CC BY
27
УДК 573.088.1
ОБОСНОВАНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА БИОРЕАКТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЯСА IN VITRO
Е.Б. Петров, кандидат с.-х. наук В.Ю. Сидорова, доктор с.-х. наук
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: [email protected]
Аннотация. Техническим средством для реализации технологического процесса получения мяса in vitro является биореактор. В ФГБНУ ВНИИМЖ разработан экспериментальный образец биореактора, предназначенный для культивирования мультипотентных мезенхимных стволовых клеток животных. Исследованы режимы и особенности движения потоков жидкой и газовой фаз на основе разработанных инженерно-технологических решений конструкции реакторных блоков и системы управления биореактором. В экспериментах при отработке технических режимов работы экспериментального образца получены следующие данные: заданная концентрация СО2 в воздушной смеси при первичном запуске системы достигается за 3,45 мин.; стабилизация теплового агента в системе термостатирования при первичном запуске системы при комнатной температуре 22°С до необходимой температуры 37,0°С достигается за 4,30 мин.; максимальное время заполнения рабочего объема камеры роста (700 мл) составило 1,45 мин. (перемещение жидкой фазы из камеры перемешивания в камеру роста), установлена работоспособность системы барботирования. Определены закономерности технологических процессов смешивания компонентов жидкой и газовой фаз, перемещения жидкой фазы из камеры смешивания в камеру роста, периодической замены жидкой фазы в камере роста, стабилизации температуры. В результате численного моделирования для экспериментального образца биореактора получено текущее значение рас-хода теплоносителя 0,11210-3 м3/с - дистиллированной воды с температурой 37,16°С, которое обеспечит стабильную температуру 37,0°Сжидкой фазы плотностью 1020 кг/м3 в камере роста биореактора. Ключевые слова: биореактор, оптимизация параметров, система управления, рациональные режимы.
Введение. Зарождающимся трендом в сфере новых гуманных технологий и промышленного животноводства является развитие технологий выращивания животных тканей в искусственных средах (in vitro). Техническим средством для реализации технологического процесса получения мяса in vitro является биореактор. В ФГБНУ ВНИИМЖ разработан экспериментальный образец биореактора, предназначенный для культивирования мультипотентных мезен-химных стволовых клеток (ММСК) животных, с целью применения в биотехнологии получения мяса in vitro.
Техническое средство является специализированным оборудованием для ресурсосберегающего и экологически безопасного производства продукции животноводства в принципиально новых направлениях междисциплинарных исследований - получение функциональных белковых продуктов жи-
вотного происхождения [1]. Оно относится к аппаратурному оснащению процессов культивирования стволовых клеток и может быть использовано в биотехнологии получения биомассы мышечной ткани животных, например, крупного рогатого скота, что открывает перспективные сегменты рынка «новые источники сырья» и «функциональные продукты питания».
Использование двухкамерных биореакторов с регулируемой системой концентрации газовой смеси позволит снизить зависимость от СО2 инкубаторов, применяемых сегодня для культивирования стволовых клеток. Разработка позволит обеспечить одновременно импортозамещение в нескольких секторах экономики - производство биореакторов для агропродовольственной сферы и биомедицины, в т.ч. для исследовательских целей в области ветеринарии, зоотехнии и других областях знаний.
Материалы и методы исследований.
Исследования выполняли с использованием лабораторной и экспериментальной баз ФГБНУ ВНИИМЖ, использованы методы математического, технико-технологического и физического моделирования технологических процессов, отдельных методик постановки и проведения экспериментов, методов статистической обработки экспериментальных данных [2, 3].
Обсуждение результатов исследований. Объектами исследований являлись: экспериментальный образец биореактора (рис. 1), данные измерений технических и технологических параметров, зависимости основных технологических показателей биореактора при различных режимах его работы.
Рис. 1. Экспериментальный образец культурального двухкамерного биореактора
Рациональные режимы работы экспериментального образца биореактора обоснованы с учетом полученных ранее биологических результатов в ФГБНУ ВИЭВ по культивированию ММСК КРС [4, 5] в СО2-инку-баторе в культуральных флаконах (флаконы, закрытые пробкой, где соотношение среда: воздух равно 1:5) и проведенных исследований на экспериментальном образце биореактора, в котором предложена система, где соотношение среда:воздух не регламентируется, что позволяет существенно повысить эффективность системы культивирования, ее производительность и автоматизировать процесс [6, 7].
Эффективная эксплуатация биореакторов зависит от технико-технологических параметров: внутренней и наружной температуры, теплоемкости материалов, используемых
при изготовлении, объема газовой и жидкой фаз, интенсивности массообмена между фазами, режимов, поддерживающих эти параметры. Технико-технологические параметры подвержены значительным колебаниям во времени в зависимости от интенсивности массообмена, изменяющейся концентрации используемых веществ, величины теплового баланса и других параметров [2, 8, 9, 10].
В экспериментах при отработке технических режимов работы экспериментального образца биореактора нами получены следующие данные: при первичном запуске системы подготовки газового состава воздушной смеси заданная концентрация СО2 в ней достигается за 3,45 минуты и далее поддерживается в автоматическом режиме; при первичном запуске системы термостатиро-вания стабилизация теплового агента в рубашках реакторных блоков при комнатной температуре 22°С до необходимой температуры 37,0°С достигается за 4,30 минуты и далее обеспечивается ее поддержание в автоматическом режиме; максимальное время заполнения рабочего объема камеры роста (700 мл) составляет 1,45 минуты (перемещение жидкой фазы из камеры перемешивания в камеру роста); система барботирования показала свою работоспособность при перемешивании компонентов жидкой фазы при избыточном давлении до 0,2 бара.
Далее нами в камере смешивания исследованы три группы процессов метода барбо-тирования: первая группа - процессы переноса растворенных веществ, капель, других взвешенных частиц, теплоты и пузырей на расстояния, соизмеримые с размерами камеры смешивания; вторая группа - дробление капель и пузырьков; третью группу образуют явления тепло- и массообмена на границах раздела жидкость-газ и жидкость-твердая поверхность. Важным параметром является скорость подъема пузырьков (определяющая время контакта фаз), которая зависит от ряда параметров среды и размера пузырька. Скорость их подъема колеблется от 20 до 30 см/с, если не наблюдается больших различий в их размерах. Всплывающие пузыри заставляют жидкость перемещаться, перемешивая
Лоигпа! оГ VNIIMZH №1(29)-2018
25
ее и проделывая определенную работу, которая может быть оценена по уравнению Бер-нулли. При малой скорости подачи газа образуются пузырьки сферической формы, которые с увеличением скорости деформируются. При высоких скоростях подачи газа возникает струйное течение пузырей.
Пузырьки воздуха в подобных исследуемому устройствах обычно имеют диаметр от 1,5 до 10 мм. При этом происходит увеличение объема пузырька по мере всплывания за счет уменьшения гидростатического давления, что нами учитывалось в расчетах. На основании проведенных расчетов и исходя из условия промышленной применимости биореактора, нами выбран рациональный диаметр отверстий барботера Б = 0,3 мм.
Учитывая, что теплота от теплоносителя в рубашках реакторных блоков расходуется не только на нагрев жидкой фазы в рабочих камерах реакторных блоков, но и на потери во внешнюю среду, были рассмотрены тепловой и газовый процессы в камере роста на примере среднего слоя жидкой фазы с подводом теплоты со стороны рубашки камеры. Для расчетов был выделен в жидкой фазе элементарный объем и рассмотрен его тепловой режим, который будет определяться интенсивностью подвода теплоты и условиями потерь теплоты от этого элемента в окружающую среду (рис. 2).
Рассмотрев тепловой и газовый процессы в камере роста на примере среднего слоя жидкой фазы элементарного объема с подводом теплоты со стороны рубашки камеры, в результате численного моделирования для экспериментального образца биореактора получено текущее значение расхода теплоносителя 0,112 10-3 м3/с - дистиллированной воды с температурой 37,16°С, которое обеспечит стабильную температуру 37,0°С жид-
«-» 3
кой фазы плотностью 1020 кг/м в камере роста биореактора (оптимальная температура культуральной жидкости для культивирования ММСК).
Поскольку стволовые клетки без культу-ральной жидкости испытывают стресс и гибнут, то время перемещения ее необходимо сделать минимально возможным.
о/ ш/
Рис. 2. Модель
для расчета температурного поля в камере роста
175
О*» Ы
поток "[)" тепла
В экспериментах нами установлено, что экспериментальный образец биореактора обеспечивает максимальное время заполнения рабочего объема камеры роста (700 мл) за 1,45 минуты (перемещение жидкой фазы из камеры перемешивания в камеру роста).
Нами были проведены расчеты ламинарного заполнения объема камеры роста и установлена критическая скорость (1,2075 м/с), при которой еще нет турбулентности, недопустимой для стволовых клеток.
При условии недопущения турбулентности при перемещении жидкой фазы критическая скорость 1,2075 м/с является оптимальной. При такой скорости в экспериментальном образце биореактора время перемещения жидкой фазы составляет Т = 46,15 с. На основании расчетов выведена формула для давления q, которое нужно создавать в камере перемешивания в процессе перекачивания жидкой фазы в камеру роста:
64 (Ь+з)у2 ру2 ,
—---+--Р#(5 +
4гЯе 2 ^4
Ч = РаШ + Р
н( 1-7)) ,
где q - атмосферное давление в момент проведения эксперимента; р - плотность жидкости раствора; L+s, г - соответственно, длина трубки, соединяющей камеры, и ее радиус сечения; Re - число Рейнольдса; V - скорость течения раствора; g - ускорение свободного падения; Н - высота уровня раствора в камере перемешивания в начале процесса перемешивания; I - текущее время; Т - полное время перемещения раствора в камеру роста.
Наличие приведенной формулы позволяет автоматизировать процесс изменения давления q для оптимального режима перекачивания жидкой фазы.
Выводы. В результате проведенных научных исследований обоснованы рациональные режимы работы экспериментального образца биореактора для получения мяса in vitro как перспективного источника полноценного белка. Конструкция биореактора обеспечивает эффективный массообмен веществ и газов в объеме жидкой и газовой фаз и позволяет реализовывать параметры биотехнологических процессов, протекающих в жид-кофазных условиях, необходимых для культивирования биообъектов, в том числе иммобилизованных на микроносителях.
В ходе исследований на экспериментальном образце биореактора получены аналитические зависимости процессов в экспериментальном образце установки, рациональные режимы работы и конструктивно-технологическая схема биореактора для получения мяса in vitro как перспективного источника полноценного белка.
Литература:
1. Комплексная программа развития биотехнологий в РФ на период до 2020 года. М., 2012.
2. База данных по биореакторам / Е.С. Воробьева и др. // Программные продукты и системы. 2015. №3.
3. Гринь С.А. Современные биотехнологические процессы и иммунологические методы при промышленном производстве ветеринарных препаратов: автореф. дис. д. б.н. Щелково, 2008. 52 с.
4. Характеристика мезенхимных стволовых клеток, выделенных из костного мозга и жировой ткани КРС/ И.М. Волкова и др. // С.-х. биология. 2012. №2. С. 32.
THE EXPERIMENTAL MODEL OF BIOREACTOR'S RATIONAL OPERATION REGIMES FOR CULTURED MEAT
PRODUCTION IN VITRO E.B. Petrov, candidate of agricultural sciences V.Y. Sidorova, doctor of agricultural sciences All-Russian research institute of livestock mechanization
Abstract. The technical means of cultured meat in vitro production's technological process realization is bioreactor. In FGBNY of VNIIMJ was developed an experimental model of a bioreactor designed for the animals multipotent mesenchymal stem cells' cultivation. The liquid and gas phase flows' movement regimes and features on the ba -sis of the developed reactor blocks engineering and technological solutions and bioreactor's control system are investigated. At the experiments during the working off of the experimental sample's technical regimes were ob tained following data: the CO2 specified concentration of the air mixture at the system's initial start was achieved in 3,45 min.; thermal agent's stabilization in the system of thermostating at the initial start at 22°C of room's temperature till the required temperature of 37,0°C was achieved in 4,30 min.; the maximum time of the growth chamber working volume (700 ml) filling was achieved in 1,45 min. (the liquid phase from mixing chamber to the growth one moving), the bubbling system performance was established. The gas and liquid phases' components mixing, liquid phase from the mixing chamber till the growth chamber moving, temperature stabilization technological processes' regularities are determined. As a result of numerical modeling for the experimental model of a bioreactor, the current va-lue of the heating medium's rate is 0,112*10-3 m3/s -as distilled water at 37,16°C of temperature that would provide a stable temperature of37,0°C of the liquid phase with a density of1020 kg/m3 in the bioreactor growth chamber. Keywords: bioreactor, optimization of parameters, system of control, rational regimes.
5. Савченкова И. Методические наставления по выделению ММСК из тканей взрослых особей млекопитающих, изучению их свойств и признаков. М., 2010.
6. Разработка биореактора для производства культу-рального мяса // Вестник ВНИИМЖ. 2016. №1. С. 3-6.
7. Сидорова В., Петров Е. Разработка процесса получения культурального мяса для пищевых целей и технические средства его осуществления // Науч.-информ. обеспечение инновационного развития АПК. М., 2016.
8. Эволюция межфазной поверхности тепломассообмена в барботируемом слое // Вестник ИГЭУ. 2012. №4.
9. Пинаев Г.П. Клеточная биотехнология. СПб., 2011.
10. Культивирование микроорганизмов. СПб., 2012.
Literatura:
1. Kompleksnaya programma razvitiya biotekhnologij v RF na period do 2020 goda. М., 2012.
2. Baza dannyh po bioreaktoram / E.S. Vorob'eva i dr. // Programmnye produkty i sistemy. 2015. №3.
3. Grin' S.A. Sovremennye biotekhnologicheskie proces-sy i immunologicheskie metody pri promyshlennom pro-izvodstve veterinarnyh preparatov: avto-ref. dis. d. b.n. SHCHelkovo, 2008. 52 s.
4. Harakteristika mezenhimnyh stvolovyh kletok, vyde-lennyh iz kostnogo mozga i zhirovoj tkani KRS/ I.M. Vo-lkova i dr. // S.-h. biologiya. 2012. №2. S. 32.
5. Savchenkova I. Metodicheskie nastavleniya po vydele-niyu MMSK iz tkanej vzroslyh osobej mlekopitayush-chih, izucheniyu ih svojstv i priznakov. M., 2010.
6. Razrabotka bioreaktora dlya proizvodstva kul'tural'no-go myasa // Vestnik VNIIMZH. 2016. №1. S. 3-6.
7. Sidorova V., Petrov E. Razrabotka processa polucheni-ya kul'tural'nogo myasa dlya pishchevyh celej i tekhnich-eskie sredstva ego osushchestvleniya // Nauch.-inform. obespechenie innovacionnogo razvitiya APK. M., 2016.
8. EHvolyuciya mezhfaznoj poverhnosti teplomassoob-mena v barbotiruemom sloe // Vestnik IGEU. 2012. №4.
9. Pinaev G.P. Kletochnaya biotekhnologiya. SPb., 2011.
10. Kul'tivirovanie mikroorganizmov. SPb., 2012.
Journal of VNIIMZH №1(29)-2018
27
