用于在悬浮液中培养组织细胞和微生物的设备 本发明涉及生物技术，特别是在悬浮液中培养组织细胞或微生物的设备。
现有技术(SU,AL,No.1331888,1987)公开了在悬浮液中培养组织细胞和微生物的设备包括一个密封的水箱，水箱的底部连有喂入流通气体的支管。一组支管切向地安装在水箱的圆筒壁上，另一组支管平行于水箱的圆筒壁安装。在培养过程流，通气体马上使悬浮液进行涡旋运动、同时使悬浮液沿着设备的轴线以上升和下降气流的形式循环。
然而，由于培养过程中悬浮液中形成了大量的气泡，气泡地破坏将导致相当数量细胞的死亡，因此这种设备不能用于培养易损的动物组织细胞和人体组织细胞的。由送风而引起的气体流通也产生了使部分细胞损伤的泡沫。消除泡沫需要在营养介质中加入昂贵的无毒泡沫清除剂，由此使培养的技术过程复杂，并且使用泡沫清除剂导致了培养介质的变质。
现有技术(US,A,No.4259449,1981)公开了在悬浮液中培养组织细胞和微生物的设备，其包括一个带有盖和用于喂入流通气体支管及排出废气支管的圆筒型水箱，以及一个以蓖条的形式放置在水箱底部、用于混合悬浮液的设备。气体通过蓖条进入水箱产生静水压力，以防止在悬浮液中细胞沉积。
然而，为了防止细胞的损伤而减少了流通气体的喂入量，使物质转换过程恶化，这又使得用这种设备培养细胞的生产率很低。即使这样也不能完全防止细胞的损伤并且仍产生了大量的泡沫。
现有技术(WO,92/05245,Al,02.04.92)也公开了在悬浮液中培养组织细胞和微生物的设备，其包括一个带有盖和用于喂入流通气体支管及排出废气支管的圆筒型水箱，以及一个用于混合悬浮液的装置。混合悬浮液装置包括水平叶轮和一个环形板，水平叶轮安装在垂直驱动轴上，并刚好放置在盖的下方的水箱的顶部；环形板放置在水平叶轮之下，它带有排出气体的中心孔，安装在水箱壁圆周上，使叶轮的周围形成了环形空腔。在用于通过气体的环形隔板上形成的狭缝型的开口均匀地设在圆周上，并与水平面成倾角。喂入流通气体的支管安装在与叶轮同轴的盖上，排出废气的支管与所述的环形空腔相连，并安装在盖的边缘上。
这种设备的缺点是悬浮液同轴涡旋运动(带有轴向逆流的潜在涡旋)，它在该悬浮液表面上的气体以很高的速度运动(高于15-18m/s)时形成，也就是需要消耗很多能量。同时从表面带走悬浮液滴，接着撞击水箱壁。与设备壁的撞击还会使悬浮液滴中的细胞损伤，即在此损失了大量细胞。随着叶轮旋转速度的降低及气体的运动减慢(6-8m/s)，可以观察到在悬浮液的表面上悬浮液不稳定的流动，即：悬浮液轴对称涡旋运动形式的定期变化为悬浮液自动振荡形式，连续的波浪沿着水箱的壁升起。悬浮液的液相表面变形，并表现为一个不对称的转动抛物面。在设备中所有悬浮液整体振荡摇晃整个设备，这样在细胞培养过程中将对其产生不好的效果。另外，设备的结构允许在悬浮液的高度等于或小于水箱的直径处培养细胞。如果充满水箱的细胞悬浮液高度大于水箱的直径，将会在水箱的底部形成滞流区。在培养过程中，细胞会不可避免地停流在该区域并会因缺氧而坏死。
众所周知，用于培养组织细胞或微生物悬浮液的设备包括一个带有盖子和分别用于喂入流通气体支管及排出废气支管的圆筒型水箱，以及一个用于混合悬浮液的装置，该装置包括安装在垂直空心轴上并放置在水箱顶部、刚好在盖下方的水平叶轮(WO,93/21301,Al,28.10.93“设备结构的第一种方案”)。用于气体流通和介质混合的该装置有一个环形隔板和一个相对于细胞悬浮液的表面稳定该环形隔板位置的机构，该环形隔板安装在圆筒型水箱中与叶轮同轴，并使叶轮在水箱的圆筒壁和环形隔板之间留有一个间隙。根据该发明的这一实施例，相对于细胞悬浮液的表面，稳定环形隔板位置的机构借助固定装置以支架的形式连接于水箱盖并连接在环形隔板上，使设备能相对于水箱的高度来改变环形隔板的位置。环形隔板应当浸入的深度为H≥0.02(D1-D2)，式中：
D1表示环形隔板的外径；
D2表示环形隔板轴向孔的直径。
以下为该实例结构上的缺点。由于环形隔板浸入的深度是变化的，即条件H≥0.02′(D1-D2)是受干扰的，在培养细胞和组织的过程中，常常伴随着设备初始填充液的变化(例如，定期取样，或培养初期悬浮液的量很小，和培养终期设备水箱中填充的量最大)。值(H)的降低会导致通过环形隔板轴向孔排液的锁定，这将引起培养细胞的通气混合过程恶化。环形隔板浮在细胞悬浮液表面的上方，进一步地恶化了物质交换参数。如果环形隔板的浸入深度(H)大大地大于H≥0.02(D1-D2)，将在悬浮液的上方形成“走动的波浪”，这将逐步地导致整个细胞悬浮液的震动，随着物质交换参数的降低使悬浮液成为不稳定的混合形式。因此，在培养的过程中设备水箱的填充量定期变化的条件下，这种设备不能进行实际工作，或需要引入附加机构，该机构在设备的水箱填充量变化中，自动调整环形隔板在最佳的深度，但是这将使设备相当复杂。另外在使用固定装配的环形隔板时，需要附加的能量消耗并延长了设备的操作时间。
众所周知，与要求保护的技术方案最相关的现有技术用于悬浮液培养组织细胞或微生物设备包括一个带有盖子和分别用于喂入流通气体支管及排出废气支管的圆筒型水箱，以及一个用于混合悬浮液的装置，该装置包括安装在垂直空心轴上并放置在水箱顶部、刚好在盖下方的水平叶轮(WO,93/21301, Al,28.10.93“设备结构的第二种方案”)。介质混合装置装有一个环形隔板和一个相对于细胞悬浮液的表面稳定环形隔板位置的机构，该环形隔板与叶轮同轴安装在水箱中，并使叶轮在水箱的圆筒壁和环形隔板之间留有一个间隙。相对于细胞悬浮液的表面稳定环形隔板位置的机构是一个与环形隔板上表面相连的定向翼片的浮体。环形隔板应该浸入的深度为H≥0.02(D1-D2)，式中：
D1表示环形隔板的直径；
D2表示环形隔板轴向孔的直径。
在该实施例中，该设备(具有飘浮环形隔板的实施例)的缺陷在于：在高嗜氧细胞的培养中或在悬浮液中使植物细胞和动物细胞达到高浓度，在液相悬浮液上方的气体涡旋的速度应大于7-8m/sec，以便给所述的细胞或微生物提供最佳的通气条件。但是在这种气体涡旋的速度下，上升液流(轴向逆流)的强度很大，这样就干扰了环形隔板浸到(因为在环形隔板的上方和下方，初始压力不同)细胞悬浮液表面(环形隔板最佳的浸入深度H＞=0.02(D1-D2))，由此干扰了液体(细胞悬浮液)流动(混合)的流体动力形式，培养细胞的通气条件变差，生物量不断积聚在反应器底部，并因缺氧细胞不断死亡。在细胞或微生物的培养过程中，随着悬浮液粘度的变化，由于环形隔板的浮力不变，环形隔板能相对于悬浮液表面自由改变其位置。
另外，在细胞悬浮液中飘浮着的环形隔板旋转时，在飘浮区后面将产生微小的滞流区域，培养细胞在滞流区中沉积和积聚。由于缺氧在所述区域中的下层细胞将会死去，这就降低了成品质量并降低了该设备的技术性能。
本发明的目的是提供一种在悬浮液中培养组织细胞或微生物的设备，由于该设备中的环形隔板维持在最佳的深度，而该深度不依于在悬浮液表面上方气体涡流的强度和悬浮液粘度的变化而变化，该设备能确保细胞悬浮液中形成具有轴向逆流的轴向对称涡旋运动，在该液体的表面上方气体的较低运动速度为3-6m/s和较高速度为大于等于7-10m/s时也不存在滞流区。因此，这种设备可培养不同需氧量的组织细胞或微生物。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了一种在悬浮液中培养组织细胞或微生物的设备包括一个具有盖和分别用于引入流通气体支管及排出废气支管的圆筒型水箱，以及一个用于混合介质的装置，该混合装置包括水平叶轮、环形隔板和稳定机构，水平叶轮安装在垂直空心轴上并放置在水箱上方，刚好在盖下方；环形隔板与叶轮同轴安装在圆筒型水箱中，并在水箱的圆筒壁和该环形隔板之间形成一个间隙；相对于悬浮液表面稳定环形隔板位置的稳定机构，包括定向元件和浮体，根据本发明，相对于悬浮液表面用于稳定环形隔板位置的稳定机构是可拆卸的，由定向的翼片构成，这些翼片带有上平面和凸底面，相对于环形隔板径向定位时形成“反转翼”形的翼片气体动力剖面，这些翼片通过支架与环形隔板的上表面相连，或者这些翼片通过支架与环形隔板的上、下表面相连，翼片的连接件相对气体主流或悬浮液主流改变迎角，并把翼片相应固定在环形隔板上方的支架和环形隔板下方的支架上。
就设计(带“反转翼”形剖面)而言，通过气流或悬浮液由气体或流体动力产生的这些翼片运动与使环形隔板上浮的流体动力反向，这样在悬浮液表面上气体涡旋速度高于6-7/sec时，也使得所述的环形隔板支撑在最佳的深度上。
连接件用作紧固机构，它改变翼片相对于气体主流或培养液主流的迎角，并把这些翼片固定在环形隔板的支架上，使这些翼片位于和环形隔板下方或上方支架上。所述的连接件可以是各种可拆卸的连接件，例如“螺钉-螺帽”型或“夹紧连接件”。
当翼片放置在环形隔板上方位于悬浮液面上方时，翼片相对于气体主流的迎角在-15°至-90°的范围内，当翼片放置在环形隔板下方位于悬浮液中时，翼片相对于培养悬浮液的主流的迎角在0°至-35°的范围内。
翼片相对于气体主流和悬浮液主流的倾斜在所述的角度范围内可确保在低能耗下环形隔板稳定地保持在最佳的深度。
相对于悬浮液的表面用于稳定环形隔板位置的机构的浮体被固定在该隔板主体上，或者，它的形状为不等边截头锥形，其截头的顶端朝向环形隔板并固定在支架上，浮体与环形隔板和翼片均留有间隙。
不论悬浮液粘度如何变化，这种类型的浮体可增加将环形隔板保持在最佳深度的可靠性，并且在浮体和环形隔板之间的间隙消除了在浮体后的滞流区域。由此防止在这些区域内培养细胞的沉积、积聚和死亡。
在环形隔板的主体上安装浮体消除了在该隔板上的滞流区域。由此防止在这些区域内培养细胞的沉积、积聚和损失。
环形隔板浸入到细胞悬浮液的深度H=0.02-0.09(D1-D2)，式中
D1代表环形隔板的外径
D2代表环形隔板的轴向孔的直径。
降低值H≤0.02(D1-D2)导致了通过环形隔板的轴向孔排液的”关闭”，这将引起混合过程和培养细胞通气的恶化。导致生物量不断地沉积在水箱底部，由于缺氧细胞死亡。如果环形隔板的浸入量(H)大大地大于H=0.09(D1-D2)，将在悬浮液的上方形成“行走波”，这将逐步地导致整个细胞悬浮液的震动，将其转化成减小了物质交换参数(自动振荡型)的不稳定混合型，这将对振动性和生物量效率产生负面影响。
下面，参照公开的附图，依据对最佳实施例的描述将对本发明进行解释，附图中：
图1是在悬浮液中的培养组织细胞和微生物设备的纵向剖视图，其中翼片在环形隔板上，并且浮体安装在隔板的主体上；
图2是图1的A-A向视图；
图3是浮体安装在支架上的状态下相对于细胞培养液面稳定环形隔板位置的机构示意图，翼片在环形隔板的上方和下方(相对于培养液和气流的迎角很小)。
图4是浮体安装在支架上的状态下相对于细胞培养液相关表面稳定环形隔板位置的机构示意图，翼片在环形隔板的上方(相对于气流，翼片的迎角为90°)和下方(相对于培养液，翼片的迎角很小)。
根据本发明，在悬浮液中培养组织细胞和微生物的设备包括一个带有盖2和引入气体流支管3及排出废气支管4的、用于装悬浮液的圆筒型水箱1(图1)，和一个用于混合悬浮液的装置。其中悬浮液由含有两相(培养液和它们的微生物组织细胞)的分散系统组成。用于引入气体流的支管3被安装成与水箱1同轴设在盖2的上方，用于排出废气的支管4被安装在盖2的边缘上。悬浮液的混合设备包括安装在垂直空心轴6上并放置在水箱1的上方、刚好在盖2下方的水平叶轮5，安装在水箱1中、与水箱和叶轮5同轴并在水箱1的圆筒壁和环形隔板7之间形成间隙的环形隔板7，以及相对于悬浮液表面稳定环形隔板7位置的机构，空心轴6与用于引入流通气体的支管3同轴，轴6的空腔与支管3的空腔相连。
环形隔板7的底面8是凸起的，而环形隔板7的顶面9是平面。除此以外，环形隔板7的外径D1=(0.7-0.9)D0，轴向孔的内径D2=(0.1-0.3)D1，式中D0是圆筒形水箱1的内径。隔板7应该浸入到悬浮液的深度H=0.02-0.09(D1-D2)。
隔板7的材料可从以下材料组中进行选择：各种类型的玻璃、塑料、陶瓷材料、木料、软木、不锈钢。
相对于悬浮液面稳定环形隔板7位置的机构为浮体10和定向元件11。所述定向元件11是可拆卸的，成相对于环形隔板7径向定向的翼片12和13的形式，翼片12和13具有上平面14和凸底面15，这些翼片形成“反转翼”形气体动力剖面。由翼片12的运动而产生的气体动力F1和由翼片13通过细胞培养液的运动而产生的流体动力F2与由细胞培养液的旋转流动而产生的流体动力Fg相反，因此在环形隔板7上面和下面的不同压力导致了环形隔板7的上浮。
在相对于悬浮液的表面稳定环形隔板位置的机构的一个实施例中(图1)，翼片12通过支架16被安装在环形隔板7上的，并且浮体10被固定在该环形隔板的主体上。
浮体10的材料可从以下材料组中进行选择：各种类型的塑料玻璃、陶瓷材料、木料、软木、不锈钢。
在相对于悬浮液的表面稳定环形隔板位置的机构的另一个实施例中(图3)，翼片12通过支架16被安装在环形隔板7的上方，而翼片13通过支架17被安装在环形隔板7的下方。浮体10配置在翼片12和环形隔板7之间的支架16上，并与隔板7和翼片12分别留有间隙。浮体10的形状为截头的不等边角锥，其截头的顶端朝向环形隔板7。
在相对于悬浮液的表面稳定环形隔板位置的机构的第二个实施例的一种工作方式中(图4)，翼片12安装在与环形隔板成负90°夹角处，它只用来让隔板7在悬浮液中旋转。
翼片12和13设有连接件可改变与气体主流或悬浮培养液的主流的迎角并把翼片12和13相应固定在环形隔板7上方支架16和环形隔板7下方支架17上。改变翼片12和13相对于气体主流或悬浮培养液的主流的迎角和将翼片相应固定在支架16和17上的连接件是“螺钉-螺帽”型或夹紧连接的紧固机构18。
翼片12相对于气体主流的迎角在-15°至-90°的范围内，翼片13相对于培养悬浮液的主流的迎角在0°-35°的范围内。
环形隔板7浸入到悬浮液中的深度H=0.02-0.09(D1-D2)
D1代表环形隔板的外径
D2代表环形隔板的轴向孔的直径。
使用磁性联结器19来使叶轮5旋转，联结件中的一个元件20被安装在盖2上方的空心轴6上，另一个元件21被放在空心轴22上。空心轴22设成与轴6同轴，绕着联结器19的元件21。联结器19的隔板20是被驱动旋转的，例如，通过由电动机24传动皮带23来使之旋转。在水箱1的底部(图1)，放置引入培养液和接种材料如组织细胞及微生物的支管25。在培养过程完成后，用同一支管25排出悬浮液。
上述设备的操作过程如下：
在培养如动物或昆虫的高嗜氧细胞时，翼片12以迎角为-35°(图1)借助于紧固机构18被安装在环形隔板7的支架16上，或翼片12以迎角为如-25°被安装在支架16上，而在环形隔板7的支架17上的翼片13的迎角为-15°。
在培养低嗜氧生物细菌时，翼片12以迎角为-16°(图1)借助于紧固机构18被安装在环形隔板7的支架16上，或翼片12以迎角为-16°(图1)被安装在环形隔板7的支架16上，而在环形隔板7的支架17上的翼片13的迎角为0°(图3)。
另外，在无菌的条件下，装有环形隔板7和相对于悬浮液的培养液面稳定环形隔板7的机构的圆筒型水箱1装入培养悬浮液，使得在水箱1的顶部悬浮液表面的上方流有一个空腔，以利于流通气体的运动。环型隔板7被放置在营养介质的表面上或在某一深度上(通过选择浮体10的浮力)，其深度小于优选深度H=0.02/0.09(D1-D2)。翼片12放置在液面的上方。例如水箱的直径D0=200mm，设备的下列参数是优选的参数；D1=160mm；D2=32mm；H=8mm。另外，为了培养细胞或微生物要建立所需温度条件，引入配料量的接种材料，并开动电机24。根据培养技术的需要，确定叶轮5的必要转数。在悬浮液面上方的叶轮5转动的情况下，靠近水箱1的轴线附近形成了负压并提高了该水箱周边的压力。由于在周边上和在悬浮液面上方气体腔轴线附近区域之间的压力不同，结果形成了在水箱1周边有涡旋速度区域和在轴线附近区域轴向逆流的流通气体螺旋流，这样一来，沿着水箱轴线在悬浮液中产生了同样进行强烈混合的湍流旋转运动。
例如，在培养低嗜氧型细菌细胞时，气体涡旋的旋转速度为3-6m/sec。因此形成了气体动力F1(由翼片12引起气流的流动而产生)，或形成了气体动力F1和流体动力F2(由翼片13引起液流的流动而产生)，或者仅形成了流体动力F2。所述的力F1(图1)或者F1和F2(图3)或者F2(图4)协助环形隔板7浸入，并以优选的深度(H)放置环形隔板7，深度的范围在H=0.02-0.09(D1-D2)。
例如，在培养高嗜氧型植物细胞或动物细胞时，气体涡旋的旋转速度大于7-10m/sec。除了力F1(图1)，或F1和F2(图3)，或F2(图4)垂直向下外在置于液体旋转流中的环形隔板7上的这些气流涡旋的速度下，附加的液压动力F3(在这样的液体流速下，隔板上方的压力产生的)垂直向上，并使隔板7上浮。力F3部分抵消了力F1和F2的作用，环形隔板17稳定地停流在深度H=0.02-0.09(D1-D2)的位置上。
因此，稳定环形隔板7位置的机构可以把环形隔板维持在最佳的深度(H)，而不依赖于设备中培养液的类型或悬浮液的体积。由于环形隔板7置于悬浮液中，增加了上升和下降气流的强度和定向性(即增加了气体涡旋的效率)。
据计算，在悬浮液表面的上方气流的平均流速V=10m/sec时，相对于悬浮液，与环形隔板7(D=160mm)一起相连的翼片12的平均转速Vn=2.446m/sec，力F3=0.393N。
翼片12的长度L1=7.5cm，弦h1=2cm，数量n1=3时，翼片12相对于气流的迎角α1=-35°，力F1=0.4873N。因此，相对于图1所示的悬浮液表面，在稳定环形隔板7位置机构的实施例中，力F3部分地抵消了F1的作用，所述的隔板将稳定地保持在深度H的位置上。
翼片13的长度L2=3.0cm，弦h2=1.5cm，数量n2=6时，翼片13相对于液流的迎角α2=-0°，力F1=0.4845N。因此，相对于图4所示的悬浮液表面，在稳定环形隔板7位置机构的实施例中，力F3部分地抵消了F2的作用，所述的隔板将稳定地保持在深度H的位置上。另外，在给定实施例的机构中，环形隔板7位置的稳定性由浮体10的浮力变化来支撑。
不管培养细胞的类型或悬浮液的体积如何，不等边截头锥形浮体10也能在最佳的深度支撑着环形隔板7，因为例如在隔板7向上浮的情况下，由于培养过程中增加了气体涡旋的速度或增加悬浮液的密度，浮体10的浮力(因为本身的特殊形式)减少，隔板7将重新返回深度(H)。
浮体10安装在隔板7本体上(图1)或在浮体10与环形隔板7之间留有间隙(图3,4)消除了隔板7表面9上的微小滞流区，同时也防止了培养细胞在所述区域中的存留、聚积和死亡。
在培养细胞或微生物的过程中，流通气体通过环形隔板7上方的自由表面与悬浮液的液相相互作用，但是它不与液相混合。因此，在该悬浮液中没有气泡，消除了细胞的损伤和泡沫的形成。气体涡旋的任一速度至少在3-20m/sec的范围内，除了减少细胞的损伤外，它不从悬浮液表面分离悬浮液滴。
由于在叶轮5轴线附近区域的负压，流通气体通过支管3被吸入水箱1，并且由于在悬浮液上方叶轮5周边上的压力增加，气体介质通过支管4从水箱1中溢出。这样就为保持正常条件下培养细胞或微生物提供了流通气体最佳的组成比例。
因此，在相对于液体介质稳定隔板7位置的机构的不同实施例中，在该悬浮液表面上方气流的低运动速度为3-6m/s和较高速度大于等于7-10m/s时，由于环形隔板维持在最佳的深度，该深度不依赖于在悬浮液表面上方气体涡旋的强度，给定设备所提到的设计特征可以确保液体在悬浮液中形成具有轴向反流的轴对称旋转运动，而不形成滞流区。因此可培养易受机械损伤的和需氧量不同的组织细胞或微生物，并且能确保进入悬浮液中的任何类型的细胞达到较高浓度。
所请求保护的在悬浮液中用于培养组织细胞和微生物的设备能广泛地用于微生物、医药和食品加工工业中。