Мельник В.М., Карачун В.В.

Національний технічний університет України «КПІ»

ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ АКТИВНОСТІ РОБОЧОЇ РІДИНИ ПРИ КУЛЬТИВУВАННІ КЛІТИН

Пропонуєма конструкція 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 слугує іншою його вадою.

В основу пропонуємої конструкції покладена задача вдосконалення АК, в якому шляхом модифікації форми і руху перемішуючого елемента забезпечується більш активне перемішування без ризику пошкодження клітин, що призводить до зростання продуктивності при одночасному спрощенні конструкції.

Поставлена задача вирішується тим, що в АК, який містить циліндричний корпус з технологічними патрубками, розміщений вздовж осі корпусу вал з втулкою, до якої приєднаний перемішуючий елемент, аератор, а також реверсивний привод, новим є те, що контактуючі між собою поверхні вала і втулки виконано, наприклад, у вигляді гвинтової пари, а перемішуючий елемент має форму плоского сегменту з дугою більшою за півколо і убезпечений від обертання вертикальною напрямною.

Вказана відмінність дозволяє підвищити енергетичну активність всієї зони робочого об’єму корпуса і інтенсифікувати процес перемішування біомаси без ризику пошкодження клітин, що підвищує продуктивність культивування, тобто збільшує вихід пробіотиків до складу котрих входять живі клітини продуцентів. Одночасно з цим, спрощується конструкція, оскільки перемішуючий елемент має досить просту і надійну в роботі геометричну форму.

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

АК містить циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для введення живильної рідини і посівного матеріалу, патрубок 3 з аератором 4, патрубок 5 для видалення культуральної рідини і патрубок 6 для відведення відпрацьованого газу. Вздовж осі корпусу 1 розташований приєднаний до мотор-редуктора 7 з командним реверсуючим пристроєм 8 вал 9 з втулкою 10, на якій розташований перемішуючий елемент у формі встановленого із зазорами “δ” і “δ₁” відносно протилежних стінок корпусу 1 перемішуючий елемент 11 у формі плоского сегменту з дугою, більшою за півколо. Контактуючі між собою поверхні вала 9 і втулки 10 виконані у вигляді гвинтової пари, а перемішуючий елемент 11 має закріплену в корпусі 1 вертикальну напрямну 13.

Працює АК наступним чином.

Рис. 1

Рис. 2

В попередньо простерилізований АК до корпусу 1 вводять через патрубок 2 живильну рідину і посівний матеріал (інокулят), після чого в аератор 4 подають газ 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 втулці 10 і приєднаному до неї і убезпеченому напрямною 13 від обертання, перемішуючому елементу 11.

Рухаючися уздовж валу 9, наприклад донизу, перемішуючий елемент 11 спричиняє перетіканню переферійних шарів біомаси крізь меньший зазор “δ” угору. Здійснюючи тиск на придонну біомасу, перемішуючий елемент примушує її рухатися в горизонтальній площині до стінок корпуса 1. Коли перемішуючий пристрій 11 рухається угору, за ним підіймаються також угору, в зону пониженого тиску, придонні шари. В той же час, увесь стовп практично нерухомої біомаси у більшому проміжку “δ₁” також стрімко помчить в зону низького тиску, створеного перемішуючим пристроєм, але в радіальному напрямку. Зустрічаючися, ці потоки будуть доволі активно перемішуватися завдяки підвищеній турбулізації, яка супроводжується наявною внутрішньою кавітацією, що буде слугувати інтенсивній аерації і, відповідно, більш швидкому розвитку клітин. Присутня асиметрія потоків уздовж корпуса 1 піде на користь технологічному процесу, а вертикальний рух біомаси у вузькому проміжку “δ” взаємодіючи з потужним рухом біомаси у горизонтальному напрямку забезпечить просторовий рух культуральної рідини.

Зменшенню ризика пошкодження клітин сприяє також відсутність обертального руху перемішуючого елемента 11, що має місце в прототипі, а його проста форма призводить до спрощення конструкції. По закінченні процесу культивування, зупиняється мотор-редуктор 7, а готовий для подальшого використання продукт зливається крізь патрубок 5.