Главная » Продукция и разработки » Новые материалы и промышленные технологии » Газо-вихревой биореактор
Контакты English

Универсальный газо-вихревой безградиентный биореактор

Image

 

Биотехнологические предприятия выпускают огромный перечень жизненно важной продукции - это лекарственные препараты, вакцины, тест-системы, средства защиты, факторы роста растений, ветеринарные препараты, экзополисахариды для увеличения добычи нефти, деструкторы нефтезагрязнений, пищевые продукты, добавки, ферменты и многое другое.

Биореактор - это основное звено в процессе микробиологического синтеза.

Газо-вихревой безградиентный биореактор является уникальным аппаратом нового поколения и не имеет аналогов в мире. По характеристикам, он значительно превосходит все известные типы биореакторов.

Газо-вихревой способ перемешивания. Отличия от существующих способов.

Перемешивание культуральной среды в биореакторе осуществляется путем создания в жидкой среде трехмерного движения типа "вращающегося вихревого кольца" (квазистационарный поток с осевым противотоком). Движение генерируется аэрирующим газовым вихрем за счет перепада давления над поверхностью и силы трения воздушного потока о поверхность суспензии.

Аэрирующий газовый вихрь формируется установленным над поверхностью суспензии в направляющем аппарате центробежным активатором.

Газо-вихевой безградиентный биореактор осуществляет мягкое, но эффективное перемешивание без образования пены, гидроударов, кавитации, высокотурбулентных и застойных зон.
Назначением биореактора любого типа является создание наиболее оптимальных условий для жизнедеятельности культивируемых в нем клеток и микроорганизмов.

Это обеспечение:

  • хорошего массообмена по газовой фазе - дыхания,
  • хорошего массообмена по жидкой фазе (перемешивания) – подвода питания и отвод метаболитов.

При этом клетки не должны подвергаться механическим, тепловым и другим стрессовым воздействиям.

Известны и применяются два способа перемешивания:

  • I. Перемешивание механическим устройством находящимся в жидкой фазе (ложка в стакане),
  • II. Перемешивание за счет продувки газовой фазы через жидкую – аэрлифтное, барботажное.

Недостатком биореакторов с механической мешалкой является:

  1. поверхностный массообмен в аппарате по причине хаотичного, неорганизованного перемешивания недостаточен для многих культур клеток и микроорганизмов.
  2. в процессе перемешивания образуются высоко турбулентные и застойные зоны, вследствие чего подвод питания клеткам осуществляется неравномерно.
  3. тоже происходит и с отводом метаболитов.
  4. культивируемые клетки и микроорганизмы гибнут из-за механического воздействия на них лопастей мешалки и возникающих срезающих напряжений возле них.

На концах лопаток перемешивающего устройства возникают микрозоны локальных перегревов, которые также губительны для клеток.

Недостатками аэрлифтных биореакторов является то, что:

  1. из-за слабого (неинтенсивного) перемешивания (т.е. подвода питания и отвода метаболитов) они не всегда пригодны для культур с активной жизнедеятельностью.
  2. всплывающие воздушные пузырьки при контакте с чувствительными клетками губят их вследствие резкого перепада давления.

Кроме того, в биореакторах данного типа происходит обильное пенообразование, что не позволяет использовать весь объем аппарата, а применение химического пеногасителя снижает качество конечного продукта и удорожает процесс. В аэрлифтных биореакторах невозможно использовать вязкие культуральные жидкости.

Большинство используемых в мире биореакторов представляют собой комбинацию этих двух типов аппаратов с вышеуказанными недостатками, проявляющимися в большей или меньшей степени в зависимости от конструкции аппарата.

Эти недостатки связаны с травмируемостью клеток, микроорганизмов при перемешивании, недостаточностью массообмена, наличием турбулентных и застойных зон, высоким энергопотреблением, низкими характеристиками при работе с вязкими средами.

Image

Из жидкой среды устранен источник нежелательных возмущений и напряжений – механическая мешалка.

Image
Газо-вихревой
биореактор
 Традиционный
биореактор

   

ТЕХНИЧЕСКИЕ  ХАРАКТЕРИСТИКИ  ГАЗО-ВИХРЕВОГО БИОРЕАКТОРА

 

  • Позволяет культивировать любые типы клеток и микроорганизмов, в том числе и легко травмируемые.
  • Работает с особо вязкими жидкостями.
    Особенности закрученных потоков обеспечивают возможность перемешивания особо вязких жидкостей (выше 1,270 Пуаз ) в газо-вихревом биореакторе. Благодаря этому свойству аппарат получил дополнительное применение в различных сферах, например, в процессах биоконверсии крахмала и производства полисахаридов.
  • Обладает пониженным энергопотреблением.
    Энергозатраты на перемешивание жидкости в 10-12 раз меньше, чем у биореакторов с механической мешалкой.
    В биореакторах с механической мешалкой почти 70% потребляемой мощности расходуется на преодоление сил сопротивления среды. При этом происходит переход механической энергии в тепловую и как следствие - избыточный вредный нагрев культуральной жидкости. Возникает необходимость отведения этого избыточного тепла, что требует дополнительных затрат. В газо-вихревом биореакторе 98% вносимой мощности используется непосредственно на перемешивание.
  • Осуществляет интенсивное перемешивание без образования пены.
    Образующийся газовый вихрь является эффективным пеногасителем.
  • Имеет высокую скорость массобмена.
    KL 6-8 1/час.
  • Работает, не меняя своих качественных характеристик при заполнении 15%-90%.
    Гидродинамика биореактора практически мало зависит от уровня жидкости в нем, биореактор легко масштабируется.
    Это свойство позволяет при промышленном производстве убрать промежуточные «запускные» биореакторы из технологической цепи.
  • В процессе перемешивания не образуется зон локального перегрева - микрозон с повышенной температурой.
    В биореакторах с механической мешалкой при переходе механической энергии в тепловую при перемешивании эта энергия (температура) вносится по всему объему неравномерно, что отрицательно сказывается на результатах биотехнологических процессов с живыми организмами и ферментами, существующими и работающими в строго ограниченном интервале температур. Энергия (температура) в газо-вихревых безградиентных биореакторах вводится по всему объему равномерно, в не вызывающих местные перегревы количествах.  

 

Технические характеристики газо-вихревых безградиентных биореакторов позволяют:

  • Культивировать клетки, плохо воспроизводимые в известных типах биореакторов;
  • Сократить количество биореакторов промежуточного объема в технологической цепи;
  • Не использовать химический пеногаситель, существенно усложняющий и удорожающий дальнейший процесс очистки и получения конечного продукта;
  • Применять биореактор в процессах, использующих вязкие жидкости или получающих таковые в процессе микробиологического синтеза;
  • Резко снизить затраты электроэнергии, что особенно важно в промышленном производстве.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ  КУЛЬТИВИРОВАНИЯ  некоторых типов клеток (без замены среды)

 

Линия клеток Продолжительность Концентрация клеток млн/мл Доля живых клеток
культивирования В начале В конце
BHK-21 60 0,46 2,9 98%
Капустная совка IZD MB-0503  72 0,4 2,2 96%
Миелома мыши Sp210-Ag l4P3 72 1,0 6,0 95%
Человеческие лимфоциты МТ-4 96 0,52 2,2 93%

 

Кроме того, в газо-вихревыом биореакторе успешно культивировались также клетки Ф4C5 (гибрид клеток почки и лимфоцита свиньи), клетки тимуса человека (Т-5), ФЭК, VERO, Aspergillus awamori, Fusarium moniliforme, и многие другие.

 

Основные преимущества газо-вихревого безградиентного биореактора:

  • Универсальность - возможность успешно культивировать практически любые типы клеток (в т.ч. гибридные, эмбриональные) и микроорганизмы.
  • Полная воспроизводимость (масштабируемость) результатов лабораторных процессов при промышленном внедрении разработок.
  • Высокая экономическая эффективность при промышленном использовании.

 

ОБЛАСТЬ ПРИМНЕНИЯ

Производство

  • лекарственных препаратов (в том числе с использованием особо чувствительных эмбриональных, гибридомных и других клеток),
  • широкого спектра микробиологических препаратов для сельского хозяйства и ветеринарии,
  • полисахаридов и нефтедеструкторов для нефтедобывающей промышленности,
  • продукции для пищевой и легкой промышленностей (ферменты, пищевые добавки, глюкозные сиропы и т.д.),
  • ПАВ и ферментов для химической промышленности,

Проведение научно-исследовательских работ различной направленности.

Газо-вихревой безградиентный биореактор - наиболее оптимальный вариант для научно-исследовательских работ и промышленного использования

 

1. Использование лабораторных газо-вихревых биореакторов в научно-исследовательских работах

Оснащение лабораторными универсальными газо-вихревыми биореакторами Научно-исследовательских Институтов и учреждений, работающих в области микробиологии и биотехнологии позволяет:

  • расширить спектр решаемых задач, в том числе и связанных с обеспечением обороноспособности и биологической безопасность страны;
  • создавать и внедрять в промышленность новые биотехнологические продукты;
  • сократить число необходимых лабораторных биореакторов, имея один универсальный аппарат, работающий при заполнении 10-90% вместо линейки из нескольких разного объема, это так же актуально для экономии культуральных сред, которые во многих экспериментах весьма дороги.

Серьезной проблемой при внедрении многих лабораторных разработок в производство является сложности при масштабировании полученного результата – возможности воспроизведения в промышленном масштабе лабораторного процесса. Зачастую, особенно это касается чувствительных клеток (гибридных, эмбриональных и т.п.), воспроизвести его крайне сложно, а иногда и невозможно. Существенная часть перспективных разработок так и остается не реализованной из-за невозможности воспроизведения полученных результатов при увеличении объемов культивирования. Это связано с тем, что гидродинамика процесса перемешивания при масштабировании в существующих биореакторах очень значительно изменяется в зависимости от увеличения объема аппарата. При газо-вихревом способе перемешивания таких проблем нет.

 

2. Использование газо-вихревых биореакторов в промышленности

Широкое внедрение газо-вихревых биореакторов в промышленность позволяет:

  • резко снизить себестоимость выпускаемой предприятиями продукции, использовать в процессах промышленного микробиологического синтеза практически любые типы клеток и микроорганизмов и выпускать биотехнологическую продукцию самого различного назначения;
  • заменить устаревшие роллерные технологии производства фармацевтической продукции (вакцин и т.д.) на современные, соответствующие требованиям;
  • в случае создания чрезвычайных ситуаций, быстро и в нужных объемах нарабатывать необходимые вакцины, и другие лекарственные препараты, обеспечивающие биологическую безопасность страны;
  • снизить экологическую нагрузку на окружающую среду за счет снижения потребления ресурсов (вода, электроэнергия и т.д.) и уменьшения стоков:
  • создавать высокоэффективные универсальных модульные биотехнологические предприятия - биофармкомбинаты нового типа.

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ  ПАРАМЕТРЫ  ЛАБОРАТОРНОГО  БИОРЕАКТОРА

Габаритные размеры в пределах (мм)   
длина  270
ширина 270
высота  350
Масса в полном комплекте поставки (кг) 20
Рабочий объём (литров)  0,75-4,5
Диапазон поддержания температуры рабочей среды (°C) 25-70
Количество вводов для жидкостей и газов (шт)   
боковых 3
на верхней крышке  5
снизу 1-3
Количество гнезд для датчиков (шт)  4
Максимальная потребляемая мощность, не более (Вт) 500
Напряжение (В) 220±20
Image  

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ  ПАРАМЕТРЫ  ПРОМЫШЛЕННОГО  БИОРЕАКТОРА 
ОБЪЕМОМ  300  ЛИТРОВ

Габаритные размеры в пределах (мм)   
длина  1025
ширина 1015
высота  1665
Масса в полном комплекте поставки (кг) 693
Рабочий объём (литров)  90-250
Диапазон поддержания температуры рабочей среды (°C) 25-70
Количество вводов для жидкостей и газов (шт)   
боковых 5
на верхней крышке  5
снизу 4
Количество гнезд для датчиков (шт)  5
Максимальная потребляемая мощность, не более (Вт) 500
Напряжение (В) 220±20
Image  

 

 

 

 

Компания «Саяны» : Image

 

 Тел./факс: +7 383 306-26-20, 306-26-40