RU1773936C

RU1773936C - Device for crowing microorganisms or cells

Info

Publication number: RU1773936C
Application number: SU904878423A
Authority: RU
Inventors: Валентин Дмитриевич Думанский; Вадим Николаевич Поводзинский; Юрий Васильевич Карлаш; Владимир Николаевич Иванов; Ярослав Григорьевич Кишко; Николай Яковлевич Спивак; Александр Викторович Селезнев; Валерий Константинович Иваненко
Original assignee: Киевский Технологический Институт Пищевой Промышленности; Институт Микробиологии И Вирусологии Им.Д.К.Заболотного
Priority date: 1990-10-29
Filing date: 1990-10-29
Publication date: 1992-11-07

Abstract

Использование: микробиологическа промышленность, получение биомассы и продуктов биосинтеза микроорганизмов, а также клеток животных и растений. Сущность изобретени : аппарат содержит емкость и размещенное в емкости устройство дл перемешивани среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещени . В верхней части емкости расположены поперечна перегородка с отверсти ми, укрепленна на штоке, и размещенные под ней в виде пакета конические перфорированные отражательные элементы, прикрепленные к стенке емкости , при этом одна из пластин, верхн , расположена между перегородкой и коническими элементами. 3 з.п.ф-лы, 1 ил.Usage: microbiological industry, production of biomass and biosynthesis products of microorganisms, as well as animal and plant cells. SUMMARY OF THE INVENTION: the apparatus comprises a container and a device for mixing the medium located in the container, including a vertical rod with a drive, mounted with the possibility of reciprocating movement. In the upper part of the tank there is a transverse partition with holes fixed on the rod, and conical perforated reflective elements placed under it in the form of a packet attached to the wall of the container, one of the plates, the upper one, located between the partition and the conical elements. 3 C.p. f-ls, 1 ill.

Description

Изобретение относитс к микробиологической , медицинской промышленности и может быть использовано дл получени биомассы и продуктов биосинтеза клеток микроорганизмов , а также клеток животного и растительного происхождени . Данный аппарат также можно использовать дл культивировани филаментозных культур.The invention relates to the microbiological, medical industry and can be used to produce biomass and biosynthesis products of microorganism cells, as well as animal and plant cells. This apparatus can also be used to cultivate filamentous cultures.

При аэробном микробном синтезе используютс биореакторы, отличающиес высоким газосодержанием, большой единичной мощностью и высоким уровнем мас- сообменныхпроцессов.Дл In aerobic microbial synthesis, bioreactors are used that are characterized by a high gas content, a large unit capacity and a high level of mass transfer processes.

, культивировани клеток животных и растений , как правило, используют культивирование в монослое неподвижной питательной среды. В этом случае существенным недостатком вл етс больша продолжительность культивировани и низкий выходculturing animal and plant cells, cultivation in a monolayer of a stationary nutrient medium is generally used. In this case, a significant disadvantage is the long cultivation time and low yield

целевых продуктов, обусловленный недостаточным уровнем массопередачи компонентов питательной среды к клеткам и неравномерностью распределени фаз.target products due to insufficient mass transfer of nutrient medium components to cells and uneven phase distribution.

Известны конструкции аппаратов с вибрационной системой перемешивани , отличительной особенностью которых вл етс наличие подвижного штока с пакетом жестких контактных элементов. Шток совершает возвратно-поступательное движение в вертикальной плоскости (Авт.св. СССР №510504, кл. С 12 В 1/10, опублик. 26.12.74; авт.св. СССР, № 755835 кл. С 12 В 1/10, опублик. 15.08.80; авт.св. СССР, № 380699, кл. С 12 В 1/10, опублик. 06.10.71).Apparatuses with a vibrating mixing system are known, the distinguishing feature of which is the presence of a movable rod with a stack of rigid contact elements. The stock performs reciprocating motion in a vertical plane (Autost. St. USSR No. 510504, class C 12 V 1/10, published. 12/26/74; Autost. USSR, No. 755835 class. With 12 V 1/10, published on August 15, 1980; auth. of the USSR, No. 380699, class C 12V 1/10, published on 10/06/71).

К недостаткам перечисленных аппаратов относитс ограниченна возможность их использовани дл культивировани животных , растительных клеток и филаментозч -ч ы о ы оThe disadvantages of these devices include the limited possibility of their use for the cultivation of animals, plant cells and filamentous cells.

ных культур, обусловленна высокой насыщенностью питательной среды газовой фазой , котора неблагопри тно воздействует на жизнеде тельность клеток животных и растений, Больша часть биореакторов с вибрационным перемешиванием ориентирована на большие концентрации клеток микроорганизмов и, следовательно, на высокий уровень массообменных процессов, который достигаетс введением значительной энергии на перемешивание и аэрацию. При высокой интенсивности перемешивани в зоне перемещени контактных элементов возникают значительные касательные напр жени , которые отрицательно вли ют на клетки, поврежда их обо- лочку, или привод т к разрыву гиф филаментозных культур.cultures, due to the high saturation of the nutrient medium with a gas phase, which adversely affects the vital activity of animal and plant cells, most of the bioreactors with vibrational mixing are oriented at high concentrations of microorganism cells and, therefore, at a high level of mass transfer processes, which is achieved by the introduction of significant energy for mixing and aeration. With high mixing intensity, significant tangential stresses arise in the zone of movement of the contact elements, which negatively affect the cells, damage their shell, or lead to rupture of hyphae of filamentous cultures.

Наиболее близким по конструкции вл етс аппарат дл выращивани микроорганизмов (авт.св. СССР № 759586, кл. С 12 С 1/10, опублик.30,08.80). Аппарат выполнен в виде вертикальной емкости, в которой перемещаетс шток с жесткими перегородками , имеющими отверсти . Перемещение штока осуществл етс от внешнего побудител колебаний. Контактные элементы при движении дроб т газовую фазу и обеспечивают равномерное распределение взаимодействующих фаз. В процессе равномерного распределени фаз по объему аппарата существенную роль играет диффузоре кольцевыми щел ми. Использование диффузора и подвижных контактных элементов, создает циркул ционный контур по периферии аппарата. Дл достижени высокого уровн массопередачи кислорода - до 28 кг кислорода на 1 м3 в 1 ч требуетс введение значительной энергии. Высока эиергонасыщенность аппарата неблагопри тно воздействует на клетки животных , растений и филаментозные культуры. Это обусловлено тем, что дробление газовой фазы и создание потоков жидкости в отверсти х и периферии контактных элементов , достигаетс за счет высокой отно- сительной скорости движени фаз и возникновени значительных касательных напр жений в зоне перемешивани .The closest in design is the apparatus for growing microorganisms (ed. St. USSR No. 759586, class C 12 C 1/10, published 30,08.80). The apparatus is made in the form of a vertical container in which a rod moves with rigid partitions having openings. The movement of the stem is carried out from an external oscillator. When moving, the contact elements break up the gas phase and ensure a uniform distribution of the interacting phases. In the process of uniform distribution of phases throughout the apparatus, the diffuser plays an important role with annular slots. The use of a diffuser and movable contact elements creates a circulation circuit along the periphery of the apparatus. Significant energy is required to achieve a high level of oxygen mass transfer - up to 28 kg of oxygen per 1 m3 per hour. The high air-saturation of the apparatus adversely affects the cells of animals, plants, and filamentous cultures. This is due to the fact that the crushing of the gas phase and the creation of fluid flows in the holes and the periphery of the contact elements is achieved due to the high relative velocity of the phases and the appearance of significant tangential stresses in the mixing zone.

При культивировании клеток животных, растений и филаментозных культур необходимо снижение относительной скорости движени взаимодействующих фаз дл создани м гких условий перемешивани , при которых обеспечиваетс омывание клеток питательной средой.When culturing animal, plant cells, and filamentous cells, it is necessary to decrease the relative speed of the interacting phases in order to create soft mixing conditions under which the cells are washed with a nutrient medium.

Целью изобретени вл етс создание конструкции аппарата дл выращивани микроорганизмов или клеток, в котором с целью повышени выхода целевы х продуктов за счет более полного перемешивани , аэрировани и ликвидации застойных зон, в аппарате, представл ющем цилиндрическую герметичную емкость с технологическими патрубками, размещено устройство дл перемешивани среды, включающее вертикальный шток с приводом, установленный по оси емкости с возможностью возвратно-поступательного перемещени .вThe aim of the invention is to provide a design of an apparatus for growing microorganisms or cells in which, in order to increase the yield of target products due to more complete mixing, aeration and elimination of stagnant zones, a device for mixing is placed in a device representing a cylindrical sealed container with technological nozzles medium, including a vertical rod with a drive mounted along the axis of the tank with the possibility of reciprocating movement.

0 вертикальной плоскости и размещенные на нем по всей высоте емкости гибкие пластины , диаметр которых меньше диаметра аппарата , при этом одна из них расположена в азрационной зоне, котора находитс в0 vertical plane and flexible plates placed on it over the entire height of the container, the diameter of which is smaller than the diameter of the apparatus, one of them being located in the azration zone, which is located in

5 верхней части аппарата и отделена от зоны культивировани пакетом неподвижных, прикрепленных к стенке, конических перфорированных элементов с отбортовкой, над которыми расположена прикрепленна к5 of the upper part of the apparatus and is separated from the cultivation zone by a package of fixed conical perforated elements attached to the wall with a flange over which is attached to

0 штоку вибрирующа перегородка с коническими отверсти ми, направление конусности которых чередуетс по концентрическим окружност м, одновременно выполн юща роль поверхностного0 rod vibrating baffle with conical holes, the direction of the taper of which alternates in concentric circles, at the same time playing the role of a surface

5 аэратора и механического пеногасител .5 aerators and mechanical defoamers.

Новым в предложенной конструкции вл етс замена статического аэратора-бар- ботера на систему динамической поверхностей аэрации. Это достигаетс ус0 тановкой на штоке жесткой перфорированной поперечной перегородки, совершающей возвратно-поступательное движение. Дл создани аэрационного эффекта аэрирующа перегородка располага5 етс вблизи поверхности жидкости. Отличительной особенностью аэрирующей перегородки вл етс то, что отверсти в перегородке выполнены в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположе0 ны по концентрическим окружност м по всей площади перегородки с чередованием обращени больших оснований этих конусов вверх-вниз. Применение конических отверстий позвол ет создать дополнительнуюNew in the proposed design is the replacement of a static bubbler aerator with a system of dynamic aeration surfaces. This is achieved by installing a rigid perforated transverse baffle on the rod, which performs a reciprocating motion. To create an aeration effect, the aeration baffle is placed 5 near the surface of the liquid. A distinctive feature of the aerating partition is that the holes in the partition are made in longitudinal section in the form of truncated cones and are arranged in concentric circles over the entire area of the partition with alternating upward and downward rotation of the large bases of these cones. The use of conical holes allows you to create additional

5 турбулизацию поверхностного сло жидкости , усиливающую поверхностную аэрацию. Аэрирующа перегородка одновременно выполн ет роль механического пеногасител .5 turbulization of the surface fluid layer enhancing surface aeration. The aerating baffle also acts as a mechanical defoamer.

0Вторым элементом новизны вл етс The second element of novelty is

разделение всего объема аппарата на две зоны: зону локальной аэрации и зону культивировани . Это достигаетс установкой пакета неподвижных конических (сужаю5 щейс частью вниз) перфорированных отражательных элементов с отбортовкой вниз между аэрирующей пластиной и гибкими пластинами. Установка отражательных элементов служит дл предотвращени транспорта клеток гибкими пластинами вdividing the entire apparatus into two zones: a local aeration zone and a cultivation zone. This is achieved by installing a package of fixed conical (narrowing part down) perforated reflective elements with flanges down between the aeration plate and the flexible plates. The installation of reflective elements serves to prevent the transport of cells by flexible plates in

аэрационную зону и формировани цирку л ционного потока жидкости, содержащей клетки, который образуетс в пристенной зоне и направлен в нижнюю масть аппарата.aeration zone and the formation of a circulating flow of fluid containing cells, which is formed in the wall zone and directed into the lower coat of the apparatus.

Третьим элементом новизны вл етс применение гибких пластин равномерного или переменного сечени , у которых имеютс прорези, сегментирующие их на отдельные элементы. Дл достижени требуемого эффекта м гкого перемешивани используютс пластины из инертного термостойкого материала. Выбор материала обусловлен необходимостью термической стерилизации аппарата. При знакопеременном движении штока с пакетом пластин последние изгибаютс вследствие сопротивлени жидкости. Прорези и переменное сечениеуменьшают жесткость пластин и создают дополнительные зоны турбулизации среды. Сочетание малой жесткости пластин и выбор необходимой интенсивности колебаний позвол ет исключить ингибирующее действие касательных напр жений на клетку . Пластины имеют диаметр не более 0,5 диаметра аппарата, что обеспечивает создание пристенной ц-иркул ционной зоны, Выбор диаметра гибких пластин определен требованием по созданию циркул ционной зоны дл седиментации клеток. При диаметре пластины более 0,5 диаметра аппарата происходит нарушение гидродинамики циркул ционного контура.A third novelty element is the use of flexible plates of uniform or variable cross-section, which have slots that segment them into separate elements. To achieve the desired soft mixing effect, plates of inert heat-resistant material are used. The choice of material is due to the need for thermal sterilization of the apparatus. With alternating movement of the rod with the stack of plates, the latter bend due to fluid resistance. Slots and variable cross section reduce the rigidity of the plates and create additional zones of turbulization of the medium. The combination of low stiffness of the plates and the choice of the necessary vibration intensity makes it possible to exclude the inhibitory effect of tangential stresses on the cell. The plates have a diameter of not more than 0.5 of the apparatus diameter, which ensures the creation of a wall c-circulation zone. The choice of the diameter of flexible plates is determined by the requirement to create a circulation zone for cell sedimentation. When the plate diameter is more than 0.5 of the apparatus diameter, the hydrodynamics of the circulation circuit is disturbed.

На чертеже схематично изображен предлагаемый аппарат.The drawing schematically shows the proposed apparatus.

Аппарат состоит из герметичной емкости 1 и оборудован штуцером 2 и фильтром 3 дл подачи и стерилизации воздуха, штуцером 4 и фильтром 5 дл удалени и очистки отработанного воздуха, штуцером б дл загрузки питательной среды и посевного материала, устройством 7 дл температурной стабилизации, пробоотборником 8, штуцером 9 дл подачи охлаждающей воды, штуцером 10 дл выгрузки содержимого аппарата . Внутри аппарата расположен вертикальный шток 11с пакетом гибких пластин 12, и одна из них расположена в аэрационной зоне. Отвод охлаждающей воды производитс через штуцер 13. Аэраци- онна зона отделена от зоны культивировани пакетом неподвижных перфорированных конических элементов 14, прикрепленных к стенке аппарата. Конические элементы имеют в верхней части от- бортовку. Аэраци и пеногашение осуществл ютс жесткой перфорированной перегородкой 15, имеющей конические отверсти , выполненные в продольном сечении в виде усеченных конусов и расположенные по концентрическим окружност м по всей площади перегородки с чередованием обращени больших оснований этих конусов вверх-вниз.. Герметичность соединени штока 11 с емкостью 1The apparatus consists of a sealed container 1 and is equipped with a nozzle 2 and a filter 3 for supplying and sterilizing air, a nozzle 4 and a filter 5 for removing and purifying exhaust air, a nozzle b for loading the nutrient medium and seed, a device 7 for temperature stabilization, a sampler 8, a fitting 9 for supplying cooling water; a fitting 10 for discharging the contents of the apparatus. Inside the apparatus there is a vertical rod 11 with a package of flexible plates 12, and one of them is located in the aeration zone. The cooling water is discharged through the nozzle 13. The aeration zone is separated from the cultivation zone by a package of fixed perforated conical elements 14 attached to the apparatus wall. Conical elements have a flange at the top. Aeration and defoaming are carried out by a rigid perforated septum 15 having conical openings made in longitudinal section in the form of truncated cones and arranged in concentric circles over the entire area of the septum with alternating upward and downward rotation of the large bases of these cones. Tightness of the connection of the rod 11 to the container 1

обеспечиваетс сильфоном 16.provided by bellows 16.

Аппарат работает следующим образом. В аппарат после термической стерилизации подаетс стерильна питательна среда и посевной материал. Обьем пита0 тельной среды в аппарате выбираетс так. чтобы уровень среды обеспечивал погружение аэрирующей перегородки 15 в поверхностный слой жидкости. Через штуцер 2 и фильтр 3 в верхнюю часть аппарата посту5 паетстерильный воздухдл газообмена. Отработанный воздух через штуцер 4 выходит из аппарата. Шток 11 соединен с внешним побудителем колебаний и совершает возвратно-поступательное перемещение, вме0 сте с ним перемещаютс пакет гибких пластин 12 и аэрирующа перегородка 15.The device operates as follows. After thermal sterilization, sterile culture medium and seed are fed into the apparatus. The volume of the nutrient medium in the apparatus is selected as follows. so that the level of the medium immerses the aerating septum 15 in the surface layer of the liquid. Through the fitting 2 and the filter 3, sterile air for gas exchange is supplied to the upper part of the apparatus 5. The exhaust air through the fitting 4 exits the apparatus. The rod 11 is connected to an external vibration stimulator and performs a reciprocating movement, along with it a package of flexible plates 12 and an aeration partition 15 are moved.

В аэрационной зоне при возвратно-поступательном перемещении перегородки 15 возникают знакопеременные потоки жидко5 сти, направленные вверх при движении пла- стины вниз и направленные вниз при движении пластины вверх. При таком движении происходит захват воздуха и транспорт его в аэрационную зону.In the aeration zone, when the partition 15 is reciprocating, there are alternating fluid flows 5 directed upward when the plate moves downward and directed downward when the plate moves upward. With this movement, air is captured and transported to the aeration zone.

0 Дополнительное дробление газа осуществл ет гибка пластина 12, установленна в аэрационной зоне. С ее помощью часть газовых пузырей попадает под пакет конических перфорированных элементов 14. Га5 зовые пузыри, наход щиес под коническими элементами, всплывают, попада в зону, образованную отбортовкой, и удал ютс из зоны аэрации.0 Additional gas crushing is carried out by a flexible plate 12 installed in the aeration zone. With its help, part of the gas bubbles falls under the packet of conical perforated elements 14. Gas bubbles located under the conical elements float, falling into the flare formed zone, and are removed from the aeration zone.

Пластины 12 располагаютс равномер0 но по высоте аппарата. При вибрационном перемешивании нижн пластина расположена у днища аппарата и служит дл подь- ема оседающих в циркул ционной зоне клеток. Кажда вышерасположенна пла5 стина выполн ет роль транспортирующего элемента, направл клетки в аэрационную зону, из которой они по пристенной циркул ционной зоне возвращаютс в нижнюю часть аппарата.The plates 12 are arranged uniformly along the height of the apparatus. With vibrational stirring, the bottom plate is located at the bottom of the apparatus and serves to raise the cells deposited in the circulation zone. Each upstream plate acts as a transporting element, directing the cells to the aeration zone, from which they return to the lower part of the apparatus along the wall circulation zone.

0 Увеличение выхода целевого продукта достигаетс в результате создани гидродинамической обстановки, котора обеспечивает более полное перемешивание, аэрирование и ликвидацию застойных зон в0 An increase in the yield of the target product is achieved by creating a hydrodynamic environment that provides more complete mixing, aeration and elimination of stagnant zones in

5 аппарате.5 apparatus.

Предлагаемый аппарат позвол ет значительно увеличить выход целевого продуктанапримереполучени альфа-интерферона. Так, при соблюдении высокой асептики процесса активность альфа-интерферона , полученного при вибрационном перемешивании, превысила в 3 раза активность препарата, полученного в монослое при культивировании спленоцитарных клеток.The proposed apparatus can significantly increase the yield of the target product by the preparation of alpha interferon. So, subject to high asepticity of the process, the activity of alpha-interferon obtained by vibrational stirring exceeded 3 times the activity of the drug obtained in a monolayer during the cultivation of splenocytic cells.

Claims

SUMMARY OF THE INVENTION 1. An apparatus for growing microorganisms or cells, comprising a cylindrical sealed container with process pipes and a device for mixing the medium, including a vertical rod with a drive, mounted along the axis of the container with the possibility of reciprocating movement in a vertical plane and placed on it over the entire height of the plate capacity, characterized in that, in order to increase the yield of the target product due to more complete mixing, aeration and face to identify stagnant zones, in the upper part of the container over its entire cross section there is a transverse septum with holes fixed on the rod, and conical perforated reflecting elements placed under it in the form of a packet attached to the wall of the container, one of the plates being located between partition and conical elements.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that the diameter of the plates is not more than 0.5 of the diameter of the container.

3. The device according to claim 1, characterized in that the plates are flexible.

4. The apparatus according to claim 1, characterized in that the holes in the partition are made in longitudinal section in the form of truncated cones and are arranged in concentric circles over the entire area of the partition with alternating upward and downward rotation of the large bases of these cones.