АППАРАТ ДЛЯ СУСПЕНЗИОННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КЛЕТОК ТКАНЕЙ ИЛИ МИКРООРГАНИЗМОВ Российский патент 1997 года по МПК C12M1/04 C12M3/00 

Изобретение относится к области биотехнологии и касается аппаратов для культивирования клеток тканей или микроорганизмов в суспензиях.

Известен аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов (авт. св. СССР N 1331888, кл. C 12 M 1/04, опубл. 1987), включающий закрытую емкость, к днищу которой присоединены патрубки для подачи аэрирующего газа. Одна группа патрубков расположена тангенциально, а другая параллельно цилиндрической стенке емкости. В процессе культивирования аэрирующий газ вовлекается сразу в вихревое движение с одновременной циркуляцией в виде восходящих и нисходящих потоков вдоль оси аппарата.

Однако такой аппарат невозможно использовать для культивирования легко травмируемых клеток тканей животных и человека, так как в процессе культивирования в суспензии образуется множество пузырьков газа, при разрушении которых будет гибнуть значительное количество клеток. Аэрация продувкой газа вызывает пенообразование, которое также приведет к гибели части клеток. Для гашения пены потребуется введение дорогостоящих нетоксичных химических пеногасителей в питательную среду, в результате чего усложнится технологический процесс культивирования, а использование пеногасителя приведет к ухудшению качества культурной среды.

Известен также аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов (пат. США N 4259449, кл. C 12 N 5/02, опубл. 1981), содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для перемешивания суспензии клеток, в качестве которого использована решетка, расположенная в нижней части емкости. Через решетку в емкость подается воздух для создания гидростатического давления, обеспечивающего предотвращение оседания клеток из суспензии.

Однако данный аппарат имеет низкую производительность процесса культивирования клеток вследствие ухудшения массообменных характеристик, которые в свою очередь ухудшаются из-за снижения интенсивности подачи аэрирующего газа во избежание травмирования клеток. При этом полностью травмирование клеток не исключается, и имеет место интенсивное пенообразование.

Наиболее близким техническим решением является аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов (Заявка РСТ N 92/05245, кл. C 12 M 1/04, опубликована 02.04.92), содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подвода и отвода газа и устройство для аэрации и перемешивания среды. Устройство для аэрации и перемешивания содержит горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном приводном валу, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для отвода газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса для подвода и отвода газа. В кольцевой перегородке выполнены щелевые отверстия для прохода газа, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости. Патрубок для подвода газа установлен в крышке соосно лопастному колесу, а патрубок для отвода газа подключен к указанной кольцевой полости и размещен на краю крышки.

Недостатком прототипа является то, что формирование осесимметричного вихревого движения жидкости (потенциальный вихрь с осевым противотоком) в таком аппарате достигается при высоких скоростях движения газа (свыше 15 18 м/с ) над поверхностью этой жидкости, т.е. связано с большими энергозатратами. При этом происходит захват капель жидкости с поверхности суспензии клеток с последующим выбросом их на стенку емкости. Клетки в каплях жидкости травмируются от удара о стенку аппарата, т.е. имеет место массовая гибель клеток. При снижении скорости движения газа (6 8 м/с) над поверхностью суспензии клеток наблюдается неустойчивое течение жидкости, т.е. периодическая смена режима осесимметричного вихревого движения жидкости на режим автоколебания жидкости, при котором возникает бегущая вдоль стенки емкости волна. Поверхность жидкости искривляется и представляет собой асимметричный параболоид вращения. Вся жидкость в аппарате колеблется как единое целое, раскачивая весь аппарат, что неблагоприятно сказывается на процессе культивирования клеток. Кроме того, конструкция аппарата-прототипа позволяет культивировать клетки при высоте заполнения емкости, равной или менее одного диаметра этой емкости. Если высота заполнения емкости суспензией клеток более одного диаметра этой емкости, то у дна ее образуется застойная зона. При культивировании клетки неизбежно оседают в эту зону и гибнут от недостатка кислорода.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, который обеспечивал бы формирование осесимметричного вихревого движения жидкости (потенциальный вихрь с осевым противотоком в суспензии клеток) при низких скоростях движения газа (3 6 м/с) над поверхностью этой жидкости и высотой заполнения суспензии клеток более одного диаметра этой емкости, что в свою очередь позволит снизить энергозатраты что и повысить производительность процесса культивирования клеток за счет снижения их травмируемости.

Поставленная задача решается тем, что в аппарате для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащем цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, согласно изобретению устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевой перегородкой, установленной в емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой и механизмом регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток.

В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения механизм регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде стоек, прикрепленных к крышке емкости и кольцевой перегородке посредством фиксаторов с возможностью изменения положения кольцевой перегородки относительно высоты емкости.

Механизм при таком конструктивном выполнении наиболее прост в изготовлении.

В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения механизм регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде поплавков с направляющими лопастями, прикрепленными к верхней поверхности кольцевой перегородки.

Механизм при таком конструктивном выполнении позволяет автоматически поддерживать кольцевую перегородку в жидкости на определенной глубине независимо от высоты заполнения емкости суспензией клеток. Кроме того, плавающая кольцевая перегородка снижает или устраняет совсем трение между ее поверхностью и вращающимся потоком суспензии клеток, что снижает энергозатраты на аэрацию и перемешивание жидкой среды.

В предлагаемом аппарате нижняя поверхность кольцевой перегородки может быть выполнена с переменным радиусом кривизны, а верхняя ее поверхность - плоской, что также снижает энергозатраты на формирование осесимметричного вихревого движения суспензии клеток.

Причем кольцевая перегородка выполнена диаметром (D₁), равным D₁ (0,7 0,9)D₀, а диаметр (D₂) осевого отверстия этой перегородки выполнен равным D₂ (0,1 0,3)D₁, где D₀ - внутренний диаметр цилиндрической емкости. При использовании в аппарате кольцевой перегородки с размерами D₁ > 0,9D₀ и D₂ < 0,1D₁, последняя настолько будет разделять объемы жидкости над и под перегородкой, что резко снизится интенсивность восходящего (по оси емкости) и нисходящего (по периферии емкости) потоков жидкости. При использовании в аппарате кольцевой перегородки с размерами D₁ < 0,7D₀ и D₂ > 0,3D₁ последняя не будет оказывать существенного гидродинамического влияния на вихревое движение жидкости, вследствие чего также снизится эффективность формирования вихревого движения жидкости.

Кроме того, кольцевая перегородка должна быть погружена в суспензию клеток на глубину не менее 0,02(D₁ D₂). При погружении кольцевой перегородки в жидкость на меньшую глубину эффективность вихревого перемешивания жидкости снижается, а аэрация клеток прекращается совсем.

Таким образом, предлагаемая конструкция аппарата для суспензионного культивирования клеток позволяет по сравнению с известными аппаратами снизить энергозатраты и повысить производительность процесса культивирования клеток за счет снижения их травмируемости.

На фиг. 1 приведена схема аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов с одним из вариантов выполнения механизма регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкости. На фиг. 2 изображен аппарат с другим вариантом выполнения механизма регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкости, на фиг.3 разрез А-А на фиг. 2.

Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов содержит цилиндрическую емкость 1 (фиг. 1 и 2) для суспензии клеток с крышкой 2 и патрубками 3 и 4 соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, и устройство для аэрации и перемешивания среды. Патрубок 3 для подачи аэрирующего газа установлен над крышкой 2 соосно емкости 1, а патрубок 4 для отвода газа на краю крышки 2. Устройство для аэрации и перемешивания суспензии клеток содержит горизонтальное лопастное колесо 5, укрепленное на вертикальном полом валу 6 и размещенное в верхней части емкости 1 непосредственно под крышкой 2, кольцевую перегородку 7, установленную в емкости 1 соосно ей и колесу 5 с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости 1 и кольцевой перегородкой 7, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток. В соответствии с вариантом, показанным на фиг. 1, механизм для регулирования положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде стоек 8, прикрепленных к крышке 2 и кольцевой перегородке 7 посредством фиксаторов 9 с возможностью изменения положения перегородки 7 по высоте емкости 1. Фиксаторы 9 могут быть выполнены, например, в виде пары винт-гайка. В соответствии с вариантом, показанным на фиг.2, механизм для регулирования кольцевой перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде поплавков 10 с направляющими лопастями 11, прикрепленными равномерно и радиально к верхней поверхности 12 кольцевой перегородки 7.

Причем нижняя поверхность 13 кольцевой перегородки 7 может быть выполнена выпуклой с переменным радиусом кривизны, а верхняя ее поверхность 12 - плоской. Кроме того, кольцевая перегородка 7 выполнена диаметром (D₁), равным D₁ (0,7 0,9)D₀, а диаметр (D₂) осевого отверстия перегородки 7 выполнен равным D₂ (0,1 0,3)D₁, где D₀ внутренний диаметр цилиндрической емкости 1. Перегородка 7 должна быть погружена в суспензию клеток на глубину (H) не менее Н ≥ 0,02(D₁ D₂). Для вращения лопастного колеса 5 использована магнитная муфта 13, одна из подвижных частей 14 которой смонтирована на полом валу 6 над крышкой 2, а другая часть 15 размещена на полой оси 16 посредством подшипников 17. Полая ось 16 расположена соосно валу 6 вокруг подвижной части 14 муфты 13. Часть 15 муфты 13 приводится во вращение, например, ременной передачей 18 от электродвигателя 19. В нижней части емкости 1 (на фиг. 1, 2) размещен патрубок 20 ввода культуральной среды и посевного материала. Этот же патрубок 20 служит для слива суспензии клеток после окончания процесса культивирования.

Работа предлагаемого аппарата осуществляется следующим образом. Цилиндрическую емкость 1 с установленной кольцевой перегородкой 7 в стерильных условиях заполняют питательной средой так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 7 располагалась на глубине (Н) не менее: Н ≥ 0,02 (D₁ D₂) относительно поверхности питательной среды в соответствии с вариантами, показанными на фиг. 1 и 2. Например, для емкости диаметром D₀ 200 мм оптимальными являются следующие параметры: D₁ 160 мм, D₂ 32 мм, Н 10 мм. В соответствии с фиг. 2 плавучесть поплавков 10 подбирают такой, чтобы кольцевая перегородка 7 плавала в жидкой среде на глубине Н ≥ 0,02(D₁ D₂). Далее устанавливают для культивирования клеток требуемый температурный режим, вводят посевную дозу клеток и включают электродвигатель 19. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 5. При вращении колеса 5 над поверхностью суспензии клеток создаются разряжение в приосевой зоне емкости и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью суспензии клеток формируется закрученный поток аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне, который генерирует в жидкости аналогичное турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. Причем за счет установки кольцевой перегородки 7 в жидкости повышаются интенсивность и направленность восходящего и нисходящего потока в суспензии клеток при низкой скорости (3 6 м/с) движения аэрирующего потока газа (т.е. повышается КПД газового вихря). В процессе культивирования клеток аэрирующий газ взаимодействует с суспензией клеток через ее свободную поверхность над кольцевой перегородкой 7, не смешиваясь с жидкостью. Поэтому в суспензии клеток нет пузырьков газа, что исключает травмирование клеток и образование пены. Низкая скорость движения газового вихря (3 6 м/с) не вызывает отрыв капель суспензии с ее поверхности, что дополнительно уменьшает травмирование клеток, а увеличение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии клеток позволяет осуществлять культивирование клеток без застойных зон при высоте заполнения емкости средой, равной или в несколько раз (2 3 paзa) более диаметра (D₀) этой емкости. Причем второй вариант выполнения механизма регулирования положения кольцевой перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток, когда кольцевая перегородка 7 свободно плавает посредством поплавков 10, позволяет снизить трение между поверхностями 12 и 13 перегородки 7 за счет ее вращения под воздействием потока аэрирующего газа на лопатки 11 в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и суспензия клеток. Снижение трения между поверхностями 12 и l3 плавающей перегородки 7 обеспечивает возможность снижения скорости движения аэрирующего газа в 1,5 раза (по сравнению с первым вариантом) при той же интенсивности перемешивания суспензии клеток. За счет разряжения в приосевой зоне лопастного колеса 5 осуществляется подсос аэрирующего газа в емкость 1 через патрубок 3, а вследствие повышенного давления на периферии газовой полости над поверхностью суспензии вывод газообразной среды из емкости 1 через патрубок 4. При этом достигается поддержание оптимального соотношения компонентов аэрирующего газа для обеспечения нормальных условий культивирования клеток или микроорганизмов.

Таким образом, конструктивные особенности предлагаемого аппарата с различными вариантами механизма регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности жидкой среды позволяют снизить энергозатраты на аэрацию и перемешивание суспензии клеток в 2 3 раза и снизить травмируемость этих клеток за счет уменьшения скорости движения аэрирующего газа, а значит, и скорости вращения вала электродвигателя.

Предлагаемый аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей и микроорганизмов может широко использоваться в микробиологической, медицинской промышленности и сельскохозяйственном производстве.

Использование: область биотехнологии и микробиологическая промышленность. Сущность изобретения: аппарат содержит цилиндрическую емкость с крышкой и парубками для подачи аэрирущего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой. Устройство для аэрации и перемешивания снабжено кольцевой перегородкой, установленной в емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизмом регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, отличающийся тем, что устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевой перегородкой, установленной в емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой и механизмом регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности суспензии клеток. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что механизм для регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде стоек, прикрепленных к крышке емкости и кольцевой перегородке посредством фиксаторов с возможностью изменения положения кольцевой перегородки по высоте емкости. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что механизм для регулирования положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток выполнен в виде поплавков с направляющими лопастями, прикрепленными к верхней поверхности кольцевой перегородки. 4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что нижняя поверхность кольцевой перегородки выполнена выпуклой с переменным радиусом кривизны, а верхняя ее поверхность плоской. 5. Аппарат по пп.1 и 4, отличающийся тем, что кольцевая перегородка выполнена диаметром D₁, равным 0,7 0,9 от D₀ внутреннего диаметра цилиндрической емкости, а диаметр D₂ осевого отверстия кольцевой перегородки выполнен равным 0,1 0,3 от D₁ диаметра кольцевой перегородки.