Мельник В.М.

Національний технічний університет України «КПІ»

АПАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВУВАННЯ КЛІТИН ІЗ ДВОМА РУХОМИМИ ВТУЛКАМИ

Модель відноситься до біотехнології і може бути використана в мікробіологічній, харчовій промисловостях, а також для потреб медицини і клінічних досліджень при культивуванні клітин або тканин.

Відома установка для культивування мікроорганізмів, яка містить з’єднані між собою в нижній частині еластичним трубопроводом дві камери з повітряними фільтрами і реверсивний привод для звортно-поступального переміщення камер в вертикальній площині (див., наприклад, А.С. СССР № 1131899, С 12 М 1/00, 1984).

Недолік цієї установки полягає у великих габаритах, що обумовлено необхідністю переміщення камер у вертикальній площині.

Відомий також апарат для культивування клітин (АК), який містить корпус з технологічними патрубками і розміщений по осі корпусу пустотілий вал імпульсного привода з втулкою, до якої приєднаний перемішуючий елемент у формі чотирьохланцюгового шарніра з лопатками на кінцях, з’єднаний з порожниною вала і рухомою втулкою шарніра фільтруючий елемент, а також аератор (див., наприклад, А.с. СССР №1633814, С 12 М 3/00, 1995).

Недолік відомого АК полягає в низькій продуктивності.

Зазначений недолік обумовлений тим, що при зменшенні числа обертів вала знижується інтенсивність перемішування і клітини не забезпечуються у достатній кількості киснем, що уповільнює їх розвиток, а, отже, знижує продуктивність, а при збільшенні числа обертів вала – перемішуючий елемент руйнує їх оболонки, що також обмежує зростання продуктивності.

Крім цього, відомий АК має складну конструкцію, що становить іншу його ваду.

В основу пропонуємої моделі покладена задача вдосконалення АК, в якому шляхом модифікації форми і руху перемішуючого елемента забезпечується більш активне перемішування за цілковитої відсутності ризику пошкодження клітин, що призводить до росту продуктивності і, одночасно, до спрощення конструкції.

Поставлена задача вирішується тим, що в АК, який містить циліндричний корпус з технологічними патрубками і розміщений по осі корпусу пустотілий вал з втулкою, до якої приєднаний перемішуючий елемент у формі чотирьохланцюгового шарніра з лопатками на кінцях, з’єднаний з порожниною вала і рухомою втулкою шарніра фільтруючий елемент, а також аератор, новим є те, що вал містить дві рухомі втулки на регулюємій відстані одна від одної, до яких приєднані перемішуючі елементи у вигляді однакової форми колових сегментів з дугою, більшою за півколо, і орієнтованою в бік корпуса, хорди становлять між собою прямий кут і паралельні взаємно перпендикулярним діаметрам корпуса, контактуючі поверхні валу і втулок виконані у вигляді двох гвинтових пар і убезпечені від обертання спільною вертикальною напрямною.

Вказана відмінність дозволяє підвищити енергетичну активність всієї зони робочого об’єму корпуса і інтенсифікувати перемішування біомаси за цілковитої відсутності ризику пошкодження клітин, що призводить до росту продуктивності культивування, тобто збільшує вихід пробіотиків до складу котрих входять живі клітини продуцентів. Одночасно з цим, спрощується конструкція, оскільки перемішуючі елементи мають досить просту і надійну в роботі геометричну форму.

На рисунках схематично зображений пропонуємий АК в поздовжньому перерізі (рис. 1) і поперечному перерізі А-А (рис. 2).

АК містить циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для вводу живильної рідини і посівного матеріалу, патрубок 3 з аератором 4, патрубок 5 для вилучення культуральної рідини і патрубок 6 для відведення відпрацьованого газу. Уздовж осі корпуса 1 розташований приєднаний до мотор-редуктора 7 з командним реверсуючим пристроєм 8 вал 9 з втулками 10 і 11, на яких установлені із зазорами “δ” і “δ₁” відносно стінок корпусу 1 і на регулюємій відстані Н₁ між собою перемішуючі елементи 12 і 13 у вигляді однакової форми колових сегментів з дугою, більшою за півколо, і орієнтованої в бік стінки корпуса, хорди сегментів становлять між собою прямий кут і одночасно паралельні взаємно перпендикулярним діаметрам корпуса 1. Контактуючі поверхні валу 9 і втулок 10, 11 виконані у вигляді двох гвинтових пар і убезпечені від обертання спільною вертикальною напрямною 14.

Працює АК наступним чином.

В попередньо простерилізований АК, до корпуса 1 вводять через патрубок 2 живильну рідину і посівний матеріал (інокулят), після чого в аератор 4 подають газову суміш для аерації культурального середовища і включають командний пристрій 8, за сигналом якого приходить в дію мотор-редуктор 7 і вал 9, який в межах заданого командним пристроєм 8 ходу “Н” надає зворотно-поступального руху втулкам 10 та 11 і приєднаним до них, і убезпеченим напрямною 14 від обертання, перемішуючим елементам 12 і 13.

Просуваючися уздовж валу 9, наприклад донизу, перемішуючі елементи 12 і 13 спричиняють перетікання 15 біомаси в периферійній зоні крізь меньший зазор “δ” угору. В той же час, здійснюючи тиск на придонний шар біомаси, перемішуючі елементи примушують її прямувати в горизонтальній площині до стінок корпуса 1.

Рухаючись угору, перемішуючі елементи 12 і 13 створюють в придонному шарі зону зниженого тиску, куди стрімко линуть потоки 16 крізь зазори “δ” і“δ₁”. В той же час, потоки 17 і 18 будуть линути в горизонтальній площині в зони зниженого тиску.

Просторовий рух потоків 15, 16, 17 і 18 створить всі умови для підвищення турбулентності і енергетичної активності біомаси. Крім того, ця активність буде спричиняти збагаченню киснем шарів і інтенсифікації процесу аерації, що прискорить розвиток клітин.

Відсутність обертального руху перемішуючих елементів 12 і13 забезпечує мінімальний ризик пошкодження облонки клітин, що має місце в прототипі, а надто проста форма призводить до суттєвого спрощення конструкції апарату.

Рис. 1

Рис. 2