WO2022154690A1 - Laboratory multi-platform gas vortex bioreactor - Google Patents

Laboratory multi-platform gas vortex bioreactor Download PDF

Info

Publication number
WO2022154690A1
WO2022154690A1 PCT/RU2021/000512 RU2021000512W WO2022154690A1 WO 2022154690 A1 WO2022154690 A1 WO 2022154690A1 RU 2021000512 W RU2021000512 W RU 2021000512W WO 2022154690 A1 WO2022154690 A1 WO 2022154690A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
annular
annular floating
partition
container
medium
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/000512
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Андрей Петрович РЕПКОВ
Original Assignee
Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Вихревых Технологий"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Вихревых Технологий" filed Critical Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Вихревых Технологий"
Publication of WO2022154690A1 publication Critical patent/WO2022154690A1/en

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/02—Apparatus for enzymology or microbiology with agitation means; with heat exchange means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/04—Apparatus for enzymology or microbiology with gas introduction means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/34—Measuring or testing with condition measuring or sensing means, e.g. colony counters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/36—Apparatus for enzymology or microbiology including condition or time responsive control, e.g. automatically controlled fermentors

Definitions

  • the invention relates to devices for cultivating lower phototropes (microalgae), as well as for carrying out biochemical processes using liquid media of various viscosities, in particular when cultivating tissue cells and microorganisms in nutrient media with increased or varying viscosity.
  • the invention can be used in the educational process at the biological faculties of various educational institutions (from schools to universities), as well as an experimental photo- and bioreactor (fermenter) in the organization of industrial production.
  • Known bioreactor containing a cylindrical container with a lid and nozzles for inlet and outlet of gas and a device for aeration and mixing of the medium.
  • the device for aeration and mixing contains a horizontal impeller mounted on a vertical drive shaft, placed in the upper part of the container directly under the lid, and an annular plate located under it with a central hole for passing gas, attached along the periphery to the wall of the container with the formation of an annular cavity around the wheel for gas inlet and outlet.
  • Slotted holes for gas passage are made in the annular partition, spaced evenly along the circumference at an inclination to the horizontal plane (WO 92105245, C12N 5/00, 02.04.1992).
  • this bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research and does not provide efficient mixing of a viscous culture medium during biochemical processes.
  • the presence of a guide apparatus around the activator leads to a loss of power of the gas vortex and, at the same time, to an increase in rarefaction in the axial zone of the bioreactor, as a result of which, at high speeds of gas movement above the surface of the latter, droplets with cultured cells are captured and thrown onto the container wall, which leads to injury and death, for example, of plant or animal cells.
  • "Drop separation" can be an effective mode only when cultivating, for example, yeast cultures.
  • a bioreactor including a cylindrical container with a lid, a device for mixing the medium located in it, consisting of a paddle wheel horizontally mounted on a vertical shaft in the upper part of the container, and an annular partition installed in the container with the possibility of rotation, forming a gap with the wall of the container and provided with floats, and a mechanism for adjusting the position of the annular partition in height relative to the mixed medium.
  • This mechanism may contain racks attached to the lid of the container and the annular partition using clamps and allowing you to change the position of the partition along the height of the container (RU 2099413 C 1 , S12M 1/04, 12/20/1997).
  • the disadvantage of the bioreactor is that when the fixed annular partition is attached, it creates a great resistance to the movement of the viscous culture medium, which worsens the process of its mixing.
  • the use of a floating annular baffle leads to the fact that it is ejected to the surface of the liquid and periodically fluctuates with its displacement to the vessel wall, which worsens the mixing process.
  • the design of the bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research
  • Known bioreactor (RU, 2299903, S12M 1/04, publ. 05/27/2007), including a cylindrical container with a lid, located in it a device for mixing the medium, consisting of a paddle wheel, horizontally mounted on a vertical shaft in the upper part of the container, and an annular partition installed in a container with the possibility of rotation, forming a gap with the wall of the container and equipped with floats, and a mechanism for adjusting the position of the annular partition in height relative to the surface of the mixed medium.
  • This mechanism contains a rod vertically mounted along the axis of the container and a sleeve placed on it, connected by means of racks with an annular partition for its rotation on the rod.
  • the mechanism for adjusting the position of the annular baffle can be provided with a lock of its position relative to the rod, containing an additional bushing located between the rod and the bushing of the annular baffle, the stroke limiters of the latter, and at least one clamping element.
  • the rod is installed with the possibility of its axial movement.
  • this reactor operates in liquid media, the viscosity of which does not exceed the viscosity of water by more than 2 times.
  • culturing plant and animal cells prone to agglomeration especially in a viscous medium or a medium with varying viscosity, there is a problem of settling of cells or cell clusters on the upper surface of the annular partition.
  • cell agglomerates fixed on the surface of the washer, the lower layers of cells die and are poisoned by the products of environmental lysis, which negatively affects the results of cultivation.
  • the design of this bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research.
  • a plant for cultivating lower phototrophs including a photobioreactor, a lighting system and an installation platform (RF Patent for utility model No. 150345, IPC C12N1/12, publ. 10.02.2015).
  • the installation is supplemented with a thermal stabilization system in the form of a water circuit rigidly connected to the photobioreactor and a system for ensuring a continuous cultivation regime containing containers for a nutrient medium, a programmable time switch and an electromagnetic valve, while the installation site consists of an upper and lower shelves, a lighting system located on the bottom shelf , includes horizontal light gratings located behind the photobioreactor.
  • the photobioreactor of a plane-parallel type with a volume of 3 liters, made with the possibility of moving relative to horizontal light gratings, has mirrored side walls and glass front walls, as well as a bottom located under angle 25°.
  • the design of the specified photobioreactor does not provide the possibility of scaling the cultivation technology to volumes of more than 3-5 liters, and is also difficult to maintain between cultivation processes (disassembly of the bioreactor, washing its internal volume, sterilization and assembly), and also does not provide the possibility of effective cultivation of plant and animals cell cultures.
  • the design of this bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research.
  • a known bioreactor for cultivating photosynthetic microorganisms containing a container with a lid and a device for mixing and aerating microorganisms, including nozzles, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium, placed in the lid of the container, and configured to create a swirling flow of aerating gas on the surface of the suspension with a field speed of the potential vortex at the periphery of the tank and axial counterflow in the axial zone and the pressure drop between the periphery and the center of the vortex and several annular partitions with hollow floats open from below, installed in the tank coaxially with them on the vertical axis at a distance from each other with the possibility of rotation and reciprocating moving along it with the formation of a gap between the vessel wall and the annular partitions (RF patent No.
  • the lid, reactor vessel and annular partitions are made of optically transparent materials.
  • the bioreactor is equipped with sources of artificial lighting installed respectively in the cavities of the floats of the annular partitions.
  • the container lid has a rigid structure, and the container is made in the form of a disposable or reusable removable shell and is provided with means for attaching it to the lid and bottom of the reactor vessel, respectively.
  • the shell of the container is made of soft optically transparent elasto-elastic polymeric material.
  • 27.08.1999 containing a cylindrical container with a lid and nozzles, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium and a device for aeration and mixing of the medium, including a horizontal impeller mounted on a vertical hollow shaft and placed in the upper part of the tank directly under the lid, an annular partition installed in the cylindrical container coaxially with the impeller with the formation of a gap between the cylindrical wall of the container and the annular partition, and a mechanism for stabilizing the position of the annular partition relative to the surface of the cell suspension, made in the form of guide elements and floats.
  • the above device is not universal and does not allow the cultivation of lower phototropes (microalgae).
  • the closest analogue is a bioreactor, including a cylindrical container with a lid, a device for mixing the medium located in it, consisting of a paddle wheel horizontally mounted on a vertical shaft in the upper part of the container, and a horizontal annular partition installed in the container with a gap relative to its cylindrical walls, a rod vertically mounted along the axis of the tank, on which a horizontal annular partition is placed with the possibility of rotation and a mechanism for fixing the horizontal annular partition on the rod (RF patent No. 2538170, IPC C12N1 / 12, publ.
  • the bioreactor is equipped with a pipe or a telescopic pipe docked with the axial hole of the horizontal annular baffle, attached from below to the latter and located around the rod, and in the horizontal annular baffle there are radial channels located from the axial hole to the edge of the annular partition with an inclination towards the bottom towards the bottom of the tank.
  • the horizontal annular partition is made floating, for example, from polypropylene.
  • the inner diameter of the pipe or telescopic pipe corresponds to the diameter of the axial hole of the horizontal annular baffle.
  • the area of the axial opening of the horizontal annular partition is equal to the total cross-sectional area at the inlet to the radial channels and the total cross-sectional area at the outlet of these radial channels.
  • the technical result is the creation of a more universal laboratory multiplatform bioreactor, which makes it possible to cultivate microorganisms, plant and animal cell cultures and microalgae (lower phototropes) in laboratory conditions, depending on the research tasks.
  • the bioreactor for suspension cultivation of tissue cells or microorganisms, containing a cylindrical container with a lid and nozzles, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium and a device for aeration and mixing of the medium, including a horizontal impeller, reinforced on a vertical shaft and located in the upper part of the container directly under the lid, an annular floating partition installed in a cylindrical container with the possibility of rotation coaxially with the impeller with the formation of a gap between the cylindrical wall of the container and the annular floating partition, and a mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition relative to the surface of the cell suspension, made in the form of floats, made on top of the body of the said annular partition with a gap relative to each other and forming radial channels between themselves, located from the axial hole to the edge of the said annular partition, according to the invention, the bioreactor is equipped with a removable optically transparent hollow
  • the light source is placed in a transparent hollow cylindrical cup with a gap and contains an LED strip fixed on the outer surface of a metal pipe and installed with an annular a gap in the glass pipe and a unit for forced cooling of the LED strip, made in the form of an axial fan, the outlet channel of which is connected to a metal pipe with an LED strip to form a circulating air flow around the LED strip.
  • the annular floating partition is made of one or two tiers, and the radial channels in each tier are located tangentially and directed counterclockwise.
  • the annular floating element may contain through holes for the flow of liquid nutrient medium, made at the same distance in the body of the annular floating element from the side of its cylindrical surface.
  • FIG. Figure 1 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor with a complete set of equipment (platform No. 1) designed for cultivating microalgae (lower phototropes).
  • FIG. Figure 2 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an annular floating element with a stirrer and needle elements for surface bubbling (platform No. 2).
  • Such a bioreactor is intended for the cultivation of bacteria and cell cultures on a laboratory scale that do not require increased aeration.
  • FIG. Figure 1 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor with a complete set of equipment (platform No. 1) designed for cultivating microalgae (lower phototropes).
  • FIG. Figure 2 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an annular floating element with a stirrer and needle elements for surface bubbling (platform No. 2).
  • Such a bioreactor is intended for the cultivation of bacteria and cell cultures on a laboratory scale
  • FIG. 3 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an internal transparent glass, an annular floating element with a stirrer, and needle elements for surface bubbling (platform No. 3).
  • This bioreactor is intended for laboratory and industrial cultivation of bacteria and cell cultures that do not require increased aeration.
  • FIG. 4 is given top view A of figure 5.
  • FIG. 5 shows a suspension mixing and aeration unit, including an annular floating baffle, an annular floating element with a stirrer and needle elements for surface bubbling.
  • FIG. 6 shows a side view B of figure 5.
  • FIG. 7 shows an annular floating element with a paddle agitator and needle elements for surface sparging.
  • FIG. 8 shows a diagram of the claimed laboratory multi-platform gas-vortex bioreactor (without an annular floating baffle 7) with an annular floating element with removable blades and needle elements (platform No. 4).
  • FIG. 9 shows a diagram of the claimed laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor (without an annular floating baffle) with an annular floating element8 with removable blades (without needle elements for surface bubbling).
  • FIG. 10 shows a diagram of the claimed laboratory multi-platform gas-vortex bioreactor (without an annular floating baffle) with an annular floating element and needle elements (aerators) for surface bubbling (without removable blades).
  • the laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor for suspension cultivation of tissue cells, microorganisms or microalgae contains an optically transparent cylindrical container 1 with a lid 2 and nozzles 3, 4, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium, and a device for aeration and mixing of the medium, including a horizontal paddle wheel 5, mounted on a vertical shaft 6 and placed in the upper part of the container 1 directly under the cover 2, an annular floating partition 7 with a through axial hole 8, installed in the cylindrical container 1 with the possibility of rotation coaxially with the paddle wheel 5 with the formation of a gap between the cylindrical wall of the container 1 and an annular floating partition 7.
  • the shaft 6 is connected to the wheel rotation drive 5 located on the cover 2 of the container 1.
  • the mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition 7 relative to the surface of the suspension of microorganism cells is made in the form of floats 9 located on top (single-tier partition 7, Fig. 1 ) or above and in the body of said annular partition 7 (two-tier partition 7, Fig. 5) with a gap relative to each other and forming radial channels 10 between them, located from the axial hole 8 to the edge of the said annular partition 7.
  • the bioreactor is equipped with a removable optically transparent hollow cylindrical glass 11, made with the possibility of placing in it a source 12 of illumination and / or a block 13 of video recording, measurement and control of the technological process of cultivation, and installed under the annular floating partition 7.
  • the lower open end of the glass 11 is hermetically attached to the bottom 14 of the container 1 and forms between cylindrical wall container 1 and the cylindrical wall of the glass 11 an annular zone 15 suspension cultivation of biological objects.
  • the mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition 7 relative to the surface of the cell suspension is provided with an axis 16 installed coaxially with the horizontal paddle wheel 5 with the possibility of its attachment to the end wall 17 of the cylindrical cup 11.
  • the device for aeration and mixing of the medium (Fig. 1, 4-6) is equipped with an annular floating element 18 located in the gap between the cylindrical wall of the container 1 and the annular floating partition 7 with the possibility of rotation and containing (Fig. 1, 8-10):
  • the light source 12 is placed in a transparent hollow cylindrical cup 21 with a gap and contains an LED strip 22 fixed on the outer surface of a metal pipe 23 and a forced cooling unit for the LED strip 22, made in the form of an axial fan 24, the output channel of which is connected to the metal tube 23 of the LED strip 22 to form around the latter a circulating air flow (FIG. 8).
  • the annular floating partition 7 is made of one or two tiers, and the radial channels 10 in each tier are located tangentially and directed counterclockwise (Fig. 4-6). Said floating baffle 7 can be equipped with blades "B" for its additional unwinding by a vortex flow. Annular floating partition 7 ensures the functioning of the bioreactor in the optimal mode when filling its volume from 10 to 90%.
  • Single-tiered floating partition 7 can operate at a speed of rotation of the impeller 5 up to 2000 rpm. When the speed of rotation of the impeller 5 is over 2000 rpm, the central upward flow of the culture medium is able to push the single-tier floating partition 7 onto the surface of the specified medium. In this case, the flow of the upward flow of the culture is blocked.
  • a single-tier floating partition 7 returns to its original depth and the process of its ascent in this mode is repeated, which disrupts the cultivation process at high speeds of the impeller 5.
  • the two-tier floating partition 7 eliminates these disadvantages and allows the cultivation process to be carried out both at low speeds of the impeller 5, and at speeds over 2000-2500 rpm.
  • the annular floating element 18 (Fig. 7) may contain through holes 25 for the flow of liquid nutrient medium, made at the same distance in the body of the annular floating element 18 from the side of its cylindrical surface.
  • the annular floating element 18 with needle elements 20 for surface bubbling can be made of polypropylene (density 9.6 g/cm 3 ) with pointed conical protrusions on its upper plane 3-5 mm high. With the help of additional weights and floats, the floating element 18 is balanced so that, when immersed in the culture medium, the points of the cones are at the level of the medium surface. The floating element 18 in the process of cultivation is always in the zone of formation of the downward flow of the culture medium.
  • the gas vortex deforms the surface of the medium above the needle-shaped elements 20 in the form of conical protrusions behind each of which a plume of air bubbles is formed, which, before surfacing, have time to plunge into the medium to a depth of 5-10 mm, as a result of which it is saturated with gas (for example, oxygen or carbon dioxide).
  • gas for example, oxygen or carbon dioxide.
  • the gas-saturated medium descends in a spiral to the bottom of the bioreactor, providing aeration throughout the volume of the medium.
  • Suspension cultivation using the inventive laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor is carried out as follows.
  • platform No. 1, 2, 3, 4, 5 or 6 of the bioreactor with different equipment is selected.
  • Example 1 For the cultivation of microalgae (lower phototropes) use platform No. 1 of the bioreactor (Fig. 1). Equipment is installed in container 1 under sterile conditions as shown in Fig. 1 and fill with a nutrient medium through a pipe (not shown in the drawing) so that above the surface of the medium in the upper part of the container 1 under the lid 2 there is a cavity for the movement of aerating gas, the annular partition 7 with floats 9 is located in the nutrient medium near its surface.
  • a seed dose of photosynthetic cells of microorganisms, such as chlorella is introduced (in the amount of 0.1 g per 1 liter of nutrient medium.), And the impeller 5 rotation drive is turned on, which supplies air enriched, for example, with carbon dioxide (for chlorella) through the pipe 3 tangentially into the container 1, and through the branch pipe 4 the exhaust gas.
  • the system for enriching the air with carbon dioxide is not shown in the drawing.
  • the required number of revolutions of the impeller 5 of the fan is set. Above the annular surface of the cell suspension, a vacuum is created in the paraxial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container 1.
  • the speed of movement of the gas vortex (3-6 m/s) does not cause separation of drops of culture fluid from its surface, which reduces cell injury.
  • This provides optimal conditions for the cultivation of photosynthetic microorganisms.
  • the source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension, the thickness of which is 30-50 mm.
  • the process is carried out continuously until the increase in the biomass of photosynthetic microorganisms, such as chlorella algae, up to 15-20 g per 1 liter of suspension, after which part of the suspension (crop) is drained, fresh nutrient medium is added and the cultivation process continues.
  • Example 2 To prepare a multiplatform gas-vortex bioreactor in the form of platform No. 2, an annular floating element 18 with a stirrer 19 and needle elements 20 for surface bubbling, as well as a light source 12, are removed from vessel 1.
  • Platform No. 2 allows cultivating bacteria and cell cultures in laboratory conditions , observing and recording the specified process using the video recording unit 13, measuring and controlling the technological process of cultivation (Fig. 2), which is very important when conducting scientific research in the laboratory.
  • the cultivation process is carried out as follows. Equipment is installed in container 1 under sterile conditions as shown in Fig.
  • a vacuum is created in the paraxial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container 1.
  • a swirling gas flow is created above the annular surface of the cell suspension, which forms the culture liquid in the annular zone 15 turbulent rotational movement with intense mixing between the outer side of the cylindrical surface of the glass 11 and the inner surface of the vessel 1.
  • the gas aerates the cells on the surface of the liquid.
  • the speed of movement of the gas vortex (3-6 m/s) does not cause separation of drops of culture fluid from its surface, which reduces cell injury. This provides optimal conditions for the cultivation of plant or animal cells.
  • the process is carried out continuously until the growth of cell biomass, after which part of the suspension (harvest) is drained, fresh nutrient medium is added and the cultivation process is continued.
  • Example 3 Cultivation of bacteria, animal or plant cells on an industrial scale using platform #3 (FIG. 3).
  • an annular floating element 18 with a stirrer 19 and needle elements 20 is removed from the tank 1, and the glass is also dismantled AND .
  • a cylindrical container 1 with an annular floating partition 7 installed in it with blades "B" (Fig. 3) is filled under sterile conditions with a nutrient medium so that above the surface of the medium in the upper part of the container 1 remains a cavity for the movement of aerating gas, and the annular partition 7 was located in the nutrient medium with protruding blades "B" above the liquid medium.
  • the required temperature regime is set, the seed dose of cells is also introduced, and the rotation drive of the impeller 5 is turned on.
  • a vacuum is created in the axial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container.
  • a swirling gas flow is created, which forms a turbulent rotational motion in the culture liquid with intense mixing along the axis of the container.
  • the annular floating partition 7 rotates in the same direction and with the same angular velocity as the culture liquid and is held near the surface of the liquid with blades "B" located above the surface of the liquid due to its own buoyancy.
  • the annular partition 7 increases the intensity of the liquid circulation (in the form of a tangential vortex motion with axial countercurrent).
  • the liquid medium with microorganisms or cells of animals or plants in the form of an upward flow rises and through the axial hole 8 of the partition 7 flows through the tangential radial channels 10 of this partition 7 down along the cylindrical side walls of the container 1.
  • the tangential shape of the radial channels 10 the specified annular partition 7 is not allowed to be fixed on its surface agglomerates of cells, which are discharged from the specified partition 7 by the fluid flow.
  • the gas aerates the cells of animals, plants or microorganisms on the surface of the liquid.
  • Example 4 A laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an annular floating baffle 7 (Fig. 8) with an annular floating element 18 with removable blades 19 and needle elements 20 for surface bubbling (aeration) of the medium is being prepared for operation.
  • This version of the multi-platform gas-vortex bioreactor (platform No. 4) is used, for example, when working with microalgae in the mode of developing and optimizing the regulation of the cultivation process.
  • an annular version of the photobioreactor (with an annular zone 15) is used with a source 12 of intensive illumination of the culture and a video recording unit 13 of the cultivation process.
  • a seed dose of photosynthetic cells of microorganisms, such as chlorella is introduced (in the amount of 0.1 g per 1 liter of nutrient medium ), and turn on the rotation drive of the impeller 5, which supplies air enriched, for example, with carbon dioxide (for chlorella) through the pipe 3 tangentially into the container 1, and through the pipe 4 the exhaust gas.
  • the required number of revolutions of the impeller 5 of the fan is set.
  • a vacuum is created in the paraxial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container 1.
  • a swirling gas flow is created above the annular surface of the cell suspension, which forms the culture liquid in the annular zone 15 turbulent rotational movement with mixing between the outer side of the cylindrical surface of the glass And and the container 1.
  • the annular floating element 18 with blades 19 rotates in the same direction and with the same angular velocity as the culture fluid and is kept afloat.
  • the blades 19 contribute to the mixing of the suspension, and the needle elements 20 contribute to a more intense surface bubbling of the culture liquid.
  • the gas aerates cells on the surface of the liquid. This provides optimal conditions for the cultivation of photosynthetic microorganisms.
  • the source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension, the thickness of which is 30-50 mm.
  • the cultivation process is recorded by the video recording unit 13, which facilitates and accelerates the development and optimization of cultivation conditions.
  • Example 5 A multiplatform gas-vortex bioreactor is prepared for operation without an annular floating baffle 7 (Fig. 9, platform No. 5) with an annular floating element 18 with removable blades 19 (without needle elements 20 for surface bubbling).
  • the device works similarly to the description in example 4.
  • the annular floating element 18 with blades 19 rotates in the same direction and at the same angular velocity as the culture fluid and is kept afloat. Blades 19 provide more intensive mixing of the suspension.
  • the light source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension. If necessary, the cultivation process is recorded by the video recording unit 13, which can be used for educational or scientific purposes.
  • This version of the bioreactor is used both in conjunction with bottom bubblers to create ascending aerating flows - airlift mode, and without them when working with media with a high protein content and, therefore, prone to abundant foaming.
  • the horizontal impeller 5 in addition to forming a gas vortex above the surface of the culture medium, functions as a mechanical defoamer.
  • Example 6 A laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an annular floating baffle 7 (Fig. 10, platform No. 6) with an annular floating element 18 and needle elements 20 (aerators) for surface bubbling (without removable blades 19) is prepared for operation.
  • the device works similarly to the description in example 4.
  • the annular floating element 18 with blades 19 rotates in the same direction and at the same angular velocity as the culture fluid and is kept afloat. Needle elements 20 contribute to a more intense surface bubbling of the culture fluid.
  • the gas aerates the cells on the surface of the liquid. This provides optimal conditions for the cultivation of photosynthetic microorganisms.
  • the light source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension. If necessary, the cultivation process is recorded by the video recording unit 13, which can also be used for educational or scientific purposes.
  • needle elements 20 perform two functions:
  • the claimed laboratory multiplatform bioreactor depending on the selected platform No. 1, 2, 3, 4, 5 or 6, provides the possibility of cultivating microorganisms, cell cultures or microalgae (lower phototropes) in the laboratory for research purposes, visually observe biotechnological processes and record them on a video camera, scale these processes, which confirms its versatility and thus ensures the claimed technical result.

Abstract

A multi-platform gas vortex bioreactor for the suspension culture of microorganisms, plant and animal cell cultures and microalgae under laboratory conditions contains an optically transparent tank (1) with a lid, connection pipes (3, 4), a horizontal impeller (5), an annular floating barrier (7), a device for aerating and agitating a medium, a mechanism for stabilizing the position of the annular floating barrier (7) relative to the surface of a cell suspension, and a removable optically transparent hollow cylindrical sleeve (11) for receiving a light source and/or a unit for video recording, measuring and monitoring the culture process. The floating barrier (7) stabilization mechanism is provided with a shaft mounted coaxially with the horizontal impeller so as to be fastenable to an end wall (17) of the cylindrical sleeve (11). The device for aerating and agitating a medium comprises an annular floating element arranged in a gap between the cylindrical wall of the tank and the annular floating barrier. Fastened to the body of the annular floating element are radially arranged removable blades (19) and/or needle-like elements arranged equidistantly on the upper end surface of the annular floating element for the surface agitation of a liquid nutrient medium.

Description

Лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор Laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor
Изобретение относится к устройствам для культивирования низших фототропов (микроводорослей), а также для проведения биохимических процессов с использованием жидких сред различной вязкости, в частности при культивировании клеток тканей и микроорганизмов в питательных средах повышенной или изменяющейся вязкостью. Изобретение может быть использовано в учебном процессе на биологических факультетах различных учебных заведений (от школ до университетов), а также в качестве экспериментального фото- и биореактора (ферментёра) при организации промышленного производства. The invention relates to devices for cultivating lower phototropes (microalgae), as well as for carrying out biochemical processes using liquid media of various viscosities, in particular when cultivating tissue cells and microorganisms in nutrient media with increased or varying viscosity. The invention can be used in the educational process at the biological faculties of various educational institutions (from schools to universities), as well as an experimental photo- and bioreactor (fermenter) in the organization of industrial production.
Известен биореактор, содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками для подвода и отвода газа и устройство для аэрации и перемешивания среды. Устройство для аэрации и перемешивания содержит горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном приводном валу, размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, и расположенную под ним кольцевую пластину с центральным отверстием для пропуска газа, прикрепленную по периферии к стенке емкости с образованием кольцевой полости вокруг колеса для подвода и отвода газа. В кольцевой перегородке выполнены щелевые отверстия для прохода газа, расположенные равномерно по окружности под наклоном к горизонтальной плоскости (WO 92105245, C12N 5/00, 02.04.1992). Known bioreactor containing a cylindrical container with a lid and nozzles for inlet and outlet of gas and a device for aeration and mixing of the medium. The device for aeration and mixing contains a horizontal impeller mounted on a vertical drive shaft, placed in the upper part of the container directly under the lid, and an annular plate located under it with a central hole for passing gas, attached along the periphery to the wall of the container with the formation of an annular cavity around the wheel for gas inlet and outlet. Slotted holes for gas passage are made in the annular partition, spaced evenly along the circumference at an inclination to the horizontal plane (WO 92105245, C12N 5/00, 02.04.1992).
Конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям и не обеспечивает эффективное перемешивание вязкой культуральной среды при проведении биохимических процессов. Наличие направляющего аппарата вокруг активатора приводит к потере мощности газового вихря и, одновременно, к увеличению разряжения в приосевой зоне биореактора вследствие чего при высоких скоростях движения газа над поверхностью последней происходит захват капель с культивируемыми клетками и выброс их на стенку емкости, что приводит к травмированию и гибели, например, растительных или животных клеток. «Каплеотрыв» может быть эффективным режимом только при культивировании, например, дрожжевых культур. The design of this bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research and does not provide efficient mixing of a viscous culture medium during biochemical processes. The presence of a guide apparatus around the activator leads to a loss of power of the gas vortex and, at the same time, to an increase in rarefaction in the axial zone of the bioreactor, as a result of which, at high speeds of gas movement above the surface of the latter, droplets with cultured cells are captured and thrown onto the container wall, which leads to injury and death, for example, of plant or animal cells. "Drop separation" can be an effective mode only when cultivating, for example, yeast cultures.
Известен биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно перемешиваемой среды. Этот механизм может содержать стойки, прикрепленные к крышке емкости и кольцевой перегородке при помощи фиксаторов и позволяющие изменять положение перегородки по высоте емкости (RU 2099413 С 1 , С12М 1/04, 20.12.1997). A bioreactor is known, including a cylindrical container with a lid, a device for mixing the medium located in it, consisting of a paddle wheel horizontally mounted on a vertical shaft in the upper part of the container, and an annular partition installed in the container with the possibility of rotation, forming a gap with the wall of the container and provided with floats, and a mechanism for adjusting the position of the annular partition in height relative to the mixed medium. This mechanism may contain racks attached to the lid of the container and the annular partition using clamps and allowing you to change the position of the partition along the height of the container (RU 2099413 C 1 , S12M 1/04, 12/20/1997).
Недостаток биореактора заключается в том, что при креплении неподвижно кольцевой перегородки ею создается большое сопротивление движению вязкой культуральной среды, что ухудшает процесс ее перемешивания. Использование плавающей кольцевой перегородки приводит к тому, что она выбрасывается на поверхность жидкости и периодически колеблется со смещением ее к стенке емкости, что ухудшает процесс перемешивания. Конструкция биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиямThe disadvantage of the bioreactor is that when the fixed annular partition is attached, it creates a great resistance to the movement of the viscous culture medium, which worsens the process of its mixing. The use of a floating annular baffle leads to the fact that it is ejected to the surface of the liquid and periodically fluctuates with its displacement to the vessel wall, which worsens the mixing process. The design of the bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research
Известен биореактор (RU, 2299903, С12М 1/04, опубл. 27.05.2007 г.), включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу в верхней части емкости, и кольцевой перегородки, установленной в емкости с возможностью вращения, образующей со стенкой емкости зазор и снабженной поплавками, и механизм регулирования положения кольцевой перегородки по высоте относительно поверхности перемешиваемой среды. Этот механизм содержит вертикально установленную по оси емкости штангу и размещенную на ней втулку, связанную при помощи стоек с кольцевой перегородкой для ее вращения на штанге. Механизм регулирования положения кольцевой перегородки может быть снабжен фиксатором ее положения относительно штанги, содержащим дополнительную втулку, расположенную между штангой и втулкой кольцевой перегородки, ограничителями хода последней и по меньшей мере одним зажимным элементом. Штанга установлена с возможностью ее осевого перемещения. Known bioreactor (RU, 2299903, S12M 1/04, publ. 05/27/2007), including a cylindrical container with a lid, located in it a device for mixing the medium, consisting of a paddle wheel, horizontally mounted on a vertical shaft in the upper part of the container, and an annular partition installed in a container with the possibility of rotation, forming a gap with the wall of the container and equipped with floats, and a mechanism for adjusting the position of the annular partition in height relative to the surface of the mixed medium. This mechanism contains a rod vertically mounted along the axis of the container and a sleeve placed on it, connected by means of racks with an annular partition for its rotation on the rod. The mechanism for adjusting the position of the annular baffle can be provided with a lock of its position relative to the rod, containing an additional bushing located between the rod and the bushing of the annular baffle, the stroke limiters of the latter, and at least one clamping element. The rod is installed with the possibility of its axial movement.
Однако данный реактор работает в жидких средах, вязкость которых не превышает вязкость воды более, чем в 2 раза. При культивировании растительных и животных клеток, склонных к агломерации, особенно в вязкой среде или среде с изменяющейся вязкостью, существует проблема оседания клеток или кластеров клеток на верхнюю поверхность кольцевой перегородки. При развитии, закрепившихся на поверхности шайбы агломератов клеток происходит гибель нижних слоев клеток и отравление продуктами лизиса окружающей среды, что негативно сказывается на результатах культивирования. Конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям. However, this reactor operates in liquid media, the viscosity of which does not exceed the viscosity of water by more than 2 times. When culturing plant and animal cells prone to agglomeration, especially in a viscous medium or a medium with varying viscosity, there is a problem of settling of cells or cell clusters on the upper surface of the annular partition. With the development of cell agglomerates fixed on the surface of the washer, the lower layers of cells die and are poisoned by the products of environmental lysis, which negatively affects the results of cultivation. The design of this bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research.
Известна установка для выращивания одноклеточных водорослей, включающая установленный на опоре поддон, расположенные на нем в кольцевом ряду сосуды из прозрачного материала для культуральной жидкости и источник искусственного освещения в виде лампы (патент РФ №2203938, МПК C12N1/12, опубл. 10.05.2003 г.). В поддоне по центру выполнено отверстие, при этом лампа снабжена средством ее перемещения через это отверстие в рабочее положение между сосудами и в нерабочее положение под поддоном, состоящее из двух расположенных один над другим пластинчатых дисков, жестко связанных между собой при помощи стержней, причем нижний диск служит опорой для лампы, а верхний - отражателем света и крышкой для отверстия в поддоне при размещении лампы под ним. Known installation for the cultivation of unicellular algae, including installed on the support tray located on it in the annular row of vessels made of transparent material for culture fluid and a source of artificial lighting in the form of a lamp (RF patent No. 2203938, IPC C12N1 / 12, publ. 10.05.2003 g .). A hole is made in the tray in the center, while the lamp is equipped with a means for its moving through this hole to the working position between the vessels and to the non-working position under the pallet, consisting of two plate disks located one above the other, rigidly connected to each other by means of rods, the lower disk serves as a support for the lamp, and the upper disk serves as a light reflector and a cover for holes in the tray when placing the lamp underneath.
Известна установка для культивирования низших фототрофов, включающая фотобиореактор, систему освещения и установочную площадку (Патент РФ на полезную модель №150345, МПК C12N1/12, опубл. 10.02.2015 г.). Установку дополняют системой термостабилизации в виде жестко соединенного с фотобиореактором водяного контура и системой обеспечения непрерывного режима культивирования, содержащей емкости для питательной среды, программируемое реле времени и электромагнитный клапан, при этом установочная площадка состоит из верхней и нижней полок, система освещения, размещенная на нижней полке, включает горизонтальные световые решетки, расположенные за фотобиореактором. На верхней полке располагают емкости для питательной среды с возможностью подачи питательной среды в фотобиореактор, где фотобиореактор плоско-параллельного типа объемом 3 литра, выполненный с возможностью перемещения относительно горизонтальных световых решеток, имеет зеркальные боковые стенки и стеклянные фронтальные стенки, а также дно, расположенное под углом 25°. A plant for cultivating lower phototrophs is known, including a photobioreactor, a lighting system and an installation platform (RF Patent for utility model No. 150345, IPC C12N1/12, publ. 10.02.2015). The installation is supplemented with a thermal stabilization system in the form of a water circuit rigidly connected to the photobioreactor and a system for ensuring a continuous cultivation regime containing containers for a nutrient medium, a programmable time switch and an electromagnetic valve, while the installation site consists of an upper and lower shelves, a lighting system located on the bottom shelf , includes horizontal light gratings located behind the photobioreactor. On the upper shelf there are containers for the nutrient medium with the possibility of feeding the nutrient medium into the photobioreactor, where the photobioreactor of a plane-parallel type with a volume of 3 liters, made with the possibility of moving relative to horizontal light gratings, has mirrored side walls and glass front walls, as well as a bottom located under angle 25°.
Однако конструкция указанного фотобиореактора не обеспечивает возможность масштабирования технологии культивирования на объемы свыше 3-5 литров, а также сложен в техническом обслуживании между процессами культивирования (разборка биореактора, промывка его внутреннего объема, стерилизация и сборка), а также не обеспечивает возможность эффективного культивирования растительных и животных культур клеток. Конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям. However, the design of the specified photobioreactor does not provide the possibility of scaling the cultivation technology to volumes of more than 3-5 liters, and is also difficult to maintain between cultivation processes (disassembly of the bioreactor, washing its internal volume, sterilization and assembly), and also does not provide the possibility of effective cultivation of plant and animals cell cultures. The design of this bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research.
Известен биореактор для культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, содержащий емкость с крышкой и устройство для перемешивания и аэрации микроорганизмов, включающее патрубки соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды, размешенные в крышке емкости, и выполненное с возможностью создания на поверхности суспензии закрученного потока аэрирующего газа с полем скорости потенциального вихря на периферии емкости и осевым противотоком в приосевой зоне и перепадом давления между периферией и центром вихря и несколько кольцевых перегородок с открытыми снизу полыми поплавками, установленные в емкости соосно им на вертикальной оси на расстоянии друг от друга с возможностью вращения и возвратно-поступательного по ней перемещения с образованием зазора между стенкой емкости и кольцевыми перегородками (патент РФ №2471863, МПК С12М1/04, опубл. 10.01.2013 г.). Крышка, емкость реактора и кольцевые перегородки выполнены из оптически прозрачных материалов. Биореактор снабжен источниками искусственного освещения, установленными соответственно в полостях поплавков кольцевых перегородок. Крышка емкости имеет жесткую конструкцию, а емкость выполнена в виде одноразовой или многоразовой съемной оболочки и снабжена средствами для ее крепления соответственно к крышке и днищу емкости реактора. Оболочка емкости выполнена из мягкого оптически прозрачного упруго-эластичного полимерного материала. A known bioreactor for cultivating photosynthetic microorganisms, containing a container with a lid and a device for mixing and aerating microorganisms, including nozzles, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium, placed in the lid of the container, and configured to create a swirling flow of aerating gas on the surface of the suspension with a field speed of the potential vortex at the periphery of the tank and axial counterflow in the axial zone and the pressure drop between the periphery and the center of the vortex and several annular partitions with hollow floats open from below, installed in the tank coaxially with them on the vertical axis at a distance from each other with the possibility of rotation and reciprocating moving along it with the formation of a gap between the vessel wall and the annular partitions (RF patent No. 2471863, IPC S12M1 / 04, publ. 10.01.2013). The lid, reactor vessel and annular partitions are made of optically transparent materials. The bioreactor is equipped with sources of artificial lighting installed respectively in the cavities of the floats of the annular partitions. The container lid has a rigid structure, and the container is made in the form of a disposable or reusable removable shell and is provided with means for attaching it to the lid and bottom of the reactor vessel, respectively. The shell of the container is made of soft optically transparent elasto-elastic polymeric material.
Однако такой биореактор не предназначен для культивирования растительных и животных культур клеток в условиях лаборатории. Кроме того, конструкция этого биореактора не универсальна применительно к лабораторным биотехнологическим исследованиям. Известен аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов (патент РФ №2135579, МПК С12М1/04, опубл. 27.08.1999 г.), содержащий цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном полом валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую перегородку, установленную в цилиндрической емкости соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой перегородки относительно поверхности суспензии клеток, выполненный в виде направляющих элементов и поплавков. However, such a bioreactor is not intended for cultivation of plant and animal cell cultures in the laboratory. In addition, the design of this bioreactor is not universal in relation to laboratory biotechnological research. An apparatus for suspension cultivation of tissue or microorganism cells is known (RF patent No. 2135579, IPC C12M1 / 04, publ. 27.08.1999), containing a cylindrical container with a lid and nozzles, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium and a device for aeration and mixing of the medium, including a horizontal impeller mounted on a vertical hollow shaft and placed in the upper part of the tank directly under the lid, an annular partition installed in the cylindrical container coaxially with the impeller with the formation of a gap between the cylindrical wall of the container and the annular partition, and a mechanism for stabilizing the position of the annular partition relative to the surface of the cell suspension, made in the form of guide elements and floats.
Однако выше приведенное устройство не универсально и не позволяет культивировать низшие фототропы (микроводоросли). However, the above device is not universal and does not allow the cultivation of lower phototropes (microalgae).
Наиболее близким аналогом (прототипом) является биореактор, включающий цилиндрическую емкость с крышкой, расположенное в ней устройство для перемешивания среды, состоящее из лопастного колеса, горизонтально укрепленного на вертикальном валу, в верхней части емкости, и горизонтальной кольцевой перегородки, установленной в емкости с зазором относительно ее цилиндрических стенок, вертикально установленную по оси емкости штангу, на которой размещена с возможностью вращения горизонтальная кольцевая перегородка и механизм фиксации горизонтальной кольцевой перегородки на штанге (патент РФ №2538170, МПК C12N1/12, опубл. 10.01.2015 г.). Биореактор снабжен трубой или телескопической трубой, состыкованной с осевым отверстием горизонтальной кольцевой перегородки, прикрепленной снизу к последней и расположенной вокруг штанги, а в горизонтальной кольцевой перегородке выполнены радиальные каналы, расположенные от осевого отверстия до края кольцевой перегородки с наклоном к низу в сторону днища емкости. Горизонтальная кольцевая перегородка выполнена плавучей, например, из полипропилена. Внутренний диаметр трубы или телескопической трубы соответствует диаметру осевого отверстия горизонтальной кольцевой перегородки. Площадь осевого отверстия горизонтальной кольцевой перегородки равна суммарной площади сечений на входе в радиальные каналы и суммарной площади сечений на выходе из этих радиальных каналов. The closest analogue (prototype) is a bioreactor, including a cylindrical container with a lid, a device for mixing the medium located in it, consisting of a paddle wheel horizontally mounted on a vertical shaft in the upper part of the container, and a horizontal annular partition installed in the container with a gap relative to its cylindrical walls, a rod vertically mounted along the axis of the tank, on which a horizontal annular partition is placed with the possibility of rotation and a mechanism for fixing the horizontal annular partition on the rod (RF patent No. 2538170, IPC C12N1 / 12, publ. The bioreactor is equipped with a pipe or a telescopic pipe docked with the axial hole of the horizontal annular baffle, attached from below to the latter and located around the rod, and in the horizontal annular baffle there are radial channels located from the axial hole to the edge of the annular partition with an inclination towards the bottom towards the bottom of the tank. The horizontal annular partition is made floating, for example, from polypropylene. The inner diameter of the pipe or telescopic pipe corresponds to the diameter of the axial hole of the horizontal annular baffle. The area of the axial opening of the horizontal annular partition is equal to the total cross-sectional area at the inlet to the radial channels and the total cross-sectional area at the outlet of these radial channels.
Однако и такой аппарат для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов не универсален и не позволяет культивировать низшие фототропы (микроводоросли) как в лабораторных, так и в промышленных масштабах. However, even such an apparatus for suspension cultivation of tissue cells or microorganisms is not universal and does not allow cultivation of lower phototropes (microalgae) both on a laboratory and industrial scale.
Техническим результатом является создание более универсального лабораторного мультиплатформенного биореактора, обеспечивающего возможность культивирования в лабораторных условиях микроорганизмы, растительные и животные культуры клеток и микроводоросли (низшие фототропы) в зависимости от поставленных исследовательских задач. The technical result is the creation of a more universal laboratory multiplatform bioreactor, which makes it possible to cultivate microorganisms, plant and animal cell cultures and microalgae (lower phototropes) in laboratory conditions, depending on the research tasks.
Указанный технический результат достигается тем, что в лабораторном мультиплатформенным газовихревом биореакторе для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащем цилиндрическую емкость с крышкой и патрубками соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо, укрепленное на вертикальном валу и размещенное в верхней части емкости непосредственно под крышкой, кольцевую плавучую перегородку, установленную в цилиндрической емкости с возможностью вращения соосно лопастному колесу с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой плавучей перегородкой, и механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки относительно поверхности суспензии клеток, выполненный в виде поплавков, выполненных сверху на теле указанной кольцевой перегородки с зазором относительно друг друга и образующих между собой радиальные каналы, расположенные от осевого отверстия до края указанной кольцевой перегородки, согласно изобретения, биореактор снабжен съемным оптически прозрачным полым цилиндрическим стаканом, выполненным с возможностью размещения в нем источника освещения и/или блока видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования, и установленным под кольцевой плавучей перегородкой, нижний открытый торец которого герметично прикреплен к днищу емкости и образует между цилиндрической стенкой емкости и цилиндрической стенкой стакана кольцевую зону суспензионного культивирования биологических объектов; механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки относительно поверхности суспензии клеток снабжен осью, установленной соосно горизонтальному лопастному колесу с возможностью ее крепления на торцевой стенке цилиндрического стакана, а устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевым плавучим элементом, расположенным в зазоре между цилиндрической стенкой емкости и кольцевой плавучей перегородкой с возможностью вращения и содержащим радиально расположенные съемные лопатки для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента, и/или содержит игольчатые элементы для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, выполненные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента. The specified technical result is achieved by the fact that in a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor for suspension cultivation of tissue cells or microorganisms, containing a cylindrical container with a lid and nozzles, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium and a device for aeration and mixing of the medium, including a horizontal impeller, reinforced on a vertical shaft and located in the upper part of the container directly under the lid, an annular floating partition installed in a cylindrical container with the possibility of rotation coaxially with the impeller with the formation of a gap between the cylindrical wall of the container and the annular floating partition, and a mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition relative to the surface of the cell suspension, made in the form of floats, made on top of the body of the said annular partition with a gap relative to each other and forming radial channels between themselves, located from the axial hole to the edge of the said annular partition, according to the invention, the bioreactor is equipped with a removable optically transparent hollow a cylindrical glass, made with the possibility of placing in it a source of illumination and/or a video recording unit, measuring and controlling the technological process of cultivation, and installed under an annular floating partition, the lower open end of which is hermetically attached to the bottom of the container and forms between the cylindrical wall of the container and the cylindrical wall glasses an annular zone of suspension cultivation of biological objects; the mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition relative to the surface of the cell suspension is provided with an axis mounted coaxially to the horizontal paddle wheel with the possibility of its fastening on the end wall of the cylindrical glass, and the device for aeration and mixing of the medium is equipped with an annular floating element located in the gap between the cylindrical wall of the container and the annular floating a partition with the possibility of rotation and containing radially located removable blades for mixing the liquid nutrient medium, attached to the body of the annular floating element, and/or contains needle elements for surface bubbling of the liquid nutrient medium, made uniformly on the upper end surface of the annular floating element.
Источник освещения размещен в прозрачном полом цилиндрическом стакане с зазором и содержит светодиодную ленту, закрепленную на внешней поверхности металлической трубы и установленную с кольцевым зазором в стеклянной трубе и узел принудительного охлаждения светодиодной ленты, выполненный в виде осевого вентилятора, выходной канал которого соединен с металлической трубой со светодиодной лентой для формирования вокруг светодиодной ленты циркулирующего потока воздуха. The light source is placed in a transparent hollow cylindrical cup with a gap and contains an LED strip fixed on the outer surface of a metal pipe and installed with an annular a gap in the glass pipe and a unit for forced cooling of the LED strip, made in the form of an axial fan, the outlet channel of which is connected to a metal pipe with an LED strip to form a circulating air flow around the LED strip.
Кольцевая плавучая перегородка выполнена одно- или двухъярусной, а радиальные каналы в каждом ярусе расположены тангенциально и направлены против часовой стрелки. The annular floating partition is made of one or two tiers, and the radial channels in each tier are located tangentially and directed counterclockwise.
Кольцевой плавучий элемент может содержать сквозные отверстия для перетока жидкой питательной среды, выполненные на одинаковом расстоянии в теле кольцевого плавучего элемента со стороны его цилиндрической поверхности. The annular floating element may contain through holes for the flow of liquid nutrient medium, made at the same distance in the body of the annular floating element from the side of its cylindrical surface.
Заявляемый лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор иллюстрируется следующими чертежами. На фиг. 1 представлена схема лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора с полным комплектом оборудования (платформа №1), предназначенного для культивирования микроводорослей (низших фототропов). На фиг. 2 представлена схема лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора без кольцевого плавучего элемента с мешалкой и игольчатых элементов для поверхностного барботирования (платформа №2). Такой биореактор предназначен для культивирования бактерий и культур клеток в лабораторных масштабах, не требующих повышенной аэрации. На фиг. 3 представлена схема лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора без внутреннего прозрачного стакана, кольцевого плавучего элемента с мешалкой и игольчатых элементов для поверхностного барботирования (платформа №3). Такой биореактор предназначен для культивирования в лабораторных и промышленных масштабах бактерий и культур клеток, не требующих повышенной аэрации. На фиг. 4 приведен вид А сверху фигуры 5. На фиг. 5 приведен узел перемешивания и аэрации суспензии, включающий кольцевую плавучую перегородку, кольцевой плавучий элемент с мешалкой и игольчатыми элементами для поверхностного барботирования. На фиг. 6 приведен вид Б сбоку фигуры 5. На фиг. 7 изображен кольцевой плавучий элемент с лопастной мешалкой и игольчатыми элементами для поверхностного барботирования. На фиг. 8 представлена схема заявленного лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора (без кольцевой плавучей перегородки 7) с кольцевым плавучим элементом со съемными лопатками и игольчатыми элементами (платформа № 4). На фиг. 9 (платформа № 5) представлена схема заявленного лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора (без кольцевой плавучей перегородки) с кольцевым плавучим элементом8 со съемными лопатками (без игольчатых элементов для поверхностного барботирования). На фиг. 10 (платформа № 6) представлена схема заявленного лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора (без кольцевой плавучей перегородки) с кольцевым плавучим элементом и игольчатыми элементами (аэраторами) для поверхностного барботирования (без съемных лопаток). The inventive laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor is illustrated by the following drawings. In FIG. Figure 1 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor with a complete set of equipment (platform No. 1) designed for cultivating microalgae (lower phototropes). In FIG. Figure 2 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an annular floating element with a stirrer and needle elements for surface bubbling (platform No. 2). Such a bioreactor is intended for the cultivation of bacteria and cell cultures on a laboratory scale that do not require increased aeration. In FIG. 3 shows a diagram of a laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an internal transparent glass, an annular floating element with a stirrer, and needle elements for surface bubbling (platform No. 3). This bioreactor is intended for laboratory and industrial cultivation of bacteria and cell cultures that do not require increased aeration. In FIG. 4 is given top view A of figure 5. FIG. 5 shows a suspension mixing and aeration unit, including an annular floating baffle, an annular floating element with a stirrer and needle elements for surface bubbling. In FIG. 6 shows a side view B of figure 5. FIG. 7 shows an annular floating element with a paddle agitator and needle elements for surface sparging. In FIG. 8 shows a diagram of the claimed laboratory multi-platform gas-vortex bioreactor (without an annular floating baffle 7) with an annular floating element with removable blades and needle elements (platform No. 4). In FIG. 9 (platform No. 5) shows a diagram of the claimed laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor (without an annular floating baffle) with an annular floating element8 with removable blades (without needle elements for surface bubbling). In FIG. 10 (platform No. 6) shows a diagram of the claimed laboratory multi-platform gas-vortex bioreactor (without an annular floating baffle) with an annular floating element and needle elements (aerators) for surface bubbling (without removable blades).
Лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор для суспензионного культивирования клеток тканей, микроорганизмов или микроводорослей содержит оптически прозрачную цилиндрическую емкость 1 с крышкой 2 и патрубками 3, 4 соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо 5, укрепленное на вертикальном валу 6 и размещенное в верхней части емкости 1 непосредственно под крышкой 2, кольцевую плавучую перегородку 7 со сквозным осевым отверстием 8, установленную в цилиндрической емкости 1 с возможностью вращения соосно лопастному колесу 5 с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости 1 и кольцевой плавучей перегородкой 7. Вал 6 соединен с приводом вращения колеса 5, расположенным на крышке 2 емкости 1. Механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток микроорганизмов выполнен в виде поплавков 9, расположенных сверху (одноярусная перегородка 7, фиг. 1) или сверху и в теле указанной кольцевой перегородки 7 (двухъярусная перегородка 7, фиг. 5) с зазором относительно друг друга и образующих между собой радиальные каналы 10, расположенные от осевого отверстия 8 до края указанной кольцевой перегородки 7. Биореактор снабжен съемным оптически прозрачным полым цилиндрическим стаканом 11, выполненным с возможностью размещения в нем источника 12 освещения и/или блока 13 видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования, и установленным под кольцевой плавучей перегородкой 7. Нижний открытый торец стакана 11 герметично прикреплен к днищу 14 емкости 1 и образует между цилиндрической стенкой емкости 1 и цилиндрической стенкой стакана 11 кольцевую зону 15 суспензионного культивирования биологических объектов. Механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки 7 относительно поверхности суспензии клеток снабжен осью 16, установленной соосно горизонтальному лопастному колесу 5 с возможностью ее крепления на торцевой стенке 17 цилиндрического стакана 11. Устройство для аэрации и перемешивания среды (фиг. 1, 4-6) снабжено кольцевым плавучим элементом 18, расположенным в зазоре между цилиндрической стенкой емкости 1 и кольцевой плавучей перегородкой 7 с возможностью вращения и содержащим (фиг. 1, 8-10):The laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor for suspension cultivation of tissue cells, microorganisms or microalgae contains an optically transparent cylindrical container 1 with a lid 2 and nozzles 3, 4, respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium, and a device for aeration and mixing of the medium, including a horizontal paddle wheel 5, mounted on a vertical shaft 6 and placed in the upper part of the container 1 directly under the cover 2, an annular floating partition 7 with a through axial hole 8, installed in the cylindrical container 1 with the possibility of rotation coaxially with the paddle wheel 5 with the formation of a gap between the cylindrical wall of the container 1 and an annular floating partition 7. The shaft 6 is connected to the wheel rotation drive 5 located on the cover 2 of the container 1. The mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition 7 relative to the surface of the suspension of microorganism cells is made in the form of floats 9 located on top (single-tier partition 7, Fig. 1 ) or above and in the body of said annular partition 7 (two-tier partition 7, Fig. 5) with a gap relative to each other and forming radial channels 10 between them, located from the axial hole 8 to the edge of the said annular partition 7. The bioreactor is equipped with a removable optically transparent hollow cylindrical glass 11, made with the possibility of placing in it a source 12 of illumination and / or a block 13 of video recording, measurement and control of the technological process of cultivation, and installed under the annular floating partition 7. The lower open end of the glass 11 is hermetically attached to the bottom 14 of the container 1 and forms between cylindrical wall container 1 and the cylindrical wall of the glass 11 an annular zone 15 suspension cultivation of biological objects. The mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition 7 relative to the surface of the cell suspension is provided with an axis 16 installed coaxially with the horizontal paddle wheel 5 with the possibility of its attachment to the end wall 17 of the cylindrical cup 11. The device for aeration and mixing of the medium (Fig. 1, 4-6) is equipped with an annular floating element 18 located in the gap between the cylindrical wall of the container 1 and the annular floating partition 7 with the possibility of rotation and containing (Fig. 1, 8-10):
- радиально расположенные съемные лопатки 19 для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента 18; - или съемные игольчатые элементы 20 для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, установленные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента 18; или радиально расположенные съемные лопатки 19 для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента 18 и съемные игольчатые элементы 20 для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, установленные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента 18. - radially located removable blades 19 for mixing the liquid nutrient medium, attached to the body of the annular floating element 18; - or removable needle elements 20 for surface bubbling of liquid nutrient medium, installed evenly on the upper end surface of the annular floating element 18; or radially located removable blades 19 for mixing the liquid nutrient medium, attached to the body of the annular floating element 18 and removable needle elements 20 for surface bubbling of the liquid nutrient medium, installed evenly on the upper end surface of the annular floating element 18.
Источник 12 освещения размещен в прозрачном полом цилиндрическом стакане 21 с зазором и содержит светодиодную ленту 22, закрепленную на внешней поверхности металлической трубы 23 и узел принудительного охлаждения светодиодной ленты 22, выполненный в виде осевого вентилятора 24, выходной канал которого соединен с металлической трубой 23 светодиодной ленты 22 для формирования вокруг последней циркулирующего потока воздуха (фиг. 8). The light source 12 is placed in a transparent hollow cylindrical cup 21 with a gap and contains an LED strip 22 fixed on the outer surface of a metal pipe 23 and a forced cooling unit for the LED strip 22, made in the form of an axial fan 24, the output channel of which is connected to the metal tube 23 of the LED strip 22 to form around the latter a circulating air flow (FIG. 8).
Кольцевая плавучая перегородка 7 выполнена одно- или двухъярусной, а радиальные каналы 10 в каждом ярусе расположены тангенциально и направлены против часовой стрелки (фиг. 4-6). Указанная плавучая перегородка 7 может быть снабжена лопатками «В» для дополнительного ее раскручивания вихревым потоком. Кольцевая плавучая перегородка 7 обеспечивает функционирование биореактора в оптимальном режиме при заполнении его объема от 10 до 90%. Одноярусная плавучая перегородка 7 может функционировать при скорости вращения лопастного колеса 5 до 2000 об/мин. При скорости вращения лопастного колеса 5 свыше 2000 об/мин центральный восходящий поток культуральной среды способен выталкивать одноярусная плавучую перегородку 7 на поверхность указанной среды. При этом происходит запирание стока восходящего потока культуральной среды, которая начинает вращаться как квази твердое тело. При отсутствии восходящего потока одноярусная плавучая перегородка 7 возвращается на исходную глубину и процесс ее всплытия в этом режиме повторяется, что нарушает процесс культивирования при высоких оборотах лопастного колеса 5. Двухъярусная плавучая перегородка 7 устраняет указанные недостатки и позволяет обеспечивать процесс культивирования как на низких оборотах лопастного колеса 5, так и на скорости более 2000-2500 об/мин. The annular floating partition 7 is made of one or two tiers, and the radial channels 10 in each tier are located tangentially and directed counterclockwise (Fig. 4-6). Said floating baffle 7 can be equipped with blades "B" for its additional unwinding by a vortex flow. Annular floating partition 7 ensures the functioning of the bioreactor in the optimal mode when filling its volume from 10 to 90%. Single-tiered floating partition 7 can operate at a speed of rotation of the impeller 5 up to 2000 rpm. When the speed of rotation of the impeller 5 is over 2000 rpm, the central upward flow of the culture medium is able to push the single-tier floating partition 7 onto the surface of the specified medium. In this case, the flow of the upward flow of the culture is blocked. medium, which begins to rotate as a quasi-rigid body. In the absence of an upward flow, a single-tier floating partition 7 returns to its original depth and the process of its ascent in this mode is repeated, which disrupts the cultivation process at high speeds of the impeller 5. The two-tier floating partition 7 eliminates these disadvantages and allows the cultivation process to be carried out both at low speeds of the impeller 5, and at speeds over 2000-2500 rpm.
Кольцевой плавучий элемент 18 (фиг. 7) может содержать сквозные отверстия 25 для перетока жидкой питательной среды, выполненные на одинаковом расстоянии в теле кольцевого плавучего элемента 18 со стороны его цилиндрической поверхности. The annular floating element 18 (Fig. 7) may contain through holes 25 for the flow of liquid nutrient medium, made at the same distance in the body of the annular floating element 18 from the side of its cylindrical surface.
Кольцевой плавучий элемент 18 с игольчатыми элементами 20 для поверхностного барботирования может быть выполнено из полипропилена (плотность 9,6 г/см3) с остроконечными коническими выступами на его верхней плоскости высотой 3-5 мм. С помощью дополнительных грузиков и поплавков плавучий элемент 18 балансируют так, чтобы при погружении в культуральную среду острия конусов находились на уровне поверхности среды. Плавучий элемент 18 в процессе культивирования находится всегда в зоне формирования нисходящего потока культуральной среды. Газовый вихрь деформирует поверхность среды над игольчатыми элементами 20 в виде конических выступов за каждым из которых формируется шлейф из воздушных пузырьков, которые перед всплытием успевают погрузиться в среду на глубину 5-10 мм вследствие чего она насыщается газом (например, кислородом или углекислым газом). Насыщенная газом среда опускается по спирали до дна биореактора, обеспечивая аэрацию по всему объему среды. Суспензионное культивирование с использованием заявляемого лабораторного мультиплатформенного газовихревого биореактора осуществляют следующим образом. The annular floating element 18 with needle elements 20 for surface bubbling can be made of polypropylene (density 9.6 g/cm 3 ) with pointed conical protrusions on its upper plane 3-5 mm high. With the help of additional weights and floats, the floating element 18 is balanced so that, when immersed in the culture medium, the points of the cones are at the level of the medium surface. The floating element 18 in the process of cultivation is always in the zone of formation of the downward flow of the culture medium. The gas vortex deforms the surface of the medium above the needle-shaped elements 20 in the form of conical protrusions behind each of which a plume of air bubbles is formed, which, before surfacing, have time to plunge into the medium to a depth of 5-10 mm, as a result of which it is saturated with gas (for example, oxygen or carbon dioxide). The gas-saturated medium descends in a spiral to the bottom of the bioreactor, providing aeration throughout the volume of the medium. Suspension cultivation using the inventive laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor is carried out as follows.
В зависимости от вида культивируемых биообъектов выбирают платформу №1, 2, 3, 4, 5 или 6 биореактора с разным составом оборудования. Depending on the type of cultivated biological objects, platform No. 1, 2, 3, 4, 5 or 6 of the bioreactor with different equipment is selected.
Пример 1. Для культивирования микроводорослей (низших фототропов) используют платформу №1 биореактора (фиг. 1). В емкость 1 в стерильных условиях устанавливают оборудование как показано на фиг. 1 и заполняют питательной средой через патрубок (на чертеже не показан) так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 под крышкой 2 оставалась полость для движения аэрирующего газа, кольцевая перегородка 7 с поплавками 9 располагалась в питательной среде у ее поверхности. Далее вводят посевную дозу фотосинтезирующих клеток микроорганизмов, например хлореллы (в количестве 0,1 г на 1 л питательной среды.), и включают привод вращения лопастного колеса 5, который подает через патрубок 3 воздух, обогащенный, например, углекислым газом (для хлореллы) тангенциально в емкость 1, а через патрубок 4 отработанный газ. Система обогащения воздуха углекислым газом на чертеже не показана. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 5 вентилятора. Над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости 1. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в кольцевой зоне 15 культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием между внешней стороной цилиндрической поверхности стакана 11 и емкостью 1. Кольцевой плавучий элемент 18 с лопатками 19 и кольцевая перегородка 7 вращаются в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживаются на плаву. Лопатки 19 дополнительно способствуют перемешиванию суспензии, а игольчатые элементы 20 способствуют более интенсивному поверхностному барботированию культуральной жидкости. В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что уменьшает травмирование клеток. При этом обеспечиваются оптимальные условия культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Источник 12 обеспечивает достаточное равномерное освещение кольцевой зоны 15 суспензии хлореллы, толщина которой составляет 30-50 мм. Процесс ведут непрерывно до нарастания биомассы фотосинтезирующих микроорганизмов, например водоросли хлореллы до 15 - 20 г на 1 л суспензии, после чего сливают часть суспензии (урожай), доливают свежую питательную среду и продолжают процесс культивирования. Example 1. For the cultivation of microalgae (lower phototropes) use platform No. 1 of the bioreactor (Fig. 1). Equipment is installed in container 1 under sterile conditions as shown in Fig. 1 and fill with a nutrient medium through a pipe (not shown in the drawing) so that above the surface of the medium in the upper part of the container 1 under the lid 2 there is a cavity for the movement of aerating gas, the annular partition 7 with floats 9 is located in the nutrient medium near its surface. Next, a seed dose of photosynthetic cells of microorganisms, such as chlorella, is introduced (in the amount of 0.1 g per 1 liter of nutrient medium.), And the impeller 5 rotation drive is turned on, which supplies air enriched, for example, with carbon dioxide (for chlorella) through the pipe 3 tangentially into the container 1, and through the branch pipe 4 the exhaust gas. The system for enriching the air with carbon dioxide is not shown in the drawing. Depending on the requirements of the technology, the required number of revolutions of the impeller 5 of the fan is set. Above the annular surface of the cell suspension, a vacuum is created in the paraxial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container 1. Under the action of the pressure difference between the periphery and the paraxial zone of the gas cavity, a swirling gas flow is created above the annular surface of the cell suspension, which forms the culture liquid in the annular zone 15 turbulent rotational motion with intense mixing between the outer side of the cylindrical surface of the glass 11 and capacity 1. The annular floating element 18 with blades 19 and the annular partition 7 rotate in the same direction and with the same angular velocity as the culture fluid and are kept afloat. The blades 19 additionally contribute to the mixing of the suspension, and the needle elements 20 contribute to a more intense surface bubbling of the culture liquid. During cultivation, the gas aerates the cells on the surface of the liquid. The speed of movement of the gas vortex (3-6 m/s) does not cause separation of drops of culture fluid from its surface, which reduces cell injury. This provides optimal conditions for the cultivation of photosynthetic microorganisms. The source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension, the thickness of which is 30-50 mm. The process is carried out continuously until the increase in the biomass of photosynthetic microorganisms, such as chlorella algae, up to 15-20 g per 1 liter of suspension, after which part of the suspension (crop) is drained, fresh nutrient medium is added and the cultivation process continues.
Пример 2. Для подготовки мультиплатформенного газовихревого биореактора в виде платформы №2 из емкости 1 вынимают кольцевой плавучий элемент 18 с мешалкой 19 и игольчатыми элементами 20 для поверхностного барботирования, а также источник освещения 12. Платформа №2 позволяет культивировать бактерии и культуры клеток в лабораторных условиях, наблюдая и регистрируя указанный процесс с использованием блока 13 видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования (фиг. 2), что очень важно при проведении научных исследований в лабораторных условиях. Процесс культивирования осуществляют следующим образом. В емкость 1 в стерильных условиях устанавливают оборудование как показано на фиг. 2 и заполняют питательной средой через патрубок (на чертеже не показан) так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 под крышкой 2 оставалась полость для движения аэрирующего газа, кольцевая перегородка 7 с поплавками 9 располагалась в питательной среде у ее поверхности. Далее вводят посевную дозу животных или растительных клеток и включают привод вращения лопастного колеса 5, который подает через патрубок 3 воздух, обогащенный кислородом (например для животных клеток Vero) в емкость 1, а через патрубок 4 отработанный газ. Система обогащения воздуха кислородом на чертеже не показана. В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 5 вентилятора. Над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости 1. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в кольцевой зоне 15 культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием между внешней стороной цилиндрической поверхности стакана 11 и внутренней поверхностью емкости 1. В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что уменьшает травмирование клеток. При этом обеспечиваются оптимальные условия культивирования растительных или животных клеток. Процесс ведут непрерывно до нарастания биомассы клеток после чего сливают часть суспензии (урожай), доливают свежую питательную среду и продолжают процесс культивирования. Example 2. To prepare a multiplatform gas-vortex bioreactor in the form of platform No. 2, an annular floating element 18 with a stirrer 19 and needle elements 20 for surface bubbling, as well as a light source 12, are removed from vessel 1. Platform No. 2 allows cultivating bacteria and cell cultures in laboratory conditions , observing and recording the specified process using the video recording unit 13, measuring and controlling the technological process of cultivation (Fig. 2), which is very important when conducting scientific research in the laboratory. The cultivation process is carried out as follows. Equipment is installed in container 1 under sterile conditions as shown in Fig. 2 and fill with a nutrient medium through a pipe (not shown in the drawing) so that above the surface of the medium in the upper part of the container 1 under the lid 2 there was a cavity for the movement of aerating gas, the annular partition 7 with floats 9 was located in the nutrient medium near its surface. Next, a seed dose of animal or plant cells is introduced and the rotation drive of the paddle wheel 5 is turned on, which supplies oxygen-enriched air (for example, for Vero animal cells) through the pipe 3 into the container 1, and through the pipe 4 the exhaust gas. The oxygen enrichment system is not shown in the drawing. Depending on the requirements of the technology, the required number of revolutions of the impeller 5 of the fan is set. Above the annular surface of the cell suspension, a vacuum is created in the paraxial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container 1. Under the action of the pressure difference between the periphery and the paraxial zone of the gas cavity, a swirling gas flow is created above the annular surface of the cell suspension, which forms the culture liquid in the annular zone 15 turbulent rotational movement with intense mixing between the outer side of the cylindrical surface of the glass 11 and the inner surface of the vessel 1. During the cultivation, the gas aerates the cells on the surface of the liquid. The speed of movement of the gas vortex (3-6 m/s) does not cause separation of drops of culture fluid from its surface, which reduces cell injury. This provides optimal conditions for the cultivation of plant or animal cells. The process is carried out continuously until the growth of cell biomass, after which part of the suspension (harvest) is drained, fresh nutrient medium is added and the cultivation process is continued.
Пример 3. Культивирование бактерий, клеток животных или растений в промышленных масштабах используют платформу №3 (фиг. 3). Для этого из емкости 1 убирают кольцевой плавучий элемент 18 с мешалкой 19 и игольчатыми элементами 20, а также демонтируют стакан И . При культивировании микроорганизмов, например бактерий, клеток животных или растений цилиндрическую емкость 1 с установленной в ней кольцевой плавучей перегородкой 7 с лопатками «В» (фиг. 3) в стерильных условиях заполняют питательной средой так, чтобы над поверхностью среды в верхней части емкости 1 оставалась полость для движения аэрирующего газа, а кольцевая перегородка 7 располагалась в питательной среде с выступающими лопатками «В» над жидкой средой. Далее устанавливают, например, для культивирования клеток растений или животных, требуемый температурный режим, вводят также посевную дозу клеток и включают привод вращения лопастного колеса 5. В зависимости от требований технологии культивирования устанавливают необходимое число оборотов вращения колеса 5, при вращении которого над поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с интенсивным перемешиванием вдоль оси емкости. Кольцевая плавучая перегородка 7 вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается у поверхности жидкости с лопатками «В», расположенными над поверхностью жидкости за счет собственной плавучести. В процессе культивирования кольцевая перегородка 7 повышает интенсивность циркуляции жидкости (в виде тангенциального вихревого движения с осевым противотоком). Жидкая среда с микроорганизмами или клетками животных или растений в виде восходящего потока поднимается вверх и через осевое отверстие 8 перегородки 7 перетекает через тангенциальные радиальные каналы 10 этой перегородки 7 вниз вдоль цилиндрических боковых стенок емкости 1. Тангенциальная форма радиальных каналов 10 указанной кольцевой перегородки 7 не позволяют закрепляться на ее поверхности агломератам клеток, которые сбрасываются с указанной перегородки 7 потоком жидкости. Причем, в процессе культивирования газ аэрирует клетки животных, растений или микроорганизмы на поверхности жидкости. В результате такой аэрации в культуральной жидкости не образуются пузырьки газа и пена и не происходит травмирование клеток и микроорганизмов. Скорость движения газового вихря (3-6 м/с) не вызывает отрыв капель культуральной жидкости с ее поверхности, что также уменьшает травмирование клеток. Увеличение интенсивности движения восходящего и нисходящего потоков суспензии клеток позволяет осуществлять их культивирование без образования застойных зон. При этом обеспечиваются нормальные условия культивирования микроорганизмов. Полученная биомасса отводится через соответствующий патрубок (на чертежах не показан). Example 3 Cultivation of bacteria, animal or plant cells on an industrial scale using platform #3 (FIG. 3). To do this, an annular floating element 18 with a stirrer 19 and needle elements 20 is removed from the tank 1, and the glass is also dismantled AND . When cultivating microorganisms, such as bacteria, animal or plant cells, a cylindrical container 1 with an annular floating partition 7 installed in it with blades "B" (Fig. 3) is filled under sterile conditions with a nutrient medium so that above the surface of the medium in the upper part of the container 1 remains a cavity for the movement of aerating gas, and the annular partition 7 was located in the nutrient medium with protruding blades "B" above the liquid medium. Then, for example, for cultivating plant or animal cells, the required temperature regime is set, the seed dose of cells is also introduced, and the rotation drive of the impeller 5 is turned on. a vacuum is created in the axial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container. Under the action of the pressure difference between the periphery and the axial zone of the gas cavity above the surface of the cell suspension, a swirling gas flow is created, which forms a turbulent rotational motion in the culture liquid with intense mixing along the axis of the container. The annular floating partition 7 rotates in the same direction and with the same angular velocity as the culture liquid and is held near the surface of the liquid with blades "B" located above the surface of the liquid due to its own buoyancy. During cultivation, the annular partition 7 increases the intensity of the liquid circulation (in the form of a tangential vortex motion with axial countercurrent). The liquid medium with microorganisms or cells of animals or plants in the form of an upward flow rises and through the axial hole 8 of the partition 7 flows through the tangential radial channels 10 of this partition 7 down along the cylindrical side walls of the container 1. The tangential shape of the radial channels 10 the specified annular partition 7 is not allowed to be fixed on its surface agglomerates of cells, which are discharged from the specified partition 7 by the fluid flow. Moreover, in the process of cultivation, the gas aerates the cells of animals, plants or microorganisms on the surface of the liquid. As a result of such aeration, gas bubbles and foam are not formed in the culture liquid, and cells and microorganisms are not injured. The speed of movement of the gas vortex (3-6 m/s) does not cause separation of drops of culture fluid from its surface, which also reduces cell injury. An increase in the intensity of movement of the ascending and descending flows of the cell suspension allows their cultivation without the formation of stagnant zones. This provides normal conditions for the cultivation of microorganisms. The resulting biomass is discharged through the appropriate pipe (not shown in the drawings).
Пример 4. Поготавливают для работы лабораторный мультиплатформенных газовихревой биореактор без кольцевой плавучей перегородки 7 (фиг. 8) с кольцевым плавучим элементом 18 со съемными лопатками 19 и игольчатыми элементами 20 для поверхностного барботирования (аэрации) среды. Данный вариант мультиплатформенного газовихревого биореактора (платформа №4) используют, например, при работе с микроводорослями в режиме разработки и оптимизации регламента процесса культивирования. В данном случае используется кольцевой вариант фотобиореактора (с кольцевой зоной 15) с источником 12 интенсивного освещения культуры и блоком 13 видеорегистрации процесса культивирования. На начальном этапе работа проводится только в кольцевой зоне 15 реактора (фотобиореактора), поэтому кольцевая плавучая перегородка 7 использоваться не может (ее убирают), а для обеспечения интенсивного перемешивания среды на кольцевой плавучий элемент 18 с игольчатыми элементами 20 (аэраторами - барботерами) устанавливают съемные лопатки 19 для перемешивания среды. Донные пористые барботеры можно не использовать, и на их место ставят заглушки. Example 4. A laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an annular floating baffle 7 (Fig. 8) with an annular floating element 18 with removable blades 19 and needle elements 20 for surface bubbling (aeration) of the medium is being prepared for operation. This version of the multi-platform gas-vortex bioreactor (platform No. 4) is used, for example, when working with microalgae in the mode of developing and optimizing the regulation of the cultivation process. In this case, an annular version of the photobioreactor (with an annular zone 15) is used with a source 12 of intensive illumination of the culture and a video recording unit 13 of the cultivation process. At the initial stage, work is carried out only in the annular zone 15 of the reactor (photobioreactor), so the annular floating baffle 7 cannot be used (it is removed), but to ensure intensive mixing of the medium on the annular floating element 18 with needle elements 20 (aerators - bubblers) install removable blades 19 for mixing the medium. Bottom porous bubblers can be omitted, and plugs are put in their place.
Для культивирования микроводорослей (низших фототропов) в режиме разработки и оптимизации регламента процесса культивирования в емкость 1 в стерильных условиях устанавливают оборудование как показано на фиг. 8 и заполняют питательной средой через патрубок (на чертеже не показан) так, чтобы поверхность среды не поднималась выше торцевой стенки 17 цилиндрического стакана 11. Далее вводят посевную дозу фотосинтезирующих клеток микроорганизмов, например хлореллы (в количестве 0,1 г на 1 л питательной среды), и включают привод вращения лопастного колеса 5, который подает через патрубок 3 воздух, обогащенный, например, углекислым газом (для хлореллы) тангенциально в емкость 1 , а через патрубок 4 отработанный газ. For the cultivation of microalgae (lower phototropes) in the development mode and optimization of the regulation of the cultivation process, equipment is installed in container 1 under sterile conditions as shown in Fig. 8 and fill with a nutrient medium through a pipe (not shown in the drawing) so that the surface of the medium does not rise above the end wall 17 of the cylindrical cup 11. Next, a seed dose of photosynthetic cells of microorganisms, such as chlorella, is introduced (in the amount of 0.1 g per 1 liter of nutrient medium ), and turn on the rotation drive of the impeller 5, which supplies air enriched, for example, with carbon dioxide (for chlorella) through the pipe 3 tangentially into the container 1, and through the pipe 4 the exhaust gas.
В зависимости от требований технологии устанавливают необходимое число оборотов лопастного колеса 5 вентилятора. Над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается разряжение в приосевой зоне емкости 1 и повышенное давление на периферии этой емкости 1. Под действием перепада давления между периферией и приосевой зоной газовой полости над кольцевой поверхностью суспензии клеток создается закрученный поток газа, который образует в кольцевой зоне 15 культуральной жидкости турбулентное вращательное движение с перемешиванием между внешней стороной цилиндрической поверхности стакана И и емкостью 1. Кольцевой плавучий элемент 18 с лопатками 19 вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается на плаву. Лопатки 19 способствуют перемешиванию суспензии, а игольчатые элементы 20 способствуют более интенсивному поверхностному барботированию культуральной жидкости. В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. При этом обеспечиваются оптимальные условия культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Источник 12 обеспечивает достаточное равномерное освещение кольцевой зоны 15 суспензии хлореллы, толщина которой составляет 30-50 мм. Процесс культивирования регистрируется блоком 13 видеорегистрации, что облегчает и ускоряет разработку и оптимизацию условий культивирования. Depending on the requirements of the technology, the required number of revolutions of the impeller 5 of the fan is set. Above the annular surface of the cell suspension, a vacuum is created in the paraxial zone of the container 1 and an increased pressure on the periphery of this container 1. Under the action of the pressure difference between the periphery and the paraxial zone of the gas cavity, a swirling gas flow is created above the annular surface of the cell suspension, which forms the culture liquid in the annular zone 15 turbulent rotational movement with mixing between the outer side of the cylindrical surface of the glass And and the container 1. The annular floating element 18 with blades 19 rotates in the same direction and with the same angular velocity as the culture fluid and is kept afloat. The blades 19 contribute to the mixing of the suspension, and the needle elements 20 contribute to a more intense surface bubbling of the culture liquid. During cultivation, the gas aerates cells on the surface of the liquid. This provides optimal conditions for the cultivation of photosynthetic microorganisms. The source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension, the thickness of which is 30-50 mm. The cultivation process is recorded by the video recording unit 13, which facilitates and accelerates the development and optimization of cultivation conditions.
После отработки регламента в кольцевой зоне 15 биореактора можно перейти к полному заполнению средой рабочего объёма реактора с использованием кольцевой плавучей перегородки 7 и кольцевой плавучий элемент 18 с игольчатыми элементами 20 барботера без съемных лопаток 19 (если предполагается полный одноразовый слив продукта). After working out the regulations in the annular zone 15 of the bioreactor, it is possible to proceed to the complete filling of the working volume of the reactor with the medium using an annular floating partition 7 and an annular floating element 18 with needle elements 20 of the bubbler without removable blades 19 (if a complete one-time drain of the product is expected).
Пример 5. К работе подготавливают мультиплатформенный газовихревой биореактор без кольцевой плавучей перегородки 7 (фиг. 9, платформа № 5) с кольцевым плавучим элементом 18 со съемными лопатками 19 (без игольчатых элементов 20 для поверхностного барботирования). Устройство работает аналогично описанию в примере 4. Кольцевой плавучий элемент 18 с лопатками 19 вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается на плаву. Лопатки 19 обеспечивают более интенсивное перемешивание суспензии. Источник 12 освещения обеспечивает достаточное равномерное освещение кольцевой зоны 15 суспензии хлореллы. При необходимости процесс культивирования регистрируется блоком 13 видеорегистрации, что может быть использовано в учебных или научных целях. Example 5. A multiplatform gas-vortex bioreactor is prepared for operation without an annular floating baffle 7 (Fig. 9, platform No. 5) with an annular floating element 18 with removable blades 19 (without needle elements 20 for surface bubbling). The device works similarly to the description in example 4. The annular floating element 18 with blades 19 rotates in the same direction and at the same angular velocity as the culture fluid and is kept afloat. Blades 19 provide more intensive mixing of the suspension. The light source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension. If necessary, the cultivation process is recorded by the video recording unit 13, which can be used for educational or scientific purposes.
Указанный вариант биореактора применяется как совместно с придонными барботерами для создания восходящих аэрирующих потоков - эрлифтный режим, так и без них при работе со средами, с большим содержанием белка и, следовательно, склонными к обильному пенообразованию. В последнем случае горизонтальное лопастное колесо 5, помимо формирования газового вихря над поверхностью культуральной среды, функционирует как механический пеногаситель. This version of the bioreactor is used both in conjunction with bottom bubblers to create ascending aerating flows - airlift mode, and without them when working with media with a high protein content and, therefore, prone to abundant foaming. In the latter case, the horizontal impeller 5, in addition to forming a gas vortex above the surface of the culture medium, functions as a mechanical defoamer.
Пример 6. Для работы подготавливают лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор без кольцевой плавучей перегородки 7 (фиг. 10, платформа № 6) с кольцевым плавучим элементом 18 и игольчатыми элементами 20 (аэраторами) для поверхностного барботирования (без съемных лопаток 19). Example 6. A laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor without an annular floating baffle 7 (Fig. 10, platform No. 6) with an annular floating element 18 and needle elements 20 (aerators) for surface bubbling (without removable blades 19) is prepared for operation.
Устройство работает аналогично описанию в примере 4. Кольцевой плавучий элемент 18 с лопатками 19 вращается в ту же сторону и с той же угловой скоростью, что и культуральная жидкость и удерживается на плаву. Игольчатые элементы 20 способствуют более интенсивному поверхностному барботированию культуральной жидкости. В процессе культивирования газ аэрирует клетки на поверхности жидкости. При этом обеспечиваются оптимальные условия культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов. Источник 12 освещения обеспечивает достаточное равномерное освещение кольцевой зоны 15 суспензии хлореллы. При необходимости процесс культивирования регистрируется блоком 13 видеорегистрации, что также может быть использовано в учебных или научных целях. The device works similarly to the description in example 4. The annular floating element 18 with blades 19 rotates in the same direction and at the same angular velocity as the culture fluid and is kept afloat. Needle elements 20 contribute to a more intense surface bubbling of the culture fluid. During cultivation, the gas aerates the cells on the surface of the liquid. This provides optimal conditions for the cultivation of photosynthetic microorganisms. The light source 12 provides sufficient uniform illumination of the annular zone 15 of the chlorella suspension. If necessary, the cultivation process is recorded by the video recording unit 13, which can also be used for educational or scientific purposes.
В данном варианте комплектации биореактора игольчатые элементы 20 выполняют две функции: In this configuration of the bioreactor, needle elements 20 perform two functions:
- поверхностного барботера; при отсутствии съемных лопаток 19, он не раскручивает дополнительно культуральную среду, а за счёт касания внутренней поверхности корпуса центрирующими выступами - её подтормаживает, и т. о. увеличивает угловую скорость газового вихря относительно угловой скорости культуральной среды, т.е. улучшаются условия образования аэрирующих воздушных пузырьков и, соответственно, увеличивается массообмен по кислороду или углекислому газу; - surface bubbler; in the absence of removable blades 19, it does not additionally spin the culture medium, but due to touching the inner surface of the body with centering projections, it slows it down, and so on. increases the angular velocity of the gas vortex relative to the angular velocity of the culture medium, i.e. conditions for the formation of aerating air bubbles are improved and, accordingly, the mass transfer by oxygen or carbon dioxide increases;
- выполняет роль гасителя автоколебаний поверхности среды. - acts as a damper of self-oscillations of the surface of the medium.
Из описания изобретения видно, что заявляемый лабораторный мультиплатформенный биореактор в зависимости от выбранной платформы №1, 2, 3, 4, 5 или 6 обеспечивает возможность культивирования в лабораторных условиях микроорганизмы, культуры клеток или микроводоросли (низшие фототропы) с исследовательскими целями, визуально наблюдать за биотехнологическими процессами и записывать их на видиокамеру, масштабировать указанные процессы, что подтверждает его универсальность и, таким образом, обеспечивается заявляемый технический результат. It can be seen from the description of the invention that the claimed laboratory multiplatform bioreactor, depending on the selected platform No. 1, 2, 3, 4, 5 or 6, provides the possibility of cultivating microorganisms, cell cultures or microalgae (lower phototropes) in the laboratory for research purposes, visually observe biotechnological processes and record them on a video camera, scale these processes, which confirms its versatility and thus ensures the claimed technical result.

Claims

23 Формула изобретения 23 Claims
1. Лабораторный мультиплатформенный газовихревой биореактор для суспензионного культивирования клеток тканей или микроорганизмов, содержащий оптически прозрачную цилиндрическую емкость (1) с крышкой (2) и патрубками (3, 4) соответственно для подачи аэрирующего газа и отвода газообразной среды и устройство для аэрации и перемешивания среды, включающее горизонтальное лопастное колесо (5), укрепленное на вертикальном валу (6) и размещенное в верхней части емкости (1) непосредственно под крышкой (2), кольцевую плавучую перегородку (7), установленную в цилиндрической емкости (1) с возможностью вращения соосно лопастному колесу (5) с образованием зазора между цилиндрической стенкой емкости (1) и кольцевой плавучей перегородкой (7), и механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки (7) относительно поверхности суспензии клеток, выполненный в виде поплавков (9), расположенных сверху в теле указанной кольцевой перегородки с зазором относительно друг друга и образующих между собой радиальные каналы (10), выполненные от осевого отверстия (8) до края указанной кольцевой перегородки (7), отличающийся тем, что биореактор снабжен съемным оптически прозрачным полым цилиндрическим стаканом (11), выполненным с возможностью размещения в нем источника (12) освещения и/или блока (13) видеорегистрации, измерения и контроля за технологическим процессом культивирования, и установленным под кольцевой плавучей перегородкой (7), нижний открытый торец которого герметично прикреплен к днищу (14) емкости (1) и образует между цилиндрической стенкой емкости (1) и цилиндрической стенкой стакана (11) кольцевую зону (15) суспензионного культивирования биологических объектов; механизм стабилизации положения кольцевой плавучей перегородки (7) относительно поверхности суспензии клеток снабжен осью (16), установленной соосно горизонтальному лопастному колесу (5) с возможностью ее крепления на торцевой стенке (17) цилиндрического стакана (11), а устройство для аэрации и перемешивания среды снабжено кольцевым плавучим элементом (18), расположенным в зазоре между цилиндрической стенкой емкости (1) и кольцевой плавучей перегородкой (7) с возможностью вращения и содержащим: 1. Laboratory multiplatform gas-vortex bioreactor for suspension cultivation of tissue cells or microorganisms, containing an optically transparent cylindrical container (1) with a lid (2) and nozzles (3, 4), respectively, for supplying aerating gas and removing a gaseous medium and a device for aeration and mixing of the medium , including a horizontal impeller (5) mounted on a vertical shaft (6) and placed in the upper part of the tank (1) directly under the cover (2), an annular floating partition (7) installed in a cylindrical tank (1) with the possibility of coaxial rotation impeller (5) with the formation of a gap between the cylindrical wall of the container (1) and the annular floating partition (7), and the mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition (7) relative to the surface of the cell suspension, made in the form of floats (9) located on top in the body the specified annular partition with a gap relative to each other and forming between them radial channels (10) made from the axial hole (8) to the edge of the specified annular partition (7), characterized in that the bioreactor is equipped with a removable optically transparent hollow cylindrical cup (11), made with the possibility of placing an illumination source (12) in it and /or a block (13) for video recording, measurement and control of the technological process of cultivation, and installed under the annular floating partition (7), the lower open end of which is hermetically attached to the bottom (14) of the container (1) and forms between the cylindrical wall of the container (1) and a cylindrical wall of the glass (11) an annular zone (15) suspension cultivation of biological objects; the mechanism for stabilizing the position of the annular floating partition (7) relative to the surface of the cell suspension is provided with an axis (16), mounted coaxially to the horizontal impeller (5) with the possibility of its fastening on the end wall (17) of the cylindrical cup (11), and the device for aeration and mixing of the medium is equipped with an annular floating element (18) located in the gap between the cylindrical wall of the container (1) and an annular floating partition (7) with the possibility of rotation and containing:
- радиально расположенные съемные лопатки (19) для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента (18); - radially located removable blades (19) for mixing the liquid nutrient medium, attached to the body of the annular floating element (18);
- или съемные игольчатые элементы (20) для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, установленные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента (18); - or removable needle elements (20) for surface bubbling of liquid nutrient medium, installed evenly on the upper end surface of the annular floating element (18);
- или радиально расположенные съемные лопатки (19) для перемешивания жидкой питательной среды, прикрепленные к телу кольцевого плавучего элемента (18) и съемные игольчатые элементы (20) для поверхностного барботирования жидкой питательной среды, установленные равномерно на верхней торцевой поверхности кольцевого плавучего элемента (18). - or radially located removable blades (19) for mixing the liquid nutrient medium, attached to the body of the annular floating element (18) and removable needle elements (20) for surface bubbling of the liquid nutrient medium, installed evenly on the upper end surface of the annular floating element (18) .
2. Биореактор, по п. 1, отличающийся тем, что источник (12) освещения размещен в прозрачном полом цилиндрическом стакане (21) с зазором относительно его стенок и содержит светодиодную ленту (22), закрепленную на внешней поверхности металлической трубы (23) и узел принудительного охлаждения светодиодной ленты (22), выполненный в виде осевого вентилятора (24), выходной канал которого соединен с металлической трубой (23) светодиодной ленты (22) для формирования вокруг последней циркулирующего потока воздуха. 2. The bioreactor according to claim 1, characterized in that the light source (12) is placed in a transparent hollow cylindrical glass (21) with a gap relative to its walls and contains an LED strip (22) fixed on the outer surface of a metal pipe (23) and unit for forced cooling of the LED strip (22), made in the form of an axial fan (24), the outlet channel of which is connected to the metal pipe (23) of the LED strip (22) to form a circulating air flow around the latter.
3. Биореактор, по п. 1, отличающийся тем, что кольцевая плавучая перегородка (7) выполнена одно- или двухъярусной, а радиальные каналы (10) в каждом ярусе расположены тангенциально и направлены против часовой стрелки. 3. The bioreactor according to claim 1, characterized in that the annular floating partition (7) is made of one or two tiers, and the radial channels (10) in each tier are arranged tangentially and directed counterclockwise.
4. Биореактор, по п. 1, отличающийся тем, что в кольцевом плавучем элементе (18) расположены сквозные отверстия (25) для перетока жидкой питательной среды, выполненные на одинаковом расстоянии в теле кольцевого плавучего элемента (18) со стороны его цилиндрической поверхности. 4. The bioreactor according to claim 1, characterized in that in the annular floating element (18) there are through holes (25) for the flow of liquid nutrient medium, made at the same distance in the body of the annular floating element (18) from the side of its cylindrical surface.
PCT/RU2021/000512 2021-01-12 2021-11-17 Laboratory multi-platform gas vortex bioreactor WO2022154690A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021100420A RU2763318C1 (en) 2021-01-12 2021-01-12 Laboratory multi-platform gas vortex bioreactor
RU2021100420 2021-01-12

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2022154690A1 true WO2022154690A1 (en) 2022-07-21

Family

ID=80039830

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/000512 WO2022154690A1 (en) 2021-01-12 2021-11-17 Laboratory multi-platform gas vortex bioreactor

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2763318C1 (en)
WO (1) WO2022154690A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115242951A (en) * 2022-07-27 2022-10-25 国家海洋环境监测中心 Rapid detection method for zooplankton based on image scanning system

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2135579C1 (en) * 1998-09-22 1999-08-27 Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Apparatus for suspension cultivation of cells of tissues and microorganisms
RU2203938C1 (en) * 2001-11-14 2003-05-10 Богданов Николай Иванович Plant to grow unicellular water-plants
EP2393912A1 (en) * 2009-02-09 2011-12-14 Lonza Biologics plc. Bioreactor for the cultivation of mammalian cells
RU2471863C2 (en) * 2008-11-05 2013-01-10 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Вихревых Технологий" Bioreactor and method of culturing photosynthesising microorganisms using said bioreactor
RU2538170C1 (en) * 2011-08-15 2015-01-10 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Вихревых Технологий" Vortex bioreactor
RU150345U1 (en) * 2014-10-29 2015-02-10 Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского INSTALLATION FOR CULTIVATION OF LOWER PHOTOTROPHES

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2099413C1 (en) * 1992-04-15 1997-12-20 Научно-производственная фирма "БИОК" Apparatus for suspension cultivation of tissue cells or microorganisms
RU2299903C2 (en) * 2004-05-12 2007-05-27 Закрытое акционерное общество "Саяны" (ЗАО "Саяны") Bioreactor
US7833410B2 (en) * 2007-08-21 2010-11-16 Morse Dwain E Bio tank/gas replenishment system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2135579C1 (en) * 1998-09-22 1999-08-27 Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии "Вектор" Apparatus for suspension cultivation of cells of tissues and microorganisms
RU2203938C1 (en) * 2001-11-14 2003-05-10 Богданов Николай Иванович Plant to grow unicellular water-plants
RU2471863C2 (en) * 2008-11-05 2013-01-10 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Вихревых Технологий" Bioreactor and method of culturing photosynthesising microorganisms using said bioreactor
EP2393912A1 (en) * 2009-02-09 2011-12-14 Lonza Biologics plc. Bioreactor for the cultivation of mammalian cells
RU2538170C1 (en) * 2011-08-15 2015-01-10 Общество С Ограниченной Ответственностью "Центр Вихревых Технологий" Vortex bioreactor
RU150345U1 (en) * 2014-10-29 2015-02-10 Институт биологии южных морей им. А.О. Ковалевского INSTALLATION FOR CULTIVATION OF LOWER PHOTOTROPHES

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115242951A (en) * 2022-07-27 2022-10-25 国家海洋环境监测中心 Rapid detection method for zooplankton based on image scanning system

Also Published As

Publication number Publication date
RU2763318C1 (en) 2021-12-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2538170C1 (en) Vortex bioreactor
US4906577A (en) Cell culture bioreactor
US7628528B2 (en) Pneumatic bioreactor
US5075234A (en) Fermentor/bioreactor systems having high aeration capacity
EP0422149B1 (en) Static oxygenator for suspension culture of animal cells
JP4845737B2 (en) Cell culture system
WO1999050384A1 (en) Fine algae culture device
US4840905A (en) Process for culturing biological material
RU2763318C1 (en) Laboratory multi-platform gas vortex bioreactor
RU2135579C1 (en) Apparatus for suspension cultivation of cells of tissues and microorganisms
RU2565557C1 (en) Device for cultivation of microorganisms
RU2471863C2 (en) Bioreactor and method of culturing photosynthesising microorganisms using said bioreactor
RU2099413C1 (en) Apparatus for suspension cultivation of tissue cells or microorganisms
RU2363729C1 (en) Apparatus for suspension cultivation of tissue or microorganism cells
SE447121B (en) CLEANING DEVICE WITH MEMBRANE PUMP
RU2610674C1 (en) Bioreactor for biochemical processes
Singhal et al. Fermentation Technology Prospecting on Bioreactors/Fermenters: Design and Types
RU132075U1 (en) BIOREACTOR FOR CULTIVATION OF AEROBIC BACTERIA (OPTIONS)
RU100769U1 (en) BIOREACTOR FOR INDUSTRIAL CULTIVATION OF PLANT CELLS IN DEPTH SUSPENSION
RU1773936C (en) Device for crowing microorganisms or cells
SU1730135A1 (en) Apparatus for growing cells or tissues
RU2712503C2 (en) Fermenter
SU1751193A1 (en) Apparatus for mixing and aeration of liquid medium
SU1693035A1 (en) Apparatus for growing microorganisms
SU1763481A1 (en) Apparatus for microorganisms growing

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21919975

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21919975

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1