АППАРАТ ДЛЯ СУСПЕНЗИОННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ КЛЕТОК ТКАНЕЙ ИЛИ МИКРООРГАНИЗМОВ
APPARATUS FOR SUSPENSION CULTIVATION OF TISSUE OR MICROORGANISM CELLS

Изобретение относится к устройствам для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов и может быть использовано в пищевой промышленности, биотехнологии и медицине.
Известен биореактор для культивирования культур клеток на микроносителях в условиях микрогравитации (патент США №5002890, МПК C12M 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 добавляются питательные вещества и регулируется pH, 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.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов (Заявка РСТ №92/05245, МПК C12M 1/04, опубл. 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.
Однако прототип имеет следующие недостатки. Вследствие закона сохранения момента количества движения вихревой поток в газе и жидкости состоит из вихревого кольца, расположенного в промежутке от оси емкости до ее боковых стенок, и вихревого «шнура», располагающегося на оси емкости. Сложный вихревой характер течения субстрата приводит к тому, что согласно законам гидродинамики часть клеток начинает концентрироваться в центральном вихревом шнуре субстрата. В результате этого неравномерного распределения клеток или микроорганизмов по объему жидкого субстрата ослабевает процесс доставки к клеткам кислорода, что приводит к снижению эффективности процесса культивирования аэробных микроорганизмов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности процесса культивирования культур клеток или микроорганизмов за счет обеспечения более равномерного распределения культур клеток или микроорганизмов в объеме жидкого субстрата.
Указанный технический результат достигается тем, что в аппарате для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащем цилиндрическую емкость с крышкой и устройство для аэрации и перемешивания суспензии указанных биологических объектов, 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 в пределах 10-2000 Па, согласно изобретению в емкости соосно последней установлено осесимметричное тело вращения, прикрепленное торцом к днищу емкости, высота которого равна или больше уровня максимального заполнения емкости аппарата, а боковая поверхность указанного тела вращения плавно сопряжена с поверхностью днища емкости.
Тело вращения выполнено в виде конуса или в виде цилиндра с аэродинамическим обтекателем, расположенным в его верхнем торце.
В предлагаемой конструкции аппарата для вихревого суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов по сравнению с аппаратом-прототипом исключается возникновение в жидком субстрате вихревого шнура и тем самым улучшаются условия культивирования аэробных микроорганизмов за счет более равномерного их распределения в суспензии.
Краткое описание чертежей. В последующем изобретение поясняется подробным описанием примеров его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых: фиг.1 изображает схематично общий вид аппарата для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов с коническим телом вращения в емкости; на фиг.2 - то же, с цилиндрическим телом вращения; на фиг.3 приведен кадр видеосъемки с визуализацией вихревого течения в жидкости с частицами в конструкции биореактора с плоским дном (прототип); на фиг.4 приведен кадр видеосъемки с визуализацией вихревого течения в жидкости с частицами в конструкции заявляемого биореактора с конической вставкой и скругленным дном сосуда с жидким субстратом.
Варианты осуществления изобретения
Аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов содержит цилиндрическую емкость I (фиг.1) для суспензии клеток с крышкой 2 и патрубком 3 для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство 4 для перемешивания суспензии клеток, причем указанное устройство 4 и патрубок 3 размещены в верхней части емкости 1 выше уровня а-а суспензии клеток в этой емкости. Устройство 4 для перемешивания и аэрации суспензии клеток выполнено с возможностью создания в верхней части емкости I над поверхностью суспензии клеток закручивающегося потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости I и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря в пределах 10-2000 Па.
В соответствии с фиг.1 устройство 4 для перемешивания суспензии клеток выполнено в виде лопастного колеса 5, установленного с возможностью вращения на валу 6 посредством электродвигателя 7. В нижней части емкости I (на фиг.1) размещен патрубок 8 ввода культуральной среды и посевного материала. Этот же патрубок 8 служит также и для слива суспензии клеток после окончания процесса культивирования.
В емкости 1 соосно последней установлено осесимметричное тело 9 вращения, прикрепленное торцом к днищу емкости, высота которого равна или больше уровня максимального заполнения емкости аппарата, а боковая поверхность указанного тела вращения плавно сопряжена с поверхностью днища емкости 1.
Тело вращения выполнено в виде конуса, или в виде цилиндра с аэродинамическим обтекателем 10, установленным в его торце. Выше уровня а-а заполнения суспензии клеток образована газовая полость 11.
Работа предлагаемого аппарата осуществляется следующим образом.
Цилиндрическую емкость I в стерильных условиях заполняют питательной средой высотой так, чтобы над поверхностью суспензии клеток в верхней части емкости 1 оставалась полость 11 для аэрирующего газа. Затем включают терморегулятор на требуемый температурный режим культивирования и вводят посевную дозу клеток. Далее включают устройство 4 для перемешивания и аэрации суспензии клеток, которое создает в суспензии клеток квазистационарное вращательное движение, генерируемое вихревым потоком аэрирующего газа. Для этого включают электродвигатель 7, который вращает лопастное колесо 5. При вращении лопастного колеса 5 создается разрежение в его приосевой зоне и повышенное давление на периферии. Под действием перепада давления (в пределах 10-2000 Па) между периферией емкости и приосевой зоной полости 11, создаваемого лопастным колесом 5, газ по спиральным траекториям с высокой скоростью циркулирует над поверхностью суспензии с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса.
Таким образом, 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 квазистационарное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости.
В результате интенсивной закрутки потока аэрирующего газа над поверхностью суспензии клеток в вихре имеет место разница давлений между его периферией (повышенное) и центром (пониженное). Разница давлений в газе через свободную поверхность суспензии клеток генерирует в последней осевое движение: нисходящее в периферийной зоне емкости 1 и восходящее в приосевой его зоне. Одновременно вследствие трения газа о свободную поверхность жидкой среды возникает вращательное движение суспензии. В процессе культивирования клеток аэрирующий газ взаимодействует с суспензией клеток через ее свободную поверхность, насыщая ее кислородом и не смешиваясь с нею. В результате в суспензии клеток исключается образование пузырьков газа, что уменьшает травмирование клеток и образование пены. Поскольку указанное вихревое перемешивание суспензии представляет собой квазистационарный процесс, то в ней обеспечивается интенсификация массообменных характеристик без застойных зон в объеме емкости. Осесимметричное тело 9 вращения, выполненное в виде конуса (фиг.1) или цилиндра (фиг.2), прикрепленное торцом к днищу емкости 1, исключает появление в суспензии клеток центрального вихревого шнура, который способствует концентрированию культивируемых клеток или микроорганизмов в приосевой зоне емкости 1. При этом течение жидкого субстрата в виде вихревого кольца сохраняется.
На фиг.3 приведен пример (кадр видеосъемки) визуализации процесса перемешивания и аэрации на лабораторной модели вихревого биореактора-прототипа с плоским дном. В качестве примеси, служащей для визуализации течения, были использованы мелкие частицы, а жидкостью служила вода. На фиг.3 приведен кадр видеосъемки, наглядно показывающий, что визуализирующие поток частички концентрируются в области вихревого шнура в субстрате.
На фиг.4 приведен пример (кадр видеосъемки) визуализации течения на лабораторной модели заявляемого вихревого аппарата с конической вставкой (осесимметричным телом 9). На фиг.4 видно, что визуализирующие поток частички равномерно распределяются по объему жидкого субстрата в емкости 1. Заявляемое техническое решение устраняет недостаток прототипа, заключающийся в негативном воздействии вихревого шнура в субстрате на эффективность культивирования аэробных микроорганизмов. В данном случае коническая вставка (тело 9) и скругленное дно емкости 1 исключают появление в жидком субстрате центрального вихревого шнура. При этом течение субстрата в виде вихревого кольца сохраняется.
Таким образом, заявляемые конструктивные особенности предлагаемых вариантов аппарата позволяют по сравнению с аппаратом-прототипом исключить возникновение в жидком субстрате вихревого шнура и тем самым улучшить условия аэрации и культивирования аэробных микроорганизмов за счет более равномерного их распределения в суспензии.