Аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток Советский патент 1992 года по МПК C12M1/04 

Изобретение относится к микробиологической, медицинской промышленности и может быть использовано для получения биомассы и продуктов биосинтеза клеток микроорганизмов, а также клеток животного и растительного происхождения. Данный аппарат также можно использовать для культивирования филаментозных культур.

При аэробном микробном синтезе используются биореакторы, отличающиеся высоким газосодержанием, большой единичной мощностью и высоким уровнем мас- сообменныхпроцессов.Для

, культивирования клеток животных и растений, как правило, используют культивирование в монослое неподвижной питательной среды. В этом случае существенным недостатком является большая продолжительность культивирования и низкий выход

целевых продуктов, обусловленный недостаточным уровнем массопередачи компонентов питательной среды к клеткам и неравномерностью распределения фаз.

Известны конструкции аппаратов с вибрационной системой перемешивания, отличительной особенностью которых является наличие подвижного штока с пакетом жестких контактных элементов. Шток совершает возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости (Авт.св. СССР №510504, кл. С 12 В 1/10, опублик. 26.12.74; авт.св. СССР, № 755835 кл. С 12 В 1/10, опублик. 15.08.80; авт.св. СССР, № 380699, кл. С 12 В 1/10, опублик. 06.10.71).

К недостаткам перечисленных аппаратов относится ограниченная возможность их использования для культивирования животных, растительных клеток и филаментозч -ч ы о ы о

ных культур, обусловленная высокой насыщенностью питательной среды газовой фазой, которая неблагоприятно воздействует на жизнедеятельность клеток животных и растений, Большая часть биореакторов с вибрационным перемешиванием ориентирована на большие концентрации клеток микроорганизмов и, следовательно, на высокий уровень массообменных процессов, который достигается введением значительной энергии на перемешивание и аэрацию. При высокой интенсивности перемешивания в зоне перемещения контактных элементов возникают значительные касательные напряжения, которые отрицательно влияют на клетки, повреждая их обо- лочку, или приводят к разрыву гиф филаментозных культур.

Наиболее близким по конструкции является аппарат для выращивания микроорганизмов (авт.св. СССР № 759586, кл. С 12 С 1/10, опублик.30,08.80). Аппарат выполнен в виде вертикальной емкости, в которой перемещается шток с жесткими перегородками, имеющими отверстия. Перемещение штока осуществляется от внешнего побудителя колебаний. Контактные элементы при движении дробят газовую фазу и обеспечивают равномерное распределение взаимодействующих фаз. В процессе равномерного распределения фаз по объему аппарата существенную роль играет диффузоре кольцевыми щелями. Использование диффузора и подвижных контактных элементов, создает циркуляционный контур по периферии аппарата. Для достижения высокого уровня массопередачи кислорода - до 28 кг кислорода на 1 м3 в 1 ч требуется введение значительной энергии. Высокая эиергонасыщенность аппарата неблагоприятно воздействует на клетки животных, растений и филаментозные культуры. Это обусловлено тем, что дробление газовой фазы и создание потоков жидкости в отверстиях и периферии контактных элементов, достигается за счет высокой отно- сительной скорости движения фаз и возникновения значительных касательных напряжений в зоне перемешивания.

При культивировании клеток животных, растений и филаментозных культур необходимо снижение относительной скорости движения взаимодействующих фаз для создания мягких условий перемешивания, при которых обеспечивается омывание клеток питательной средой.

Целью изобретения является создание конструкции аппарата для выращивания микроорганизмов или клеток, в котором с целью повышения выхода целевы х продуктов за счет более полного перемешивания, аэрирования и ликвидации застойных зон, в аппарате, представляющем цилиндрическую герметичную емкость с технологическими патрубками, размещено устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного перемещения .в

0 вертикальной плоскости и размещенные на нем по всей высоте емкости гибкие пластины, диаметр которых меньше диаметра аппарата, при этом одна из них расположена в азрационной зоне, которая находится в

5 верхней части аппарата и отделена от зоны культивирования пакетом неподвижных, прикрепленных к стенке, конических перфорированных элементов с отбортовкой, над которыми расположена прикрепленная к

0 штоку вибрирующая перегородка с коническими отверстиями, направление конусности которых чередуется по концентрическим окружностям, одновременно выполняющая роль поверхностного

5 аэратора и механического пеногасителя.

Новым в предложенной конструкции является замена статического аэратора-бар- ботера на систему динамической поверхностей аэрации. Это достигается ус0 тановкой на штоке жесткой перфорированной поперечной перегородки, совершающей возвратно-поступательное движение. Для создания аэрационного эффекта аэрирующая перегородка располага5 ется вблизи поверхности жидкости. Отличительной особенностью аэрирующей перегородки является то, что отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположе0 ны по концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз. Применение конических отверстий позволяет создать дополнительную

5 турбулизацию поверхностного слоя жидкости, усиливающую поверхностную аэрацию. Аэрирующая перегородка одновременно выполняет роль механического пеногасителя.

0Вторым элементом новизны является

разделение всего объема аппарата на две зоны: зону локальной аэрации и зону культивирования. Это достигается установкой пакета неподвижных конических (сужаю5 щейся частью вниз) перфорированных отражательных элементов с отбортовкой вниз между аэрирующей пластиной и гибкими пластинами. Установка отражательных элементов служит для предотвращения транспорта клеток гибкими пластинами в

аэрационную зону и формирования цирку ляционного потока жидкости, содержащей клетки, который образуется в пристенной зоне и направлен в нижнюю масть аппарата.

Третьим элементом новизны является применение гибких пластин равномерного или переменного сечения, у которых имеются прорези, сегментирующие их на отдельные элементы. Для достижения требуемого эффекта мягкого перемешивания используются пластины из инертного термостойкого материала. Выбор материала обусловлен необходимостью термической стерилизации аппарата. При знакопеременном движении штока с пакетом пластин последние изгибаются вследствие сопротивления жидкости. Прорези и переменное сечениеуменьшают жесткость пластин и создают дополнительные зоны турбулизации среды. Сочетание малой жесткости пластин и выбор необходимой интенсивности колебаний позволяет исключить ингибирующее действие касательных напряжений на клетку. Пластины имеют диаметр не более 0,5 диаметра аппарата, что обеспечивает создание пристенной ц-иркуляционной зоны, Выбор диаметра гибких пластин определен требованием по созданию циркуляционной зоны для седиментации клеток. При диаметре пластины более 0,5 диаметра аппарата происходит нарушение гидродинамики циркуляционного контура.

На чертеже схематично изображен предлагаемый аппарат.

Аппарат состоит из герметичной емкости 1 и оборудован штуцером 2 и фильтром 3 для подачи и стерилизации воздуха, штуцером 4 и фильтром 5 для удаления и очистки отработанного воздуха, штуцером б для загрузки питательной среды и посевного материала, устройством 7 для температурной стабилизации, пробоотборником 8, штуцером 9 для подачи охлаждающей воды, штуцером 10 для выгрузки содержимого аппарата. Внутри аппарата расположен вертикальный шток 11с пакетом гибких пластин 12, и одна из них расположена в аэрационной зоне. Отвод охлаждающей воды производится через штуцер 13. Аэраци- онная зона отделена от зоны культивирования пакетом неподвижных перфорированных конических элементов 14, прикрепленных к стенке аппарата. Конические элементы имеют в верхней части от- бортовку. Аэрация и пеногашение осуществляются жесткой перфорированной перегородкой 15, имеющей конические отверстия, выполненные в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположенные по концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз.. Герметичность соединения штока 11 с емкостью 1

обеспечивается сильфоном 16.

Аппарат работает следующим образом. В аппарат после термической стерилизации подается стерильная питательная среда и посевной материал. Обьем пита0 тельной среды в аппарате выбирается так. чтобы уровень среды обеспечивал погружение аэрирующей перегородки 15 в поверхностный слой жидкости. Через штуцер 2 и фильтр 3 в верхнюю часть аппарата посту5 паетстерильный воздухдля газообмена. Отработанный воздух через штуцер 4 выходит из аппарата. Шток 11 соединен с внешним побудителем колебаний и совершает возвратно-поступательное перемещение, вме0 сте с ним перемещаются пакет гибких пластин 12 и аэрирующая перегородка 15.

В аэрационной зоне при возвратно-поступательном перемещении перегородки 15 возникают знакопеременные потоки жидко5 сти, направленные вверх при движении пла- стины вниз и направленные вниз при движении пластины вверх. При таком движении происходит захват воздуха и транспорт его в аэрационную зону.

0 Дополнительное дробление газа осуществляет гибкая пластина 12, установленная в аэрационной зоне. С ее помощью часть газовых пузырей попадает под пакет конических перфорированных элементов 14. Га5 зовые пузыри, находящиеся под коническими элементами, всплывают, попадая в зону, образованную отбортовкой, и удаляются из зоны аэрации.

Пластины 12 располагаются равномер0 но по высоте аппарата. При вибрационном перемешивании нижняя пластина расположена у днища аппарата и служит для подь- ема оседающих в циркуляционной зоне клеток. Каждая вышерасположенная пла5 стина выполняет роль транспортирующего элемента, направляя клетки в аэрационную зону, из которой они по пристенной циркуляционной зоне возвращаются в нижнюю часть аппарата.

0 Увеличение выхода целевого продукта достигается в результате создания гидродинамической обстановки, которая обеспечивает более полное перемешивание, аэрирование и ликвидацию застойных зон в

5 аппарате.

Предлагаемый аппарат позволяет значительно увеличить выход целевого продуктанапримереполученияальфа-интерферона. Так, при соблюдении высокой асептики процесса активность альфа-интерферона, полученного при вибрационном перемешивании, превысила в 3 раза активность препарата, полученного в монослое при культивировании спленоцитарных клеток.

Формула изобретения 1. Аппарат для выращивания микроорганизмов или клеток, содержащий цилиндрическую герметичную емкость с технологическими патрубками и размещенное в емкости устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательно- го перемещения в вертикальной плоскости и размещенные на нем по всей высоте емкости пластины, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода целевого продукта за счет более полного перемеши- вания, аэрирования и ликвидации застойных зон, в верхней части емкости по всему ее сечению расположены поперечная перегородка с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней в виде пакета конические перфорированные отражательные элементы, прикрепленные к стенке емкости, при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами.

2.Аппарат по п.1, отличающийся тем, что диаметр пластин составляет не более 0,5 диаметра емкости.

3.Аппарат по п.1,отличающийся тем, что плёстины выполнены гибкими.

4.Аппарат по п.1, отличающийся тем, что отверстия в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположены по концентрическим окружностям по всей площади перегородки с чередованием обращения больших оснований этих конусов вверх-вниз.

Использование: микробиологическая промышленность, получение биомассы и продуктов биосинтеза микроорганизмов, а также клеток животных и растений. Сущность изобретения: аппарат содержит емкость и размещенное в емкости устройство для перемешивания среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения. В верхней части емкости расположены поперечная перегородка с отверстиями, укрепленная на штоке, и размещенные под ней в виде пакета конические перфорированные отражательные элементы, прикрепленные к стенке емкости, при этом одна из пластин, верхняя, расположена между перегородкой и коническими элементами. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.