Устройство для определения концентрации микроорганизмов Российский патент 2024 года по МПК G01J1/02 

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для определения концентрации микроорганизмов и может применяться для определения концентрации микроорганизмов в процессе их культивирования в жидкой среде в аппаратах для культивирования микроорганизмов.

В процессе культивирования микроорганизмов в жидкой среде контролируются различные параметры - температура, рН, pO2, концентрация. Если для контроля температуры, рН и pO2 существуют датчики, контроль концентрации, как правило, измеряется в пробах, извлекаемых периодически из бульона с культурой. Это усложняет определение, требует дополнительных манипуляций, кроме того, работа с вирулентными культурами сопряжена с дополнительными мерами безопасности. Поэтому разработка устройств для определения концентрации микроорганизмов при их культивировании без извлечения проб из аппарата остается актуальной задачей.

Известно устройство для определения концентрации вещества в растворах - фотоэлектроколориметр-нефелометр. Устройство содержит источник излучения, светофильтр, делитель светового потока, конденсор-ные линзы, зеркала, кюветы, диафрагмы, линзы, фотоприемники световой энергии, микроамперметр. Свет от источника излучения, пройдя через светофильтр, делится призмой на два равных пучка. Правый и левый пучки света проходят затем конденсорные линзы и с помощью зеркал направляются под прямым углом на кюветы, а из них, пройдя щель диафрагмы и линзы, попадают на фотоприемники световой энергии, соединенные по компенсационной схеме с микроамперметром. (https://studbook.s.net/2285343/matematika_himiya_fizika/kolorimetry_fotoelektricheskie, дата просмотра 14.11.2023).

Однако, данное устройство имеет следующие недостатки: для определения концентрации микроорганизма необходимо брать пробу из аппарата. Длительные процессы (от 6 часов до нескольких суток) предполагают десятки проб. При работе с вирулентными культурами необходимо так же соблюдать требования безопасной работы с ними, что усложняет работу. Кроме того, устройство не позволяет осуществлять непрерывное измерение концентрации микроорганизмов (в режиме реального времени). При этом устройство имеет сложную конструкцию.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, повышение удобства работы, возможность определения концентрации микроорганизмов без извлечения проб из аппарата, возможность непрерывного измерения концентрации микроорганизмов в процессе культивирования.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что предлагаемое устройство для определения концентрации микроорганизмов состоит из датчика, блока вычисления (контроллера) и блока индикации (дисплея). Датчик состоит из корпуса, источника светового излучения и фотоприемников. Корпус датчика имеет сквозные отверстия, расположенные в одной плоскости, в которых размещены источник светового излучения и фотоприемники. Угол между отверстиями источника излучения и первого фотоприемника равен 30-60 градусов, а угол между отверстиями источника светового излучения и второго фотоприемника равен 60-105 градусов.

Сопоставительный анализ с прототипом показал, что предлагаемое техническое решение отличается от известного тем, что устройство для определения концентрации микроорганизмов дополнительно содержит блок вычисления, соединенный с блоком индикации, и датчик, который состоит из корпуса, источника светового излучения и фотоприемников. Корпус датчика имеет сквозные отверстия, расположенные в одной плоскости, в которых размещены источник светового излучения и фотоприемники. При этом один фотоприемник расположен под углом 30-60 градусов по отношению к источнику светового излучения, а второй фотоприемник расположен под углом 60-105 градусов по отношению к источнику светового излучения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».

Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемое устройство отличается не только от прототипа, он и от других технический решений в данной и смежных областях. Авторами не найдены устройства для определения концентрации микроорганизмов при их культивировании в аппарате, имеющие предлагаемые конструктивные особенности. А именно конструктивные особенности (предлагаемые величины углов между источником светового излучения и фотоприемниками, характеристики источника светового излучения, фотоприемников) позволяют точно определять концентрацию микроорганизмов без забора проб из аппарата, в том числе определять концентрацию непрерывно. Изменение данных величин в сторону уменьшения или увеличение приводит к снижению точности определения. При этом устройство удобно в работе, имеет простую конструкцию.

Предлагаемое устройство может использоваться для определения концентрации микроорганизмов в процессе их культивирования в аппарате в микробиологических и биотехнологических лабораториях, в микробиологическом производстве.

Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».

На фиг. 1 представлена схема устройства, где 1 - датчик, 2 - блок вычисления, 3 - блок индикации.

На фиг. 2 представлена схема датчика, где 4 - корпус датчика, 5 - источник светового излучения (светодиод), 6 - фотоприемник, 7 - фотоприемник, 8 - отверстия в корпусе датчика.

На фиг. 3 представлена схема установки датчика, где 1 - датчик, 9 - смотровое стекло аппарата, 10 - аппарат для культивирования микроорганизмов.

На фиг. 4 представлена схема световых потоков, где 5 - источник светового излучения, 6 - фотоприемник, 7 - фотоприемник, 11 - точка пересечения световых лучей.

Предлагаемое устройство состоит из датчика 1, блока вычисления (контроллера) 2 и блока индикации (дисплея) 3 (см приложение к описанию фиг. 1). Датчик состоит из корпуса 4, источника светового излучения (источник света, светодиод) 5 и фотоприемников (приемники световой энергии, приемники света, фотодиоды) 6 и 7 (см приложение к описанию фиг. 2). Корпус датчика имеет сквозные отверстия 8, расположенные в одной плоскости, в которых размещены источник светового излучения 5 и фотоприемники 6, 7, при этом угол между отверстиями источника светового излучения 5 и фотоприемника 6 равен 30-60 градусов, угол между отверстиями источника светового излучения 5 и фотоприемника 7 равен 60-105 градусов, соответственно, угол между источником светового излучения 5 и фотоприемником 6 равен 30-60 градусов, а угол между источником светового излучения 5 и фотоприемником 7 равен 60-105 градусов.

В качестве источника света использован светодиод с длиной волны 640 нм. Приемниками света являются фотодиоды, работающие в данном диапазоне (500-700 нм). Блок вычисления 2 (микропроцессорный контроллер на базе процессора ATmega328) позволяет выводить на дисплей 3 цифровые значения концентрации микроорганизмов, скорости роста, вычислять разницу значений между световыми потоками, измеренными фото приемниками 6 и 7.

Устройство используется следующим образом: датчик 1 располагают с наружной стороны смотрового стекла 9 аппарата для культивирования микроорганизмов 10 (см приложение к описанию фиг. 3). Осевые линии отверстий 8 пересекаются на расстоянии 5-15 мм от смотрового стекла 9 с внутренней стороны аппарата 10. Угол между отверстиями источника светового излучения 5 и фотоприемника 6 составляет 30-60 градусов, угол между источником светового излучения 5 и фотоприемником 7 составляет 60-105 градусов.

В основу решения проблемы непрерывного измерения концентрации положен фотоколориметрический метод. Для измерения низких значений концентрации измерения проводится в проходящем, а высоких концентраций в отраженном световом потоке.

Источник светового излучения 5 освещает жидкость с культивируемым микроорганизмом. Фотоприемники (фотодиоды) 6,7 измеряют освещенность этой жидкости. Так как они расположены под разными углами к источнику светового излучения, расстояние проходящего луча различно, количество света попадающего на фотоприемники также различно. Длина пути светового потока (L2), отраженного от культуры до фотоприемника 7 больше, чем до фотоприемника 6 (L1) (см приложение к описанию фиг. 4). Величины углов между источником светового излучения и фотоприемниками позволяют получить максимальную разницу между ходом отраженных от микробной взвеси лучей, что повышает точность определения концентрации микроорганизмов. Разница между показаниями фотоприемников 6 и 7 позволяет учитывать исходную мутность жидкости, используемой для культивирования микроорганизмов.

Для устранения погрешности измерения, вызванных наличием пузырьков воздуха, производится 100 измерений с интервалом 50 миллисекунд и вычисляется среднее значение. Контроллер позволяет производить калибровку датчика по первоначальному значению плотности питательной среды без посевной культуры и учитывать это значение при вычислениях концентрации культуры в млрд. микробных клеток в куб. см (млрд. микробных клеток в мл). На дисплей выводятся текущее значение концентрации микроорганизмов и значения скорости роста культуры за 10 и 60 минут (прогноз, основанный на результатах измерений за последние 10 минут). Предлагаемое устройство позволяет определять концентрации микроорганизмов в диапазоне от 0,4 до 70 млрд.мк/мл.

Пример 1. Предлагаемое устройство использовали для определения концентрации холерного вибриона при его культивировании в аппарате. При этом датчик устройства имел источник светового излучения - светодиод с длиной волны 640 нм, приемниками света были фотодиоды, работающие в данном диапазоне, при этом угол между источником светового излучения и первым фотоприемником равнялся 30 градусам, угол между источником светового излучения и вторым фотоприемником равнялся 60 градусам. Определяли концентрацию холерного вибриона (посевная доза 100 млн.м.к.) через 3 часа и 5 часов культивирования в аппарате с помощью предлагаемого устройства и традиционным методом (стандартным образцом мутности бактериальных взвесей (БАК-5) ООО «Ормет» СОП №1-98-15.). Были получены следующие результаты: через 3 часа культивирования - концентрация, определенная с помощью предлагаемого устройства, равна 1 млрд.м.к./мл, концентрация, определенная стандартным методом, равна 1 млрд.м.к./мл. Через 6 часов культивирования: концентрация, определенная с помощью предлагаемого устройства, равна 25,1 млрд.м.к./мл, концентрация, определенная стандартным методом, равна 25 млрд.м.к./мл.

Пример 2. Предлагаемое устройство использовали для определения концентрации холерного вибриона при его культивировании в аппарате. При этом датчик устройства имел источник светового излучения - светодиод с длиной волны 640 нм, приемниками света были фотодиоды, работающие в данном диапазоне, при этом угол между источником светового излучения и первым фотоприемником равнялся 60 градусам, угол между источником светового излучения и вторым фотоприемником равнялся 105 градусам. Определяли концентрацию холерного вибриона (посевная доза 100 млн.м.к.) через 3 часа и 5 часов культивирования в аппарате с помощью предлагаемого устройства и традиционным методом (стандартным образцом мутности бактериальных взвесей (БАК-5) ООО «Ормет» СОП №1-98-15.). Были получены следующие результаты: через 3 час - концентрация, определенная с помощью предлагаемого устройства, равна 1 млрд.м.к./мл, концентрация, определенная стандартным методом, равна 1 млрд.м.к./мл. Через 5 часов культивирования: концентрация, определенная с помощью предлагаемого устройства, равна 11,3 млрд.м.к./мл, концентрация, определенная стандартным методом, равна 11,2 млрд.м.к./мл.

Пример 3. Предлагаемое устройство использовали для определения концентрации микроорганизмов при культивировании микроорганизмов в аппарате. Параллельно определяли концентрацию микроорганизмов традиционным методом (стандартным образцом мутности бактериальных взвесей (БАК-5) ООО «Ормет» СОП №1-98-15.)

Результаты работы устройства приведены в таблице 1:

Как видно из данных таблицы 1, значения, полученные с помощью устройства для определения концентрации микроорганизмов, совпадают со значениями, полученными традиционными методами (стандартным образцом мутности бактериальных взвесей (БАК-5) ООО «Ормет» СОП №1-98-15.

Таким образом, предлагаемое устройство для определения концентрации микроорганизмов позволяет точно определять концентрацию микроорганизма в процессе культивирования в аппарате без забора проб, в том числе определять концентрацию микроорганизмов непрерывно. При этом устройство удобно в эксплуатации, имеет простую конструкцию и несложно в изготовлении.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для определения концентрации микроорганизмов. Устройство содержит источник светового излучения, два фотоприемника светового излучения, блок вычисления и блок индикации. В качестве источника светового излучения используется светодиод с длиной волны 640 нм. В качестве фотоприемников используются фотодиоды, работающие в том же диапазоне. Источник светового излучения и фотоприемники расположены в одной плоскости, при этом один фотоприемник расположен под углом 30-60 градусов по отношению к источнику светового излучения, а второй фотоприемник расположен под углом 60-105 градусов по отношению к источнику светового излучения. Технический результат заключается в упрощении конструкции и обеспечении возможности непрерывно определять концентрацию микроорганизма в процессе культивирования в аппарате без забора проб. 4 ил., 1 табл.

Устройство для определения концентрации микроорганизмов, содержащее источник светового излучения, фотоприемники светового излучения и блок индикации, отличающееся тем, что в качестве источника светового излучения используется светодиод с длиной волны 640 нм, в качестве фотоприемников используются фотодиоды, работающие в том же диапазоне, причем источник светового излучения и фотоприемники расположены в одной плоскости, при этом один фотоприемник расположен под углом 30-60 градусов по отношению к источнику светового излучения, а второй фотоприемник расположен под углом 60-105 градусов по отношению к источнику светового излучения, а устройство дополнительно содержит блок вычисления, который соединен с блоком индикации.