CC BY
29
УДК 631.152:658.012.011.56:573.6:63
УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМОМ БИОРЕАКТОРА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МЯСА IN VITRO
Ю.А. Иванов, академик РАН
Е.Б. Петров, кандидат с.-х. наук
Н.Н. Новиков, кандидат технических наук
Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: vniimzh@mail.ru
Аннотация. Целью работы явилась разработка технического решения системы управления биореактором для получения мяса in vitro как перспективного источника белка, которая обеспечивает оптимальные условия для интенсивного размножения стволовых клеток животных, в частности, мультипо-тентных мезенхимных стволовых клеток крупного рогатого скота (ММСК КРС). Оптимальные условия рассматриваемого процесса реализуются при определенной температуре жидкой и газовой фаз биореактора, а также при заданном составе газовой фазы. Разработанная система управления биореактором позволяет: поддерживать температуру в камере роста и камере перемешивания +37°С с точностью ±0,5°С; поддерживать температуру газовой смеси, подаваемой в камеру роста и камеру перемешивания +(37±0,5)°С; устанавливать и поддерживать концентрацию СО2 в газовой смеси, поступающей на технологический процесс, около (5 ±0,25)%; при размножении клеток в камере роста постоянно контролировать концентрацию СО2 в воздушной среде камеры роста; автоматически программно поддерживать концентрацию СО2 в газовой смеси, подаваемой в камеру роста, на уровне (5 ±0,25)%. Система управления биореактором содержит электроизмерительные приборы, термостат, клапаны на жидкость и газ с электромагнитным приводом, микрокомпрессоры, шкаф управления. Выполнение операций загрузки биореактора исходными компонентами, питательным раствором происходит в ручном режиме работы системы, образование конечного продукта, как имеющее значительно большую длительность - в автоматическом. Приводятся принципиальная схема системы управления и внешний вид шкафа управления. Ключевые слова: технические средства, системы управления, технологические схемы, автоматическое регулирование, экспериментальный образец биореактора, получение мяса in vitro.
Введение. Биореактор (рис. 1) состоит из камер перемешивания и роста, представляющих собой стеклянные сосуды, системы трубок, запорно-регулирующих устройств, измерительных приборов, различного вспомогательного оборудования, системы управления. Основные технологические блоки биореактора - камеры перемешивания и роста, подготовки газовой смеси, термостати-рования и система управления процессами.
Приготовление культуральной среды для процесса получения мяса in vitro в камере роста происходит в камере перемешивания. В ней жидкие питательные компоненты перемешиваются до равновесной концентрации их, подогреваются и насыщаются воздушной смесью с 5% СО2. Процессы перемешивания и насыщения культуральной среды совмещены благодаря продувке раствора газовой смесью определенного состава.
Получение мяса in vitro происходит в камере роста. В камеру перепускают культу-ральную среду из камеры перемешивания и загружают матриксы со стволовыми клетками животных. В качестве матриксов могут быть мультипотентные мезенхимные стволовые клетки крупного рогатого скота (ММСК КРС), которые при определенной температуре и в контакте с газовой фазой заданного состава интенсивно размножаются.
Технико-технологическая схема движения технологических сред в экспериментальном образце биореактора состоит из двух основных циркуляционных потоков в камерах - потоков газовой и жидкой сред. Жидкостный модуль биореактора состоит из системы подготовки культуральной среды (далее жидкости), подогрева ее до +(37,0±0,5)°С, обеспечения ее стерильности, подачи жидкости в камеру роста и обратно, удаления отходов.
Заданная температура в камерах перемешивания и роста поддерживается теплоносителем, циркулирующим в пространстве между стенками, одной из которых является наружная стенка этих камер. Теплоноситель подогревается в термостате 8, затем с помощью циркуляционного насоса, входящего в комплект термостата, и соединительных трубок поступает для обогрева камер перемешивания и роста, отдает теплоту реакторным жидкостям, затем возвращается в термостат и вновь подогревается.
Газовый модуль биореактора состоит из системы подготовки газовой смеси, подогрева до +(37,0±0,5)°С, обеспечения стерильности и подачи в камеры. Газовая смесь, концентрация углекислого газа в которой должна быть 5%, поступает в камеру роста из баллона СО2 6 через клапан 5, смешивается с воздухом, нагнетаемым компрессором 2, в смесителе, подогревается в змеевике термостата 8 до +37°С. Установление и контроль эталонной концентрации газа обеспечивается регулировочными клапанами 3, 4 и вторым каналом измерителя 12 концентрации СО2 .
Технологический процесс в камере роста происходит с поглощением СО2, в результате чего его концентрация в газовой фазе камеры снижается. Контроль состояния воздушной фазы камеры роста по содержанию углекислого газа осуществляется благодаря непрерывной циркуляции воздуха газовой фазы камеры через измеритель концентрации СО2 12 (первый канал) с помощью компрессора 17.
Восстановление заданной концентрации СО2 в газовой фазе камеры роста происходит при продувке газом эталонной концентрации СО2. Продувка осуществляется программно с помощью программатора 9 и клапана с электромагнитным приводом 14. Лишний воздух из воздушного пространства камеры роста уходит через обратный клапан 21.
Рис. 1. Схема технологического процесса получения мяса in vitro как полноценного белка
Результаты и их обсуждение. Система управления биореактором создана для управления технологическим процессом получения мяса in vitro как полноценного белка [1]. Назначение системы управления:
- поддерживать температуру в камере роста и камере перемешивания +37°С с заданной точностью 0,5°С;
- поддерживать температуру газовой смеси, подаваемой в камеру роста и камеру перемешивания, +(37,0±0,5)°С;
- устанавливать и поддерживать концентрацию СО2 в газовой смеси, поступающей на технологический процесс (5±0,25)%;
- в процессе роста клеток в камере роста постоянно контролировать концентрацию СО2;
- автоматически программно поддерживать концентрацию СО2 в газовой смеси камеры роста на уровне 5±0,25%.
Система управления биореактором включает шкаф управления, два малогабаритных газовых компрессора, два клапана с электромагнитным приводом, временной программатор, двухканальный измеритель концентрации СО2 в газовой смеси, термостат, шкаф управления.
Система управления функционирует в ручном и автоматическом режимах. В ручном режиме оператор включает компрессор воздуха и открывает электромагнитный клапан 5 поступления СО2 в газовую магистраль. Газовая смесь пропускается через измерительную линию газоанализатора 12 и сбрасывается в атмосферу. С помощью регулировочных вентилей 3, 4 концентрация СО2 в газовой смеси устанавливается равной (5±0,25)%.
Затем измерительный вентиль 13 закрывают, а вентиль 16 открывают, и газовая смесь направляется в камеру перемешивания, где подготавливается жидкий компонент питательной среды.
Автоматический режим работы системы управления устанавливается, когда начинается технологический процесс в камере роста. В этом режиме постоянно отслеживается состав газовой смеси в газовой фазе камеры роста путем продувки смесью второго измерительного канала газоанализатора 12 с помощью газового компрессора 17.
При понижении концентрации СО2 в газовой смеси до уровня менее (5±0,25)% включается в работу программатор 9, и по его командам вступают в работу электромагнитный клапан 5 подачи СО2 из газового баллона и компрессор воздуха 2, а также электромагнитный клапан 14 подачи газовой смеси заданной концентрации (5%) в воздушную камеру.
В результате концентрация СО2 восстанавливается, отработавшая газовая смесь сбрасывается в атмосферу через обратный клапан 21. В ручном и автоматическом режимах работает циркуляционный насос термостата, обеспечивающий циркуляцию горячей воды в его контуре. Регулирование подогрева воды в термостате происходит по заданной температуре теплоносителя автоматикой самого термостата.
Принципиальная электрическая схема шкафа управления представлена на рис. 2. Электропитание всех элементов системы управления биореактором осуществляется от шкафа управления. Внешний вид шкафа управления представлен на рис. 3.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема системы управления биореактором
Рис. 3. Внешний вид шкафа системы управления биореактором
Выводы. Разработана система управления биореактором, которая позволит реализовать специфические условия протекания процессов образования мяса in vitro как полноценного белка в реакторных блоках как с
участием оператора, так и в автоматическом режиме. Система управления обеспечивает автоматический контроль и поддержание температуры в жидкой и газовой фазах +(37±0,5)°С, давление в реакторных сосудах, поддержание концентрации СО2 в пределах (5±0,25)%. Система управления обеспечивает отслеживание температуры, концентрации СО2 в газовой фазе, скорости подачи газовой смеси, расхода газового потока, давления в сосудах, объема жидкости, скорости подачи, показателя рН, что позволяет обеспечить требуемые условия протекания процесса образования мяса in vitro.
Литература:
1. Иванов Ю.А., Петров Е.Б. Разработка биореактора для производства культурального мяса // Вестник ВНИИМЖ. 2016. №1(21). С. 3-6.
2. Сидорова В.Ю., Петров Е.Б. Специализированные культуральные биореакторы - новое оборудование для производства мясного белка // Вестник ВНИИМЖ. 2016. №3(23). С. 178-183.
3. Сидорова В.Ю., Петров Е.Б. Разработка процесса получения культурального мяса для пищевых целей и технические средства его осуществления // Научно-информационное обеспечение инновационного развития АПК. М., 2016. С. 365-367.
Literatura:
1. Ivanov YU.A., Petrov E.B. Razrabotka bioreaktora dlya proizvodstva kul'tural'nogo myasa // Vestnik VNIIMZH. 2016. №1(21). S. 3-6.
2. Sidorova V.YU., Petrov E.B. Specializirovannye kul'tu-ral'nye bioreaktory - novoe oborudovanie dlya proizvodstva myasnogo belka // Vestnik VNIIMZH. 2016. №3(23). S. 178-183.
3. Sidorova V.YU., Petrov E.B. Razrabotka processa po-lucheniya kul'tural'nogo myasa dlya pishchevyh celej i te-khnicheskie sredstva ego osushchestvleniya // Nauchno-informacionnoe obespechenie innovacionnogo razvitiya APK. M., 2016. S. 365-367.
THE BIOREACTOR'S REGIME CONTROL FOR MEAT IN VITRO PRODUCTION Yu.A. Ivanov, RAS academician E.B. Petrov, candidate of agricultural sciences N.N. Novikov, candidate of technical sciences All-Russian research institute of livestock mechanization
Abstract. The aim of the work was development a technical solution of the bioreactor's control system for meat in vitro as a promising source of protein, which provides optimal conditions for animal stem cells intensive reproduction, in particular, cattle multipotent mesenchymal stem cells (MMSK KRS). The optimal conditions of the considered process are realized at a certain temperature of the bioreactor's liquid and gas phases, as well as at a given gas pha -se's composition. Developed bioreactor's control system allows to maintain in the growing and mixing chambers the temperature exactly 37°C with accuracy of ±0,5°C; to maintain the gas mixture's temperature supplied the growing and mixing chamber +(37±0,5)°C; to install and maintain the CO2 concentration in the gas mixture led to the technological process, about (5±0,25)%; during the cells' reproduction in the growth chamber to monitor continuously CO2 concentration in air phase of the growth chamber; to maintain software automatically the CO2 concentration in the gas mixture supplied into a growing chamber, at the level of (5 ±0,25)%. The bioreactor's control system contains electric measuring devices, thermostat, valves for liquid and gas with electromagnetic drive, microcompres-sors, control cabinet. Bioreactor's downloaded operations with base components, the nutrient medium is made in manual regime of the system, the final product formation as having much greater duration - in automatic one. The principal scheme of the control system and the control cabinet's appearance are given.
Keywords: technical tools, control systems, technological schemes, automatic regulation, bioreactor's experimental model, meat in vitro obtaining.
