок. Сущность изобретения: установка содержит корпус с размещенным в нем термостатируемым половолоконным мембранным аппаратом со штуцерами для подвода и отвода сред, перистальтический насос, систему хранения и подачи питательной среды, приемник суспензии клеток. Установка снабжена герметичным чехлом из бактериального фильтра, закрепленным внутри корпуса вокруг всех узлов, а также содержит адсорбер на линии выхода газа и пробоотборник. Система хранения и подачи питательной среды включает гидроцилиндр с сильфоном внутри, на закрытом торце гидроцилиндра укреплены штуцеры для подачи в мембранный аппарат питательной среды. Каждый соединительный трубопровод пробоотборника и каждый соединительный трубопровод приемника суспензии клеток образуют пару для одновременного подвода клеток и питательной среды к капсулам пробоотборника, при этом капсулы снабжены смотровыми окнами для визуального контроля среды. 3 ил.

УСТАНОВКА ДЛЯ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КЛЕТОК ИЛИ МИКРООРГАНИЗМОВ, содержащая корпус с размещенным в нем термостатируемым половолоконным мембранным аппаратом со штуцерами для подвода и отвода питательной среды, газа, для загрузки инокулята и для отвода суспензии клеток, и соединенный через штуцеры для подвода питательной среды и газа через перистальтический насос соответственно с системой хранения и подачи питательной среды и с бактериальным фильтром, установленным на корпусе, и через штуцер для отвода суспензии клеток - с приемником суспензии клеток, штуцер для отвода питательной среды из половолоконного мембранного аппарата соединен с системой хранения и подачи питательной среды, отличающаяся тем, что установка снабжена герметичным чехлом из бактериального фильтра, закрепленным внутри корпуса вокруг всех узлов, адсорбером, установленным на линии выхода газа из половолоконного мембранного аппарата, и пробоотборником, при этом система хранения и подачи питательной среды включает гидроцилиндр с сильфоном внутри, заполненным питательной средой, герметично прикрепленным к закрытому торцу гидроцилиндра и контактирующим со стороны открытого торца с поршнем, соединенным через шток с приводом, причем на закрытом торце гидроцилиндра укреплены штуцеры для подачи в половолоконный мембранный аппарат и для возврата из него питательной среды, штуцер заполнения и вакуумирования сильфонной полости и штуцер для отвода питательной среды в разводной коллектор пробоотборника, который как и приемник суспензии клеток включает каждый разводной коллектор, снабженный штуцером для вакуумирования и соединенный с капсулами, причем каждый соединительный трубопровод пробоотборника и каждый соединительный трубопровод приемника суспензии клеток образуют пару для одновременного подвода клеток и питательной среды к капсулам, снабженную одним вентилем, а капсулы пробоотборника имеют смотровые окна для визуального контроля среды.