Аппараты для массового культивирования клеток. Типы, режимы работы и возможности использования для культивирования клеток.

В зависимости от конструктивных решений, объемов и других характеристик биореакторы делят на группы.

На основе рабочего объема биореакторы делятся на лабораторные (их емкость 0, 5-100 л), пилотные (100 л -10 м3) и промышленные (10-100 м3). Во всех случаях питательной средой заполняется не более 75 % объема сосуда.

Все биореакторы могут быть разделены по используемому принципу культивирования на закрытые и открытые. В закрытых биореакторах осуществляют периодическое культивирование, иногда его называют накопительным культивированием.

По способу подачи воздуха в биореактор их можно разделить на 2 типа:

без подводки стерильного воздуха (в таких биореакторах культивируют анаэробные микроорганизмы);

с подводкой стерильного воздуха (их используют для культивирования аэробов). Аэрация жидкости в биореакторах может обеспечиваться механическими мешалками или потоком воздуха.

Ферментеры можно подразделить в зависимости от системы перемешивания на три основные группы: аппараты с механическим,

Барботажным,

эрлифтным перемешиванием.

Биореакторы с механическим перемешиванием характеризуются тем, что воздух подают под давлением через распределитель, представляющий собой кольцо с множеством маленьких отверстий. При этом образуются мелкие пузырьки воздуха и за счет механического перемешивания, обеспечивается их равномерное распределение внутри аппарата. Для этой же цели используются мешалки, которые, разбивая крупные пузырьки воздуха, разносят их по всему реактору. Эффективность распределения воздуха зависит от типа мешалки, числа ее оборотов и физико-химических свойств используемой среды. При интенсивном перемешивании часто случается вспенивание, поэтому рабочий объём биореакторов такого типа не превышает 55 %.

Биореакторы с барботажной системой воздухораспределения характеризуются тем, что перемешивание в них осуществляется восходящими потоками воздуха, который подают под высоким давлением в нижнюю часть биореактора через барботеры, представляющие собой воздушные трубы с отверстиями диаметром 0, 1-0, 2 мм. Подача воздуха под сильным давлением приводит к сильному пенообразованию, поэтому рабочий объем биореакторов такого типа также не превышает 55 %.

Биореакторы с эрлифтной системой воздухораспределения характеризуются тем, что воздух подают через центральную трубу, которая обеспечивает внутреннюю циркуляцию жидкости, либо за счет внешней системы циркуляции, которая осуществляется также с помощью труб, установленных снаружи аппарата.

По конструкции биореакторы классифицируются следующим образом:

реакторы емкостного типа;

реакторы типа колонны;

реакторы трубчатого типа;

реакторы пленочного типа;

реакторы мембранного типа;

реакторы с псевдоожиженным слоем.

Конструктивный тип реактора зависит от условий проведения процесса и свойств участвующих в нем компонентов.

Классификация ферментеров по способу подвода энергии:

Ферментеры с подводом энергии газовой фазой (группа ФГ). Их общий признак – подвод энергии в аппарат через газовую фазу, которая является ее носителем. Ферментеры характеризуются достаточно простой конструкцией (отсутствуют трущиеся, движущиеся узлы), высокой эксплуатационной надежностью, но имеют не очень высокие массообменные характеристики. Данные аппараты представляют собой вертикальную емкость, снабженную газораспределительным устройством одного из известных типов.

К таким аппаратам относятся, например, барботажные и эрлифтные ферментеры.

Ферментеры с вводом энергии жидкой фазой (группа ФЖ) наиболее сложны по конструкции и энергоемки, но обеспечивают наиболее высокие по сравнению с группой ферментеров ФГ значения коэффициента массопередачи кислорода.

В данных аппаратах ввод энергии осуществляется жидкой фазой, обычно самовсасывающими мешалками или насосами; в последнем варианте жидкость вводится в аппарат через специальное устройство (сопло, эжектор, диспергатор). Данные аппараты также можно подразделит на типы:

ферментеры с самовсасывающими мешалками не требуют специальных воздуходувных аппаратов, так как поступление в них воздуха происходит в результате разрежения в воздушной камере мешалки, соединенной с воздуховодом и с жидкостью, отбрасываемой лопатками мешалки;

в эжекционных ферментерах возможна рециркуляция газовой фазы, что экономит субстрат, однако требуется наличие специальных насосов для перекачки газосодержащей культуральной среды.

Применение эжекционного ввода газовых субстратов в ферментер может интенсифицировать массообмен на порядок;

струйные ферментеры (с затопленной или падающей струей) оборудуются мощными насосами, которые забирают культуральную жидкость из нижней части аппарата. Струя жидкости под давлением свободно падает сверху и пронизывает аэрируемую жидкость до дна аппарата, интенсивно перемешивая жидкость. Внизу жидкость вновь засасывается насосом и снова подается вверх аппарата, то есть возникает замкнутый контур циркуляции.

Недостатком данных аппаратов являются потери энергии при перекачке жидкости, трудности проектирования в связи с отсутствием надежных методик расчета конструкций и режимов работы струйных и эжекционных устройств.

Третья группа аппаратов – с подводом энергии газовой и жидкой фазами (группа ФЖГ). Основными их конструкционными элементами являются перемешивающие устройства всех известных типов, обеспечивающие высокоэффективное диспергирование и гомогенизацию, а также наличие в совокупности насосов и перемешивающих устройств.

Это могут быть аппараты с группой самовсасывающих мешалок и насосом для перекачивания культуральной жидкости, высокоинтенсивные аппараты с механическим перемешиванием и одновременно барботажем сжатым воздухом и другие сочетания перемешивающих и аэрирующих устройств. Коэффициент массопереноса кислорода в таких ферментерах может в принципе иметь любые из известных значения.

Известны следующие основные типы аппаратов отечественного производства: барботажный (трубчатый и коробчатый), эрлифтный (типовой), эрлифтно-периферийный, эрлифтно-многозонный, многозонной конструкции, колонный, горизонтальный с самовсасывающими мешалками, эжекционный, дрожжерастильный и другие. Большинство перемешиваемых и аэрируемых культур во время роста образуют довольно много пены. Образование на поверхности среды культивирования слоя из пузырьков связано с наличием в среде поверхностно-активных веществ (ПАВ), Умеренное пенообразование способствует росту многих аэробных микроорганизмов (пенный слой – кислородный коктейль).

Особое внимание уделяется борьбе с избыточным пенообразованием, так как, если не препятствовать этому, пена смачивает фильтры для стерилизации воздуха, что приводит к контаминации культуры посторонней микрофлорой, уменьшению полезного объема биореактора, а также выходу пены наружу.

Контроль пенообразования осуществляется путем введения в сосуд специального датчика.

Для борьбы с избыточным пенообразованием используется механическое и химическое пеногашение. При механическом пеногашении лопасти пеногасителя размещаются на валу мешалки. При химическом пеногашении в крышке сосуда предусматривается специальный ввод для реагента гашения.

Химические пеногасители более дешевы, их используют время от времени при необходимости подавления пенообразования. Однако при добавлении этих веществ может изменяться состав питательной среды.

Пеногасящие вещества растительного (кукурузное, касторовое, соевое, подсолнечное масло, масло из семян хлопчатника и другие) и животного (свиной, говяжий, бараний, китовый и другие жиры) происхождения могут служить микроорганизмам источником углерода и энергии и, следовательно, стимулировать их активное развитие. Однако известны случаи, когда природные пеногасители оказывали отрицательное действие на метаболизм клетки.

А такие неметаболизируемые пеногасители, как силиконы, в высокой концентрации токсичны.

Поэтому пеногасители, являющиеся поверхностно-активными веществами, следует использовать только в очень низких концентрациях и только после тщательной проверки. Пеногасители добавляют непосредственно в среду перед стерилизацией или в ферментер через специальный ввод.

Аппараты для анаэробных процессов достаточно просты и применяются в процессах конверсии растительного сырья, а также различных промышленных отходов.

При метановом брожении для получения биогаза, а также в ряде других процессов (получение ацетона, шампанских вин) используют ферментационные аппараты ( метанотенки ).

Эти аппараты имеют различную конструкцию (от простой выгребной ямы до сложных металлических конструкций или железобетонных сооружений) и объемы (от нескольких до сотен кубометров). Метанотенки оборудованы системой подачи сырья, системой теплообменных труб для стабилизации температуры, несложным перемешивающим устройством для гомогенного распределения сырья и биомассы продуцента, газовым колпаком и устройством переменного объема ( газгольдер ) для сбора образуемого биогаза.

5. Культуральная посуда. Особые требования к свойствам поверхности и материалу изделий из стекла и пластика. Специальная культуральная посуда. Области применения и возможность использования

Основная часть ассортимента специальной культуральной посуды предназначена для роста клеток в монослое, что определяет особые требования к свойствам поверхности и материала изделий как из стекла, так и из пластика. Для культивирования клеток обычно используют флаконы, колбы, матрасы, чашки Петри, платы, роллерные сосуды, пробирки, пипетки и т. д.

Посуда из стекла

Хотя в последние годы широко применяется пластиковая посуда одноразового использования, посуда из стекла не утратила своего значения благодаря ряду бесспорных преимуществ: хорошие адгезионные свойства поверхности, способствующие прикреплению клеток; многократность использования; биологическая инертность стекла ряда составов; термостойкость и другие. Кроме того, в экспериментах с контролируемым уровнем кислорода необходимо пользоваться именно стеклянной посудой, т. к. в пластике кислород может растворяться. Помимо этого из пластика могут экстрагироваться водорастворимые органические соединения.

Для стеклянной лабораторной и культуральной посуды на практике в основном применяются два типа составов - многощелочное и малощелочное боросиликатное стекло типа «Пирекс». Щелочесодержащие силикатные стекла имеют недостаточную термостойкость и химическую устойчивость к воде, кислотам и щелочам. Алюмоборосиликатные малощелочные стекла типа «Пирекс» характеризуются высокой устойчивостью к воде, устойчивостью к щелочным растворам и ко всем кислотам, за исключением плавиковой (фтористоводородной) и горячей фосфорной. Кроме того, стекла типа «Пирекс» обладают хорошими оптическими свойствами.

Существует также группа макропористых стекол, которые не используются для изготовления посуды, но применяются при культивировании клеток в качестве микроносителей.

Однако успех в эксперименте обеспечивается не только качеством стекла, но и степенью подготовки лабораторной посуды. Посуда для культивирования должна быть чистой физически, химически и бактериологически.

Пластиковая посуда

Начиная с 1965 г. все большее применение в лабораторной практике находит пластиковая посуда одноразового использования. При работе с культурами клеток пластиковая посуда в отдельных случаях более пригодна из-за характерных особенностей некоторых клеточных линий. Такая посуда проста в использовании, т. к. выпускается в стерильном, готовом к работе виде. Стерилизация производится в процессе изготовления физическими (облучение УФ светом или гамма-лучами) или химическими (газы - окись этилена, жидкости - этиловый спирт, раствор пергидроля) способами. Пластиковая посуда производится в двух модификациях: для культивирования микроорганизмов и для культивирования клеток. Такое разделение вызвано тем, что культивируемые клетки (речь идет о монослойном культивировании) в отличие от бактериальных клеток находятся в непосредственном контакте с поверхностью сосуда, которая является для них субстратом. Клетки оседают на этой поверхности, прикрепляются и распластываются. Для улучшения адгезионных свойств поверхности из полистирола ее подвергают специальной обработке, в то время как биологическая посуда не обрабатывается.

Таким образом, одним из первых условий успешного культивирования клеток является хороший субстрат, т. е. посуда, обеспечивающая максимальную адгезию, распластывание и, следовательно, рост.

6. Аппараты для очистки воды, характеристика и возможности получения сверхчистой и общелабораторной воды. Приборы, аппараты иреактивы для мытья и стерилизации посуды.

Качество воды, используемой для приготовления питательных сред либо для мытья культуральной посуды, имеет важное значение. До недавнего времени такая вода приготавливалась путем простой и двукратной дистилляции питьевой воды. В настоящее время наряду с традиционными широкое применение получили методы очистки воды путем использования физико-химических процессов обратного осмоса, ионного обмена и мембранной фильтрации. Водопроводная вода, используемая в качестве исходной и прошедшая в этих установках через очистку обратным осмосом, поступает на фильтры из активированного угля, с них - на колонки с ионообменными смолами и затем - на мембранные фильтры с диаметром пор 0, 22 мкм. При необходимости вода дополнительно подвергается воздействию мощного потока УФ облучения.

Для очистки воды подобным способом наиболее часто применяются установки типа ОВ-1, состоящие из двух конструктивно самостоятельных частей, допускающих независимое использование, - ОВ-2 и ОВ-3. Установка ОВ-2 осуществляет приготовление общелабораторной воды, превосходящей по качеству очистки дистиллированную воду. Установка ОВ-3 предназначена для получения пригодной для приготовления питательных сред сверхчистой из общелабораторной или дистиллированной воды.

Приборы и аппараты для мытья и стерилизации посуды

Приборы и аппараты для мытья и стерилизации посуды обеспечивают выполнение всех этапов технологического процесса: предварительную стерилизацию посуды, поступающей из опыта, насыщенным водяным паром в паровых стерилизаторах (автоклавах); предварительное замачивание в водных растворах химических реагентов (5 % растворе ги- похлорита натрия, 3 % растворе перекиси водорода и т. д.); полоскание после замачивания холодной или слегка нагретой водой; мытье горячим раствором детергента с низким пенообразованием; вторичное полоскание горячей водой; финишное полоскание дистиллированной или общелабораторной водой; сушку в сушильных шкафах с принудительной продувкой горячим воздухом; упаковку и финишную стерилизацию в паровых или воздушных стерилизаторах.

Оптимальным вариантом для мытья посуды является использование автоматических моечных машин («Forma Scientific», «Miele», «Hotpack- Heinicke» либо отечественных машин типа P3-AMM).

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 678 Следующая ⇒