RU2355751C1

RU2355751C1 - Vortex reactor for carrying out biotechnological processes under microgravity conditions

Info

Publication number: RU2355751C1
Application number: RU2008113498/13A
Authority: RU
Inventors: Андрей Петрович Репков (RU); Андрей Петрович Репков; Юрий Ахметович Рамазанов (RU); Юрий Ахметович Рамазанов
Original assignee: Андрей Петрович Репков; Юрий Ахметович Рамазанов
Priority date: 2008-04-07
Filing date: 2008-04-07
Publication date: 2009-05-20

Abstract

FIELD: biology.

SUBSTANCE: present invention relates to devices for carrying out biotechnological process, in particular, for growing tissue cells and microorganisms in microgravity conditions and can be used in space biotechnology. The bioreactor has a hollow cylindrical body, the ends of which are closed by removable discs, a system for feeding and outlet of culture medium, aerating gas and removal of target product and products of metabolism of cells or microorganisms, unit for controlling and monitoring the culturing process. Inside the cylindrical body and coaxial with it, there is an immovable cylindrical partition wall. Inside the partition wall a movable cylindrical partition wall is fitted on an axis with possibility of rotating, forming coaxially arranged axial, inner and outer circular channels. An impeller of the activator of a circulating stream of gas from the axial to the inner circular channel and back with its rotation actuator is on a shaft with the end of the housing in front of immovable and movable cylindrical partition walls. An immovable swirler of the gas stream in the axial channel is put on the axis of the movable cylindrical partition wall on the other end of the housing. At the ends, the cylindrical movable partition wall has mouth pieces with circular shoulders for creating a gas-storage circular cavity on its inner side. In line with the immovable cylindrical partition wall and to its ends are fixed flanges with circular cone-shaped elements, fitted with clearance from the mouth pieces of the movable cylindrical partition wall. In the inner circular channel between the movable and immovable cylindrical partition walls, there are blades, made in form of an Archimedes screw and fixed to the outer surface of the movable partition wall. The aerator of the system for inlet and outlet of aeration gas has perforated pipe-shaped elements, uniformly arranged near the immovable cylindrical partition wall with clearance from its inner surface.

EFFECT: increased output of the culturing process and improved mass-exchange characteristics.

4 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам для проведения биотехнологических процессов, в частности для культивирования клеток тканей и микроорганизмов в условиях отсутствия силы земной гравитации, и может быть использовано в космической биотехнологии.The invention relates to devices for carrying out biotechnological processes, in particular for the cultivation of tissue cells and microorganisms in the absence of terrestrial gravity, and can be used in space biotechnology.

Известен биореактор для культивирования культур клеток на микроносителях в условиях микрогравитации (патент США №5002890, МПК С12М 3/06, опубл. 26.03.1991). Биореактор содержит вертикальную осесимметричную камеру, в которой соосно установлено с возможностью вращения фильтрующее устройство, вокруг которого расположены с возможностью вращения гибкие мембраны. Жидкая питательная среда поступает в камеру с клетками, иммобилизованными на микроносителях, через фильтрующее устройство из замкнутой системы подготовки питательной среды и ее аэрации. Аэрация питательной среды газообразными компонентами производится перфузионно через полупроницаемую мембрану. Выпуск использованной среды производится в ту же замкнутую систему. В замкнутой системе входные и выходные параметры считываются датчиками, посредством которых добавляются питательные вещества и регулируется рН, а также подается кислород, удаляется двуокись углерода и устраняются пузырьки газа. Указанная система находится под управлением и контролем микропроцессора. Данная конструкция биореактора предназначена для работы в условиях невесомости.Known bioreactor for the cultivation of cell cultures on microcarriers under microgravity conditions (US patent No. 5002890, IPC С12М 3/06, publ. March 26, 1991). The bioreactor contains a vertical axisymmetric chamber in which a filtering device is arranged coaxially with rotation, around which flexible membranes are arranged to rotate. Liquid nutrient medium enters the chamber with cells immobilized on microcarriers through a filtering device from a closed system for preparing the nutrient medium and its aeration. The aeration of the nutrient medium with gaseous components is perfused through a semipermeable membrane. The release of the used medium is carried out in the same closed system. In a closed system, the input and output parameters are read by sensors, through which nutrients are added and pH is regulated, oxygen is also supplied, carbon dioxide is removed and gas bubbles are eliminated. The specified system is under the control and control of the microprocessor. This bioreactor design is designed to work in zero gravity.

Однако такое устройство сложно как конструктивно, так и в процессе эксплуатации и имеет низкие массообменные характеристики вследствие перфузионного способа аэрации суспензии клеток.However, such a device is difficult both constructively and during operation and has low mass transfer characteristics due to the perfusion method of aeration of the cell suspension.

Известен биореактор, предназначенный для эксплуатации в условиях микрогравитации (патент США №5846817, МПК С12М 1/06, опубл. 08.12.1998), включающий, по крайней мере, одну камеру для культивирования клеток, систему подачи кислорода и устройство для перемешивания культуры клеток. Перемешивающее устройство установлено в камере и выполнено в виде двух соосно расположенных спиральных перегородок с зазором относительно друг друга и стенок камеры. Одна из перегородок снабжена приводом вращения.Known bioreactor designed for use in microgravity (US patent No. 5846817, IPC С12М 1/06, publ. 08.12.1998), including at least one chamber for culturing cells, an oxygen supply system and a device for mixing cell culture. A mixing device is installed in the chamber and is made in the form of two coaxially arranged spiral partitions with a gap relative to each other and the walls of the chamber. One of the partitions is equipped with a rotation drive.

Однако, несмотря на работоспособность такой конструкции в условиях микрогравитации, она имеет низкую эффективность перемешивания и газообмена.However, despite the operability of such a structure under microgravity conditions, it has a low mixing and gas exchange efficiency.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является биореактор с дистанционным управлением для культивирования клеток как на земле, так и при слабой гравитации (заявка на патент США №2002/0146816, МПК С12М 1/00, опубл. 10.10.2002), который содержит цилиндрическую емкость с приводом ее вращения на оси и систему, обеспечивающую поступление свежей или рециркулирующей жидкости и удаление по выбору использованной среды, подлежащей рециркуляции или фильтрации, или нефильтрованной среды для сбора образцов. Емкость биореактора включает две крышки, наливные отверстия и полимерный фильтр. Система газообмена между культуральной средой и внешними газами включает газопроницаемый трубопровод необходимой длины, перистальтический насос и полимерную емкость для хранения свежей среды. Полимерная емкость и перистальтический насос используются для дозированной подачи, перфузии или забора образцов. Корпус биореактора и трубопровод имеют дополнительный уровень биохимической защиты. Все прижимные клапаны для периодического сбора образцов взвешенных клеток или бесклеточной среды размещаются в корпусе вместе с системой контроля влажности, состоящей из полимерной пористой матрицы и вентилятора. Компьютерная программа с графическим пользовательским интерфейсом для автоматического и/или роботизированного контроля всех функций, включающих, главным образом, вращение емкости реактора, подачу свежей среды, рассчитанный по времени сбор образцов жидкости из реактора, выбор между сбором клеток или бесклеточной жидкости. В целом такая конструкция также работоспособна в условиях невесомости.The closest analogue (prototype) is a bioreactor with remote control for cultivating cells both on the ground and under weak gravity (application for US patent No. 2002/0146816, IPC S12M 1/00, publ. 10.10.2002), which contains a cylindrical container with the drive of its rotation on the axis and a system that provides the flow of fresh or recirculating liquid and optionally removes the used medium to be recycled or filtered, or unfiltered sample collection medium. The capacity of the bioreactor includes two caps, filling holes and a polymer filter. The gas exchange system between the culture medium and external gases includes a gas-permeable pipeline of the required length, a peristaltic pump and a polymer container for storing fresh medium. The polymer tank and peristaltic pump are used for dosing, perfusion or sampling. The bioreactor body and pipeline have an additional level of biochemical protection. All pressure valves for periodically collecting samples of suspended cells or cell-free medium are placed in the housing together with a humidity control system consisting of a polymer porous matrix and a fan. A computer program with a graphical user interface for automatic and / or robotic control of all functions, including mainly rotating the reactor vessel, supplying fresh medium, timed collection of fluid samples from the reactor, and the choice between collecting cells or cell-free fluid. In general, such a design is also operational in zero gravity.

Однако такое устройство имеет низкую производительность, т.к. предназначено для культивирования клеток в небольшом объеме питательной среды, и имеет низкие массообменные характеристики вследствие перфузионного способа аэрации суспензии клеток.However, such a device has poor performance, because It is intended for culturing cells in a small volume of the nutrient medium, and has low mass transfer characteristics due to the perfusion method of aeration of the cell suspension.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности процесса культивирования культур клеток или микроорганизмов за счет улучшения массообменных характеристик между жидкой и газообразной фазами путем обеспечения газовихревой аэрации жидкой фазы непосредственно в емкости биореактора и совмещения его с процессом перемешивания суспензии указанных биообъектов.The technical result of the present invention is to increase the productivity of the process of culturing cell cultures or microorganisms by improving the mass transfer characteristics between the liquid and gaseous phases by providing gas-vortex aeration of the liquid phase directly in the bioreactor tank and combining it with the process of mixing a suspension of these biological objects.

Указанный технический результат достигается тем, что вихревой реактор для проведения биотехнологических процессов в условиях микрогравитации согласно изобретению включает полый цилиндрический корпус, закрытый с торцов съемными дисками, системы подачи и удаления питательной среды, аэрирующего газа и удаления целевого продукта и продуктов метаболизма клеток или микроорганизмов и блок контроля и управления за технологическим процессом культивирования, причем внутри цилиндрического корпуса биореактора и соосно ему установлены неподвижная цилиндрическая перегородка и внутри нее на оси с возможностью вращения подвижная цилиндрическая перегородка с образованием коаксиально расположенных осевого, внутреннего кольцевого и внешнего кольцевого каналов, крыльчатка побудителя циркулирующего потока газа из осевого во внешний кольцевой канал и обратно с приводом ее вращения, расположенная на валу с торца корпуса перед неподвижной и подвижной цилиндрическими перегородками, неподвижный завихритель газового потока в осевом канале, размещенный на оси подвижной цилиндрической перегородки с другого торца корпуса, кроме того, с торцов цилиндрическая подвижная перегородка имеет раструбы с кольцевыми буртиками для образования с внешней ее стороны газонакопительной кольцевой полости, соосно неподвижной цилиндрической перегородке и к ее торцам прикреплены фланцы с кольцевыми коническими элементами, установленными с зазорами относительно раструбов подвижной цилиндрической перегородки, во внутреннем кольцевом канале между подвижной и неподвижной цилиндрическими перегородками размещены лопатки, выполненные в виде винта Архимеда и прикрепленные к наружной поверхности подвижной перегородки.The specified technical result is achieved by the fact that the vortex reactor for carrying out biotechnological processes in microgravity conditions according to the invention includes a hollow cylindrical body closed at the ends with removable disks, systems for supplying and removing nutrient medium, aeration gas and removing the target product and products of cell or microorganism metabolism and a unit control and management of the technological process of cultivation, and inside the cylindrical body of the bioreactor and coaxially installed it the movable cylindrical baffle and inside it on the axis rotatably movable baffle with the formation of coaxially located axial, inner annular and outer annular channels, the impeller of the inducer of the circulating gas flow from the axial to the outer annular channel and back with its rotation drive located on the shaft from the end the case in front of the fixed and movable cylindrical partitions, the stationary swirl of the gas flow in the axial channel, placed on the axis of the movable cylinder of the septum from the other end of the casing, in addition, from the ends, the cylindrical movable partition has sockets with annular flanges for the formation of a gas accumulating annular cavity on its outer side, coaxially fixed to the cylindrical partition and flanges are attached to its ends with annular conical elements installed with gaps relative to the sockets a movable cylindrical partition, in the inner annular channel between the movable and fixed cylindrical partitions placed blades made mounted in the form of an Archimedes screw and attached to the outer surface of the movable partition.

Аэратор системы подачи и удаления аэрирующего газа дополнительно содержит перфорированные трубчатые элементы, равномерно расположенные вблизи неподвижной цилиндрической перегородки с зазором относительно ее внутренней поверхности.The aerator of the aeration gas supply and removal system further comprises perforated tubular elements uniformly located near the stationary cylindrical partition with a gap relative to its inner surface.

Перед крыльчаткой побудителя потока воздуха радиально расположена эжекционная трубка, один конец которой размещен в приосевой зоне крыльчатки, а другой загнутый конец - в газонакопительной кольцевой полости, образованной с наружной стороны стенками подвижной цилиндрической перегородки.An ejection tube is radially located in front of the impeller of the air flow inducer, one end of which is located in the axial zone of the impeller, and the other curved end is in the gas-accumulating annular cavity formed on the outside by the walls of the movable cylindrical partition.

Привод вращения крыльчатки побудителя циркулирующего потока газа из осевого во внешний кольцевой канал и обратно расположен снаружи корпуса биореактора и кинематически связан с крыльчаткой через магнитную муфту.The rotational drive of the impeller of the stimulator of the circulating gas flow from the axial to the external annular channel and vice versa is located outside the bioreactor body and is kinematically connected to the impeller through a magnetic coupling.

Изобретение поясняется следующими графическими материалами. На фиг.1 представлена схема вихревого биореактора в разрезе. На фиг.2 - то же, с изображением схемы перемещения потоков газа и жидкости.The invention is illustrated by the following graphic materials. Figure 1 presents a diagram of a vortex bioreactor in section. Figure 2 is the same, with the image of the scheme of movement of gas and liquid flows.

Вихревой реактор для проведения биотехнологических процессов в условиях микрогравитации включает полый цилиндрический корпус 1 биореактора, закрытый с торцов съемными дисками 2 и 3, систему подачи и удаления питательной среды, систему подачи аэрирующего газа и удаления целевого продукта и продуктов метаболизма клеток или микроорганизмов и блок контроля и управления за технологическим процессом культивирования (не показано). Внутри цилиндрического корпуса 1 биореактора и соосно ему установлены неподвижная цилиндрическая перегородка 4 и внутри нее на оси 5 с возможностью вращения - подвижная цилиндрическая перегородка 6 с образованием коаксиально расположенных осевого, внутреннего кольцевого и внешнего кольцевого каналов 7, 8 и 9 соответственно. Центробежная крыльчатка 10 побудителя циркулирующего потока газа из осевого 7 во внешний кольцевой канал 9 и обратно имеет привод 11 вращения и расположена на валу 12 с торца корпуса 1 перед неподвижной и подвижной цилиндрическими перегородками 4 и 6. Неподвижный завихритель 13 газового потока в осевом канале 7 размещен на оси 5 подвижной цилиндрической перегородки 6 с другого торца корпуса 1. С торцов цилиндрическая подвижная перегородка 6 имеет раструбы 14 и 15 с кольцевыми буртиками 16 и 17 для образования с внешней ее стороны газонакопительной кольцевой полости 18. Соосно неподвижной цилиндрической перегородке 4 и к ее торцам прикреплены фланцы 19 и 20 с кольцевыми коническими элементами 21 и 22, установленными с образованием кольцевых зазоров 23 и 24 относительно раструбов 14 и 15 подвижной цилиндрической перегородки 6. Во внутреннем кольцевом канале 8 между подвижной 6 и неподвижной 4 цилиндрическими перегородками размещены лопатки 25, выполненные в виде винта Архимеда и прикрепленные к наружной поверхности подвижной перегородки 6. Аэратор системы подачи и удаления аэрирующего газа содержит перфорированные трубчатые элементы 26, равномерно расположенные вблизи неподвижной цилиндрической перегородки 4 с зазором относительно ее внутренней поверхности. Трубчатые элементы 26 могут быть выполнены в виде колец, установленных равномерно вокруг подвижной перегородки 6 и подсоединенных к трубопроводу 27 подачи аэрирующего газа, конец которого выведен через стенку торцевого диска 3 корпуса 1.A vortex reactor for carrying out biotechnological processes in microgravity conditions includes a hollow cylindrical body 1 of a bioreactor closed at the ends with removable disks 2 and 3, a feed and removal system for a nutrient medium, a system for supplying aeration gas and removing the target product and products of cell or microorganism metabolism and a control unit and cultivation process control (not shown). Inside the cylindrical body 1 of the bioreactor and coaxially to it, a fixed cylindrical partition 4 is installed and inside it on the axis 5 with the possibility of rotation is a movable cylindrical partition 6 with the formation of coaxially located axial, inner annular and outer annular channels 7, 8 and 9, respectively. The centrifugal impeller 10 of the inducer of the circulating gas flow from the axial 7 to the outer annular channel 9 and vice versa has a rotary drive 11 and is located on the shaft 12 from the end of the housing 1 in front of the fixed and movable cylindrical partitions 4 and 6. A stationary swirl 13 of the gas flow in the axial channel 7 is placed on the axis 5 of the movable cylindrical partition 6 from the other end of the housing 1. At the ends, the cylindrical movable partition 6 has sockets 14 and 15 with annular beads 16 and 17 for the formation of gas accumulating the front cavity 18. Coaxially fixed to the cylindrical partition 4 and to its ends are attached flanges 19 and 20 with annular conical elements 21 and 22 installed with the formation of annular gaps 23 and 24 relative to the sockets 14 and 15 of the movable cylindrical partition 6. In the inner annular channel 8 between movable 6 and fixed 4 cylindrical partitions placed blades 25, made in the form of an Archimedes screw and attached to the outer surface of the movable partition 6. Aerator of the system for supplying and removing aerating gas containing um perforated tubular elements 26 are uniformly arranged near the fixed cylindrical wall 4 with a gap on its inner surface. The tubular elements 26 can be made in the form of rings mounted evenly around the movable partition 6 and connected to the aeration gas supply pipe 27, the end of which is led out through the wall of the end disk 3 of the housing 1.

Перед крыльчаткой 10 побудителя потока воздуха радиально расположена эжекционная трубка 28, один конец которой размещен в приосевой разреженной зоне крыльчатки 10, а другой ее загнутый конец - в газонакопительной кольцевой полости 18.In front of the impeller 10 of the air flow inducer, an ejection tube 28 is radially located, one end of which is placed in the axial rarefied zone of the impeller 10, and its other curved end is in the gas-accumulating annular cavity 18.

Привод 11 вращения крыльчатки 10 побудителя циркулирующего потока газа из осевого 7 во внешний кольцевой канал 9 и обратно расположен снаружи корпуса 1 биореактора и кинематически связан с крыльчаткой 10 через магнитную муфту 29. Вокруг внешней поверхности неподвижной перегородки 4 расположен винтовой трубопровод 30, концы 31 и 32 которого для подачи и отвода теплоносителя выведены через диск 3 корпуса 1.The drive 11 of the rotation of the impeller 10 stimulator of the circulating gas flow from the axial 7 to the outer annular channel 9 and back is located outside the housing 1 of the bioreactor and is kinematically connected to the impeller 10 through a magnetic coupling 29. Around the outer surface of the fixed partition 4 is a screw pipe 30, ends 31 and 32 which for supply and removal of the coolant are removed through the disk 3 of the housing 1.

Кроме того, через диск 3 корпуса 1 пропущены: трубка 33 для отвода отработанного аэрирующего газа, загнутый конец которого размещен в газонакопительной полости 18; трубка 34 для подачи питательной среды и удаления готового продукта и трубка 35 для ввода датчиков контроля размещены во внешнем кольцевом канале 9 вблизи внутренней поверхности неподвижной перегородки 4; трубки 36 и 37 для подачи в биореактор газообразных компонентов (воздуха, СО₂, О₂), концы которых размещены в осевом канале 6 перед завихрителем 13 газового потока. Трубка 38 для отвода воздуха из газового потока пропущена через цилиндрическую стенку корпуса 1 и размещена напротив крыльчатки 10 побудителя газового потока.In addition, through the disk 3 of the housing 1 are passed: a tube 33 for exhausting aerated gas, the bent end of which is placed in the gas storage cavity 18; a tube 34 for supplying a nutrient medium and removing the finished product and a tube 35 for introducing control sensors are located in the outer annular channel 9 near the inner surface of the fixed partition 4; tubes 36 and 37 for supplying gaseous components (air, CO ₂ , O ₂ ) to the bioreactor, the ends of which are placed in the axial channel 6 in front of the swirl 13 of the gas stream. The tube 38 for venting air from the gas stream is passed through the cylindrical wall of the housing 1 and is placed opposite the impeller 10 of the stimulator of the gas stream.

Работа вихревого биореактора в условиях микрогравитации (отсутствия силы земной гравитации) осуществляется следующим образом. Трубки 27, 31, 32, 34, 36-38 биореактора подключают к соответствующим емкостям с жидкой питательной средой, газообразными компонентами и емкостям для сбора готового продукта и продуктов метаболизма биообъектов (не показаны) при помощи гибких шлангов и быстроразъемных соединений и устанавливают контрольно-измерительные датчики через трубку 35. Все оборудование подвергают стерилизации, после чего контрольно-измерительные датчики и электропривод 11 подключают к системам питания и управления, выполненным на базе персонального компьютера. Далее включают электропривод 11, который вращает центробежную крыльчатку 10, нагнетающую вихревой газовый поток при повышенном давлении во внешний кольцевой канал 9. Из канала 9 газовый поток поступает к завихрителю 13, поворачиваясь на 180 градусов, и увеличивает свою угловую скорость вращения за счет уменьшения радиуса вращения, перемещаясь по осевому каналу 7. При этом формируется циркулирующий аэрирующий поток газа из осевого 7 во внешний кольцевой канал 9 и обратно. Завихритель 13 газового потока в осевом канале 7 дополнительно закручивает этот поток, что способствует быстрому приведению во вращение подвижной перегородки 6 с лопатками 25 на оси 5 в ту же сторону, что и поток газа в осевом канале 7. Свободное вращение перегородки 7 уменьшает потери на трение при движении как газовой, так и жидкой фазы. Через трубку 34 подают жидкую питательную среду во внутренний кольцевой канал 8. По мере накопления жидкой питательной среды она захватывается вращающимися лопатками 25, приводится во вращение вокруг оси цилиндрического корпуса 1, отбрасывается за счет центробежной силы к внутренней поверхности неподвижной перегородки 4 с образованием слоя жидкости, который одновременно с вращательным движением совершает поступательное движение к кольцевому зазору 24. Вблизи кольцевого зазора 24 на жидкость будет действовать подпор от вращающихся лопаток 25 и со стороны кольцевого зазора 24 эжектирующий эффект скоростного напора газового вихря в осевом канале 7. Жидкость поступает через кольцевой зазор 24 на внутреннюю поверхность вращающейся перегородки 6 и по спиральной траектории (для отдельно рассматриваемых частиц) перемещается по указанной поверхности в виде слоя в сторону центробежной крыльчатки 10 и к кольцевому зазору 23, который является ловушкой, принимающей циркулирующую жидкость. Для исключения потерь жидкой питательной среды за кольцевым зазором 23 в газонакопительной полости 18 создается посредством эжекционной трубки 28 пониженное давление, равное давлению на входе центробежной крыльчатки 10. За счет пониженного давления осуществляется подсос жидкости через кольцевой зазор 23 и облегчается поступление жидкости во внутреннюю кольцевую полость 8. Таким образом, происходит постоянная циркуляция пленочного слоя жидкой питательной среды вокруг вращающейся цилиндрической перегородки 6. Толщина пленочного слоя циркулирующей жидкости и ее безотрывное течение (без образования и отрыва капель) может регулироваться изменением числа оборотов крыльчатки 10, а также изменением ширины кольцевых зазоров 23 и 24. Поскольку частицы жидкости вращаются вокруг оси корпуса 1 как во внутреннем кольцевом канале 8, так и в осевом канале 7, то пленочное течение жидкости будет иметь место в обоих указанных каналах 7 и 8. Согласно уравнению неразрывности течения жидкости при одинаковом ее расходе скорости продольных течений будут обратно пропорциональны площадям сечений обоих кольцевых потоков жидкости. После установления циркуляции пленочного слоя жидкой питательной среды вокруг вращающейся цилиндрической перегородки 6 через трубку 34 вводят посевную дозу культур выращиваемых клеток или микроорганизмов. Аэрацию суспензии клеток или микроорганизмов в питательной среде осуществляют за счет перемешивания лопатками 25 питательной среды, насыщаемой газом в осевом канале 7. Если культивируемые биообъекты требуют повышенное содержание газа в питательной среде, то газ дополнительно подают через аэратор системы подачи и удаления аэрирующего газа, содержащий перфорированные трубчатые элементы 26, подсоединенные к трубопроводу 27 подачи аэрирующего газа. Трубчатые элементы 26 дополнительно служат турбулизаторами потока жидкости. Пузырьки газа, образующиеся в процессе аэрации и жизнедеятельности микроорганизмов, перемещаются в направлении против действующей центробежной силы, т.е. в сторону оси корпуса 1, образуя на внешней цилиндрической поверхности подвижной перегородки 6 кольцевую газовую полость 18, ограниченную с торцов буртиками 16 и 17. Подача газа производится через трубку 37 (в зоне разряжения), а вывод - через трубку 38 (зона повышенного давления). Удаление отработанного газа производится через трубку 33 и частично через трубки 28 и 38. Такое расположение указанных трубок не требует специальных насосов. Поддержание оптимальной температуры культивирования производится с помощью винтового трубопровода 30, через концы 31 и 32 которого соответственно подают и отводят теплоноситель.The work of a vortex bioreactor in microgravity (lack of earth's gravity) is as follows. Tubes 27, 31, 32, 34, 36-38 of the bioreactor are connected to the corresponding containers with liquid nutrient medium, gaseous components and tanks for collecting the finished product and metabolic products of biological objects (not shown) using flexible hoses and quick disconnect connections and install control and measurement sensors through the tube 35. All equipment is sterilized, after which the control and measuring sensors and the electric drive 11 are connected to the power and control systems based on a personal computer. Next, an electric drive 11 is turned on, which rotates the centrifugal impeller 10, which injects a vortex gas stream at elevated pressure into the outer annular channel 9. From the channel 9, the gas stream enters the swirl 13, rotating 180 degrees, and increases its angular velocity of rotation by reducing the radius of rotation moving along the axial channel 7. In this case, a circulating aerating gas flow is formed from the axial 7 into the external annular channel 9 and vice versa. The swirl 13 of the gas flow in the axial channel 7 further twists this flow, which contributes to the rapid bringing into rotation of the movable partition 6 with blades 25 on the axis 5 in the same direction as the gas flow in the axial channel 7. Free rotation of the partition 7 reduces friction losses when moving both a gas and a liquid phase. A liquid nutrient medium is supplied through the tube 34 to the inner annular channel 8. As the liquid nutrient medium accumulates, it is captured by rotating blades 25, rotated around the axis of the cylindrical body 1, and is discarded due to centrifugal force to the inner surface of the fixed partition 4 to form a liquid layer, which simultaneously with the rotational movement makes a translational movement to the annular gap 24. Near the annular gap 24 on the liquid will act backwater from the rotating shovels 25 and from the side of the annular gap 24, the ejection effect of the velocity head of the gas vortex in the axial channel 7. The fluid enters through the annular gap 24 onto the inner surface of the rotating partition 6 and moves along the indicated surface in a spiral path (for separately considered particles) to the centrifugal side the impellers 10 and to the annular gap 23, which is a trap receiving a circulating fluid. To eliminate losses of the liquid nutrient medium behind the annular gap 23 in the gas storage cavity 18, a reduced pressure is created by means of an ejection tube 28 equal to the pressure at the inlet of the centrifugal impeller 10. Due to the reduced pressure, liquid is sucked through the annular gap 23 and the flow of liquid into the inner annular cavity 8 is facilitated Thus, there is a constant circulation of the film layer of the liquid nutrient medium around a rotating cylindrical partition 6. The thickness of the film layer of the circus lining fluid and its continuous flow (without formation and separation of droplets) can be controlled by changing the number of revolutions of the impeller 10, as well as by changing the width of the annular gaps 23 and 24. Since the fluid particles rotate around the axis of the housing 1 both in the inner annular channel 8 and in the axial channel 7, then the film flow of the liquid will take place in both of these channels 7 and 8. According to the equation of continuity of the fluid flow at the same flow rate, the longitudinal flow velocities will be inversely proportional to the cross-sectional areas their annular fluid flows. After the circulation of the film layer of the liquid nutrient medium around the rotating cylindrical partition 6 is established, a seed dose of cultures of the grown cells or microorganisms is introduced through the tube 34. Aeration of the suspension of cells or microorganisms in the nutrient medium is carried out by mixing the blades 25 with the nutrient medium saturated with gas in the axial channel 7. If cultivated biological objects require a high gas content in the nutrient medium, the gas is additionally fed through an aerator of the aeration gas supply and removal system containing perforated tubular elements 26 connected to the aeration gas supply pipe 27. The tubular elements 26 additionally serve as turbulators of the fluid flow. Gas bubbles generated during the aeration and vital activity of microorganisms move in the opposite direction to the acting centrifugal force, i.e. toward the axis of the housing 1, forming an annular gas cavity 18 on the outer cylindrical surface of the movable partition 6, bounded at the ends by shoulders 16 and 17. Gas is supplied through the tube 37 (in the rarefaction zone), and the output through the tube 38 (high pressure zone) . The exhaust gas is removed through the tube 33 and partially through the tubes 28 and 38. This arrangement of these tubes does not require special pumps. The optimal cultivation temperature is maintained by means of a screw pipe 30, through the ends 31 and 32 of which, respectively, the coolant is supplied and removed.

Заявляемая конструкция биореактора может иметь как небольшие размеры для культивирования небольшого количества биоматериала, так и большие габариты для крупномасштабного получения биоматериала в условиях космоса при отсутствии силы земной гравитации. Повышение производительности процесса культивирования культур клеток или микроорганизмов осуществляется за счет более высоких массообменных характеристик путем обеспечения одновременно перемешивания и газовихревой аэрации суспензии клеток непосредственно в емкости биореактора.The inventive design of the bioreactor can have both small sizes for culturing a small amount of biomaterial, and large dimensions for large-scale production of biomaterial in space in the absence of earth's gravity. Increasing the productivity of the process of culturing cell cultures or microorganisms is carried out due to higher mass transfer characteristics by providing both mixing and gas-vortex aeration of the cell suspension directly in the bioreactor tank.

Claims

1. A vortex reactor for carrying out biotechnological processes in microgravity conditions, including a hollow cylindrical bioreactor body closed at the ends with removable disks, a supply and removal system for a nutrient medium, aerating gas and removal of the target product and products of cell or microorganism metabolism and a process control and control unit cultivation process, and inside the cylindrical body of the bioreactor and coaxially to it, a stationary cylindrical partition is installed and inside it on an axis with rotation of the movable cylindrical partition with the formation of coaxially located axial, inner annular and outer annular channels, the impeller of the inducer of the circulating gas flow from the axial to the outer annular channel and back with its rotation drive, located on the shaft from the end of the housing in front of the fixed and movable cylindrical partitions, motionless swirl the gas flow in the axial channel, placed on the axis of the movable cylindrical partition from the other end of the housing, in addition, from the end The cylindrical movable partition has sockets with annular flanges for the formation of a gas accumulating annular cavity coaxially on the outer cylindrical partition, and flanges with annular conical elements fixed with gaps relative to the sockets of the movable cylindrical partition in the inner annular channel between the movable are attached to its ends. and fixed cylindrical partitions placed blades made in the form of an Archimedes screw and attached to the outer the movable partition.

2. The vortex reactor according to claim 1, characterized in that the aerator of the aeration gas supply and removal system further comprises perforated tubular elements uniformly located near the stationary cylindrical partition with a gap relative to its inner surface.

3. The vortex reactor according to claim 1, characterized in that an ejection tube is radially located in front of the impeller of the air flow inducer, one end of which is located in the axial zone of the impeller, and the other curved end is in the gas-accumulating annular cavity formed on the outside by the walls of the movable cylindrical partition .

4. The vortex reactor according to claim 1, characterized in that the rotor impeller of the impeller of the circulating gas flow from the axial to the outer annular channel and back is located outside the bioreactor casing and is kinematically connected to the impeller through a magnetic coupling.