Лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор Российский патент 2021 года по МПК C12M1/02 C12M1/04 C12M1/34 C12M1/36 C12M3/00 

Изобретение относится к устройствам для культивирования низших фототропов (микроводорослей), а также для проведения биохимических процессов с использованием жидких сред различной вязкости, в частности при культивировании клеток тканей и микроорганизмов в питательных средах повышенной или изменяющейся вязкостью. Изобретение может быть использовано в учебном процессе на биологических факультетах различных учебных заведений (от школ до университетов), а также в качестве экспериментального фото- и биореактора (ферментера) при организации промышленного производства.

Известен биореактор, 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 пропуска 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 (WO 92105245, C12N 5/00, 02.04.1992).

Конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям и не обеспечивает эффективное перемешивание вязкой культуральной среды при проведении биохимических процессов. Наличие направляющего аппарата вокруг активатора приводит к потере мощности газового вихря и, одновременно, к увеличению разряжения в приосевой зоне биореактора вследствие чего при высоких скоростях движения газа над поверхностью последней происходит захват капель с культивируемыми клетками и выброс их на стенку емкости, что приводит к травмированию и гибели, например, растительных или животных клеток. «Каплеотрыв» может быть эффективным режимом только при культивировании, например, дрожжевых культур.

Известен биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно перемешиваемой среды. Этот механизм может содержать стойки, прикрепленные к крышке емкости и кольцевой перегородке при помощи фиксаторов и позволяющие изменять положение перегородки по высоте емкости (RU 2099413 C1, С12М 1/04, 20.12.1997).

Недостаток биореактора заключается в том, что при креплении неподвижно кольцевой перегородки ею создается большое сопротивление движению вязкой культуральной среды, что ухудшает процесс ее перемешивания. Использование плавающей кольцевой перегородки приводит к тому, что она выбрасывается на поверхность жидкости и периодически колеблется со смещением ее к стенке емкости, что ухудшает процесс перемешивания. Конструкция биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям

Известен биореактор (RU, 2299903, С12М 1/04, опубл. 27.05.2007 г.), включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды. Этот механизм содержит вертикально установленную по оси емкости штангу и размещенную на ней втулку, связанную при помощи стоек с кольцевой перегородкой для ее вращения на штанге. Механизм регулирования положения кольцевой перегородки может быть снабжен фиксатором ее положения относительно штанги, содержащим дополнительную втулку, расположенную между штангой и втулкой кольцевой перегородки, ограничителями хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементом. Штанга установлена с возможностью ее осевого перемещения.

Однако данный реактор работает в жидких средах, вязкость которых не превышает вязкость воды более, чем в 2 раза. При культивировании растительных и животных клеток, склонных к агломерации, особенно в вязкой среде или среде с изменяющейся вязкостью, существует проблема оседания клеток или кластеров клеток на верхнюю поверхность кольцевой перегородки. При развитии, закрепившихся на поверхности шайбы агломератов клеток происходит гибель нижних слоев клеток и отравление продуктами лизиса окружающей среды, что негативно сказывается на результатах культивирования. Конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям.

Известна установка для выращивания одноклеточных водорослей, включающая установленный на опоре поддон, расположенные на нем в кольцевом ряду сосуды из прозрачного материала для культуральной жидкости и источник искусственного освещения в виде лампы (патент РФ №2203938, МПК C12N 1/12, опубл. 10.05.2003 г.). В поддоне по центру выполнено отверстие, при этом лампа снабжена средством ее перемещения через это отверстие в рабочее положение между сосудами и в нерабочее положение под поддоном, состоящее из двух расположенных один над другим пластинчатых дисков, жестко связанных между собой при помощи стержней, причем нижний диск служит опорой для лампы, а верхний - отражателем света и крышкой для отверстия в поддоне при размещении лампы под ним.

Известна установка для культивирования низших фототрофов, включающая фотобиореактор, систему освещения и установочную площадку (Патент РФ на полезную модель №150345, МПК C12N 1/12, опубл. 10.02.2015 г.). Установку дополняют системой термостабилизации в виде жестко соединенного с фотобиореактором водяного контура и системой обеспечения непрерывного режима культивирования, содержащей емкости для питательной среды, программируемое реле времени и электромагнитный клапан, при этом установочная площадка состоит из верхней и нижней полок, система освещения, размещенная на нижней полке, включает горизонтальные световые решетки, расположенные за фотобиореактором. На верхней полке располагают емкости для питательной среды с возможностью подачи питательной среды в фотобиореактор, где фотобиореактор плоско-параллельного типа объемом 3 литра, выполненный с возможностью перемещения относительно горизонтальных световых решеток, имеет зеркальные боковые стенки и стеклянные фронтальные стенки, а также дно, расположенное под углом 25°.

Однако конструкция указанного фотобиореактора не обеспечивает возможность масштабирования технологии культивирования на объемы свыше 3-5 литров, а также сложен в техническом обслуживании между процессами культивирования (разборка биореактора, промывка его внутреннего объема, стерилизация и сборка), а также не обеспечивает возможность эффективного культивирования растительных и животных культур клеток. Конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям.

Известен биореактор для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащий емкость с крышкой и устройство для перемешивания и аэрации микроорганизмов, включающее патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, размешенные в крышке емкости, и выполненное с возможностью создания на поверхности суспензии закрученного потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря и несколько кольцевых перегородок с открытыми снизу полыми поплавками, установленные в емкости соосно им на вертикальной оси на расстоянии друг от друга с возможностью вращения и возвратно-поступательного по ней перемещения с образованием зазора между стенкой емкости и кольцевыми перегородками (патент РФ №2471863, МПК С12М 1/04, опубл. 10.01.2013 г.). Крышка, емкость реактора и кольцевые перегородки выполнены из оптически прозрачных материалов. Биореактор снабжен источниками искусственного освещения, установленными соответственно в полостях поплавков кольцевых перегородок. Крышка емкости имеет жесткую конструкцию, а емкость выполнена в виде одноразовой или многоразовой съемной оболочки и снабжена средствами для ее крепления соответственно к крышке и днищу емкости реактора. Оболочка емкости выполнена из мягкого оптически прозрачного упруго-эластичного полимерного материала.

Однако такой биореактор не предназначен для культивирования растительных и животных культур клеток в условиях лаборатории. Кроме того, конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям.

Известен аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов (патент РФ №2135579, МПК С12М 1/04, опубл. 27.08.1999 г.), 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, кольцевую перегородку, установленную в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток, выполненный в виде направляющих элементов и поплавков.

Однако выше приведенное устройство не универсально и не позволяет культивировать низшие фототропы (микроводоросли).

Наиболее близким аналогом (прототипом) является биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу, в верхней части емкости, и горизонтальной кольцевой перегородки, установленной в емкости с зазором относительно ее цилиндрических стенок, вертикально установленную по оси емкости штангу, на которой размещена с возможностью вращения горизонтальная кольцевая перегородка и механизм фиксации горизонтальной кольцевой перегородки на штанге (патент РФ №2538170, МПК C12N 1/12, опубл. 10.01.2015 г.). Биореактор снабжен трубой или телескопической трубой, состыкованной с осевым отверстием горизонтальной кольцевой перегородки, прикрепленной снизу к последней и расположенной вокруг штанги, а в горизонтальной кольцевой перегородке выполнены радиальные каналы, расположенные от осевого отверстия до края кольцевой перегородки с наклоном к низу в сторону днища емкости. Горизонтальная кольцевая перегородка выполнена плавучей, например, из полипропилена. Внутренний диаметр трубы или телескопической трубы соответствует диаметру осевого отверстия горизонтальной кольцевой перегородки. Площадь осевого отверстия горизонтальной кольцевой перегородки равна суммарной площади сечений на входе в радиальные каналы и суммарной площади сечений на выходе из этих радиальных каналов.

Однако и такой аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов не универсален и не позволяет культивировать низшие фототропы (микроводоросли) как в лабораторных, так и в промышленных масштабах.

Техническим результатом является создание более универсального лабораторного мультиплатформенного биореактора, обеспечивающего возможность культивирования в лабораторных условиях микроорганизмы, растительные и животные культуры клеток и микроводоросли (низшие фототропы) в зависимости от поставленных исследовательских задач.

Указанный технический результат достигается тем, что в лабораторном мультиплатформенным газовихревом биореакторе 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 валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую плавучую перегородку, установленную в цилиндрической емкости с возможностью вращения соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой плавучей перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки относительно поверхности суспензии клеток, выполненный в виде поплавков, выполненных сверху на теле указанной кольцевой перегородки с зазором относительно друг друга и образующих между собой радиальные каналы, расположенные от осевого отверстия до края указанной кольцевой перегородки, согласно изобретения, биореактор снабжен съемным оптически прозрачным полым цилиндрическим стаканом, выполненным с возможностью размещения в нем источника освещения и/или блока видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования, и установленным под кольцевой плавучей перегородкой, нижний открытый торец которого герметично прикреплен к днищу емкости и образует между цилиндрической стенкой емкости и цилиндрической стенкой стакана кольцевую зону суспензионного культивирования биологических объектов; механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки относительно поверхности суспензии клеток снабжен осью, установленной соосно горизонтальному лопастному колесу с возможностью ее крепления на торцевой стенке цилиндрического стакана, а устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевым плавучим элементом, расположенным в зазоре между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой плавучей перегородкой с возможностью вращения и содержащим радиально расположенные съемные лопатки для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента, и/или содержит игольчатые элементы для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, выполненные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента.

Источник освещения размещен в прозрачном полом цилиндрическом стакане с зазором и содержит светодиодную ленту, закрепленную на внешней поверхности металлической трубы и установленную с кольцевым зазором в стеклянной трубе и узел принудительного охлаждения светодиодной ленты, выполненный в виде осевого вентилятора, выходной канал которого соединен с металлической трубой со светодиодной лентой для формирования вокруг светодиодной ленты циркулирующего потока воздуха.

Кольцевая плавучая перегородка выполнена одно- или двухъярусной, а радиальные каналы в каждом ярусе расположены тангенциально и направлены против часовой стрелки.

Кольцевой плавучий элемент может содержать сквозные отверстия для перетока жидкой питательной среды, выполненные на одинаковом расстоянии в теле кольцевого плавучего элемента со стороны его цилиндрической поверхности.

Заявляемый лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена схема лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора с полным комплектом оборудования (платформа №1), предназначенного для культивирования микроводорослей (низших фототропов). На фиг. 2 представлена схема лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора без кольцевого плавучего элемента с мешалкой и игольчатых элементов для поверхностного барботирования (платформа №2). Такой биореактор предназначен для культивирования бактерий и культур клеток в лабораторных масштабах, не требующих повышенной аэрации. На фиг. 3 представлена схема лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора без внутреннего прозрачного стакана, кольцевого плавучего элемента с мешалкой и игольчатых элементов для поверхностного барботирования (платформа №3). Такой биореактор предназначен для культивирования в лабораторных и промышленных масштабах бактерий и культур клеток, не требующих повышенной аэрации. На фиг. 4 приведен вид А сверху фигуры 5. На фиг. 5 приведен узел перемешивания и аэрации суспензии, включающий кольцевую плавучую перегородку, кольцевой плавучий элемент с мешалкой и игольчатыми элементами для поверхностного барботирования. На фиг. 6 приведен вид Б сбоку фигуры 5. На фиг. 7 изображен кольцевой плавучий элемент с лопастной мешалкой и игольчатыми элементами для поверхностного барботирования.

Лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор для суспензионного культивирования клеток тканей, микроорганизмов или микроводорослей содержит оптически прозрачную цилиндрическую емкость 1 с крышкой 2 и патрубками 3, 4 соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо 5, укрепленное на вертикальном валу 6 и размещенное в верхней части емкости 1 непосредственно под крышкой 2, кольцевую плавучую перегородку 7 со сквозным осевым отверстием 8, установленную в цилиндрической емкости 1 с возможностью вращения соосно лопастному колесу 5 с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости 1 и кольцевой плавучей перегородкой 7. Вал 6 соединен с приводом вращения колеса 5, расположенным на крышке 2 емкости 1. Механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток микроорганизмов выполнен в виде поплавков 9, расположенных сверху (одноярусная перегородка 7, фиг. 1) или сверху и в теле указанной кольцевой перегородки 7 (двухъярусная перегородка 7, фиг. 5) с зазором относительно друг друга и образующих между собой радиальные каналы 10, расположенные от осевого отверстия 8 до края указанной кольцевой перегородки 7. Биореактор снабжен съемным оптически прозрачным полым цилиндрическим стаканом 11, выполненным с возможностью размещения в нем источника 12 освещения и/или блока 13 видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования, и установленным под кольцевой плавучей перегородкой 7. Нижний открытый торец стакана 11 герметично прикреплен к днищу 14 емкости 1 и образует между цилиндрической стенкой емкости 1 и цилиндрической стенкой стакана 11 кольцевую зону 15 суспензионного культивирования биологических объектов. Механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток снабжен осью 16, установленной соосно горизонтальному лопастному колесу 5 с возможностью ее крепления на торцевой стенке 17 цилиндрического стакана 11. Устройство для аэрации и перемешивания среды (фиг. 1, 4-6) снабжено кольцевым плавучим элементом 18, расположенным в зазоре между цилиндрической стенкой емкости 1 и кольцевой плавучей перегородкой 7 с возможностью вращения и содержащим радиально расположенные съемные лопатки 19 для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента 7, и/или содержит игольчатые элементы 20 для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, выполненные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента 18.

Источник 12 освещения размещен в прозрачном полом цилиндрическом стакане 11 с зазором и содержит светодиодную ленту 21, закрепленную на внешней поверхности металлической трубы и установленную с кольцевым зазором в стеклянной трубе 22 и узел принудительного охлаждения светодиодной ленты 21, выполненный в виде осевого вентилятора 23, выходной канал которого соединен с металлической трубой 22 светодиодной ленты 21 для формирования вокруг последней циркулирующего потока воздуха.

Кольцевая плавучая перегородка 7 выполнена одно- или двухъярусной, а радиальные каналы 10 в каждом ярусе расположены тангенциально и направлены против часовой стрелки. Указанная плавучая перегородка 7 может быть снабжена лопатками «В» для дополнительного ее раскручивания вихревым потоком. Кольцевая плавучая перегородка 7 обеспечивает функционирование биореактора в оптимальном режиме при заполнении его объема от 10 до 90%. Одноярусная плавучая перегородка 7 может функционировать при скорости вращения лопастного колеса 5 до 2000 об/мин. При скорости вращения лопастного колеса 5 свыше 2000 об/мин центральный восходящий поток культуральной среды способен выталкивать одноярусная плавучую перегородку 7 на поверхность указанной среды. При этом происходит запирание стока восходящего потока культуральной среды, которая начинает вращаться как квази твердое тело. При отсутствии восходящего потока одноярусная плавучая перегородка 7 возвращается на исходную глубину и процесс ее всплытия в этом режиме повторяется, что нарушает процесс культивирования при высоких оборотах лопастного колеса 5. Двухъярусная плавучая перегородка 7 устраняет указанные недостатки и позволяет обеспечивать процесс культивирования как на низких оборотах лопастного колеса 5, так и на скорости более 2000-2500 об/мин.

Кольцевой плавучий элемент 18 (фиг. 7) может содержать сквозные отверстия 24 для перетока жидкой питательной среды, выполненные на одинаковом расстоянии в теле кольцевого плавучего элемента 18 со стороны его цилиндрической поверхности.

Кольцевой плавучий элемент 18 с игольчатыми элементами 20 для поверхностного барботирования может быть выполнено из полипропилена (плотность 9,6 г/см³) с остроконечными коническими выступами на его верхней плоскости высотой 3-5 мм. С помощью дополнительных грузиков и поплавков плавучий элемент 18 балансируют так, чтобы при погружении в культуральную среду острия конусов находились на уровне поверхности среды. Плавучий элемент 18 в процессе культивирования находится всегда в зоне формирования нисходящего потока культуральной среды. Газовый вихрь деформирует поверхность среды над игольчатыми элементами 20 в виде конических выступов за каждым из которых формируется шлейф из воздушных пузырьков, которые перед всплытием успевают погрузиться в среду на глубину 5-10 мм вследствие чего она насыщается газом (например, кислородом или углекислым газом). Насыщенная газом среда опускается по спирали до дна биореактора, обеспечивая аэрацию по всему объему среды.

Суспензионное культивирование с использованием заявляемого лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора осуществляют следующим образом.

В зависимости от вида культивируемых биообъектов выбирают платформу №1, 2 или 3 биореактора с разным составом оборудования.

Пример 1. Для культивирования микроводорослей (низших фототропов) используют платформу №1 биореактора (фиг. 1). В емкость 1 в стерильных условиях устанавливают оборудование как показано на фиг. 1 и заполняют питательной средой через патрубок (на чертеже не показан) так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 под крышкой 2 оставалась полость для движения аэрирующего газа, кольцевая перегородка 7 с поплавками 9 располагалась в питательной среде у ее поверхности. Далее вводят посевную дозу фотосинтезирующих клеток микроорганизмов, например хлореллы (в количестве 0,1 г на 1 л питательной среды.), и включают привод вращения лопастного колеса 5, который подает через патрубок 3 воздух, обогащенный, например, углекислым газом (для хлореллы) тангенциально в емкость 1, а через патрубок 4 отработанный газ. Система обогащения воздуха углекислым газом на чертеже не показана. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 5 вентилятора. Над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости 1. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в кольцевой зоне 15 культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием между внешней стороной цилиндрической поверхности стакана 11 и емкостью 1. Кольцевой плавучий элемент 18 с лопатками 19 и кольцевая перегородка 7 вращаются в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживаются на плаву. Лопатки 19 дополнительно способствуют перемешиванию суспензии, а игольчатые элементы 20 способствуют более интенсивному поверхностному барботированию культуральной жидкости. В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что уменьшает травмирование клеток. При этом обеспечиваются оптимальные условия культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Источник 12 обеспечивает достаточное равномерное освещение кольцевой зоны 15 суспензии хлореллы, толщина которой составляет 30-50 мм. Процесс ведут непрерывно до нарастания биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, например водоросли хлореллы до 15-20 г на 1 л суспензии, после чего сливают часть суспензии (урожай), доливают свежую питательную среду и продолжают процесс культивирования.

Пример 2. Для подготовки мультиплатформенного газовихревого биореактора в виде платформы №2 из емкости 1 вынимают кольцевой плавучий элемент 18 с мешалкой 19 и игольчатыми элементами 20 для поверхностного барботирования, а также источник освещения 12. Платформа №2 позволяет культивировать бактерии и культуры клеток в лабораторных условиях, наблюдая и регистрируя указанный процесс с использованием блока 13 видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования (фиг. 2), что очень важно при проведении научных исследований в лабораторных условиях. Процесс культивирования осуществляют следующим образом. В емкость 1 в стерильных условиях устанавливают оборудование как показано на фиг. 2 и заполняют питательной средой через патрубок (на чертеже не показан) так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 под крышкой 2 оставалась полость для движения аэрирующего газа, кольцевая перегородка 7 с поплавками 9 располагалась в питательной среде у ее поверхности. Далее вводят посевную дозу животных или растительных клеток и включают привод вращения лопастного колеса 5, который подает через патрубок 3 воздух, обогащенный кислородом (например для животных клеток Vero) в емкость 1, а через патрубок 4 отработанный газ. Система обогащения воздуха кислородом на чертеже не показана. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 5 вентилятора. Над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости 1. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в кольцевой зоне 15 культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием между внешней стороной цилиндрической поверхности стакана 11 и внутренней поверхностью емкости 1. В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что уменьшает травмирование клеток. При этом обеспечиваются оптимальные условия культивирования растительных или животных клеток. Процесс ведут непрерывно до нарастания биомассы клеток после чего сливают часть суспензии (урожай), доливают свежую питательную среду и продолжают процесс культивирования.

Пример 3. Культивирование бактерий, клеток животных или растений в промышленных масштабах используют платформу №3 (фиг. 3). Для этого из емкости 1 убирают кольцевой плавучий элемент 18 с мешалкой 19 и игольчатыми элементами 20, а также демонтируют стакан 11. При культивировании микроорганизмов, например бактерий, клеток животных или растений цилиндрическую емкость 1 с установленной в ней кольцевой плавучей перегородкой 7 с лопатками «В» (фиг. 3) в стерильных условиях заполняют питательной средой так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 7 располагалась в питательной среде с выступающими лопатками «В» над жидкой средой. Далее устанавливают, например, для культивирования клеток растений или животных, требуемый температурный режим, вводят также посевную дозу клеток и включают привод вращения лопастного колеса 5. В зависимости от требований технологии культивирования устанавливают необходимое число оборотов вращения колеса 5, при вращении которого над поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. Кольцевая плавучая перегородка 7 вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается у поверхности жидкости с лопатками «В», расположенными над поверхностью жидкости за счет собственной плавучести. В процессе культивирования кольцевая перегородка 7 повышает интенсивность циркуляции жидкости (в виде тангенциального вихревого движения с осевым противотоком). Жидкая среда с микроорганизмами или клетками животных или растений в виде восходящего потока поднимается вверх и через осевое отверстие 8 перегородки 7 перетекает через тангенциальные радиальные каналы 10 этой перегородки 7 вниз вдоль цилиндрических боковых стенок емкости 1. Тангенциальная форма радиальных каналов 10 указанной кольцевой перегородки 7 не позволяют закрепляться на ее поверхности агломератам клеток, которые сбрасываются с указанной перегородки 7 потоком жидкости. Причем, в процессе культивирования газ аэрирует клетки животных, растений или микроорганизмы на поверхности жидкости. В результате такой аэрации в культуральной жидкости не образуются пузырьки газа и пена и не происходит травмирование клеток и микроорганизмов. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что также уменьшает травмирование клеток. Увеличение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии клеток позволяет осуществлять их культивирование без образования застойных зон. При этом обеспечиваются нормальные условия культивирования микроорганизмов. Полученная биомасса отводится через соответствующий патрубок (на чертежах не показан).

Из описания изобретения видно, что заявляемый лабораторный мультиплатформенный биореактор в зависимости от выбранной платформы №1, 2 или 3 обеспечивает возможность культивирования в лабораторных условиях микроорганизмы, культуры клеток или микроводоросли (низшие фототропы) с исследовательскими целями, визуально наблюдать за биотехнологическими процессами и записывать их на видиокамеру, масштабировать указанные процессы, что подтверждает его универсальность и, таким образом, обеспечивается заявляемый технический результат.

Изобретение относится к области биотехнологии. Предложен лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов. Биореактор содержит емкость с крышкой, патрубки, включающее горизонтальное лопастное колесо и кольцевую плавучую перегородку устройство для аэрации и перемешивания среды, механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки относительно поверхности суспензии клеток, съемный оптически прозрачный полый цилиндрический стакан для размещения в нем источника освещения и/или блока видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования. Механизм стабилизации снабжен осью, причем ось установлена соосно горизонтальному лопастному колесу с возможностью ее крепления на торцевой стенке цилиндрического стакана, а устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено расположенным в зазоре между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой плавучей перегородкой кольцевым плавучим элементом. При этом биореактор содержит прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента радиально расположенные съемные лопатки и/или выполненные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента игольчатые элементы для поверхностного барботирования жидкой питательной среды. Изобретение обеспечивает создание универсального биореактора, обеспечивающего возможность культивирования в лабораторных условиях микроорганизмов, растительных и животных культур клеток, а также микроводорослей. 3 з.п. ф-лы, 7 ил., 3 пр.

1. Лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий оптически прозрачную 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 валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую плавучую перегородку, установленную в цилиндрической емкости с возможностью вращения соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой плавучей перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки относительно поверхности суспензии клеток, выполненный в виде поплавков, выполненных сверху в теле указанной кольцевой перегородки с зазором относительно друг друга и образующих между собой радиальные каналы, расположенные от осевого отверстия до края указанной кольцевой перегородки, отличающийся тем, что биореактор снабжен съемным оптически прозрачным полым цилиндрическим стаканом, выполненным с возможностью размещения в нем источника освещения и/или блока видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования, и установленным под кольцевой плавучей перегородкой, нижний открытый торец которого герметично прикреплен к днищу емкости и образует между цилиндрической стенкой емкости и цилиндрической стенкой стакана кольцевую зону суспензионного культивирования биологических объектов; механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки относительно поверхности суспензии клеток снабжен осью, установленной соосно горизонтальному лопастному колесу с возможностью ее крепления на торцевой стенке цилиндрического стакана, а устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевым плавучим элементом, расположенным в зазоре между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой плавучей перегородкой с возможностью вращения и содержащим радиально расположенные съемные лопатки для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента, и/или содержит игольчатые элементы для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, выполненные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента.

2. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что источник освещения размещен в прозрачном полом цилиндрическом стакане с зазором относительно его стенок и содержит светодиодную ленту, закрепленную на внешней поверхности металлической трубы и установленную с кольцевым зазором в стеклянной трубе, и узел принудительного охлаждения светодиодной ленты, выполненный в виде осевого вентилятора, выходной канал которого соединен с металлической трубой светодиодной ленты для формирования вокруг последней циркулирующего потока воздуха.

3. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что кольцевая плавучая перегородка выполнена одно- или двухъярусной, а радиальные каналы в каждом ярусе расположены тангенциально и направлены против часовой стрелки.

4. Биореактор по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой плавучий элемент содержит сквозные отверстия для перетока жидкой питательной среды, выполненные на одинаковом расстоянии в теле кольцевого плавучего элемента со стороны его цилиндрической поверхности.