РЕАКТОР ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ
REACTOR FOR PERFORMANCE OF BIOTECHNOLOGICAL PROCESSES UNDER CONDITIONS OF ZERO GRAVITY

Изобретение относится к устройствам для культивирования клеток тканей и микроорганизмов в условиях отсутствия силы земной гравитации и может быть использовано в космической биотехнологии.
Известен биореактор для культивирования культур клеток на микроносителях в условиях микрогравитации (патент США №5002890, МПК С12М 3/06, опубл. 26.03.1991). Биореактор содержит вертикальную осесимметричную камеру, в которой соосно установлено с возможностью вращения фильтрующее устройство, вокруг которого расположены с возможностью вращения гибкие мембраны. Жидкая питательная среда поступает в камеру с клетками, иммобилизованными на микроносителях, через фильтрующее устройство из замкнутой системы подготовки питательной среды и ее аэрации. Аэрация питательной среды газообразными компонентами производится перфузионно через полупроницаемую мембрану. Выпуск использованной среды производится в ту же замкнутую систему. В замкнутой системе входные и выходные параметры считываются датчиками, посредством которых добавляется питательные вещества и регулируется рН, а также подается кислород, удаляется двуокись углерода и устраняются пузырьки газа. Указанная система находится под управлением и контролем микропроцессора. Данная конструкция биореактора предназначена для работы в условиях невесомости.
Однако такое устройство сложно как конструктивно, так и в процессе эксплуатации и имеет низкие массообменные характеристики вследствие перфузионного способа аэрации суспензии клеток.
Известен биореактор, предназначенный для эксплуатации в условиях микрогравитации (патент США №5846817, МПК С12М 1/06, опубл. 08.12.1998), включающий, по крайней мере, одну камеру для культивирования клеток, систему подачи кислорода и устройство для перемешивания культуры клеток. Перемешивающее устройство установлено в камере и выполнено в виде двух соосно расположенных спиральных перегородок с зазором относительно друг друга и стенок камеры. Одна из перегородок снабжена приводом вращения.
Однако, несмотря на работоспособность такой конструкции в условиях микрогравитации, она имеет низкую эффективность перемешивания и газообмена.
Известен биореактор с дистанционным управлением для культивирования клеток как на земле, так и при слабой гравитации (заявка на патент США №2002/0146816, МПК С12М 1/00, опубл. 10.10.2002), который содержит цилиндрическую емкость, с приводом ее вращения на оси, и систему, обеспечивающую поступление свежей или рециркулирующей жидкости и удаление по выбору использованной среды, подлежащей рециркуляции или фильтрации, или нефильтрованной среды для сбора образцов. Емкость биореактора включает две крышки, наливные отверстия и полимерный фильтр. Система газообмена между культуральной средой и внешними газами включает газопроницаемый трубопровод необходимой длины, перистальтический насос и полимерную емкость для хранения свежей среды. Полимерная емкость и перистальтический насос используются для дозированной подачи, перфузии или забора образцов. Корпус биореактора и трубопровод имеют дополнительный уровень биохимической защиты. Все прижимные клапаны для периодического сбора образцов взвешенных клеток или бесклеточной полимерной пористой матрицы и вентилятора. Компьютерная программа с графическим пользовательским интерфейсом для автоматического и/или роботизированного контроля всех функций, включающих, главным образом, вращение емкости реактора, подачу свежей среды, рассчитанный по времени сбор образцов жидкости из реактора, выбор между сбором клеток или бесклеточной жидкости. В целом такая конструкция также работоспособна в условиях невесомости.
Однако такое устройство имеет низкую производительность, т.к. предназначено для культивирования клеток в небольшом объеме питательной среды и имеет низкие массообменные характеристики вследствие перфузионного способа аэрации суспензии клеток.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является аппарат для выращивания микроводорослей в условиях невесомости, включающий установленный на полом приводном валу корпус из светопроницаемого материала, разделенный на секции радиальными прозрачными перфорированными перегородками, устройства для подвода газа и суспензии жидкой питательной среды с клетками микроводорослей, и соединенные с валом барботажные трубки. Корпус выполнен в виде кольцевого желоба, открытого к центру, а барботажные трубки объединены в кольцевой коллектор, размещенный в основании желоба (авторское свидетельство №822791, МПК A01G 33/00, опубл. 23.04.1981 г.). Процесс аэрации осуществляется путем подачи (вдувания) газа в суспензию клеток микроводорослей.
Недостатком аппарата является сложность его конструкции. Корпус аппарата в процессе работы должен вращаться, что в условиях космического корабля требует дополнительного пространства и соблюдения техники безопасности. Кроме того, при подаче (вдувании) газа в суспензию клеток микроводорослей возникает недостаточная равномерность подачи газа к каждой клетке, вследствие чего аппарат имеет низкие массообменные характеристики.
Техническим результатом заявляемого изобретения является упрощение конструкции аппарата, уменьшение количества подвижных частей с наружной стороны устройства и повышение его массообменных характеристик в процессе культивирования микроорганизмов.
Указанный технический результат достигается тем, что в реакторе для проведения биотехнологических процессов в условиях невесомости, включающем корпус и подсоединенные к нему узел для подвода и удаления газа, узел для подачи и удаления суспензии микроорганизмов и устройство для осуществления аэрации клеток микроорганизмов, согласно изобретению, корпус реактора выполнен в виде полого цилиндра, а устройство для осуществления аэрации клеток микроорганизмов в реакторе выполнено в виде поршня со штоком, в теле которого равномерно выполнены сквозные отверстия и который установлен в цилиндрическом корпусе с возможностью возвратно-поступательного перемещения от одного торца корпуса к другому, и привода перемещения поршня, установленного снаружи корпуса и соединенного с его штоком, выведенным через одну из торцевых стенок корпуса.
Узел подачи и удаления суспензии микроорганизмов и узел для подвода и удаления газа установлены снаружи корпуса и подсоединены к нему со стороны его торцевых стенок. Причем вся или часть боковой стенки корпуса выполнена прозрачной.
По сравнению с известными аналогами заявляемое устройство имеет более простую конструкцию, меньше подвижных частей снаружи корпуса и более высокие массообменные характеристики вследствие того, что в процессе аэрации жидкая фаза распадается на мелкие частички и контактирует с газовой фазой, т.е. чем меньше размер частиц жидкости, тем больше поверхность их соприкосновения с газовой фазой.
На фиг.1 приведена схема реактора для проведения биотехнологических процессов в условиях невесомости. На фиг.2 изображен процесс формирования капель жидкости при истечении из отверстия в зависимости от скорости истечения жидкости. Цифрами отмечены значения скорости истечения жидкости W в м/с.
Реактор для проведения биотехнологических процессов в условиях невесомости включает корпус 1, выполненный в виде полого цилиндра, и подсоединенные к нему узел 2 для подвода и удаления газа, узел 3 для подачи и удаления суспензии микроорганизмов и устройство для осуществления аэрации клеток микроорганизмов. Устройство для осуществления аэрации клеток микроорганизмов в реакторе выполнено в виде поршня 4 со штоком 5, в теле которого равномерно выполнены сквозные отверстия 6. Поршень 4 установлен в цилиндрическом корпусе 1 с возможностью возвратно-поступательного перемещения от одного торца корпуса 1 к другому. Привод 7 перемещения поршня 4 установлен снаружи корпуса 1 и соединен с его штоком 5, выведенным через одну из торцевых стенок корпуса 1.
Узел 3 подачи и удаления суспензии микроорганизмов и узел 2 для подвода и удаления газа установлены снаружи корпуса 1 и подсоединены к нему со стороны его торцевых стенок. Причем вся или часть боковой стенки 8 корпуса может быть выполнена прозрачной. В зависимости от технологических задач корпус 1 может быть термостатирован и снабжен устройством 9 для поддержания температуры внутри корпуса 1 реактора на заданном уровне.
В общем случае для проведения культивирования микроорганизмов требуется выполнение двух принципиально важных требований:
1. обеспечение процесса эффективного газообмена между культуральной жидкостью и атмосферой биореактора;
2. обеспечение непрерывного перемешивания культуральной жидкости.
В земных условиях выполнение этих условий достигается разного рода перемешивающими устройствами. При космическом полете в условиях невесомости реализовать этот механизм перемешивания не представляется возможным.
0
0
Термостатируемый полый цилиндрический корпус 1 имеет внутренний диаметр D; внутри него находится поршень 4 с n отверстиями 6 диаметром d; культуральная жидкость имеет объем V, в начале цикла находится под поршнем, высота столба жидкости равна .
Принцип работы капельного биореактора основан на чередовании циклов жидкость - струи жидкости - ансамбль капель - жидкость. В начале цикла жидкость находится под неподвижным поршнем 4. Затем включают привод 7 возвратно-поступательного перемещения поршня 4, который достаточно быстро перемещается вниз до торца корпуса. Происходит выдавливание жидкости через отверстия 6 поршня 4. В начальный момент жидкость образует струи, распадающиеся затем под действием капиллярных сил на ансамбль капель. Через некоторое время поршень 4 начинает двигаться к противоположному торцу корпуса 1, собирая «по дороге» ансамбль капель в одну большую. В конце движения поршня 4 жидкость занимает положение, аналогичное началу данного цикла, но с противоположной стороны корпуса. Таким образом, периодическое разбиение культуральной жидкости на ансамбль капель обеспечивает необходимые для культивирования интенсивный газообмен и перемешивание.
Сделаны количественные оценки параметров реактора. Согласно данным исследований [Пажи Д.Г., Галустов B.C. Основы техники распыливания жидкостей. 1984. М.: «Химия». 256 с.] распад цилиндрической струи жидкости обусловлен возникновением и нарастающим развитием упругих поперечных колебаний поверхности жидкости - неустойчивостью Релея. В работе [Вивденко М.И., Шабалин К.Н. Исследование условий получения равномерных капель размером 1-0,5 мм. Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 1965. Т.8. №4. С.685-690.] производилось изучение механизмов распада струи при различных скоростях истекания жидкости из отверстия. На фиг.2 приведен вид получающегося ансамбля капель в зависимости от скорости истечения жидкости W. Цифрами отмечены значения скорости истечения жидкости W в м/с.
p
Поскольку ансамбль капель, имеющий наименьшие размеры, имеет наибольшую площадь поверхности, наиболее подходящим режимом распыла является режим при W≈3 м/с. Следующие соотношения связывают диаметр корпуса капельного биореактора, число и диаметр отверстий в поршне 4, двигающийся со скоростью W, и временем движения поршня от начального состояния до торца корпуса 1 капельного биореактора Δt:
.
0
0
p
При V=150 мл и D=8 см получаем h≈3 см. При n=20 и d=0,25 см будем иметь Δt≈0,5 с и W=6 см/с.
Один из биообъектов, который может культивироваться в космосе в условиях невесомости с целью удаления продуктов метаболизма из воздуха жилого комплекса космического корабля и обогащения его кислородом, является микроводоросль хлорелла.
Хлорелла может расти в темноте и продуцировать кислород, если в состав ее питательной среды, кроме воды и солей, добавляют сахар или глюкозу. При этом хлорелла растет и продуцирует не за счет фотосинтеза, а только усваивая сахар или глюкозу из питательной среды (Чапмен В. Морские водоросли и их использование. Перевод с англ. М., 1953. - с.17-19). В этой связи для культивирования может применяться заявляемый реактор без прозрачных стенок (первый вариант конструкции).
При облучении светом объема суспензии клеток с питательной средой через участок прозрачной стенки 8 корпуса 1 реактора (второй вариант конструкции) и активной аэрации (распылении) ее в объеме корпуса 1 посредством возвратно-поступательного перемещения поршня 4 клетки хлореллы активно размножаются, поглощая (абсорбируя) из газовой фазы углекислый газ, азот и аммиак и обогащая газовую фазу кислородом. Газовая фаза из реактора периодически обменивается с воздушной средой жилого комплекса космического корабля посредством узла 3 подвода и удаления газа из корпуса 1, вследствие чего воздушная среда жилого комплекса космического корабля будет обогащаться кислородом, а из нее будут удаляться продукты метаболизма (дыхания) живых макроорганизмов.
В связи с более высокими массообменными характеристиками заявляемого реактора объем его и габариты могут быть уменьшены в 1,5-2 раза по сравнению с ближайшим аналогом с сохранением, например, возможности очистки воздуха космического корабля по углекислому газу до 0,005 мг/л и по аммиаку - до 0,002 мг/л.