Устройство для определения скорости выделения тепла микроорганизмами

 

Использование: микробиологическая промышленность, устройства для определения скорости выделения тепяа микроорганизмами . Сущность изобретения: устройство содержит проточную измерительную камеру 1, снабженную измерителями температуры, установленными на входе и выходе камеры и связанными с измерительными усилителями 2 и 3, содержит дополнительный вычислительный блок, индикатор 6, блок 7 компараторов, блок 8 управления, тактовый генератор 4, счетчик 9, преобразователь 10, стабилизатор 14 обо- -ротов, осуществляющих измерение дифференциальной температуры и управление электродвигателем 13 перистальтического насоса 12, содержит датчик 11 растворенного кислорода для блокирования измерения при лимитации роста кислородом, установленный на выходе измерительной камеры, и вычислительный блок 15 для вычисления физического значения тепловыделения микроорганизмов Культуральную жидкость из ферментера перистальтическим насосом 12 прокачивают через измерительную камеру 1 и датчик 11. Дополнительный вычислительный блок 5 рассчитывает дифференциальное значение температур культуральной жидкости на входе и выходе измерительной камеры 1, при этом обеспечивая высокую точность из-за внесения им поправки, учитывающей нестабильность скорости прокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру. Данные из дополнительного вычислительного блока, блока управления вводятся в вычислительный блок. где вычисляется скорость тепловыделения 8 ил , 3 табл. сл а о сл

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)л С 12 М 1/36

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

"1 ИНСТИТУ

ЛQPHOM г" гЭСТИ (ЛТБ иа

1 (21) 4796882/13 (22) 08.01,90 (46) 30.07.92, Бюл, ¹ 28 (71) Всееоюэный научно-исследовательский институт прикладной энэимологии . (72) С,С,Василяускас, В.П,Пумпутис, С.Л.Григишкис, У.З,Виестур, К.Л.Вилутис и

В.-Ç.Â.Áàùêèñ (53) 536.6(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1535891, кл. С 12 М 1/36, 1987.

Шмелев OR и Прокопьев В,И. Кварцевый измеритель температуры, — "Прйборы и техника эксперимента", 1985, N 5. с. 209210. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ. ОПРЕДЕЛЕНИЯ

СКОРОСТИ ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛА МИКРООРГАНИЗМАМИ (57) Использование, микробиологическая промышленность, устройства для on ределения скорости выделения тепла микроорганизмами. Сущность изобретения: устройство содержит проточную измерительную камеру 1, снабженную измерителями температуры, установленными:на входе и выходе камеры и cB5l3BHH6tMvt с измерительными усилителями 2 и 3, содержит дополнительный вычислительный блок, „„5U „„1751195 А1

2 йндикатор 6, блок 7. компараторов, блок 8 управления, тактовый генератор 4, счетчик

9, преобразователь 10. стабилизатор 14 обо» ротов, осуществляющих измерение диффе ренциальной температуры и управление электродвигателем 13 перистальтического насоса 12, содержит датчик 11 растворенно.го кислорода для блокирования измерения при лимитации роста кислородом, установ- ленный на выходе измерительной камеры, и вычислительный блок 15 для вычисления физического значения тепловыделения микроорганизмов. Культуральную жидкость иэ ферментера перистальтическим насосом 12 и рокачивают через измерительную камеру 1 и датчик 11, Дополнительный вычислительный блок 5 рассчитывает дифференциальное значение температур культуральной жидкости на входе и выходе измерительной камеры 1, при этом обеспечивая высокую точность из-за внесения им поправки, учитывающей нестабильность скорости и рокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру. Данные из дополнительного вычислительного блока, блока управления вводятся в вычислительный блок. где вычисляется скорость тепловыделения.

8 ил., 3 табл.

1751195

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для контроля процесса культивирования микроорганизмов, клеток человека и животных. 5

Известно устройство для определения скорости выделения тепла микроорганизмами вжидких средах,,используя для этого проточную камеру, снабженную дифференциальным измерителем температуры, один 10 конец которого расположен на входе, а другой конец — на выходе камеры, Для индика- . ции физического значения скорости выделения тепла микроорганизмами устройство снабжено индикатором, также 15 снабжено системами регулирования прокачивания культуральной жидкости и вычисления физического значения скорости выделения тепла микроорганизмами. Для блокирования вычислений при лимитации 20 роста мйкроорганизмов кислородом, на выходе измерительной камеры установлен датчик растворенного кислорода. Скорость прокачивания культуральной жидкости регулируется системой регулирования прока- 25 чивания путем измерения оборотов электродвигателя перистальтического насоса.

Недостатком данного устройства является то, что при измерении дифференциал ь- 30 ным термодатчиком, установленным на . проточной камере, перепад. температур на

"входе и на выходе из камеры йз-за нестабильной скорости прокачивания, а также изза определенной нестабильности 35 температуры культуральной жидкости не соответствует истине и приводит к ошибкам измерения.

Целью изобретения является увеличе-. ние точности измерения тепловыделения 40 культуральной жидкости.

Для достижения этой цели известное устройство снабжено дополнительным вычислительным блоком, к первому и к второму входам которого подключены 45 измерительные усилители,к входам которых

"- -: подключены датчики температуры, измеряющие соответственно температуру на входе .и на выходе измерительной камеры, а к третьему входу дополнительного вычисли- 50 тельного блока подключен промежуточный выход стабилизатора оборотов электродвигателя перистальтического насоса. выход дополнительного вычислительного блока, к 55 блоку компараторов и к индикатору.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2 — 8 — схемы функциональных блоков устройства.

Устройство содержит проточную измерительную камеру 1, снабженную иэмерите- . лями температуры, установленными на входе и на выходе камеры и связанными с измерительными усилителями 2 и 3, содержит дополнительный вычислительный блок 5, индикатор 6, блок компараторов 7; блок управления 8, тактовый генератор 4, счетчик 9, преобразователь 10, стабилизатор оборотов 14, осуществляющих измерение дифференциальной температуры и управление электродвигателем 13 перестальтического насоса 12, содержит датчик растворенного кислорода 11 для блокирования измерений при лимитации роста кислородом, установленный на выходе измерительной камеры, и вычислительный блок 15 для вычисления физического, значения тепловыделений микроорганизмов.

Устройство работает следующим образом.

После включения устройства блоком управления 8 задаются минимальные обороты перестальтического насоса 12 — минимал ьный йроток культуральной жидкости через измерительную камеру 1, — при слабом росте микроорганизмов потребление кислорода слабое. Лимитация кислородом по всей длийе измерительной камеры 1 не происходит — датчик растворенного кислорода 11 не воздействует на блок управления 8

Дополнительный вычислительный блок рассчитывает дифференциальное значение температур культуральной жидкости на входе и выходе измерительной камеры, при этом обеспечивая высокую точность иэ-за внесения им поправки, учитывающей неста-. бильность скорости прокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру., При интенсификации роста микроорганизмов уровень дифференциальной темпе ратуры растет. При достижении заданного значения обороты перистальтического насоса 12 увеличиваются, соответственно увеличивается скорость прокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру 1, дифференциальный уровень температуры уменьшается. При достижении заданного дифференциального уровня обороты электродвигателя 13 перистальтического насоса 12 стабилизируются.

При снижении микробиологического роста дифференциальный уровень температуры падает. Количество прокачиваемой культуральной жидкости через измерительную камеру 1 уменьшается, дифференциальный уровень температуры растет до среднего уровня. Скорость прокачивания стабилизируется. При черезмерном снижении скорости прокачивания начинается лимитация субстрата кислородом. При

1751195 достижении минимального заданного уров- Частотный сигнал с вйхода 2 поступает ня растворенного кислорода (до 15 ) обо- на стандартный частотомер ф5041 (не покароты электродвигателя 13 растут, зан), имеющий стандартный выход 0-5 мА.. прокачивание культуральной жидкости ин- С частотомера сигнал поступает на вход до тенсифицируется... . 5 полнительного вычислительного блока, ТаВ конце ферментационного процесса ким же образом на второй вход при отмирании микроорганизмов диффе- дополйительного вычислительного блока ренциальный уровень температуры умень- поступает электрйческий сигнал, соответстшается, При падении его ниже вующий температуре культуральной жидкоминимального уровня и при минимальной 10 сти на выходе иэ измерительной камеры. скорости прокачивания выдается звуковой На вход. блока компараторов подается сигнал — это осуществляет вычислительнЫй сигнал уровня дйфференциальной темпераблок 15, одновременно блокируется вычис- туры от дополнительного вычислительного ление тепловыделений вычислительным блока. В зависимости от уровня сигнала (10) блоком 15, также при изменяющихся оборо- 15 (100) (50) блок, компараторов выдает соот-, тах перистальтического насоса 12, неста- ветствующий сигнал на блок управления, бильном прокачивании культуральной Блок состоит иэ трех компараторов ("10", жидкости,: . ., "100", "50 ) и схемы определения полярноРабота дополнйтельного вычислитель- сти. На инвертирующие входы компаратоногоблока5осуществляетсясерийныммик- 20 ров подается опорное напряжение, на ропроцессором, выполняющим неинвертирующие —: сигнал дифференци. разработанную программу, которая разре- ального. значения температуры от дополнишает измерения моментной температуры тельного вычислительного блока (вход "1"). элементарного количества культуральной Компараторы "10" и "100" особенностей не . жидкости на входе ее в измерительную ка-- 25 имеют, сигнал с выхода компаратора 50 чемеру 1 и хранение измеренного значейия реэ дифференциальную цепь подается на температуры, в зависимости от скорости входсхемы автоматическогойэмерения floпрокачивания культуральной жидкости че- . лярности. рез измерительную камеру рассчитывает Схема автоматического определения время прохождения элеменгарного количе- 30 полярности работает следующим образом, ства культуральной жидкости от точки изме- Параллельно инвертирующему входу рения температуры на входе в операционного усилителя (ОУ) подключен измерительную камеру да точки измерения канал полевого транзистора, на затвор котемпературы на выходе иэ измерительной торого подается сигнал с выхода ОУ, вследкамеры через рассчитанный интервал вре- 35 ствие чего ОУ является инвертирующим для мени,осуществляетразрешениеиэмерения положительного сигнала и неинвертируюмоментной температуры элементарного ко- . щим — для отрицательного. Иа транзисторе личества культуральной жидкости на выхо- и микросхеме собран формирователь ТТЛ де из измерительной камеры 1 и хранение уровня, измеренного значения температуры, произ- 40 Сигналы,из блька компараторов, измеводит математическое суммирование хра- рителя кислорода, схемы определения понимых значений температур, измеренных лярности генератора тактовых импульсов .. на входе и выходе измерительной камеры 1, подается соответственно на входы "2, 3, 4, передачу рассчитанного дифференциально- 5, 6". блока управления (фиг. 4). Из выхода го значения температурна вычислительный 45 "7" блока снимается сигнал блокировкисхеблок 15, на блок компараторов 7 и индика- мы измерения тепла, из выходов "8" и "9" —. тор 6, тактовые импульсй для работы реверсивноРабота функциональных блоков устрой- го счетчика, ства — измерителя температуры, измери- Блок работает следующим образом, тельного усилителя (фиг. 2) — 50 Сигналы из компараторов поступают осуществляется следующим образом. на схему сравнения (вход "2", "3") и в зави-.

Датчик температуры в виде резойатора симости от сочетания сигналов на входесхевключен в цепь эмиттера первого транзи- мы сравнения на выходе формируется лог стора широкополосного усилителя по схеме "0" или "1", которые подаются на тактовые токового зеркала. Температура среды пре- 55 входы триггеров. Из выхода этих триггеров образуется в частоту кварцевого резонато- снимаются сигналы, разрушающие прямой ра, включенного в цепь эмиттера или обратный счет счетчика, триггер и зле. широкополосного усилителя с положитель- мент2И-НЕ управляетподачейтактовыхимнойобратнойсвязью и автоматическим ре- пульсов (вых. 8) на вход прямого счета, в гулированием усиления, другой триггер и элемент 2И-НŠ— на вход

30

55 обратного счета счетчика (вых. 9). Для выхода "7" элемент 2И-НЕ формирует сигнал блокировки схемы измерения тепла по состоянию триггеров и, если один из триггеров находится в нулевом состоянии (происходит изменение оборотов насоса), блокируется схема измерения выделения тепла, На вход реверсивного счетчика (фиг; 5) из блока управления подаются тактовые импульсы генератора: на вход "1" для прямого счета, вход "2" — для обратного счета, На выходы счетчика поступает сигнал в двойном коде. Сам счетчик состоит из двух 4-разрядных реверсивных счетчиков и трех элементов 2И-HE для блокировки счетчика

"0" при конечном значении счета..

Генератор тактовых импульсов (фиг, 6) представляет собой несимметричный мультивибратор, состоящий из мультитранзистора и элементов 2И-НЕ, На двух элементах 2И-HE и конденсаторе С2 собран формирователь импульсов для нормальной работы счетчика, Выходящие сигналы счетчика поступают на входы "1"..."8" цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (фиг. 7) на базы транзисторных ключей, управляющих электромагнитными реле. Контакты реле в зависимости от выходного кода счетчика коммутируют резисторную матрицу, управляющую работой стабилизатора частоты вращения электродвигателя насоса.

Стабилизатор частоты вращенйя насоса (фиг. В) состоит из оптоэлектронного датчика частоты вращения, усилителя ограничителя, выполненного на операционном усилителе, С-gunbtpa низких частот с формирователем управляющего напряжения, выполненного на третьем операционном усилителе и узла регулирования напряжения на электродвигателе, выполненного на транзисторе обратной проводимости. При работе электродвигателя на выходе оптодатчика появляются импульсы, частота которых зависит от частоты вращения вала электродвигателя, Данные импульсы также поступают на вход вычислительного блока (вых. 2). Далее они усилителем-ограничителем преобразовываются в импульсы прямоугольной формы, которые поступают в частотный дискриминатор.

С-фильтр с формирователем управляющего напряжения формирует постоянное напряжение, величина которого обратно пропорциональна частоте вращения вала электродвигателя, Это напряжение поступает в базу транзистора, выполняющего функцию регулятора тока электродвигателя.

Этот ток меняется в зависимости от частоты вращения электродвигателя и тем самым поддерживает постоянные обороты на валу электродвигателя насоса. Эти обороты при надобности меняются изменением напряжения смещения, поступающего на вход "1" операционного усилителя блока формирования управляющего напряжения. Напряжение смещения формирует ЦАП, который меняет сопротивление резисторного делителя, при помощи резисторного делителя меняется и напряжение смещения, которое и задает нужные обороты электродвигателя насоса. Блок вычисления не показан и не описан, так как им является серийный микрОпроцессор, который выполняет возлагаемые функции по разработанной программе.

При изменении скорости тепловыделений анаэробных микроорганизмов, датчик р02 отключается и поправки скорости насоса по нему не производятся.

В табл. 1-3 приведены сравнительные экспериментальные данные измерения дифференциальной температуры, характеризующие влияние нестабильности прокачивания перистальтического насоса, применяя предлагаемое устройство и устройство-прототип при выращивании в хемостате культуры Pseudomonap

Применяя предлагаемое устройство, точность измерения дифференциальной температуры при максимальных значениях и соответственно точность расчета тепловыделений микроорганизмами на 9...10% выше, чем при измерении способом-прототипом, Увеличение на 10% точности позволяет определить с более высокой точностью характер роста культуры, при управлении процессом культивирования сократить себестоимость продукции из-за более точного определения времени и потребности подпитки, Формула изобретения

Устройство для определения скорости выделения тепла микроорганизмами, содержащее проточную измерительную камеру, снабженную дифференциальным измерителем температуры, один чувствительный элемент которого расположен на входе, а другой — на выходе камеры, усилитель, вход которого соединен с выходом . дифференциального измерителя температуры, последовательно соединенные блок компараторов, блок управления, счетчик, цифроаналоговый преобразователь, регулятор числа оборотов, электродвигатель и перистальтический насос, подключенный к измерительной проточной камере, на выхо1751195

Таблица t

Зависимость точности измеряемой дифференциальной температуры от нестабильности прокачивания культуральной жидкости (измерялось методом прототипа) .

Таблица 2

Зависимость точности измеряемой дифференциальной температуры от нестабильности прокачйвания культуральной жидкости (измерялось предлагаемым устройством) .Таблица 3

:t

Сравнительные данные измерения дифференциальной температуры предлагаемого устройства и прототипа де последней установлен блок растворенного кислорода, подключенный к одному иэ входов блока управления, к другому входу которого подсоединен тактовый генератор, вычислительный блок физического значения тепловыделений микроорганизмов, к одному из.входов которого подключен регулятор числа оборотов электродвигателя пе ристальтического насоса, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что. с целью повышения точности, оно снабжено дополнительными вычислительным блоком для определения дифференциального значения температур культуральной жидкости и усилителем, при этом чувствительные элементы дифференциального измерителя температуры через соответствующие усилители подключены к первому и второму входам дополнительного вычислительного блока для определения

5 дифференциального значения температур культуральной жидкости, к третьему входу посредством промежуточного выхода подсоединен регулятор числа оборотов электродвигателя перистальтического насоса. а

10 выход дополнительного блока для определения дифференциального значения температур связан с индикатором, блоком компараторов и вычислительным блоком физического значения тейловыделений мик15 роорганизмов.. . г--, .

1751195

Фиг 4

1751195

V/:

Составитель С. Василяускас

Редактор Н, Швыдкая Техред М.Моргентал Корректор Н. Король

Заказ 2664 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагаринз. 101