Мельник В.М., Тривайло М.С., Карачун В.В., Заброда А.О., Морозова Є.В.

Національний технічний університет України «КПІ»

АПАРАТ ДЛЯ КУЛЬТИВУВАННЯ КЛІТИН

Конструкція відноситься до біотехнології і може бути використана для культивування клітин в рідинних середовищах при виготовленні біологічно-активних речовин і вакцин.

Відомий апарат для культивування (АК) клітин, 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 і рухомою втулкою шарніра фільтруючий елемент, а також аератор (див, наприклад, А. с. СССР № 1633814, С12МЗ/00, 1995). Недолік цього 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, і навпаки, при збільшенні числа обертів вала - перемішуючий елемент руйнує їх оболонки та закручує робочу рідину, що, в свою чергу, також обмежує зростання продуктивності. Крім того, АК має складну конструкцію, що є іншим його недоліком.

Відома також конструкція АК, яка містить вертикально встановлений циліндричний корпус з технологічними патрубками, розміщений вздовж осі корпусу вал з перемішуючими лопатками, аератор, привод, а також, розміщені в діаметральній площині корпусу гальмуючі перегородки, які розташовані прилегло до корпусу, ребрами меншої грані ( А. с. СССР №1555353, С12М1/04, 1990).

Цей АК є найбільш близьким до пропонуємого за технічною суттю та досягаємим ефектом.

Він простіший від попереднього. Окрім того, суттєво зменшує закручування робочої рідини і пошкодження клітин. Але його недолік полягає у відносно низькій продуктивності внаслідок пасивного перемішування (масообмін) робочої рідини.

Зазначений недолік обумовлюється розташуванням перемішуючих лопаток в діаметральній площині та їх приляганням до корпусу ребрами вузької грані, що зменшує число напрямків руху робочої рідини при перемішуванні.

Поставимо задачу підвищення продуктивності шляхом збільшення числа напрямків руху робочої рідини при її перемішуванні.

Вона вирішується тим, що в АК, який містить циліндричний корпус з технологічними патрубками, розміщений вздовж осі корпусу вал з перемішуючими лопатками, привод, аератор, а також розташовані прилегло до корпусу (з внутрішньої сторони) гальмуючі перегородки, згідно корисної моделі, новим є те, що кожна гальмуюча перегородка розташована під прямим кутом до діаметра корпусу і розміщена з можливістю прилягання до нього протилежними ребрами більшої грані.

Вказані відмітні ознаки забезпечують при перемішуванні робочої рідини її додаткове переміщення (рух) по висоті, що відсутнє в найближчому аналозі і інтенсифікує процес перемішування (особливо змішування придонних та поверхневих її шарів).

Інтенсифікація процесу перемішування підвищує рівномірність розподілу живильних речовин (і клітин) в об’ємі робочої рідини, а це прискорює ріст клітин і приводить до зростання продуктивності.

На рис. 1 схематично зображено заявляємий АК; на рис. 2 – переріз А-А на рис. 1.

АК містить циліндричний корпус 1 з патрубком 2 для введення живильної рідини і посівного матеріалу, патрубком 3 з аератором 4, патрубком 5 для видалення культуральної рідини і патрубком 6 для виведення відпрацьованого газу. Вздовж осі корпусу 1 розміщений приєднаний до приводу (мотор – редуктора) 7 вал 8 з перемішуючими лопатками 9. В порожнині корпусу 1 розташовані також гальмуючі перегородки 10 у вигляді плоских пластин висотою Н і шириною В (рис. 2). Перегородки 10 розташовані під прямим кутом α до діаметра Д корпусу 1 (тобто в площинах його хорд) і розміщені з можливістю прилягання до нього протилежними ребрами «а», «в» більшої грані, тобто грані розмірами НхВ.

Розташування перегородок 10 під прямим кутом до діаметра D корпусу 1 з можливістю прилягання їх до корпусу ребрами більшої грані, приводить до утворення ними зі стінкою корпусу замкнутих пристінних проміжків 11, що відсутнє в найближчому аналозі і викликає додатковий рух робочої рідини при її перемішуванні.

Працює АК наступним чином. В попередньо простерилізований корпус 1 через патрубок 2 вводять живильну рідину і посівний матеріал (робоча рідина). Після цього вмикають привод 7, внаслідок чого перемішуючі лопатки 9 приводять в обертовий рух робочу рідину 12, здійснюючи її переміщення в коловому напрямку 13 (рис. 2), а, отже, реалізують часткове перемішування. Одночасно з цим, в аератор 4 подають стиснений газ (повітря), який у вигляді численних бульбашок 14 надходить в центральну частину робочої рідини 12 і утворює з нею рідинноповітряну суміш, яка набагато легша від робочої рідини, що знаходиться в утворених перегородками 10 проміжках 11. Різна щільність (питома вага) робочої рідини в центральній частині і проміжках 11 породжує градієнт тиску і, тим самим, викликає додаткове переміщення робочої рідини вздовж висоти корпусу у вигляді висотної циркуляції 15 навколо перегородок 10, яка приводить до активного змішування між собою придонних та поверхневих шарів робочої рідини.

Оскільки при перемішуванні робоча рідина рухається в двох напрямках (коловому і осьовому), замість одного (колового) в найближчому аналозі, то інтенсивність масообміну збільшується, а це прискорює ріст клітин і приводить до зростання продуктивності.

По закінченні процеса культивування, привод 7 зупиняється, а готовий для подальшого використання продукт зливається через патрубок 5.