Устройство для изучения энергетического обмена у животных

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

Опубликовано 05,11,79. Бюллетень .% 41

Дата опубликования описания 1 0 1 1,7 9 (51)М. Кл.

А 01 К 1/02

Гесудврственный наннтет

СССР на делам нэоорвтвннй н атхритнй (5З) "Д 612.015. .3 (088,8) (72) Авторы изобретения

А. Ф. Глуцкнй и В. Л. Скачко (7!) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

У ЖИВОТНЫХ

Изобретение относится к области биологии и может быть использовано для последования процессов энергетического обмена у мелких животных методом прямой и непрямой калориметрии.

Известно устройство для изучения энергетического обмена умелких 1кивотных, имеющее сложную систему измерения тепловых потоков, а также термобатареи для контpons температуры стенок калориметра P).

Для учета тепла, удаляемого из устройства при вентиляции, производится градуировка калориметра. Количество влаги, выдыхаемой животным, HBxogBT при помощи влагомера, определяющего температуру "точки

pocb>", либо с использованием серной кислоты, поглощающей влагу из воздуха, Сле. дует отметить, что в случае применения влагомеров, работающих по принципу

"точки росы", предъявляются высокие требования к состоянию измеряемого воздуц ного потока: наличие в воздухе пыли и других механических примесей значительно снижает точность работы влагомера. При использовании же серной кислоты проводят дополнительные операции цля опрецеления количества поглощенной влаги н принимают меры безопасности. Устройство снабжено емкостью для сбора экспериментов, расположенной в нижней части калориметра.

Разделение экскрементов не производится.

Известное устройство имеет сложную систему измерения н управлення иэ-за необходимости учета илн компенсации наружных теплопрнтоков. Отсутствие систем разделения экскрементов, выделяемых животным, не позволяет проводить поактный анализ экскрементов, необходимый для изучения и учета интересующих метаболнтов. Отсутствие HoHHsBTopB воздуха приводит к ухудшению физиологического состояния подопытного животного, Описанное устройство не позволяет провопить длительные эксперименты, которые необходимы прн биологических исследованиях.

605625

Цогхьхх> ххзобретеххия является повьхшеххххе точности исследования энергетического обмеххе у >кххвотххьхх.

Поста;-. г?.>?::хея ххель достигается тем, ч х p к а?А Рр е, в еотох>Г>й находится и Одо пытное живот?>ос. имеет вептилируемую воздушнухс руба?пку, в которой установлена перегородке «= образованием сообщающихсх:, ме>::.цу сх>1-. х>й секций„В вентилируемую рубахшху II: камеру подается воздух одинаковой темпера гуры, IIpix этом расход через рубашку у?-.Теневливеется таким, что изменеххие температуры воздуха в прослойке зе счет теплообмена с окружающей средой рев»о изменению температуры возх?ухе в

15 кемере зе c=òpI тегхповыделений подопытноrO жИВХ>тцс;: O. 8 poзуп»ТЕТЕ Срэдняя раЗность г: >ларату?з воздухе в рубашке и кемере резце нулхо,. что исключает проникновение тех?7>а иэ окх>ужаюхххей среды через вентилируему>о руба>нку в камеру.,?1?>я тol о -хтобы колебания температуры охр»жеющеи среды не оказывали влияния

25 на темпера "уру в вентилируемой рубе ххке, камере им,ет вторую вентилируемую секцию, охватываюпухо камеру и первую секцихо, Вех>т>х>хпххххя этой секции осуществляo1 ся воздухом, покидахощим первую вентиЗо

7?ируе?.ху>с секцию., Я>хя обеспечения равенстве темпоретур пе входе в камеру и гхеовую сек цию цирк ч>хируюхххххйх через hHx воздух смехцххвеется и подвергается соЕ мест пой тепловой обработке. Благодаря

35 этому удается упростить систему регулирования > стройстьа, т.е, исключить автоматическое слежение зе температурой сте,нок камеры, сопоставление ее с температ :х>ой внy> pH камеры H выдачу х<оменх1 со 40 ответств гхохц?х? г исполнительным механизмом, При этом производится контроль

àе температурой воздушного потока, что .Iåã .:.Iåò процесс измерения, выбор и установку измерительных устройств.

Удаление и разделение экскрементов производится при помощи подвижного ло- г? е камеры„представляхощего собой ленту

Х,например„из алхомххниевой фольги) с на50 несенным на ее поверхность сорбентом, применяемым в тонкослойной хроматографии (ххеприххер, целлюлозой, окисью алюмиххххя). Жицкххе экскременты, попадая не пол ххОг лх>х??ехотся сорбентОм. ПОсле ке>х(Э 55 г;,ого акта ленте сообщается движение и участок ле?хтьх с впитавшим в себя жидкие зкскрем н>ты сорбентом скатьхвается х, pyIIO>I; »>PpIIIIIe хсе экскременты при 4 движении ленты-попа ссыпак>тся на бумажную полосу, которая вместе с находящимися на ее поверхности твердыми экскрементами сворачивается в рулон. В итоге появляется возможность ггроизводить

I поактный анализ жидких и твердых экскрементов. Для длитегхьного содержания животного в искусственных условиях без нарушения его физиологического состояния на входе воздуха в камеру устанавливается ионнзетор воздуха, генерирующий легкие отрицательные аэроионы, которые необходимы для нормальной жизн деятельности животного, На фиг. 3. приведе-Ia структурная схема устройства для изучения энергетического обмена у подопытных животных; на фиг. 2 — диаграмма, отражающая изменение воздуха в устройстве.

Устройство содержит камеру 3., окруженную двумя вентилируемыми секциями

2 и З, представляющими собой замкнутые полости, образованные стенками 4 камеры 3, промежуточными перегородками 5 и неружньгми ограждениями 6.

Йруг с другом секции сообщаются через отверстие 7. ?- целью освещения камеры

3. и наблюдения зе подопытными животными стенки 4, перегородки 5 и ограждения 8 выполнены из прозрачного материала, например органического стекла, х амера 3-., перегородки 5 и ограждения 6 имеют съемные крышки, что Обеспечивает доступ внутрь камеры, х-хиркуляция воздуха в устройстве осуществляется по двум контурам х и П. В состав контура 3, по котОрому производится вентиляция камеры 3, входят: камера 3., расходомер В, Осушитель 9, обводная линия 3.0 с соленоидным вентилем

3.3, побудитель 3.2 расхода воздухе реУ гулировочный вентиль 3., Охлаждающий змеевик 34-, электронагреватель 15, вентиль l6, ионизетор 3 х воздуха. х..>сушитель 9 заполнен хорошо адсорбирующим влагу веществом, например силикагелем.

Контур 3. имеет также выбросной патрубок 18 с вентилем 3.9 для выпуска части циркулирующего через камеру 3- воздуха в атмосферу. контур I, по которому осуществляется вентиляция секций 2 и Э, включает в себя секции 2 и сХ, побудитель 20 расхода, регулировочный вентиль 2l, охлаждаюпхий змеевик 3. -х, электронагреватель 35, вентиль 22, расходомер 2З.

Для подачи в устройство свежего возду6956 ха контур I I снабжен всасывающим па,— рубком 24 с вентилем 25.

Контуры 1 и 11 имеют общий участок, на котором происходит, смешение воздуха, циркулирующего в обоих контурах. <бщий для двух контуров участок включает в себя охлаждающий змеевик 14 и электронагреватель 15. -хлаждающий змеевик

14 помещен в заполненную водой емкость

26, в которой находится испаритель 27 холодильного агрегата 28. На входе воздуха в камеру 1 и на выходе. из нее установлены "сухие измерители температуры 29 и 30 и мокрые измерители тем с пературы 31 и 32. Измерители температуры 29 и 31, помимо своих основных функций выполняют и дополнительные:

"сухой измеритель 29 управляет холодильным агрегатом 28, а мокрый" измеритель 31 — соленоидным вентилем 11, 20 установленным на обводной линии 10, При помощи измерителей температуры 29 и 31 задается температурно-влажностный режим в камере 1. Температура выходя25 щего из секции 2 воздуха фиксируется измерителем температуры 33.

Подача воздуха на газовый анализ производится, побудителем расхода 34 через регулирующий вентиль 35 и расходомер

36. Воздух через вентили 37 и 38 поступает соответственно к анализаторам кислорода 39 и углекислого газа 40, подвергается анализу и выбрасывается в атмосферу. Контроль газового состава

35 воздуха, поступающего в устройство через всасывающий патрубок 24, производится при помощи анализаторов 41, 42 кислорода и углекислого газа соответственно. На входе воздуха в анализаторы 41 4< и 4.2 установлены вентили 43 и 44, позволяющие отключать соответствующие анализаторы. Подача свежего воздуха кон тролируется при помощи расходомера 45.

При проведении газового анализа необхо-

1: димо определить объем кислорода и углекислого газа в устройстве до опыта и после него. Для этой цели используется гаэоаналиэирующее устройство 46, которое через вентиль 47 присоединяется к go выбросному патрубку 18, Разделение и удаление экскрементов осуществляется при помощи приспособления, состоящего иэ подвижной ленты-пола 48, рулона 49 с неиспользованной лентой, рулона 50 с использованной лентой, двух натяжных роликов 51, отражательного щитка 52, предохранительного

25 6 козырька 53, пасика 54, бумажной ленты 55, смотанной в рулон 56, рулона

57, привода 58, Рулон 56 с намотанной на него лентой 55 и отражательный щиток 52 размещены под кормушкой 59.

Подвижная лента — пол 48 изготовлена из алюминиевой фольги, на поверхность которой нанесен слой твердого сорбента, применяемого в тонкослойной хромато— графин, например целлюлозы, окиси алюминия. Приспособление приводится в действие приводом 58, который включается и выключается вручную.

На j-c3 -диаграмме, отражающей измснение состояния воздуха в устройстве, отрезок O — Ь характеризует увлажнение и нагрев воздуха в камере 1; отрезок Ь вЂ” с — осушение воздуха в осушителе 9; С вЂ” 1< — подогрев воздуха в побудителе 1 2 расхода воздуха; 4 — 5 подогрев воздуха в секцилл 2; Ь вЂ” Г. подогрев воздуха в секции 3; е — $ смешение воздуха. подогревшегося в секциях 2 и 3, с наружным воздухом;

g — 4 — подогрев образовавшейся смеси в побудителе 20 расхода; % — h — смешение потоков, циркулирующих в контурах Х и Г; L — сл — охлаждение обра— зовавшейся смеси в змеевике 14; точка и†состояние воздуха на выходе из змеевика

14 и на входе в камеру 1 и секшпо точка g — состояние смеси, образовавшейся при подогреве в секции 3; точка

E — состояние смеси, образовавшейся при смешении потоков двух контуров Х и II; точка р — определяет "точку росы с температурой, точка И вЂ” характеризует поверхность змеевика 14 с температурой t >, t <, -Ес — соответственно показания сухих" измерителей температуры 29 и 303 м л м 2 соответственно показатели "мокрых" измерителей температуры 31 и 32; показания измерителя температуры 33;

Д вЂ” соответственно влагосодержание воздуха на входе в камеру 1 и на выходе из нее, d < — влагосодержание воздуха после осушителя. 9; л,„

- соответственно энтальпии воздуха на входе в камеру 1 и на выходе из нее.

Воздух, имеющий параметры +с ф gl

d (см. точку oi ), поступает в камеру 1 и в результате воспричтия выделяемого животным тепла и влаги принимает на выходе из нее параметры

1 д,, d< (точка Ь ). Изменение температуры воздуха в результате процесса

95626

7 6

g -! Опро, «=,».,:;ется разностью с

1 а измене:и"о ..пагосодержания — разностью (л г с А . Избытки влаГи, ассимилированБЫ -, ВОЗД . . Ë В ПРОЦЕССЕ С Ъ, ПОГЛО щаются::= .Оущителе 9 в результате чего воздух после осущитепя принимает параметрь1 то-пл с" с влагосодержанием в

-.этой то- ке rl ... Далее воздух засасываетс : побудягтелем 12 расхода и нагревается в пем при постоянном влагосодержаНЯИ i, д г,," С<- П -3 . ) ДО СОСТОЯНИЯ, ОПРЕделя=:мого то=;.кой К„При этом часть . воздуха выбрасывается через патрубок

1В в атмосферу либо поступает к анализаторам кн..:лорода 39 и углекислого гаЗЙ I 0 для ГаЗОВОГО аналиЗа, B OCTBBIOB-яся асть воздуха направляется-на рецнр;-:. гля 1гию,, ве=, титпьруемую секцию 2 воздух по-

„-туггаЕТ тан ко С ПараМЕтраМИ С-, t III с (9 г.-),. (Топка с, ),. (;.ывая промежуточные перегородки 5., воздух воспринимает тепло, !r:pîII. àrBIrIпее из секции 3 в секцию 2, подогревается до состочния, определяемого точкой 5 „ и через отверстие 7 в перегородке 6 поступает в секцию 3, где воспринимает теплопритоки через наружные ггражпезия 6, вследствие чего подогрев ется (процесс 9 — B ). Расход воздуха чере,==: секдию 2 устанавливается таким, и.о изменение температуры в секпи :, ),..;роцесс гЯ вЂ” z ) равно изм не. и о т :,::.Ор-::.-;-ры воздуха в камере 1 (про .есг-. < - Ь ), -.е. температура возду; а - .„ на э:.::ходе из секции 2 равна темпе; . урс 1- с:, выходящего из камеры

:=- оз.,:;ха,,, +. с, В результате сред. я. .,гз:: —:.ос...=. — IIIepaxyp < ср воздуха

;-,-,:,гг гч . г-. -,,„-=,мере равна дуду

О . с-, -c ); (."я+ с 1

- +(.,- - t )- -(6с.+ . )=О.

Сле овательно, и количество тепла л э :-. .7пга1ощее из секцъии 1 в камеру

-через стенки 4: будет равно О:

r = i(Гд,-т. .до =: козффнт иент теплопередачи через с г егпгу 4 о

F — коэффициент теплопередачи через поверхность стенки 4, 7-, Озду. Нодгогретый в ccK1IHRx 2 и .меппжается с наружным воздухом. Обра.-,г;:. авщаяся смесь (см. (g на диаграмме) смешивается с рециркуляционным воз: ухом, ПОГ - г уцаЮщнМ ИЗ КаМЕрЫ 1 . Г аЗО. а.:. Омг-:,.:-;вух контуров 7 и Ц (К вЂ” Ь ) $

Зо

S5 характеризуется параметрами точки причем влагосодержание этой смеси равно влагосодержапию поступающего в камеру воздуха, т.е. d,р = d1

11оложение точки E. на диаграмме j -с) зависит от степени осушения воздуха, циркулирующего через камеру 3, в осушителе 9. Степень осушения в осушителе поддерживается на необходимом уровне (сЗ р = Й g ) "мокрым измерителем температуры 31, который, в зависимости от температуры Е рд„, подает команду на включение или отключение соленоидного вентиля 3 3, направляя поток воздуха либо через обводную линию 10„либо через осушитель 9. В результате воздух после осушителя 9 имеет влагосодержание C) g, необходимое для поддержания

= d„= COIISt

Воздух в состоянии, определяемом точкой 6, направляется в общий для контуров 7 и II участок, содержащий змеевик 14:. В змеевике воздух охлаждается до температуры пс„(см. E — ol ) ..

Температура с „, поддерживается сухим" измерителем температуры 29, который, подавая сигнал IIB включение или

Отключение холодильного агрегата 28, регулирует температуру воды, заполняющей емкость 26. Во избежание конденсации влаги в змеевике 34 поверхность его рассчитывается с таким условием, чтобы тепло, воспринимаемое заполняющей емкость 26 водой в процессе охлаждения воздуха (С вЂ” Ol )), отводилось при температуре поверхности - + < змеевика 3 4, превышающей температуру точки росы

Ьр, т.е. Й „.> ор . После охлаждения в змеевике 14 воздушный поток разветвляется и с параметрами 4: с, t М . с. направляется в камеру 3 и секцию 2.

Цикл повторяется.

На входе воздуха в камеру 1 установлен ионизатор 17 воздуха. Ионизатор предназначен ддя образования легких аэроионов» несущих отрицательный заряд, Наличие отрицательных аэроионов в воздухе, заполняющем камеру 1, необходимо для нормального существования подопытных животных в течение длительного времени.

Изменение параметров воздуха на входе в камеру (точка О ) производится измерителями температуры 29 и 31, что позволяет варьировать параметры воздуха при проведении эксперимента.

Для увеличения влагосодержания 8q используется либо влага наружного воз695625

I0 духа (точка 5 )),, ллииббо о вВллааггаа, выделяемая животным. Если температура окружающей среды ниже температуры в камере Х, термометр 29 переключается на управление электронагревателем 15.

Следует отметить, что наличие общего для воздушных контуров Х и П участка с охлаждающим змеевиком 14 позволяет

1) выполнить устройство экономичным, 1( так как воздух, покидающий ячейки 2 и 3 и имеющий температуру ниже температуры окружающей среды, не сбрасывается в атмосферу, а возвращается в систему

15 циркуляции воздуха;

2) обеспечить равенство температур воздушных потоков на входе в камеру 1 и секшпо 2, что необходимо для Обеспечения нулевой разности температур Ьт-. ю

3) упростить систему управлеигш устройством за счет совместного Охлаждения до температуры т- с„циркулирующего в обоих контурах воздуха;

4) за счет смешения двух воздушных потоков с различным массовым расходом сгладить колебания влагосодержания д.( на входе В камеру 1, вызванные цикличной работой осушителя 9 (соленоидного вентиля 11).

Массовый расход через контур П выше, чем через контур Х (содержащий осушитель 9) . Разность расходов Обусловлена тем, что теплопритоки через Ограждения (контур П) превышают тепловыделения животного в камере (контур Х), и для соблюдения азсср =О в ячейки " и 3 необходимо подавать большее количество воздуха. тЧапример, при внутренних разме- щ рах камеры 10,7х4х0,35 м, тошцине. воздушных прослоек ячеек Д = 0,01 м, температуре Окружатощей среды Ья- 25 С, температурах т;,- =18 С и

2 при этом должна составлять 1=13 м /ч.

Белая мышь выделяет 0,455 ккал/ч. 5о

Чтобы отвести это тепло, необходимо в камеру 1 подавать 1)2= 0,8 м /ч возду3 ха. (przomение т массовых расходов в этом случае равно"; J4 — 3 5 — 3

7.=

/Un

Также с целью уменьшения колебаний влагосодержания д подача свежего возДУХа В УСтРОйСтВО ПтРОИЗВОДИтСЯ ЧЕРЕЗ контур If (патрубок 24).

Разделение и удаление экскрементов подопытного животного происходит следующим образом. Жидкие экскременты, попадая на подвижную ленту-пол 48, поглощаются слоем сорбента, покрывающим ее поверхность. Твердые экскременты, находящиеся на повсрхности ленты-пола 48,, при ее движении доходят до отражательного щитка 52 и по нему скатываются на поверхность бумажной ленты 55, запас которой находится на рулоне 56. Бумажная лента 55 с попавшими на ее внутрентпото ттттверхттосц твердымп .=-кт-нр,=;, ситами сматывается в рулсн 57. Братцение руло— ну 57 сообщается пасиком 54, =.:Uãñ>I-1,1:I, В СВОЮ ОЧЕРЕтть, Ц .ттУ тавт ВТЗатпвипт::. ОтедИНЕНН1 ГO С т- рИВОд ОМ 5 8 руЛ -тпа = 0

Ка рулон 50 наматывается лента-пол 48. ттттоцитаННая жттдт,тт,,ттт ЭКСКрЕМЕНтаМтт, ROA СПОСОб уда тЕНця И раЗдЕЛЕНИя ЭКОКрЕ:мектОВ ПОзволяот производить их анализ поактно, обеспечивая полный сбор выдеЛЕННЫХ ЭКСКРЕ.то .-т, Â И, СЛЕДОВатЕЛЪтто,. более точный учет интересуютцих метаболитов.

КОЛИЧЕСТВО ОШУтИМОГО тЕПЛа, ВЬтДЕЯ— емого животным, определяется по формуле

Q = )"1- ft- -tñ.1 .1 е

ГдЕ 9 — Подана ВОЗдуХа В КаМЕру т, У в ПЛСтНОСт;-.. ВОЗДУХа ПРт: -..Ет-1ПЕРатуре т с

С вЂ” ТЕПЛО М:;:ОСтв Вт;;.-дтуХ;=..

Количество скрытого тепла„выде. я

МОГО жИВОтНЫМ С ВЫДЫХаЕМЫМП ПаРа"ттт, вавно."

Q =т,„"- т.т т- Й,1 тт т где к I — скрытая теплота парообразоваНИЯ ВОДЫ, Расчет потребления Мо кислорода и выделения углекислого газа подопытным животным производится по формуле: где М вЂ” масса анализируемого газа, по1 кинувшего устройство (Определяется при помощи вентиля 38 и анализатора 39);

M - масса анализируемого газа, содержащегося в устройстве пос25

6956

11 ле эксперимента (определяется расходомером 45); — масса анализируемого газа, посту1 пившего в устройство со свежим воздухом (определяется при помощи анализаторов 40 и 41);

hl — масса анализируемого газа, со2. держащегося в устройстве до начала эксперимента (определяется расходомером 45).

Таким образом, изобретение позволяец

1) одновременно проводить опыты по прямой и непрямой калориметрии, 2) проводить опыты при различных naI5 раметрах воздуха в камере (температуре и влвгосодержании, или относительной влажности), 3) исключить влияние внешних теплопритоков при проведении опытов по при мой калориметрии, 4) применить простые измерительные устройства и облегчить тем самым эксплуатацию устройства, 5) упростить регулирование параметров воздуха, 6) разделять и удалять экскременты и и проводить их анализ поактно, 7) благодаря наличию ионизатора воздуха, проводить опыты в течение длитель- зо ного времени.

Формула изобретения

1. Устройство для изучения энергетического обмена у животных, содержащее камеру, снабженную системами циркуляции воздуха, регулирования и измерения тепловыделений и удаления и экскремен— тов, отличаюшееся тем, что, с целью повышения точности исследований обмена, камера имеет воздушную рубашку, в которой установлена перегородка с образованием сообщающихся между собой секций.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч аю ш е е с я тем, что система удаления экскрементов выполнена в виде подвижной ленты„ установленной в камере, на поверхность которой нанесен слой.сорбента.

3. Устройство по п. 1, о т л и ч аю ш е е с я тем, что„ с целью проведения эксперимента в течение длительного времени, оно дополнительно, содержит ионизатор воздуха, установленный в системе циркуляции воздуха.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Чередниченко Л. К. Физиологическая калориметрия. N. Ë., "Наука, 1965, с, 39-43.