Способ определения количества газов в процессе культивирования микроорганизмов

Способ определения количества газов в процессе культивирования микроорганизмов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОВ В ПРОЦЕССЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий диффузию газов из анализируемой среды в датчик за установленный интервал времени, вывод диффундирсвайной из культуральной среды газовой смеси в газоанализатор с последующим анализом компонентов газовой смеси, отличающийся тем, что, С целью повышения точности, подают заданное количество эталонного газа в датчик с последующей его и измеряют количество выведенного из датчика эталонного газа, устанавливают коэффициент диффузии, пропорционалы )й величине отклонения измеренного количества выведенного из датчика эталонного газа от заданного количества последнего, а количество (П газов определяют с учетом коэффициента диффузии.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„su„„ iîi0iÇî

3(59 12 О, 00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н ABTOPGKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2974822/28-13

, (22) 18. 08. 80 (46) 07.04.83. Бюл. N 13 (72) М, И.Афанасьев, В. С. Глухов, Н.Ф. Лешонок, А.А. Раевский, Е,А.Рубан и В.П,Соколов (71) Грозненское научно-производственное объединение "Промавтоматика" (53) 663.1(088.8) (56) 1. Авторс кое свидетел ьство СССР

М 344352, кл.с 12 С 11/00, 1967.

2, Аиба Ш., Хемфри А,, Мяллис Н.

Биохимическая технология и аппаратура. M., Пищевая промышле нност ь", 1975, с, 226, (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОВ В ПРОЦЕССЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий диффузию газов из анализируемой среды в датчик за установленный ин" тервал времени, вывод диффундировайной из культуральной среды газовой смеси в газоанализатор с последующим анализом компонентов газовой смеси, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, подают заданное количество эталонного газа в датчик с последующей его выдержкой и измеряют количество выведенного из датчика эталонного газа, устанавливают коэффициент диффузии, пропорционал ь ны и вели чи не от клоне ни я и змер енного количества выведенного из датчика эталонного газа от заданного количества последнего, а количество газов определяют с учетом коэффициента диффузии. С.:

Изобретение относится к способам и аппаратуре для микробиологических

, исследований и может быт ь испол ьзоваНо при автоматическом управлении процессом выращивания микроорганизмов.

Известен способ измерения скорости протекания микробиологических процессов по количеству газа., выделяющегося в результате метабопизма,. ве лючающий осушение газ а, при !ем пе- !О рец осушением газ отделяют, например, при помощи сил гравитации от ку fj ьтурал ьной жидкости, не преры в но

От! ир аемой в процессе кул ьти вирования, а параплел ы-!О с Отбором уГле 15 кислого газа из культуральной среды производят от Ор егo из эталг:;е!!!Ой жидкости, поддерживая в последней пар»метрь (давпение, температуру и коэффициеrlT растворимости газа!) ана- 2о логичные параметрам культурапьной среды, находят разность расходов газа и расчетным путем определяют скорость г!ротек»ния микробиологических процессов (1 !.

2:2

Однако данный способ не обеспечивает селективное Отделение газовых

-.омпонееп ов i3 куп ьтурал ьной жидкости, в которой всегда имеются разЛИЧНЫЕ ГаЗЫ, Чтс СНИжаЕТ ТОЧНОСтb а и а " I 3 с1, И е О б х о д и м О с i b tj c3 c T o м е н я 3 b осуш:!тель и этаг!Онную жидкость затрудняет пвк(1ене(!ие данного способ» при ,".;ли гел ьном про.1,ессе куп bTè вкpooàíèÿ при Одновременном обеспе ении стериль ности процесса.

Известен та!оке способ определе-!

Екя коли -!ества газов в процессе культ.-:-.крова;1кя ми кроор ганизмов, п,-!едусматр.:,L3 jlfJëé дкффуз,1ю газов из анализируе, .Ой среды ."-., датчик 3» установле .- " ный ин-ервсл вр=,"àjãê. вывод дкффундиров» .к 1 и ку гур л но i cpL.;b."

230å1Îé смеси в Газ сан»ли 3 jj Ор с ПР " следуюц:-if ; анализсм конгоHejj:;сь газс: — ой с мс си (. . ), Of .неко нали чие погреш нос ги кзн.еритепьHо устройства, реализующего известный споссб в реальных условиях эксплуатации, обусловленный сип ьной зависимост ью коэффициента проницаеМОСти МатЕРИапа ДатЧИКа OT тЕМПЕРатурь1, 3 3 счет Обрастания еГО Бнеш ней поверхнос ги пленкой, состоящей из (ми Kpoop I ани 3 мОв и дру Гих прОду к" тов, а также за счет периодической ст ери г и 3 ацк !.; дат чи ка не поз воляет осущест влFlт I.-. .- OHTроп ь газов в процес 1 се кул ьти вирования ми кроор ганизмов, с достаточной точност ью.

Цепью изобретения является повьiшение точности контроля.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, предусматривающему диффузию газов из анализируемой среды в датчик за установленный интервал времени, вывод диффундированной из кул ьтуральной среды газовой смеси в газоанализатор с последующ!им анализом компонентов газовой смеси, дсполнител ьно подают заданное количество эталонногo газа в датчи к с последующ!ей е го выдерж кой и измеряют количество выведенного из датчика эталонного газа, устанавливают коэффициент диффузии, прспорционал ьный вели чине отклонения измеренHOi О КОЛИЧЕСтВа ВЫВЕДЕННОГО ИЗ Датчика эталонного газа оТ заданного количества последнего, а количество газов определяют с учетом коэффициента диффузии.

Известно, что движущей сило" процесса диффузии газов через сплошные мембр аньi и з поли меро в является градиенT их парциальногс давления, при этом коли че ст во газ а, прошедшего через газо;-.роницаемь!й элемент датчик- для BppMBHHb!х интервалов. не преBblL ающи х вре не ни насыщения д ат чи к а, OПРЕДЕЛЯЕ гСЯ ВЫРажЕНИЕМ где K+ — коэффициент диффузии, характеризующий свой ст во газопроницае IОГО элемента да! чи ка; !

3 — коэффициент,, характеризующий геоме, р:;1÷åñêèå размеры

-азспрсниц аемс го элемента датчика; е - время диффузии газового компоне нта чер е3 г эз опро ниц аемь!й эле мент;

1( i P " Г cjPLI! :Е1Л ЬНЬI t Да Е11Е НИ Я ДИ ффУН дирующе o j-33» ссответсTвен.:-.о на однок и другой стороне поверхности газопроницаемого элемента датчика.

Перед каждым циклом измерения внутреннюю полость датчика продувают газовой смесью постоянного состава, содержащей, lo крайней мере, один эталон,-lb!id газ, например гелий, с0 стабильной концентрацией ".i, Для обесге че ни я н<изнедея тел ь ности ми кроорга;-:измов культуральну1 среду псд3 101 вергают аэрации воздухом, в котором, содержание гелия постоянно и не более 5 ..10" и несоизмеримо мало в сравнении с тем, которым продувают внут ре н нюю пол ост ь дат чи ка . Поэтому считают, что эталонный газ гелий отсутствует в анализируемой среде.

После проду в ки внутренней полости датчика смесью с гелием со стабильной концентрацией газопроницаемый элемент отключают на установленное время от газового тракта смеси с гелием и в датчике происходит процесс одновременной диффузии газовых компоне нтов, на при мер, ки слорода, из анализируемой среды во внутреннюю полост ь датчика и диффузии гелия из внутренней полости этого датчика в анализируемую среду, В связи с отсутствием гелия в анализируемой среде указанный газ диффундирует из внутренней полости датчика в анализируемую среду, при этом коли чест во продифундированного. гелия зави сит в соответствии с выражением (1 ) от парциального давления гелия в датчике перед началом диффузии, времени диффузии, геометрических размеров газопроницаемого элемента и его коэффициента диффузии. 0 связи с отсутствием кислорода во внутренней полости датчика указанный газ диффундирует из анализируемой сре,ы в его внутреннюю полост ь, при этом коли— чество продиффундировавшего кислорода также зависит от парциального давления кислорода в анализируемой среде, времени диффузии,геометрических размеров газопроницаемого элемента и его коэффициента диффузии.

Для каждого цикла анализа время диффузии и геометрические размеры датчика величины постоянные, поэто" му количество контролируемого кислорода, продиффундировавшего во внутреннюю полость датчика за установленное время, зависит от его парциального давления в анализируемой среде и коэффициента диффузии газопроницаемого элемента, а количество гелия, оставшегося в датчике после его диффузии в анализируемую среду, за это же установленное время зависит от коэффициента диффузии газопроницаемого элемента датчика. По истечении установленного интервала времени диффузии осущест вляют посредст вом хроматографа анализ газового продукта, находящегося в датчике. В хрома"

0130 тографе происходит разделение и последовательноее детектирование гелия и кислорода. Сигнал гелия сравнивают с опорным, например стабильным напряжением, и получают разностный си гнал, пропорционал ьный отклонению коэффициента диффузии газопроницаемого элемент а от с все го номи нал ьно го значения, после чего для контролируемог-о компонента газовой смеси - кислорода - формируют корректирующую величину путем умножения разностного сигнала на множитель, характери" зующий различие коэффициентов диффу1

1 зии газопроницаемых стенок датчика для гелия и ки слорода. Полученную корректирующую величину вычитают из си гнала ки слорода.

Таким образом, си гнал кислорода, 20 "л еду ющий по сле си гнал а гелия, скорре ктиро ван на вели чину от клоне ния коэффициента диффузии газопроницаемого элемента датчика и пропорционален истинному парциальному давлению кислорода в ферментере, что исключает допол ни тел ьные по грешно сти а нализ з ат ор а, обу сл о вл е нны е з а ви си мост ью коэффициента диффузии от температуры и обрастания газопроницаемого элемен30 та продуктами микробиологического синтеза.

Предлагаемый способ допускает контролировать и другие газы - углеки слый газ, выделяемый ми кроор ганиз35 мами в процессе их культи вирования и метан, который потребляют ми кроорганизмы при кул ьти вировании белкововитаминных концентратов из природного газа, при этом при формировании корректирующей вели чины раз наст ный си гнал умножают на сост вет ст вующий множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии эталонного газа и контролируемого компонента газового продукта. Все действия, сос" тавляющие способ и. последовательность их про ведения, при этом не меняются .

На чертеже представлена схема устрой ст ва для реализации способа, 50

Устройство содержит трубчатый датчик 1, вход которого соединен через клапан 2 с регулятором 3 давления газа-носителя и через клапан 4 с регулятором 5 давления газа постоянно" го состава. à его выход соединен че" рез клапан 6 с первым входом аналитического блока 7 газоанализатора и через клапан 8 с линией вакуума или окружающей средой. Выход ре гуля10130 4 .тов диффузии газопроницаемых стенок датчика дпя гелия и кислорода, и полученную корректирующую величину вычитают из величины площади пика кислорода.

Анализы проводят при трех значениях температуры анализируемой среды (25, 30 и 35 зС) и стабильном парциальном да вле нии ки слорода в ней 12500 Па.

10 Результаты опытов по измерению составе. газа и сопоставител ьный анализ предлагаемого и известного способов сведены в таблицу, Величина, мм2 по способу!

5 Параметры из вест- предланому гаемому

186 185

212 186,5

234 183,5

30 С

35 С

228

30 С

301

35 С

374

Погрев ност ь определения кислорода относител ьно результата, полу чен ного при 25о С, 3 25, 8.

1,6

Скорре кти ро ванная площадь пи ка ки слорода S0 определяется выражением г 0 = 0 — 15 (2, 2 ! где SO - площадь пика кислорода до кор р е кци и, Д5 - изменение площади пика гелия от площади, полученной при

25 С, являющейся опорной вели чи ной;

0,354- постоянный множи тел ь, характеризующий различие коэффициентов диффузии проницаемого элемент а дат чи ка для ки слорода и гелия.

Таким образом, предлагаем и способ в сравнении с прототипом позволяет повысить точност ь контроля, например, кислорода на 24,0i.

S 10 тора 3 соединен со вторым входом и через клапан 9 с первым входом аналитического блока 7, Выход аналити. ческого блока 7 последовательно соединен с блоками 10 и 11 соответственно обработки сигналов и отображения информации. Программирующий блок 12 связ.ан с клапанами 2, 4, 6, 8 и 9 и аналитическим блоком 7.

Пример. Предложенный способ испол ьзуют дпя определения парциального давления газов в ферментере с установленным в нем гаэопроницаемым датчиком в виде силиконовой трубки длиной 0,45 м, внутренним диаметром мм и толщиной стенки 1 5 мм. Для получения различных давлений@ напри- ° мер, кислорода среду предварительно продувают азотом до полного удаления из нее кислорода, после чего среду продувают в течение 30 мин газовой смесью азота и кислорода, приготовленной с погрешностью не более 0,5> (при этом в ферментере поддерживают давление О,1 МПа), за- 1 тем ферментер отключают от газосме сительной установки и среду выдерживают в течение 30 мин при давлении

0,1 MIla, после чего гаэопроницаемый дат чи к проду вают в те чение 30 с газовой смесью азота с гелием с известным и стабильным содержанием гелия (С„=1 об.4) и отключают датчик от тракта продувки на 4 мин, в течение которых происходит диффузия газов в датчике, Газовую смесь в датчике определяют газовым хроматографом лхм-8мД.

Условия анализа. Разделительная колонка дпиной 2 м с внутренним диаметром ф 4 мм, сорбент - молекулярные сита С аА. Темпер атур а р аз делительной колонки 80 С, а температура детектора 100 С, Газ- носитель — азот. о

Скорост ь газа-носителя 45 мп/мин.

Детектор — катарометр. Измеряемый параметр пи ка - площадь, Продолжительность удерживания компонентов: гелий 50, кислород 120.

Газовую смес ь из дат чи ка вводят в хроматограф, производят анализ и вычисляют площади пиков гелия и ки слорода, Вели чи ну площадки пи ка гелия сравни вают с опорной величиной площади гелия, полученной в определенных условиях, например, при температуре ан ал изи руе мой среды 25оС, р аз ност ь у множ ают на множи тел ь, характеризующий различие козффициенПлощадь пи ка ки слорода при температуре

25 С

Площадь пика гелия при

25oС

7 10101

В предла гаемом способе колебани я коэффициента диффузии в реальных условиях эксплуатации газопроницаемого элемента датчика не влияют на точ" ность определения содержания парци- 5 ального давления кислорода в анализируемой среде, поскольку диффузия эталонного и исследуемого газов и анализ газовой смеси в датчике производят в одних и тех же условиях. Точност ь способа в основном определяется стабильностью парциального давления гелия в газовой смеси постоянного сост а ва вводи мой во внутреннюю полост ь газо прониц аемо го элемен- 15 та датчика перед каждым циклом измерения.

Устройство работает следующим образом.

В первом такте (клапаны 2 и 6 за- ?o крыты, а клапаны 4, 8 и 9 открыты) происходит продувка измерительной и сра внител ьной камер аналити чес кого блока 7 газоанапи затора газом-носителем при постоянном давлении, вели.— р5 чина которо го определяет ся у ст ано в кой регулятора 3 давления, вели чина которого определяется установкой регулятора 3 давления, и продувка датчика

1 газом постоянного cocTasa от регулятора 5. При продувке измерительной и сравнительной камер аналитического блока (на схеме не показаны) газом-носителем его измерительная схема сбаланси рована и си гнал на е го выхо35 де равен нулю.

Во втором такте (клапаны 2, 6, 4 и 8 3 акрыты, а кл апан 9 от крыт ) происходит накопление контролируемых газов в датчике за счет их диффузии из анализируемой среды через его газопроницаемый элемент и одновременно эталонный газ диффундирует из датчика через тот же проницаемый элемент в анализируемую среду. Время этого

45 такта выбирают в зависимости от газопроницаемости материала датчика и шкалы устройства так, чтобы получить измеряемые с достаточной точностью концентрации контролируемых газовых компонент...

В третьем такте (клапаны 2 и 6 открыты, а клапаны 4, 8 и 9 закрыты) происходит подача газом-носителем в измерител ьную камеру аналити ческо го блока 7 от регулятора 3 накопленных в дат чи ке конт роли руе мых газов и оставшегося эталонного газа. Измерительная камера аналитического блока

7 снабжена хроматографии ческой колонной, на которой осуществляют разделение подаваемой в камеру газовой смеси на индивидуальные компоненты.

При поступлении в измерительную камеру смеси (газ-носитель плюс ком" поне нт ) балансировка измерител ьной схемы нарушается, что вызывает на выходе аналитического блока сигнал, пропорциональный концентрации измеряемого компонента.

В . блоке 10 обработки сигналов запоминают си гналы, соот вет ст вующие э т алонн ому и конт роли руе ьь м газ овы м компонентам, сравнивают эталонный сигнал с опорным сигналом и. по полученной разности корректируют сигналы, соответствующие контролируемым газовым компонентам. Скорректированные си гналы, соответст вующие контролируемым газовым компонентам, с выхода блока 10 обработки сигналов поступают в блок 11 отображения информации для их визуального контроля и регистрации, Затем весь цикл измерения повторяют в той же последовательности (первый; второй и третий такты) .

В блоке 10 обработ ки си гнало в т акже осуществляют автоматическую коррекцию нуле во го уровня, выбор соот ветствующего измеряемой концентрации компонента масштаба измерения.

Устройство может обеспечивать и другие режимы работы.

Возможен режим работы, при котором в пе р вом т а кт е кр ан 4 от кры вают периодически через несколько циклов измерения и в третьем такте коррекцию сигнало в, соот вет ст вующих контролируемы и газовым компонентам, в блоке 10 обработ ки си гналов также осуществляют через несколько циклов, что позволяет сократить расход эталонного газа, при этом в тех циклах, когда кран 4 закрыт, кран 2 открыт и, продувку датчи ка 1 осуществляют газом-носителем.

Обеспечение всех тактов работы устрой ст ва осуществляют соответствующими командами, подаваемыми из программирующего блока 12.

Основным положительным эффектом, дости гаемым при осущест влении способа на данном устрой ст ве, я вляется малая зависимость сигнала от свойств газопроницаемого элемента датчика и возможности коррекции всего измери9 1010130 10 тельного тракта, за счет чего повыша- снижаются непроизводительные энергоется точность контроля газов в про- затраты, расход субстрата и увеличивацессе Культивирования микроорганизмов, ется выход целевого продукта.

tup ю мы c

Составитель Н, Арцыбашева

Редактор М. Петрова Техред Е. Харитончик Корректор М.йароши

Заказ 2408/13 Тираж 521 Подпи сное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, >(-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул, Проектная, 4