RU117916U1 - BIOREACTOR FOR CULTIVATION OF CELLS, PREVIOUSLY EUKARIOTIC - Google Patents

Abstract

1. Биореактор для культивирования клеток, преимущественно эукариотических, включающий биореакторную емкость с теплообменной рубашкой и загрузочным люком; аэратор, состоящий из газопроницаемых трубок, расположенных внутри емкости, штуцеры и трубопроводы для подачи и отвода рабочих газов и жидкостей, бактериальные фильтры питающих и отработанных газов, подключенные к соответствующим трубопроводу и штуцеру, отличающийся тем, что биореакторная емкость выполнена в виде горизонтально расположенной трубы, торцевые отверстия которой герметизированы загрузочным люком и технологическим фланцем, газопроницаемые трубки аэратора выполнены уплощенными с возможностью раздувания и возвращения к исходной уплощенной форме, равномерно распределены в рабочем объеме биореакторной емкости и сообщены с коллектором газов, вход/выход которого сообщен трубопроводом с управляемым клапаном с последовательно соединенными бактериальным фильтром питающих газов, насосом для наддува газопроницаемых трубок и камерой для приготовления смеси питающих газов, а также трубопроводом через другой управляемый клапан сообщен со штуцером отвода рабочих газов из биореакторной емкости, а штуцеры для подачи и отвода рабочих газов и жидкостей закреплены на технологическом фланце и подключены к соответствующим трубопроводам, при этом управляемые клапаны соединены с прибором управления. ! 2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что газопроницаемые трубки аэратора изготовлены из физиологически инертного каучука СКТН-Ф. ! 3. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве камеры для приготовления смеси питающих газов используют СО2-инку� 1. Bioreactor for the cultivation of cells, mainly eukaryotic, including a bioreactor tank with a heat exchange jacket and a loading door; an aerator, consisting of gas-permeable pipes located inside the tank, fittings and pipelines for supplying and removing working gases and liquids, bacterial filters of supply and exhaust gases connected to the corresponding pipeline and fitting, characterized in that the bioreactor tank is made in the form of a horizontally located pipe, the end openings of which are sealed with a loading hatch and a technological flange, the gas-permeable tubes of the aerator are made flattened with the possibility of inflating and returning to the original flattened form, uniformly distributed in the working volume of the bioreactor vessel and communicated with a gas collector, the inlet / outlet of which is connected by a pipeline with a controlled valve with series a bacterial filter of feed gases, a pump for pressurizing gas-permeable tubes and a chamber for preparing a mixture of feed gases, as well as a pipeline through another controlled valve communicated with the union for removing working gases from the bioreactor tank sts, and the fittings for supplying and removing working gases and liquids are fixed on the process flange and connected to the corresponding pipelines, while the controlled valves are connected to the control device. ! 2. The bioreactor according to claim 1, characterized in that the gas-permeable aerator tubes are made of physiologically inert SKTN-F rubber. ! 3. A bioreactor according to claim 1, characterized in that CO2 incu is used as a chamber for preparing a mixture of feed gases.

Description

Полезная модель относится к аппаратурному оснащению процессов культивирования эукариотических клеток и микроорганизмов и может быть использована, например, в производстве клеточной ткани животных и противовирусных вакцин, реализации микробиологических процессов, протекающих в жидкофазных, твердофазных и перфузионных условиях, а также в научной и учебной практике.The utility model relates to equipment for the cultivation of eukaryotic cells and microorganisms and can be used, for example, in the production of cellular tissue of animals and antiviral vaccines, the implementation of microbiological processes in liquid-phase, solid-phase and perfusion conditions, as well as in scientific and educational practice.

Эукариотические клетки во многом отличаются от прокариотических и грибных клеток, так как они медленнее растут, у них большая чувствительность к ранению, вызываемому кавитацией жидкой среды, ударами мешалок, отбойников и пузырьками газов. Эти свойства клеток оказывают влияние на конструкцию биореакторов, особенно на конструкцию устройств для аэрации и перемешивания рабочих сред, которые в процессе культивирования не должны оказывать разрушающего воздействия на морфологическую структуру клеток.Eukaryotic cells are very different from prokaryotic and fungal cells, as they grow slower, they are more sensitive to injury caused by cavitation of a liquid medium, impacts of mixers, chippers and gas bubbles. These properties of the cells affect the design of bioreactors, especially the design of devices for aeration and mixing of working media, which during cultivation should not have a destructive effect on the morphological structure of cells.

Известны «Биореакторы для культур клеток», фирмы Bioengineering. Биореакторы оснащены разными устройствами аэрации и перемешивания рабочих сред, работа которых позволяет культивировать клетки животных в суспензионной культуре. Биореакторы опубликованы на сайте www.bio-rus.ru. [email protected].Known "Bioreactors for cell cultures", the company Bioengineering. Bioreactors are equipped with various devices for aeration and mixing of working media, the operation of which allows the cultivation of animal cells in suspension culture. Bioreactors are published on the website www.bio-rus.ru. [email protected].

«Клеточный биореактор» представляет собой емкость с мешалкой, сконструированную для культивирования клеток животных. Он доступен в пилотном и производственном масштабе (общим объемом до 2000 л). Для минимизации стресса при ранении, перемешивание осуществляется лопастной мешалкой морского типа. Культивирование может быть стационарным, стационарным с подпиткой, а также непрерывным благодаря наличию тензодатчиков. Биореактор используется для культивирования взвеси клеток или клеток, иммобилизованных на микроносителях. Для задержания биомассы при непрерывном культивировании используют роторные или спиральные фильтры.A “cell bioreactor” is a stirred tank designed to cultivate animal cells. It is available on a pilot and production scale (totaling up to 2000 liters). To minimize stress during injury, mixing is carried out with a marine-type paddle mixer. Cultivation can be stationary, stationary with water, as well as continuous due to the presence of strain gauges. The bioreactor is used to cultivate a suspension of cells or cells immobilized on microcarriers. Rotor or spiral filters are used to retain biomass during continuous cultivation.

Культивирование животных клеток в суспензионной культуре не лишено многих недостатков, например:The cultivation of animal cells in suspension culture is not without many drawbacks, for example:

- культивирование клеток сопровождается малой скоростью роста при низкой концентрации клеток, что требует применения дополнительных устройств, для выделения клеточной массы из отработанной жидкости и утилизацию больших объемов фильтрата содержащего, как неиспользованные дорогие компоненты питательной среды, так и токсичные метаболиты, что существенно повышает себестоимость целевых продуктов;- cell cultivation is accompanied by a low growth rate at a low cell concentration, which requires the use of additional devices to isolate the cell mass from the spent fluid and the disposal of large volumes of filtrate containing both unused expensive components of the nutrient medium and toxic metabolites, which significantly increases the cost of the target products ;

- для выделения выращенной биомассы из отработанной жидкости, в биореакторе применяют роторные или спиральные фильтры, что повышает опасность бактериального загрязнения получаемых продуктов;- to isolate the grown biomass from the spent liquid, rotary or spiral filters are used in the bioreactor, which increases the risk of bacterial contamination of the resulting products;

- клетки после фильтрации необходимо очищать от низкомолекулярных веществ, а фильтры подвергать тщательной промывке и стерилизации для инактивации патогенных микроорганизмов, что также повышает себестоимость целевых продуктов и способствует загрязнению окружающей среды производственными отходами;- cells after filtration must be cleaned of low molecular weight substances, and the filters must be thoroughly washed and sterilized to inactivate pathogenic microorganisms, which also increases the cost of the target products and contributes to environmental pollution by industrial waste;

- использование микроносителей при культивировании опорозависимых клеток в суспензионной культуре не только усложняет технологию выделения целевых продуктов, но и существенно снижает асептическую надежность производственного процесса.- the use of microcarriers in the cultivation of oporosis-dependent cells in suspension culture not only complicates the technology for isolating the target products, but also significantly reduces the aseptic reliability of the production process.

«Мембранный биореактор» снабжен внутренней и внешней камерами, разделенными диализной мембраной. Мембрана обеспечивает безпузырьковую аэрацию и задержание биомассы при непрерывном культивировании клеток. С помощью мембраны токсические, низкомолекулярные метаболиты удаляются, а высокомолекулярные соединения удерживаются во внутренней камере. Перемешивание в каждой камере осуществляется мешалкой. Питательная среда и воздух поставляются во внешнюю камеру. Биореактор может использоваться для выращивания клеток животных, как в суспензии, так и закрепленных на микроносителях.The membrane bioreactor is equipped with internal and external chambers separated by a dialysis membrane. The membrane provides bubbleless aeration and biomass retention during continuous cell cultivation. Using the membrane, toxic, low molecular weight metabolites are removed, and high molecular weight compounds are held in the inner chamber. Mixing in each chamber is carried out by a mixer. Culture medium and air are supplied to an external chamber. The bioreactor can be used to grow animal cells, both in suspension and attached to microcarriers.

В мембранном биореакторе, для концентрирования клеток, вместо роторных и спиральных фильтров, используют диализную мембрану. Мембрана в процессе культивирования неподвижна и подвержена закреплению растущих клеток на ее поверхности. При толщине слоя клеточной биомассы более 1 мм клетки, соприкасающиеся с мембраной, имеют лимит по углеводному питанию, а клетки приповерхностного слоя - лимит по питающим газам, что существенно снижает производительность биореактора и качество продуктов ферментации. Для перемешивания клеточных суспензий в ферментационной камере применяют мешалку, работа которой сопровождается ударными нагрузками на клетки, что ограничивает использование биологических продуцентов и исключает культивирование эукариотических клеток.In a membrane bioreactor, instead of rotary and spiral filters, a dialysis membrane is used to concentrate cells. The membrane during the cultivation process is motionless and is subject to the attachment of growing cells to its surface. When the thickness of the cell biomass layer is more than 1 mm, the cells in contact with the membrane have a limit on carbohydrate nutrition, and the cells of the surface layer have a limit on supply gases, which significantly reduces the productivity of the bioreactor and the quality of the fermentation products. To mix cell suspensions in a fermentation chamber, a mixer is used, the operation of which is accompanied by shock loads on the cells, which limits the use of biological producers and excludes the cultivation of eukaryotic cells.

«Эрлифтный биореактор» (SU 1302691, публ. 28.02.1994) в котором перемешивание осуществляют потоком воздуха, а не лопастью мешалки, что создает условия для эффективного массопереноса и щадящих сил рассечения. Для управления циркуляцией жидкости используют вытяжную трубу, направляющую поток пузырьков по центру. Конструкция биореактора имеет широкую верхнюю часть, действующую как сепаратор газов. Культивирование может быть стационарным, стационарным с подпиткой или непрерывным. Эрлифтные биоректоры используются для культивирования суспензий клеток, включая клетки насекомых.“Airlift bioreactor” (SU 1302691, publ. 02.28.1994) in which mixing is carried out by an air stream, and not by a mixer blade, which creates conditions for effective mass transfer and gentle dissection forces. To control the circulation of the fluid, an exhaust pipe is used that directs the flow of bubbles in the center. The bioreactor design has a wide top that acts as a gas separator. Cultivation can be stationary, stationary with feed or continuous. Airlift biorectors are used to cultivate cell suspensions, including insect cells.

Известен также биореактор эрлифтного типа (RU 1000769 U1 публ. 27.12.2010) содержащий цилиндрическую емкость, установленную вертикально и пневматическое перемешивающее устройство эрлифтного типа, представляющее собой кооксиально установленную внутри емкости трубу.Also known is an airlift type bioreactor (RU 1000769 U1 publ. 12/27/2010) containing a cylindrical tank mounted vertically and a pneumatic airlift type mixing device, which is a pipe cooxially installed inside the tank.

Наиболее близким к заявляемому биореактору для культивирования клеток является эрлифтный биореактор, принятый за прототип, описанный в разделе «статьи» www.bio-rus.ru. [email protected]. в котором для осуществления безпузырьковой аэрации рабочей жидкости, используют аэратор из силиконовых газопроницаемых трубок, что частично соответствует условиям культивирования эукариотических клеток.Closest to the claimed bioreactor for cell cultivation is an airlift bioreactor, adopted for the prototype described in the section "articles" www.bio-rus.ru. [email protected]. in which for the implementation of bubbleless aeration of the working fluid, an aerator of silicone gas-permeable tubes is used, which partially corresponds to the conditions for culturing eukaryotic cells.

Известный биореактор содержит биореакторную емкость с теплообменной рубашкой и герметизируемую крышкой; аэратор, из силиконовых газопроницаемых трубок( на фиг.не показан, но описан в тексте как вариант исполнения); штуцеры для ввода питающих и отвода отработанных газов в атмосферу через бактериальные фильтры; штуцер для ввода питательной среды; штуцер для слива продуктов ферментации.Known bioreactor contains a bioreactor tank with a heat exchange jacket and a sealed lid; an aerator, made of silicone gas-permeable tubes (not shown in FIG., but described in the text as an embodiment); fittings for introducing feed and exhaust gases into the atmosphere through bacterial filters; fitting for introducing a nutrient medium; fitting for draining fermentation products.

В процессе культивирования клеток, аэрирующие газы, в виде мельчайших пузырьков, просачиваются через поры силиконовой резины и потребляются растущей культурой клеток, а отработанные газы отводятся в атмосферу через бактериальный фильтр.During cell cultivation, aerating gases, in the form of tiny bubbles, seep through the pores of silicone rubber and are consumed by a growing cell culture, and the exhaust gases are vented to the atmosphere through a bacterial filter.

Существенным недостатком биореактора с безпузырьковой аэрацией, является низкая производительность. Это объясняется тем, что расход аэрирующих газов, протекающих через поры силиконовой трубки, соизмерим с потреблением газа клетками, в связи с чем, рабочая жидкость не перемешивается, что приводит к снижению качества продуктов культивирования и производительности биореактора. При организации непрерывного процесса в таких условиях, в рабочей жидкости происходит накопление токсичных метаболитов, так как в оптимальных условиях культивирования находятся только клетки, размещенные в тонком слое вокруг поверхности силиконовых трубок, а клетки удаленные от поверхности трубок подвержены автолизу за счет лимита кислорода и разбалансированности состава питательной среды.A significant disadvantage of a bubbleless aeration bioreactor is its low productivity. This is because the flow rate of aerating gases flowing through the pores of the silicone tube is comparable to the consumption of gas by the cells, and therefore the working fluid is not mixed, which leads to a decrease in the quality of cultivation products and the productivity of the bioreactor. When organizing a continuous process in such conditions, toxic metabolites accumulate in the working fluid, since under optimal cultivation conditions there are only cells placed in a thin layer around the surface of the silicone tubes, and cells removed from the surface of the tubes are subject to autolysis due to oxygen limit and unbalanced composition nutrient medium.

Отсутствие принудительного перемешивания рабочей жидкости, существенно ограничивает функциональные возможности, сферу применения и масштабирование биореактора.The lack of forced mixing of the working fluid significantly limits the functionality, scope and scale of the bioreactor.

Технический результат изобретения заключается в оптимизации условий аэрации и перемешивания рабочих сред при отсутствии застойных зон и травмирования клеток, а также в расширении функциональных возможностей биореактора за счет обеспечения оптимальных условий культивирования свободных и опорозависимых эукариотических и прокариотических клеток, грибов и микроорганизмов.The technical result of the invention is to optimize the conditions of aeration and mixing of working media in the absence of stagnant zones and cell injury, as well as to expand the functionality of the bioreactor by providing optimal cultivation conditions for free and oporozoon-dependent eukaryotic and prokaryotic cells, fungi and microorganisms.

Технический результат достигается тем, что в биореакторе для культивирования клеток, включающим биореакторную емкость с теплообменной рубашкой и загрузочным люком; аэратор, состоящий из газопроницаемых трубок, расположенных внутри емкости; штуцеры и трубопроводы для подачи и отвода рабочих газов и жидкостей; бактериальные фильтры питающих и отработанных газов, подключенные к соответствующим трубопроводу и штуцеру, биореакторная емкость выполнена в виде горизонтально расположенной трубы, торцевые отверстия которой герметизированы загрузочным люком и технологическим фланцем, газопроницаемые трубки аэратора выполнены уплощенными, равномерно распределены в рабочем объеме биореакторной емкости и сообщены с коллектором газов, вход/выход которого сообщен трубопроводом с управляемым клапаном с последовательно соединенными бактериальным фильтром питающих газов, насосом для наддува газопроницаемых трубок и камерой для приготовления смеси питающих газов, а также сообщен трубопроводом через другой управляемый клапан со штуцером отвода рабочих газов из биореакторной емкости, а штуцеры для подачи и отвода рабочих газов и жидкостей закреплены на технологическом фланце и подключены к соответствующим трубопроводам, приэтом управляемые клапаны соединены с прибором управления;The technical result is achieved in that in a bioreactor for culturing cells, including a bioreactor tank with a heat exchange jacket and a loading door; an aerator consisting of gas-permeable tubes located inside the tank; fittings and pipelines for supplying and discharging working gases and liquids; bacterial filters of supply and exhaust gases connected to the corresponding pipeline and fitting, the bioreactor tank is made in the form of a horizontally located pipe, the end openings of which are sealed by the loading hatch and the process flange, the gas-permeable tubes of the aerator are flattened, evenly distributed in the working volume of the bioreactor tank and communicated with the collector gases, the input / output of which is connected by a pipeline with a controlled valve with a bacterial phi connected in series with a liter of feed gases, a pump for pressurizing gas-permeable tubes and a chamber for preparing a mixture of feed gases, and is also communicated by a pipeline through another controlled valve with a fitting for discharging working gases from the bioreactor tank, and fittings for supplying and discharging working gases and liquids are mounted on the process flange and connected to the corresponding pipelines, while the controlled valves are connected to the control device;

а также тем, что газопроницаемые трубки аэратора изготовлены из физиологически инертного каучука СКТН-Ф;and also the fact that the gas-permeable tubes of the aerator are made of physiologically inert rubber SKTN-F;

а также тем, что в качестве камеры для приготовления смеси питающих газов используют СO₂ - икубатор.as well as the fact that, as a chamber for preparing a mixture of feed gases, a CO ₂ - incubator is used.

Оснащение биореактора эффективным универсальным устройством для аэрации и перемешивания рабочих сред, выполненным из уплощенных, эластичных, газопроницаемых инертных трубок, соединенных с коллектором, и обеспечение принудительного наддува этих трубок за счет применения насоса для подачи газовой смеси, обеспечивает в процессах культивирования биологических продуцентов щадящее воздействие на морфологическую структуру клеток, сохранение физических межклеточных связей, эффективное снабжение клеток питающими газами и вымывание продуктов метаболизма из клеточного окружения.Equipping the bioreactor with an effective universal device for aeration and mixing of working media, made of flattened, flexible, gas-permeable inert tubes connected to the collector, and providing forced pressurization of these tubes through the use of a pump for supplying a gas mixture, provides a gentle effect on the production of biological producers morphological structure of cells, preservation of physical intercellular bonds, efficient supply of cells with feed gases and leaching of products metabolism from the cell environment.

Применении биореакторной емкости, выполненной в виде горизонтально расположенной трубы, позволяет существенно увеличить площадь поверхностного контакта рабочей среды с питающим газом, снизить вредное влияние давления гидростатического столба рабочей среды на морфологическую структуру клеток и расширить сферу использования биореакторной емкости для реализации жидкофазных, твердофазных и перфузионных условий культивирования биологических продуцентов.The use of a bioreactor tank made in the form of a horizontally arranged pipe allows to significantly increase the surface contact area of the working medium with the feed gas, to reduce the harmful effect of the pressure of the hydrostatic column of the working medium on the morphological structure of cells, and to expand the scope of use of the bioreactor tank to implement liquid-phase, solid-phase and perfusion cultivation conditions biological producers.

Предложенное техническое решение биореактора обеспечивает асептическую надежность и экономичность биореактора, из-за отсутствия в конструкции вращающихся мешалок и дисперсионных аэраторов с избыточным потреблением газов, а также расширении сферы применения биореактора, обеспечивающего оптимальные условия культивирования свободных и опорозависимых эукариотических и прокариотических клеток, грибов и микроорганизмов с высокой производительностью и качеством получаемых продуктов.The proposed technical solution of the bioreactor provides aseptic reliability and cost-effectiveness of the bioreactor, due to the lack of rotating mixers and dispersion aerators with excessive gas consumption in the design, as well as the expansion of the scope of the bioreactor, which provides optimal cultivation conditions for free and oporozoon-dependent eukaryotic and prokaryotic cells, fungi and microorganisms with high performance and quality of products.

На фиг.1, представлена схема «Биореактор для культивирования клеток».Figure 1, presents the scheme "Bioreactor for cell culture".

Биореактор, представленный на фиг.1, содержит биореакторную емкость 1, выполненную в виде горизонтально расположенной трубы, торцевые отверстия которой герметизированы загрузочным люком 2 и технологическим фланцем 3; установленную на емкости 1 теплообменную рубашку 4; бактериальный фильтр 5 отработанных газов; аэратор из силиконовых уплощенных газопроницаемых трубок 6, равномерно расположенных внутри емкости и соединенных с коллектор 7 газов; бактериальный фильтр 8 питающих газов; насос 9 для наддува газопроницаемых трубок; камеру 10, для приготовления смеси питающих газов; трубопроводы 11; управляемые клапаны 12, 13; штуцеры 14 для отвода рабочих газов из полости емкости 1; штуцер 15 для слива продуктов культивирования; штуцер 16 для ввода в биореакторную емкость 1 питательной среды; прибор 17 управления клапанами.The bioreactor shown in figure 1, contains a bioreactor tank 1, made in the form of a horizontally arranged pipe, the end holes of which are sealed by the loading hatch 2 and the process flange 3; heat exchange jacket 4 mounted on the tank 1; bacterial filter 5 exhaust gas; an aerator made of flattened silicone gas-permeable tubes 6 uniformly located inside the tank and connected to the gas collector 7; bacterial filter 8 feed gases; pump 9 for pressurizing gas-permeable tubes; a chamber 10 for preparing a mixture of feed gases; pipelines 11; controlled valves 12, 13; fittings 14 for the removal of working gases from the cavity of the tank 1; fitting 15 for draining cultivation products; the fitting 16 for input into the bioreactor tank 1 of a nutrient medium; valve control device 17.

Вход коллектора 7 через трубопровод 11, управляемый клапан 13, бактериальный фильтр 8 и насос 9 сообщен с камерой 10, а также через управляемый клапан 12 сообщен со штуцером 14. Бактериальный фильтр 5 отработанных газов соединен с другим штуцером 14. Прибор управления клапанами 17 соединен с управляемыми клапанами 14-16. Штуцеры для подключения рабочих газов и жидкостей закреплены на технологическом фланце и подключены к сетевым трубопроводам.The inlet of the collector 7 through a pipe 11, a controlled valve 13, a bacterial filter 8 and a pump 9 is in communication with the chamber 10, and also through a controlled valve 12 communicated with a fitting 14. A bacterial filter 5 of the exhaust gases is connected to another fitting 14. The valve control device 17 is connected to controlled valves 14-16. Fittings for connecting working gases and liquids are mounted on the process flange and connected to network pipelines.

Газопроницаемые трубки аэратора изготовлены, например, из физиологически инертного силиконового каучука СКТН-Ф.Gas-permeable aerator tubes are made, for example, of physiologically inert silicone rubber SKTN-F.

В качестве камеры для приготовления смеси питающих газов используют, например, СO₂- инкубатор;As a chamber for preparing a mixture of feed gases, for example, a CO ₂ incubator is used;

На заявляемом биореакторе возможно проведение, по меньшей мере, двух видов процессов, таких как суспензионное культивирование и твердофазное культивирование При суспензионном культивировании, в биореакторную емкость 1, вносят заданные объемы питательной среды и посевных клеток, в камере 10 готовят смесь газов заданного состава, а на приборе 17 управления задают частоту открытия и закрытия клапанов 12 и 13. В процессе культивирования, открывается клапан 13 и питающий газ из камеры 10, посредством насоса 9, через фильтр 8, по трубопроводу 11, поступает в коллектор 7, в котором распределяется по уплощенным газопроницаемым трубкам аэратора 6. При наддуве газами, уплощенные трубки 6 раздуваются, поверхность газопроницаемых трубок 6 покрывается сплошным слоем мельчайших пузырьков газов, обеспечивая эффективное растворение газов в рабочей суспензии. Одновременно, раздутие газопроницаемых трубок 6 обеспечивает перемещение суспензии по поверхности газопроницаемых трубок аэратора 6. В процессе обтекания суспензией газопроницаемых трубок 6 суспензия принудительно перемешивается в щадящих условиях, не допуская повреждений морфологической структуры клеток. Далее, клапан 13 закрывается и открывается клапан 12. Надутые газопроницаемые трубки 6, принимают исходную уплощенную форму, а питающий газ, находящийся в трубках 6, по трубопроводу, через клапан 12, штуцер 14, биореакторную емкость 1 и фильтр 4 отводится в атмосферу. Протекая через биореакторную емкость 1, питающий газ контактирует с суспензией клеток по всей площади фазового раздела (газ-жидкость), вытесняет отработанные газы из газовой полости биореакторной емкости, что препятствует накоплению токсичных газов - отходов дыхания клеток и оптимизирует аэрацию растущих клеток в приповерхностном слое рабочей суспензии. Переключение клапанов 12 и 13 осуществляет прибором 17 управления клапанами непрерывно с заданной частотой, что позволяет управлять процессами аэрации и перемешивания суспензий в широком диапазоне.At the inventive bioreactor, it is possible to carry out at least two types of processes, such as suspension cultivation and solid-phase cultivation. In suspension cultivation, predetermined volumes of nutrient medium and seed cells are introduced into bioreactor tank 1, a mixture of gases of a given composition is prepared in chamber 10, and the control device 17 sets the frequency of opening and closing of the valves 12 and 13. During the cultivation process, the valve 13 and the supply gas from the chamber 10 are opened, by means of the pump 9, through the filter 8, through the pipe 11, flows into the collector 7, in which it is distributed along the flattened gas-permeable tubes of the aerator 6. When pressurized with gases, the flattened tubes 6 are inflated, the surface of the gas-permeable tubes 6 is covered with a continuous layer of tiny gas bubbles, which ensures effective dissolution of gases in the working suspension. At the same time, the swelling of the gas-permeable tubes 6 allows the suspension to move along the surface of the gas-permeable tubes of the aerator 6. During the flow around the suspension of the gas-permeable tubes 6, the suspension is forcedly mixed under gentle conditions, avoiding damage to the morphological structure of the cells. Next, the valve 13 closes and opens the valve 12. The inflated gas-permeable tubes 6 take their initial flattened shape, and the feed gas located in the tubes 6 is piped through the valve 12, fitting 14, bioreactor tank 1 and filter 4 to the atmosphere. Flowing through the bioreactor tank 1, the feed gas contacts the cell suspension over the entire area of the phase separation (gas-liquid), displaces the exhaust gases from the gas cavity of the bioreactor tank, which prevents the accumulation of toxic gases - waste cell respiration and optimizes the aeration of growing cells in the surface layer of the working suspensions. Switching of the valves 12 and 13 is carried out by the valve control device 17 continuously at a predetermined frequency, which makes it possible to control the aeration and mixing processes of the suspensions in a wide range.

В условиях реализации непрерывного процесса культивирования клеток, через штуцер 16, в биореакторную емкость 1, подают питательную среду с заданным расходом, которая перемешивается с суспензией при каждом цикле расширения и уплощения газопроницаемых трубок аэратора 6. Штуцер 15, слива продуктов культивирования установлен на уровне погружения надутых газопроницаемых трубок аэратора 6 в суспензию, что позволяет при каждом открытии клапана 13 через штуцер 15 производить дробный слив продуктов культивирования и стабилизировать рабочий уровень суспензии в биореакторной емкости 1.Under the conditions of the implementation of the continuous process of cell cultivation, through the nozzle 16, the bioreactor tank 1 is fed with a nutrient medium with a given flow rate, which is mixed with the suspension during each expansion and flattening of the gas-permeable tubes of the aerator 6. The nozzle 15, the discharge of cultivation products is set at the level of immersion of the inflated gas-permeable tubes of the aerator 6 into the suspension, which allows each time the valve 13 is opened through the nozzle 15 to produce fractional drainage of cultivation products and stabilize the working level l suspensions in the bioreactor tank 1.

Созданные условия аэрации и перемешивания суспензии клеток, способствуют сохранению физических межклеточных связей при культивировании эукариотических клеток, обеспечивают максимальное снабжение клеток питающими газами и вымывание продуктов метаболизма из клеточного окружения, что позволяет существенно повысить производительность ферментера и качество целевых продуктов. Биореакторная емкость 1 может быть снабжена разным количеством газопроницаемых трубок аэратора 6. Так, увеличение числа трубок аэратора 6 и уменьшение при этом объема рабочей суспензии в биореакторной емкости 1, позволяет осуществить плавный переход от суспензионного культивирования клеток к перфузионному, характеризующемуся существенным повышением плотности растущих клеток. Клетки в перфузионных условиях культивирования образуют тканевые формы, что существенно расширяет сферу применения продуцирующих культур и биореактора.The created conditions of aeration and mixing of the cell suspension help to maintain physical intercellular bonds during the cultivation of eukaryotic cells, provide the maximum supply of cells with feed gases and leaching of metabolic products from the cell environment, which can significantly increase the productivity of the fermenter and the quality of the target products. The bioreactor tank 1 can be equipped with a different number of gas-permeable tubes of the aerator 6. Thus, an increase in the number of tubes of the aerator 6 and a decrease in the volume of the working suspension in the bioreactor tank 1 allows a smooth transition from suspension cell cultivation to perfusion, characterized by a significant increase in the density of growing cells. Cells in tissue perfusion conditions form tissue forms, which significantly expands the scope of production of cultures and bioreactor.

При твердофазном культивировании, в биореакторную емкость 1, через открытый люк 2 загружают твердый питательный субстрат. Люк 2 герметизируют, после чего проводят стерилизацию биореактора в заданных условиях температуры, давления и времени. Биореакторную емкость 1 охлаждают посредством теплообменной рубашки 4 до заданной температуры, в питательный субстрат вносят посевную культуру, а на приборе 17 управления задают программу работы клапанов 12-13.During solid-phase cultivation, a solid nutrient substrate is loaded into the bioreactor tank 1 through an open hatch 2. The hatch 2 is sealed, after which the bioreactor is sterilized under the specified conditions of temperature, pressure and time. The bioreactor tank 1 is cooled by means of a heat exchange jacket 4 to a predetermined temperature, a seed culture is introduced into the nutrient substrate, and on the control device 17, a program of operation of the valves 12-13 is set.

В условиях реализации твердофазного процесса, клапаны 12-13 поочередно открываются и закрываются по заданной программе. Так, при открытии клапана 13, в газопроницаемые силиконовые и уплощенные трубки аэратора 6, из камеры 10, насосом 9, через фильтр 8 по трубопроводу 11 нагнетается питающий газ. Трубки аэратора 6 расширяются, вызывая перемещение питательного субстрата по всей площади трубок аэратора 6. Согласно программе, после открытия клапана 13 и выдержки заданное время, клапан 13 закрывается и открывается клапан 12. Находящийся в трубках аэратора 6 сжатый газ отводится по трубопроводу через клапан 12, штуцер 14, емкость 1 и фильтр 5 в атмосферу, а трубки аэратора 6 восстанавливают исходное уплощенное состояние. При уплощении трубок аэратора 6, вокруг газопроницаемых стенок образуются полости, которые вначале процесса заполняются суспензией посевных клеток. При работе клапанов 12-13, суспензия посевных клеток распределяется по всему объему питательного субстрата, а полости вокруг газопроницаемых трубок заполняются газом. Питательный субстрат, обогащенный посевной культурой клеток, в результате уплощения и раздутия газопроницаемых трубок аэратора 6, приобретает структурированную форму, пронизанную каналами питающего и отработанного газа, что обеспечивает принудительную вентиляцию субстрата по всему объему, при этом, клетки в процессе твердофазного культивирования не испытывают лимита по газовому питанию.In the context of the implementation of the solid-phase process, the valves 12-13 alternately open and close according to a given program. So, when the valve 13 is opened, the supply gas is pumped into the gas-permeable silicone and flattened tubes of the aerator 6, from the chamber 10, by the pump 9, through the filter 8 through the pipe 11. The tubes of the aerator 6 expand, causing the nutrient substrate to move over the entire area of the tubes of the aerator 6. According to the program, after opening the valve 13 and holding the set time, the valve 13 closes and opens the valve 12. The compressed gas in the tubes of the aerator 6 is discharged through the pipeline through the valve 12, the fitting 14, the tank 1 and the filter 5 into the atmosphere, and the aerator tubes 6 restore the initial flattened state. When flattening the tubes of the aerator 6, cavities are formed around the gas-permeable walls, which at the beginning of the process are filled with a suspension of seed cells. During operation of valves 12-13, the suspension of seed cells is distributed throughout the volume of the nutrient substrate, and the cavities around the gas-permeable tubes are filled with gas. The nutrient substrate enriched with the seed culture of the cells, as a result of flattening and bloating of the gas-permeable tubes of the aerator 6, acquires a structured form penetrated by the channels of the feed and exhaust gas, which provides forced ventilation of the substrate throughout the volume, while the cells during solid-phase cultivation do not experience a limit on gas powered.

Применение указанной конструкции для управляемой аэрации микроорганизмов в твердофазных процессах способствует активизации биохимических реакций, позволяет, при прочих равных условиях, существенно повысить производительность биореактора и качество получаемых продуктов, а также снизить эксплуатационные затраты.The use of this design for the controlled aeration of microorganisms in solid-state processes promotes the activation of biochemical reactions, and, all other things being equal, can significantly increase the productivity of the bioreactor and the quality of the resulting products, as well as reduce operating costs.

Claims (3)

1. Биореактор для культивирования клеток, преимущественно эукариотических, включающий биореакторную емкость с теплообменной рубашкой и загрузочным люком; аэратор, состоящий из газопроницаемых трубок, расположенных внутри емкости, штуцеры и трубопроводы для подачи и отвода рабочих газов и жидкостей, бактериальные фильтры питающих и отработанных газов, подключенные к соответствующим трубопроводу и штуцеру, отличающийся тем, что биореакторная емкость выполнена в виде горизонтально расположенной трубы, торцевые отверстия которой герметизированы загрузочным люком и технологическим фланцем, газопроницаемые трубки аэратора выполнены уплощенными с возможностью раздувания и возвращения к исходной уплощенной форме, равномерно распределены в рабочем объеме биореакторной емкости и сообщены с коллектором газов, вход/выход которого сообщен трубопроводом с управляемым клапаном с последовательно соединенными бактериальным фильтром питающих газов, насосом для наддува газопроницаемых трубок и камерой для приготовления смеси питающих газов, а также трубопроводом через другой управляемый клапан сообщен со штуцером отвода рабочих газов из биореакторной емкости, а штуцеры для подачи и отвода рабочих газов и жидкостей закреплены на технологическом фланце и подключены к соответствующим трубопроводам, при этом управляемые клапаны соединены с прибором управления.1. Bioreactor for culturing cells, mainly eukaryotic, including a bioreactor tank with a heat exchange jacket and a loading door; an aerator consisting of gas-permeable tubes located inside the tank, fittings and pipelines for supplying and discharging working gases and liquids, bacterial filters of supply and exhaust gases connected to the corresponding pipe and fitting, characterized in that the bioreactor tank is made in the form of a horizontal pipe, the end holes of which are sealed with a loading hatch and a technological flange, the gas-permeable tubes of the aerator are made flattened with the possibility of inflation and return to flattened form, evenly distributed in the working volume of the bioreactor tank and communicated with a gas manifold, the input / output of which is communicated by a controlled valve pipe with a bacterial feed gas filter connected in series, a pump for pressurizing gas-permeable tubes and a chamber for preparing a feed gas mixture, as well as a pipeline through another controlled valve it is in communication with a fitting for discharging working gases from a bioreactor tank, and fittings for supplying and discharging working gases and liquids are fixed and the process flange and connected to the corresponding pipelines, wherein the controllable valves connected to the control device. 2. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что газопроницаемые трубки аэратора изготовлены из физиологически инертного каучука СКТН-Ф.2. The bioreactor according to claim 1, characterized in that the gas-permeable tubes of the aerator are made of physiologically inert rubber SKTN-F. 3. Биореактор по п.1, отличающийся тем, что в качестве камеры для приготовления смеси питающих газов используют СО₂-инкубатор.

3. The bioreactor according to claim 1, characterized in that a CO ₂ incubator is used as a chamber for preparing a mixture of feed gases.