Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Разработка технолого-аппаратурных решенийи оптимизация промышленного процесса культивирования животных клеток

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Разработка технолого-аппаратурных решенийи оптимизация промышленного процесса культивирования животных клеток"

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Московская Государственная Академия Г' Я ОД пищевых производств

• » ОПТ 1335

на правах рукописи

КЛЮЕВ ВЛАДИМИР ГЕОРГИЕВИЧ

УДК 616:619.988:43

Разработка технолого-аппаратурных решений и оптимизация промышленного процесса культивирования животных клеток

Специальность 03.00.23 - Биотехнология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена на Покровском заводе биопрепаратов

Научный консультант: доктор биологических наук

академик Г.А.Сафонов

Официальные он I тенты: доктор технических наук

профессор Е.Г.Борисенко

доктор биологических наук профессор В.А.Сергеев

Ведущая организщия: Московская Ветеринарная

Академия

Защита состоится & _ 1995 г.

ча«., в ауд. на заседании

специализированного совета ¿?£>3 У_ при

Московской Государственной Академии Пищевых Производств (125030 Москва, Нолоколамское шоссе, дом 11)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГАПП

Ученый секретарь специализированного совета /

SUMMARY

Foot-and-Mouth disease is one of the most dangerous infectious diseases of agricultural animals the struggle with which couditiones the actuality of the problem of arrangement of large-scale Foot-and-Mouth disease ( FMD ) vaccine production.

The purpose of this research is the solution of the fill lowing problems:

- experimental research of BHK-21 cell deep cultivation processes in FMI) production;

- development of mathematical models of periodic and conlinious BHK-21 cell cultivation and control of their adequacy;

- optimization of BHK-21 cell cultivation conditions on the basis of the worked-out mathematical models;

- development of regulation and automation methods for maintenance of optimum conditions for BHK-21 cell cultivation;

modernization of FMD vaccine production industrial line on the basis of regulation and modernization methods at Poki'ov Biologies Plant.

It has been shown that the large-scale FMD vaccine production technology based on BHK-21 cell culture deep suspension cultivation is the most progressive one.

There have been developed the mathematical models of BHK-21 cell biomass growth in suspension under periodic and con!inious conditions.

During the reconstruction of FMD vaccine production industrial line at Pokrov Biologies Plant there have been given the recommendations for the selection of the most effective methods of optimization and regulation of BHK-21 cell deep cultivation processes in suspension; there have been made alterations in apparatus constructions for BHK-21 cell cultivation ( replacement of drives for the most effective ones, development of stirrers construction, creation

of more effective aeration methods).

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одним из наиболее опасных инфекционных заболеваний сельскохозяйственных животных, при*" носящим большой экономический ущерб животноводству, является ящур, борьба с которым обуславливает актуальность проблемы организации крупномасштабного производства проти-воящурной вакцины.

Достигнутый уровень теоретических знаний в таких областях, как микробиология, биология, биохимия, молекулярная биология, генетика в сочетании с накопленным опытом в биотехнологии и микробиологической промышленности с успехом могут быть применены при создании эффективных процессов для крупномасштабного производства вакцин. В настоящее время (..>зданы все предпосылки для существенного пересмотра традиционной технологии производства гидро-окисьалюминиевсй (ГОА) противоящурной формолвакцины из ла-пинизированного вируса и перехода к новой прогрессивной технологии - к непрерывному глубинному суспензионному культивированию клеток ВНК-21.

Опираясь нз достигнутые успехи в области теории и практики биотехнологии при организации промышленного производства противояш,)рной вакцины, следует иметь в виду, что клетки животных и вирусы имеют ряд особенностей, отличающих их от обычных микроорганизмов: более сложная организация, большая лабильность, склонность к коагуляции и осаждению, высокая чувствительность к составу питательных сред, склонность к контаминации (заражению) и т.д. Это, в свою очередь, предъявляет специфические требования к промышленным и лабораторным аппаратам, применяемым для производства вакцин, контрольно-измерительным приборам, системам стерилизации и другим техническим устройствам. Кроме того, специфика клеток животных и вирусов, сказываются на организации научных исследований в области анализа, постановки эксперимента, расчета аппаратуры, оптимизации и управления процессами производства вакцин.

Поэтому создание и развитие новых подходов к анализу и расчету таких систем с учетом вышеуказанной специфики при

разработке и оптимизации биотехнологических процессов промышленного производства противоящурной вакцины является актуальной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное значение.

Цель работы состоит в решении следующих задач:

- экспериментальное исследование процессов глубинного культивирования клеток ВНК-21 в производстве противоящурной вакцины;

- разработка математических моделей периодического и непрерывного культивирования клеток ВНК-21 и проверка их адекватности;

- на основе разработанных математических моделей оптимизация условий культивирования клеток ВНК-21 в периодическом и непрерывном режимах;

- обоснование каналов управления и разработка методов регулирования и автоматизации для поддержания оптимальных условий культивирования клеток ВНК-21;

- на основе разработанных методов регулирования и оптимизации модернизация промышленной линии получения противоящурной вакиины на Покровском заводе биопрепаратов.

Научная новизна. Показано, что наиболее прогрессивной является технология крупномасштабного производства противоящурной вакцины на основе клеток ВНК-21 глубинным методом суспензионного культивирования. Разработаны математические модели роста биомассы клеток ВНК-21 в суспензии в периодическом и непрерывном режимах, установлена адекватность этих моделей, позволивших предложить ряд новых подходов к оптимизации состава питательных сред и режимных параметров промышленной линии культивирования клеток ВНК-21, а также вскрыть и обосновать новые каналы управления для поддержания оптимальных условий культивирования клеток ВНК-21.

Практическая значимость и реализация результатов работы. На Покровском заводе биопрепаратов в ходе реконструкции промышленной линии получения противоящурной вакцины выданы рекомендации по выбору наиболее эффективных способов оптимизации и регулирования в процессах глубинного культивирования клеток ВНК-21 в суспензии; произведены изменения

в конструкциях аппаратов для суспензионного культивирования клеток ВНК-21 (замена приводов на более эффективные; усовершенствование конструкции мешалок, создание более эффективных способов аэрации и т.п.), существенно повысивших их эффективность; разработаны более эффективные программы и методики испытаний цеха питательных сред; созданы новые программы и методики испытаний межаппаратных и ' ' межучастковых связей АТЛ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на различных конференциях, семинарах и совещаниях, в том числе: на НТС Министерства сельского хозяйства РФ., семинарах и совещаниях Московской ветеринарной академии.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных трудов, в том числе 4 авторских свидетельства, сдано в печать 2 статьи.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы, содержащего 204 наименования, и приложений. Работа содержит 265 страниц машинописного текста, 57 рисунков и 23 таблицы.

Содержание работы.

Во введении дано обоснование актуальности, практической значимости работы и сформулированы основные задачи исследования.

В первой главе обсуждается современное состояние проблемы промышленного получения противоящурной вакцины, дается общая характеристика вируса ящура, классификация штаммов, особенности размножения вируса. Рассмотрены, проанализированы и оценены с точки зрения перспективности использования в крупномасштабном промышленном производстве различные способы получения противоящурной вакцины. Сравнительный анализ различных способов получения противоящурной вакцины показал, что наиболее прогрессивной является технологии крупномасштабного производства противоящурной вакцины на основе культуры клеток ВНК-21 в суспензии глубинным способом. Дана общая характеристика промышленного производства противоящурной вакцины в суспензии клеток ВНК-21 на примере Покровского завода биопрепаратов. Показано, что в общей технологической схеме наибольшее число стадий и операций, а также наибольшая их длительность приходится на культивирование клеток ВНК-21. Поэтому с точки зрения повышения эффективности всего производства наиболее актуальными являются задачи моделирования, оптимизации и модернизации оборудования, прежде всего связанные с операциями культивирования клеток ВНК-21.

Обсуждаются существующие в литературе основные направления в моделировании кинетики роста популяций микроорганизмов, а также основные факторы, влияющие на эффективность роста популяции клеток ВНК-21.

Учитывая, что на различных стадиях промышленного производства противоящурной вакцины используется аппаратура различного принципа действия и различного объема (от колбы КС-5 до культиватора КМ-2000), возникает важная проблема усовершенствования аппаратурно-технологического оформления процессов. Ввиду дефицитности, высокой стоимости и физико-биологических особенностей клеток млекопитающих (сложная организация, лабильность, склонность к коагуляции и осаждению и т.п.), отличающих их от других микроорганизмов, к аппаратуре для культивирования клеток ВНК-21 и

вируса ящура предъявляются повышенные требования: создание условий, исключающих механические и другие виды травмирования клеток, их осаждение на дно сосудов; высокая степень стерилизации; гашение турбулизадии и предупреждение ценообразования; применение высокоэффективной

контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры, оснащенной вычислительной техникой.

Глава вторая посвящена экспериментальному исследованию процессов культивирования клеток ВНК-21 в производстве противоящурной вакцины. Дается характеристика используемых материалов и методов: вируса ящура; вакцины против вируса ящура; производственных штаммов вируса ящура; методов поддержания штаммов вируса; используемой линии клеток ВНК-21; питательных сред и солевых растворов для выращивания клеток ВНК-21; приготовления культуры клеток для культивирования в монослое и суспензии.

Дано описание конструкций аппаратов, применямых в опытах. Для поверхностного культивирования клеток ВНК-21 в монослое использовались 0.5, 1 и 1.5 - литровые матрасы, а также трубчатый культиватор типа КТ-3, состоящий из кассет стекляных трубок. Для суспензионного культивирования клеток ВНК-21 использовались ферментеры типа КМ различных масштабов: КМ-2., КМ-15 и КМ-50, из которых аппарат КМ-2 применялся для лабораторных исследований, а аппараты КМ-15 и КМ-50 - для полупромышленных и промышленных испытаний в режиме непрерывного культивирования. Приводятся технические характеристики культиваторов серии КМ (КМ-2, КМ-15, КМ-50), а также устройство культиваторов серии КМ. Схематический чертеж культиваторов серии КМ и функциональная схема регулирования величины рН и температуры приведены на рис.1.

Экспериментально установлено, что в периодическом режиме культивирования клеток ВНК-21 как в монослое, так и в суспензии рост клеток во времени соответствует классической картине роста, имеющей характер "8"-образной кривой (рис.2). В координатах Д1пХ/Д1.,Х изменение средней логарифмической скорости с ростом численности X после лаг-фазы происходит практически по линейному закону.

Длительность лаг-фазы зависит от физиологического состояния посевного материала, а также условий культивиро-

£

вания. Для клеток ВНК-21 при посевной дозе порядка 10 кл/мл

Ш^У7777777Z^777777777777^

Рис.1. Схематический чертез культиваторов Ш-2, КМ-15, КМ-50 и функциональная схема регулирования величины рН и температуры: 1 - реактор; 2 - крышка; 3 - привои; 4 - станина; 5 - термодатчик; 6 - нагревательный элемент; 7 - рН-электролы; 8 - вал мешалки;, 9 - преобразователь сигнала; 10 - потенциометр; 11 - регулирующий блок; 12 - газовая станция; 13 - измерительный мост.

Ь!с.2. Опытные и расчетные данные по кинетике размножения клеток ВНК-21: А,Б - в монослое; В,Г - в суспензии аппарата КМ-2; А,В - в координатах X,*: ; Б,Г - в координатах й?г\Х/аЬ,Х. о - эксперимент; • - расчет.

длительность лаг-фазы обычно колеблется п пределах 12-36 часок.

Анализ экспериментальных данных по размножению клеток ВНК-21 в непрерывном режиме показал, что в стационарном состоянии концентрация клеток не остается постоянной, а колеблется около некоторого среднего значения (рис.3). Период и амплитуда колебаний не одинаковы на всем протяжении культивирования. С увеличением коэффициента разбавления период и амплитуда колебаний уменьшаются.

I лава 3 посвящена разработке математических моделей периодического и непрерывного культивирования клеток ВНК-21 и проверке их адекватности на основе полученных в главе 4 экспериментальных данных.

Из большого разнообразия существующих моделей кинетики культивирования микроорганизмов, рассмотренных в первой главе, физико-биологическая специфика животных клеток ВНК-21 диктует выбор такой кинетической модели, структура которой наиболее адекватно соответствовала бы биологическим свойствам именно этих клеток. На наш взгляд, этой цели в нибольшей мере соответствует выбор кинетической схемы обратимого и необратимого равновесного аптокаталитического процесса размножения микроорганизмов, идеи которого были заложены II.И. Кобозевым и получили дальнейшее развитие в работах А.А.Складнева, В.И.Мазуренко, и др. Основные допущения, кинетические схемы и базовые математические соотношения приведены в первой главе наряду с другими моделями.

Математическая модель кинетики культивирования клеток ВНК-21 н периодическом режиме имеет вид:

— = ——(Х-Х0)Х, (1)

й1 X

решение которрой при начальных условиях 1=0, Х=0 приводит к аналитическому выражению, описывающему 5-образные кинетические кривые роста популяции:

з0[к/(1+к)]

х(0 = - , (2)

1+{80[К/(1+К)-Х0]/80}ехр(-Э1801) где X - текущая концентрация клеток; Х=80[К/(1+К);

1,8

¿.а

0,6

\к

20

24 2С

£,10 кд/лч

6,0

А,0

2,0

/X'

8 -(6 ао ¿4 26 ^>СЫТ

Рис.3. Опытные данные изменения концентрации клеток ВНК-21X (1) и производительности £ (5) в одноступенчатом непрерывном хемостате при'коэффициенте разбавления = • Ю-*2- ^

Средняя стационарная концентрация: экспериментальная Хстэ = <>48 -10 и

расчетная Хстр= 1,Пм09к

Средняя стационарная производительность: экспериментальная А = 6 66«

- ю - расчеткая ^Цтг

К=Э,/|32 - константа равновесия процесса; /31 и ~ константы скорости образования и отмирания микроорганизмов; Х0, 80 - концентрация клеток и субстрата в начальный момент времени.

В случае схемы необратимого автокаталитического процесса математическая модель (1), (2) видоизменяется:

ах

— = К,8Х—К,Х , (3) с!(

аз

— = -К^Х, (4) ск

к, -к /К К,

Х(0 = (Х0 + --- --- 8 (5)

К,—К2 К)—К2

где К,,К2 - константы скорости образования и отмирания клеток; 8 - текущая концентрация субстрата.

Математическая модель культивирования клеток ВНК-21 в непрерывном режиме имеет вид:

с1Х ЭА

— = —(Х-Х)Х-РХ (6)

ас х

Интегрирование уравнения (6) дает:

р^оХрзд-р^хрКР-рАН] (?)

(рХ-о)

В стационарном состоянии при I-*-1» имеем:

где 0=С)/\<'р - коэффициент скорости разбавления; С? - объемная скорость поступления питательной среды, поступающей в аппарат, и вытекания культуральной жидкости из аппарата; Ур — * рабочий объем аппарата.

Установлено, что в стационарном состоянии производи-

тельность непрерывно действующего аппарата является квадратичной функцией коэффициента разбавления D и носит ярко выраженный экстремальный характер. Получено аналитическое выражение для количественной оценки длительности переходного периода при различных коэффициентах разбавления системы.

На основе обработки экспериментальных данных определены параметры л установлена адекватность математической модели периодического культивирования клеток ВНК-21, исходя из анализа зависимости скорости роста популяции от ее чис-леннсти (см. рис.2). С помощью обработки экспериментальных данных, полученных при периодическом культивировании клеток ВНК-21 на питательных средах различного состава, подтверждена адекватность разработанной математической модели на основе исследования зависимости равновесной концентрации клеток ВНК-21 от запаса субстрата в питательной среде, в частности, при вариации содержания сыворотки и ABK.

На основе обработки экспериментальных данных определены параметры и установлена адекватность математической модели непрерьппого культивирования клеток ВНК-21 как в режиме хемостата (см. рис.3), так и в случае батареи непрерывно действующих аппаратов. Различие экспериментальной и теоретической зависимостей концентрации клеток от коэффициента разбавления оказалось статистически незначимо для достоверности 99%. Полученные результаты показали, что математическая модель непрерывного культивирования, идентифицированная по экспериментальным данным, адекватна реальному процессу и можег быть использована при расчете и оптимизации непрерывного процесса как в одностадийной установке, так и в батарее непрерывно действующих аппаратов.

В главе 4 на основе математических моделей, полученных в главе 3, решаются вопросы оптимизации процессов культивирования клеток ' ВНК-21 в периодическом и непрерывных режимах.

В частности, выбран характерный параметр оптимизации прцесса - коэффициент использования субстрата, равный отношению равновесной концентрации клеток к эффективной их концентрации, когда исключена гибель клеток. Для условий суспензионного культивирования клеток ВНК-21 этот коэффициент оказался равным 0.72.

Показано, что проблема стандартизации оптимального

состава питательной среды по величине покомпонентного запаса в ней субстрата состоит в решении 2-х задач:

1) подбор оптимального содержания каждого компонента, максимизирующего выход биомассы;

2) оптимизация и стандартизация питательных сред по их ростовым свойствам в условиях серийного приготовления.

На основе сформулированного принципа подбора оптимального состава питательных сред проведена корректировка питательной среды типа ПС применительно к процессу суспензионного культивирования клеток ВНК-21. В результате составлена новая пропись питательной среды, применение которой показало, что уменьшение в питательной среде большой группы аминокислот (в целом почти в 2 раза) не сказывается на величине предельной концентрации клеток. Это дает возможность реализовать количественный подход к конструированию оптимального состава питательной среды на основе данных о коэффициентах метаболизма компонентов субстрата.

Развита методика балансировки субстрата по удельным ростовым свойствам компонентов. Для экспериментальной оценки удельного ростового свойства Р,- компонента используется принцип минимума, в соответствии с которым запас субстрата, состоящего из п компонентов питательной среды, определяется тем ¡-тым компонентом, величина произведения С,Р( для которого меньше этого значения для любого п-го компонента (С; -концентрация ¡-го компонента). Таким образом, балансировка субстрата на заданную плотность биомассы заключается в определении по экспериментальным данным численных значений Р, (в любых, но одинаковых единицах) и компановке питательной среды в соответствии с вышесформулированным принципом минимума.

Методы факторного анализа и планирования эксперимента рекомендованы для случаев, когда возникают затруднения в реализации вышеупомянутых способов стандартизации питательных сред исходя из принципа минимума. В частности, методами планирования эксперимента показано, при избытке глюкозы такие компоненты, как сыворотка и АВК являются полноценными, дополняющими друг друга компонентами субстрата при культивировании клеток ВНК-21, и повышение ростовых свойств среды можно достичь только при пропорциональном увеличении содержания в среде обоих компонентов.

Выполнена оптимизация по критерию "производительность"

7 б 5 4 3 а

ор! 4

J_

1 2. 3 4 51 6 7 С

Рис.¿к Зависимость оптимального коэффициента разбавления ?

обеспечивающего максимальную производительность ^та^Д 1-ступен-чатой батарии от числа ступеней в батарее культиваторов при

1,0 6,0 6,0 4,0 2,0

- ---

- —

—

—. -— —

1 £ 3 4 5" 6 т I

/

Рис.5. Зависимость производительности I - ступенчатых культиваторо: от числа ступеней I в батарее при оптимальном (сплошные линии) фиксированном значении коэффициента разбавления (пунктир)Т>=4/Г3'И)-2' для каждой батареи культиваторов? ' _2

Сплошные линии: (риС.4).Пунктирные линии: 4,79'^ Ч '

аппарата периодического действия при циклическом культивировании клеток ВНК-21.

Определены условия оптимального проведения процесса непрерывного культивирования клеток ВНК-21 в батарее из [нести аппаратов полного смешения в стационарном режиме. Установлена зависимость величины оптимального коэффициента разбавлении обеспечивающего максимальную производи-

тельность ё„ШХ1- для ¡-ступенчатой батареи культиваторов от числа ступеней в батарее (см. рис.4). На рис.5 показано сравнение зависимостей производительности 1-ступенчатых культиваторов от числа ступеней I в батарее при оптимальном (сплошные линии) и заданном фиксированном значении

коэффициента разбавления 0=4.79-102ч' (пунктир).

В пятой главе формулируются методы регулирования и автоматизации условий культивирования клеток ВНК-21.

В частности, сформулирован общий принцип регулирования постоянства или определенного запрограммированного изменения состава культуральной жидкости на основе обобщенного уравнения ассимиляции компонентов культуральной жидкости, решение которого возможно относительно любого компонента культуральной жидкости.

ас,- , ,

- = а/3, ■ (80—X) • Х+а [32 • X (9)

ск

)

где а и а - количества определенного компонента культуральной жидкости, которые потребляются (или выделяются) при образовании или, соответственно, лизии одной особи популяции (коэффициенты метаболизма).

Решение уравнения (9) возможно относительно любого компонента культуральной жидкости, что позволяет получить соответствующее описание компонента, содержание которого предполагается либо стабилизировать, либо целенаправленно изменять через внешние управляющие воздействия.

На основе сформулированного общего принципа управления составом культуральной жидкости предложены три подхода к поддержанию заданных концентраций растворенного кислорода в культуральной жидкости:

1) первый состоит в том, что путем аэрации или механического перемешивания создается такая скорость

переноса кислорода из газовой фазы в жидкую, при которой автоматически обеспечивается постоянство количества растворенного кислорода в культуральной жидкости;

2) второй подход состоит в изменении равновесной концентрации кислорода в соответствии с изменением скорости потребления кислорода растущей культурой;

3) третий подход предусматривает автоматический выбор соответствующего значения коэффициента массопередачи газ-жидкость при отклонении концентрации растворенного кислорода от заданного уровня в условиях постоянства состава аэрирующего газа, что осуществляется как путем изменения количества газа, подаваемого на аэрацию, так и изменением интенсивности механического перемешивания в аппарате.

Дано теоретическое обоснование принципов регулирования величины рН и определены области практической применимости этих принципов с учетом биологических особенностей микрообъектов, характеристик ферментов, особенностей количественных закономерностей изменения величины рН в процессе роста популяции. Подход к регулированию величины рН, отвечающей специфике культивирования клеток животных, основан на теории бикарбонатных буферных систем. Своеобразие рассмотренной буферной системы состоит в том, что один из ее компонентов является газообразным (углекислый газ). В основу теории данной буферной системы положено уравнение Гандерсона-Гассельбальха, которое характеризует взаимосвязь между концентрацией растворенного газа, концентрацией бикарбонатных ионов и величиной рН.

На основе соотношения Гандерсона-Гассельбальха сформулированы необходимые для регулирования величины рН приемы измерения концентрации бикарбоната натрия, концентрации растворенного углекислого газа и связанные с ним оценки изменения величины рН. На основе развитых теоретических принципов предложено три способа регулирования рН при культивировании клеток ВНК-21:

1) первый способ состоит в автоматическом регулировании содержания С02 в газовой фазе аппарата при отклонении величины рН от заданного значения, что при правильно выбранном режиме изменения концентрации С02 в процессе роста популяции гарантирует обеспечение оптимальных значений рН;

2) второй способ состоит в регулировании величины рН

путем периодического ступенчатого изменения концентрации С()2; этот способ, благодаря своей простоте, рекомендован для управления величиной рН при культивировании клеток ВНК-21 в аппаратах серии КМ (2,15,50);

3) третий способ состоит в том, что необходимое для

+ /

сохранения постоянства отношения С[ч[.1/Сс.0 изменение концентрации растворенного С()2 достигается соответствующим изменением коэффициента массопередачи С02, не меняя при этом состава газовой смеси, что достигается изменением интенсивности перемешивания в аппарате.

Все три способа регулирования величины рН при выращивании клеток ВНК-21 опробованы и реализованы в составе АСУ процессами культивирования клеток ВНК-21 на Покровском заводе биопрепаратов.

Проведен сравнительный анализ различных подходов к оптимизации процессов культивирования клеток ВНК-21 и способов управления этими процессами при их технической реализации в промышленном призводстве противоящурной вакцины на Покровском заводе биопрепаратов. Выданы рекомендации для выбора наиболее эффективных способов оптимизации и регулирования в процессах культивирования клеток линии ВНК-21 при получении противоящурной вакцины.

Выводы

1. Рассмотрены, проанализированы и оценены с точки зрения перспективности использования в крупномасштабном промышленном производстве различные способы получения противоящурной вакцины, сравнительный анализ которых показал, что наиболее пргрессивной является технология крупномасштабного производства противоящурной вакцины на основе культуры клеток ВНК-21 глубинным методом суспензионного культивирования, оптимизации, автоматизации и модернизации оборудования, прежде всего связанные с глубинным культивированием клеток линии ВНК-21 в суспензионной среде.

2. Исходя из кинетической схемы автокаталитического процесса разработаны математические модели кинетики роста биомассы клеток ВНК-21 в периодическом и непрерывном режимах культивирования и определены их характерные свойства.

3. Поставлена, теоретически обоснована и решена задача идентификации параметров математических моделей периодического и непрерывного культивирования клеток ВНК-21 по экспериментальным данным и установлена их адекватность реальному процессу.'

4. На осгове разработанных моделей предложено несколько подходов к оптимизации состава питательных сред:

- выбор оптимального коэффициента использования субстрата для суспензионного культивирования клеток ВНК-21, исключающего гчбель клеток;

- стандартизация оптимального состава питательной среды по величине покомпонентного запаса в ней субстрата;

- конструирование оптимального состава питательной среды на основе данных о коэффициентах метаболизма компонентов субстрата;

- балансировка субстрата на заданную плотность биомассы по удег.ышм ростовым свойствам компонентов;

- подбор олтимального соотношения сыворотки и АВК в субстрате методами факторного анализа и планирования эксперимента.

5. Выполнена оптимизация по критерию "производительность" аппарата периодического действия при циклическом режиме культивирования клеток ВНК-21. Установлено, что оптимальной является величина фактора производительности, равна;! 0.24, т.е. 96% от максимально возможного значения, котора ^ может быть достигнута при очень частом сливе небольших порций культуры с концентрацией микроорганизмов, равной 0.58(К/(К+1)), что означает, по-существу, переход к непрерывному способу культивирования.

6. Определены оптимальные условия проведения процесса непрерывного кугьтивирования клеток ВНК-21 в батарее из шести аппаратов полного смешения в стационарном режиме. Установлено, что зависимость стационарной производительности многоступенчатой батареи ферментеров по биомассе клеток от коэффициента разбавления О так же, как и для одноступенчатого хемостата, имеет экстремальный характер, а максимум производительности батареи культиваторов, состоящей из разного числа ступеней, достигается при различных Б.

7. Исходя из обобщенного уравнения ассимиляции субстрата сформулирован общий принцип управления составом культуральной жидкости, что позволило предложить три

способа регулирования концентрации растворенного кислорода в культуральной жидкости при росте популяции клеток ВНК-21.

8. В ходе реконструкции промышленной линии противоя-щурной вакцины на Покровском заводе биопрепаратов реализованы следующие мероприятия:

- выданы рекомендации по выбору наиболее эффективных способов оптимизации и регулирования режимных параметров в процессах культивирования клеток ВНК-21;

- выполнена модернизация конструкций аппаратов для суспензионного культивирования клеток ВНК-21 (замена приводов мешалок на более эффективные - магнитные и виброприводы, усовершенствование конструкций мешалок, более эффективная система аэрации и др.);

- разработана более эффективная программа и методика испытания цеха питательных сред;

- создана новая программа и методика испытаний межаппаратных и межучастковых связей ATJ1 и др.

Список работ по теме диссертации:

1. Н.М.Урванцев, В.Г.Клюев. Автоматическая система управления процессом культивирования клеток животных. Научно-техническая конференция: ВНИИВВиМ, г. Покров. Сентябрь 1473 г.

2. Н.М.Урванцев, Д.Е.Сухин, В.Г.Клюев, В.И.Соколов. Аппарат для культивирования тканевых культур. Авторское свидетельство № 579302. Зарегистрировано 14 июля 1977 г.

3. Г.А.Сафонов, В.Г.Клюев, Т.А.Калинина. Крупномасштабное культивирование клеток и вирусов млекопитающих, автоматизация и механизация производства противоящурных вакцин: нучная конференция: тезисы докл.. Покров. 6 июня 1986 г.

4. Г.А.Сафонов, П.А.Гембицкий, О.Ю.Кузнецов, В.Г.Клюев, Т.А.Калинина, А.В.Родионов. Способ получения дезинфицирующего средства. Заявка № 4341526. Зарегистрирована 12 марта 1993 г.

5. П.С.Апатьев-Рященко, В.Д.Савве, В.И.Попов, Н.М.Урванцев, В.Г.Клюев. Аппарат для разделения клеточных суспензий. Авторское свидетельство № 79817. Зарегистрировано 5 июня 1974 г.

6. В.Г.Клюеь. Оптимизация производства противоящурной вакцины: Научно-техническая конференция: Тез.докл.. г.Щелково, ВНИИБиТБП. Май 1995 г.