Устройство для определения кинетических коэффициентов биохимической реакции

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ -- КИНЕТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, содержащее блок умножения , сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому ВХОДУ первого сумматора линейного отклонения, и генератор линейно изменяющегося напряжения , ВЫХОД которого через первый функциональный преобразователь подключен к второму ВХОДУ первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения , -ВЫХОД которого через первый масштабирующий блок подключён к первому ВХОДУ интегратора суммарного отютонения, выход которого является ВЫХОДОМ устройства,- отличающее с я тем, что, с целью повьппения точности и скорости определения параметров биохимической реакции, в него введены четьфе инвертора, блок дифференцирования концентраций биомассы , блок задания значения полунасыщения , блок деления, интегратор концентрации субстрата, второй сумматор линейного,-отклонения, второй блок вычисления квадратичного отклонения, второй, третий, четвертый , пятый и шестой масштабирукнцие блоки, квадратор и второй функциональный преобразователь, вход и выход которого подключены соответственно к ВЫХОДУ генератора линейно изменяющегося напряжения и к первому входу второго сумматора линейного отклонения , ВЫХОД которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами второго блока вычисления квадратичного отклонения, выход коi торого через второй масштабирующий блок подключен к второму входу интегратора суммарного отклонения, выход интегратора концентрации биомассы соединен с первым входом блока умножения , через пятый масштабирующий блок - с первым своим ВХОДОМ и через инвертор - с вторым входом блока умножения и входом блока дифференгщtC рования концентрации биомассы, выход N(iik которого через третий масштабирующий блок подключен к входу интегратора 00 4 концентрации субстрата, вь1ход которого соединен с первым входом суммато00 ра, вторым ВХОДОМ второго сумматора линейного отклонения, первым входом квадратора и через инвертор - с входом делителя блока деления и вторым ВХОДОМ квадратора, выход которого через четвертый масштабирующий блок .подключен к второму входу сумматора, :ВЫХОД которого соединен с входом делимого блокаделения,ВЫХОД которого через шестой масштабирукмций блок подключен к третьему входу блока умножения, выход блока задания значения полунасыщенйя соединен с третьим входом cyMf iaTopa.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

MUWI

РЕСПУБЛИН..SU„„31 зар G 06 G 7/60

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

IlO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

У вЂ”,,...:.1 Й

"Уе1, 1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3508540/24-24 (22) 15. 10. 82 (46) 15. 11.84. Бюл. У 42 (72) А.А.Арзамасцев (53) 681.333(088.8) (56) 1. Луценко В.А., Финякин Л.Н.

Аналоговые вычислительные машины в химии и химической технологии. M.

"Химия", 1969, с. 99.

2. Кафаров В.В., Винаров А.Ю., Гордеев П.С. Иоделирование биохимических реакторов. M. "Лесная промьппленность", 1979, с. 49-50 (прототип).,(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ . КИНЕТИЧЕСИП КОЭФФИЦИЕНТОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, содержащее блок умножения,сумматор, интегратор концент-! рации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого сумматора линейного отклонения, и гене-. ратор линейно изменяющегося напряжения, выход которого через первый функциональный преобразователь подключен к второму входу первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения, выход которого через первый масштабируюший блок подключен к первому входу интегратора суммарного отклонения, выход которого является выходом устройства,. о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности и скорости определения параметров биохимической реакции, в него введены четыре инвертора, блок дифференцирования концентраций биомассы, блок задания значения полунасьпцения, блок деления, интегратор концентрации субстрата, второй сумматор линейного. отклонения, второй блок вычисления квадратичного отклонения, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабирующие блоки, квадратор и второй функциональный преобразователь, вход и выход которого подключены соответственно к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения и к первому входу второго сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами второго блока вычисления квадратичного отклонения, выход которого через второй масштабирующий ® блок подключен к второму входу интегратора суммарного отклонения, выход интегратора концентрации биомассы соединен с первым входом блока умножения, через пятый масштабирующий блок — с первым своим входом и через инверч ор — с вторым входом блока умножения и входом блока дифференцирования концентрации биомассы, выход ) которого через третий масштабирующий блок подключен к входу интегратора концентрации субстрата, выход которого соединен с первым входом сумматора, вторым входом второго сумматора линейного отклонения, первым входом квадратора и через ийвертор — с входом делителя блока деления и вторым входом квадратора, выход которого чеpcs четвертый мас1птабирующий блок подключен к второму входу сумматора, выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого через шестой масштабирующий блок подключен к третьему входу блока умножения, выход блока задания значения полунасыщения соединен с третьим входом сумматора.

1124343

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при исследовании протекания биохимических реакций в микробиологической, ферментной, спир- 5 товой, пищевой и других отраслях промышленности, а также при исследо ванин процессов биологической очистки сточных вод.

Известно устройство для определе- 10 ния константы скорости химической реакции, содержащее последовательно включенные потенциометр и интегратор, один выход которого подключен к потенциометру, а другой — к входу сум- 15 матора (1 j.

Однако данное устройство не позволяет определять кинетические коэффициенты при би зхимической реакции,что делает невозможным его использование 20

1 в укаэанном случае.

Наиболее близким к изобретению является устройство для определения кинетических коэффициентов биохимической реакции, содержащее блок ум- 25 ножения, сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого сумматора линейного отклонения и генератор линейно изменяющегося напряжения,50 выход которого через первый функциональный преобразователь подключен ко второму входу первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения, выход которого через первый масштабирующий блок подключен к первому входу интегратора суммарного отклонения, 40 выход которого является выходом устройства. Кроме того, устройство содержит ряд усилителей 2 ).

Однако указанное устройство позволяет пОдобрать лишь два кинетических 45 коэффициента и р в простом уравнении Вольтерра

),

dx 2 — = EX =p X (1)

dt

50 где Х вЂ” концентрация клеток микроорганизма; — максимальная скорость роста микроорганизмов в отсутствие взаимовлияния, 4

P — коэффициент взаимовлияния.

Уравнение (1) не нашло широкого применения в микробиологической практике, так как в него не входят по крайней мере следующие факторы, необходимые при исследовании биохимической реакции: экономический эффект, показывающий использование субстрата; зависимость. скорости роста от концентрации субстрата (подобная зависимость существует для всех микроорганизмов) 1 коэффициент, учитывакиций отмирание части микроорганизмов, что особенно важно учитывать при больших временах пребывания микроорганизмов в аппаратах и неблагоприятных условиях их культивирования.

Наиболее точно описывают поведение микробной популяции, уравнения

=pi k Х; (2) =/(); (з)

d5 1 dX

dt Y d<

1 (4-) где Х вЂ” концентрация биомассы микроорганизмов, г/л, 5 — концентрация субстрата, г/л, и. — удельная скорость роста, 1/ч, К,1 — фактор отмирания микроорганизмов, 1/ч

Y — экономический коэффициент, г/r .

Точность описания экспериментальных данных уравнениями (2) — (4) во многом зависит от выбора типа зависимости (3). Наиболее удобной является уравнение Эндрюса

+(e) =P +К +KG

5 которое учитывает как лимитирование скорости роста микроорганизмов недостатком субстрата 6, так и ее ингибирование избытком субстрата. В л э гом уравнении м. — максимальная удельная скорость роста, 1/ч; Кэконстанта полунасыщения, г/л; К— константа, л/г.

Уравнение (5) хорошо еще и тем, что при К=О оно автоматически переходит в часто применяемое в микробиологической практике уравнение Моно (6) и является таким образом его более общим случаем. ()= -— л

5+К

4343 з, 112

Данное устройство позволяет быстро производить вычисление кинетичесл ких констант +, К, у, K и Ко в часто. употребимых в энзимальной кинетике уравнениях (2), (3), (4), урав- 5 нение (3) имеет при этом вид (5), которые наиболее точно характеризуют систему микроорганизмы — субстрат.

Целью изобретения является повыше10 ние точности и скорости определения кинетических коэффициентов биохимической реакции.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для определения ки15 нетических коэффициентов биохимической реакции, содержащее блок умножения, сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого суммато20 ра линейного отклонения, и генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого через первый функциональный преобразователь подключен к второму входу первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения, выход которого через первый масштабирующий блок подключен к первому входу интегратора суммарного отклонения, выход которого является выходом устройства, введены четыре инвертора, блок дифференцирования концентрации биомассы, блок задания значения полуна- З5 сьпцения, блок деления, интегратор концентрации субстрата, второй сумматор линейного отклонения, второй блок вычисления квадратичного отклонения, второй, третий, четвертый, пятый и 40 шестой масштабирующие блоки, квадратор и второй функциональный преобразователь, вход и выход которого подключены соответственно к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения и к первому входу второго сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами второго блока вычисления квадратичного от- клонения, выход которого через второй масштабирующий блок подключен к второму входу интегратора суммарного отклонения, выход интегратора концентрации биомассы соединен с первым 55 входом блока умножения, через пятый масштабирующий блок — с первым своим входом и через инвертор — с вторым входом блока умножения и с входом блока дифференцирования концентрации биомассы, выход которого через третий масштабирующий блок подключен к входу интегратора концентрации субстрата, выход которого соединен с первым входом сумматора, вторым входом второго сумматора линейного отклонения, с первым входом квадратора и через инвертор — с вхоцом делителя блока деления и с вторым входом квадратора, выход которого через четвертый масштабирующий блок подключен к второму входу сумматора, выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого через шестой масштабирующий блок подключен к третьему входу блока умножения, выход блока задания значения полунасьпцения соединен с третьим входом сумматора.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 — графики концентраций биомассы и субстрата.

Устройство содержит (фиг ° 1) интегратор 1 концентрации биомассы, пятый масштабирующий блок 2 (задания фактора отмирания микроорганизмов),блок 3 умножения, первый сумматор 4 линейного отклонения, инвертор 5, блок Ь дифференцирования, третий масштабирующий блок 7, интегратор 8 концентрации субстрата, сумматор 9, инвертор 10, второй сумматор 11 линейного отклонения, квадратор 12, четвертый масштабирующий блок 13, блок 14 задания значения полунасыщЕеияя, блок 15 депения, шестой масштабирующий блок 16 (задания максимальной удельной скорости роста), генератор 17 линейно изменяющегося напряжения, первый и второй функциональный преобразователи 18 и 19, в которых аппроксимируются экспериментальные концентра- ции биомассы и субстрата соответственно, второй блок 20 вычисления квадратичного отклонения, инвертор

21, первый масштабирующий блок 22, интегратор 23 суммарного отклонения, второй блок 24 вычисления квадратичного отклонения; инвертор 25 и второй масштабирующий блок 26.

Интеграторы 1 и 8 служат для решения уравнения (2) и (4). На них выставляются начальные значения концентрации биомассы Х и субстрата 5

Интегратор 23 служит для вычисления функции невяэки.

Блоки 2, 7, 13 служат для установки и подбора численных значений кинетических параметров К, 1/У, .К. . 5

Блоки 14 и 16 служат для установки и подбора численных значений константы полунасыщения К и максимальл ной удельной скорости роста р..

Блоки 22 и 26 служат для установки в зависимости от концентраций субстрата и биомассы весовых коэффициентов р„ и

Устройство работает следующим об разом.

Экспериментально полученные значения концентраций биомассы микроорганизма Х " " (4) и субстрата& с (Ф), для которых необходимо получить чис-. ленное значение кинетических пара. л метров а, Ка, Y К, К, набираются как функции времени на функциональных блоках 18 и 19 соответственно. На интеграторах 1 и 8 выстанавливаются начальные значения концентрации биомассы Х- и субстрата 5 . С помощью бло» ков 2, 7, 13, 14, 16 устанавливаются начальные приближения соответствующих

Кинетических параметров (берутся иэ итературных источников, а если тако

ых нет, то устанавливаются произвольно) . Блоками 22 и 26 устанавливаются весовые коэффициенты ф„ и р таким образом, чтобы выполнялось со-, отношение .35

- Эксп эксп

2 Х.1124343 б где S и Х " - cpepíèå экспери— уксус эксп ментальные значения концентраций субстрата и биомассы, определяемые из соотношений и . g зацеп $ 3Kctl

| (7l ,и -«„

tl

-9 ctt q . уксус

Х = — . X., (я1,. пf1 3 где j 1,п номер экспериментального значения, .и — максимальное число экспериментальных значений.

На схему подается питающее напряжение. Устройство работает в ечение времени Ф 4(0|Т), .где Т -, макси- мальное замасштабированное время в экспериментальных данных (фиг.2). По истечении времени Т замеряется напря жение на выходе интегратора 23.

Естественно что из-за несоответ-.

1 ствия X(t) и Х "с" (Ф), а также S (Ф,} и5 "с" (g) напряжение иа выходе интегратора 23 равно некоторому 9, отличному от нуля. Последовательным вращением ручек потенциометров блоков

2, 7, 13, 14, 16, каждый раз включая устройство, добиваются наименьшего значения напряжения V, что соответствует наилучшему описанию кинетики л

5 | )) которые соответствуют настройкам потенциометров.

Таким образом, предлагаемое устройство за счет введения новых блоков, и связей между ними позволяет подобрать кинетические параметры биохимической реакции, наиболее точно характеризующие протекание процесса.

1124343

Составитель А.Яицков

РедактоР С;Тимохина ТехРед M.ÊÓçüìà КоРРектоР А.0бруцар

Заказ 8284/40 Тираж 698 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4