Способ определения количества газов в процессе культивирования микроорганизмов Советский патент 1983 года по МПК C12Q3/00 

1Ш

Изобретение относится к способам и аппаратуре для ми фoбиoлoгичecl иx исследований и может быть использовано при автоматическом управлении про цессом выращивания микроорганизмое.

Известен способ измерения скорости протекания микробиологических процессов по количеству газа выделяющегося в результате метаболизма. вилюча адий осушение газа, причем перед осушением газ отделяют, капримео, при помощи сил гравитации от культуральной жидкости, непрерывно отбираемой в процессе культивирования, а параллельно с отбором углекислого газа из культуральной среды прО|-13водят отбор его из эталонной жидкости 5 поддерживая в последней параметры (давление, температуру и коэс :|фициент растворимости газа) , аналогичные параметрам культуральной средь, находят разность расходов газа и расчетным путем определяют скорость г ротекания микробиологических процессов l J.

Однако данный способ не обеспечивает ceлef тивнoe отделение газовых компонентов из культуральной жидкости, в которой всегда имеются различные газы, что снижает точность анализа. Необходимость часто менять осушитель и эталонную жидкость затруд няет применение данного способа при .лительнон процессе культивирования при однюгзременыом обеспечении стериль ности процесса.

Известен таюке способ опредсУ1е НИЛ количества газов в процессе культивировамия микроорганизмов, предусматриваю пий дисрфузию газов из анализируе,-.1ОЙ средь в датчик-за установлен ный ин ерсол вре,, вывод диффундированной из кул ьтурал ьной средь; газовой смеси в газоансшизатор с последу оа1им анализом компонентов газовой смеси ;i.

ОднакО наличие погрешности измерительного устройства, реализующего звестный способ в реальных условиях эксплуатации, обусловленный сильной зависимостью коэффи1(Иента проницаемости материала датчика от темперауры, за счет обрастания его BHaiiней поверхности пленкой, состоящей з микроорганизмов и других продуков, а также за счет периодической стерилизации датчика не позволяет осуществлять контроль газов в пронес02

се культивирования микроорганизмов, с достаточной точностью.

Целью изобретения является повышение точности контроля,

Поставленная цель достигается

тем, что согласно способу, предусматривающему диффузию газов из анализируемой среды в датчик за установленный интервал времени, вывод диффундированной из культуральной среды газовой смеси в газоанализатор с последующим анализом компонентов газовой смеси, дополнительно подают заданное количество эталонного газа в датчик с последующей его выдержкой и измеряют количество выведенного из дат1-1ика эталонного газа, устанавливают коэффициент диффузии, пропорциональный величине отклонения измеренного количества выведенного из датчика эталонного газа от заданного количества последнего, а количество газов- определяют с учетом коэффициента диффузии.

Извечстнр, что движущей силой проесса диффузии газов через сплошные мембраны из полимеров является градиент кх парциального давления, при этом количество газа, проведшего

через газопроницаемый элемент датчика дпя временных интервалов, не превыша1ои их времени насыщения датчика, о г 1 р е д ел я е т с я выражением

fl--:K Dt(p-pbj

А

где Кд - коэффициент диjЬ(t)vзии , характеризующий свойст во газопроницаемого элемента датчика;

D - коэффициент,, характеризующий геометрические размеры азопроницаемого элемента датчика ,

t время диффузии газового компонента через газопроницае -6iй элемент;

р- парциальные давления диффундирующего газа соответствен:--:о на одной И дру гой сторо не поверхности газопроницаемого элемента датчика.

Перед каждым циьшом измерения внут раннюю полость датчика продувают газовой смесью постоянного состава, содержащей, по крайней мере, один эталонный газ, например-гелий , со стабильной концентрацией 1%. Лля обеспечения жизнедеятельности микрооргаг-;измоа культурапьную среду вергают аэрации воздухом, в котором содержание гелия постоянно и не более 5-10 и несоизмеримо мало в сравнении с тем, которым продувают внутреннюю полость датчика. Поэтому считают, что эталонный газ гелий отсутствует в анализируемой среде. После продувки внутренней полости датчика смесью с гелием со стабильной концентрацией газопроницаемый элемент отключают на установленное время от газового тракта смеси с ге лием и в датчике происходит процесс одновременной диффузии газовых компонентов, например, кислорода, из анализируемой среды во внутреннюю полость датчика и дисЬфузии 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 количество продифундированного. гелия зависит в соответствии с выражением (, 1 ) от парциального давления гелия в датчи ке перед началом диффузии, времени диффузии, геометрических размеров газопроницаемого элемента и его коэ фициента диффузии, D связи с отсутствием кислорода во внутренней поло сти датчика указанный газ диффундирует из анализируемой в его внутреннюю полость, при этом количество продиффундировавшего кислоро да также зависит от парциального давления кислорода в анализируемой среде, времени диффузии,геометричес ких размеров газопроницаемого элемента и его коэффициента диффузии. Для каждого цикла анализа время диффузии И геометрические размеры датчика величины постоянные, поэтому количество контролируемого кисло рода, продиффундировашиего во внутреннюю полость датчика за установле ное время, зависит от его парциаль, ного давления в анализируемой среде ,и коэффициента диффузии газопроница емого элемента, а количество гелия, оставшегося в датчике после его диф фузии в анализируемую среду, за это же установленное время зависит от коэффициента диффузии газопроницаемого элемента датчика. По истечении установленного интервала времен диффузии осуществляют посредством хроматографа анализ газового продук та, находящегося в датчике. В хрома 0 тографе происходит разделение и последовательное детектирование гелия и кислорода. Сигнал гелия сравнивают с опорным, например стабильным напряжением, и получают разностный сигнал, пропорциональный отклонению коэффициента диффузии газопроницаемого элемента от своего номинального значения, после чего для контролируемог-о компонента газовой смеси - KIIслорода - формируют корректирующую величину путем умножения разностного сигнала на множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии газопроницаемых стенок датчика для гелия и кислорода. Полученную корректирующую величину вычитают из сигнала кислорода. Таким образом, сигнал кислорода, следующий после сигнала гелия, скорректирован на величину отклонения коэффициента диффузии газопроницаемого элемента датчика и пропорционален истинному парциальному давлению кислорода в ферментере, что исключает дополнительные погрешности анализатора, обусловленные зависимостью коэффициента диффузии от температуры и обрастания газопроницаемого элег«нта продуктами микробиологического синтеза. Предлагаемый способ допускает контролировать и другие газы - углекислый газ, выделяемый микроорганизмами в процессе их культивирования и метан, который потребляют микроорганизмы при культивировании белкововитаминных концентратов из природного газа, при этом при формировании корректирующей величины разностный сигнал умножают на соответствующий множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии эталонного газа и контролируемого компонента газового продукта. Все действия, сос тавляющие способ и. последовательность их проведения, при этом не меняются. На чертеже представлена схема устройства для реализации способа. Устройство содержит трубчатый датчик 1, вход которого соединен через клапан 2 с регулятором 3 давления газа-носителя и через клапан k с регулятором 5 давления газа постоянно го состава, а его выход соединен через клапан 6 с первым входом аналитического блока 7 газоанализатора и через клапан 8 с линией вакуума или окружающей средой. Выход регуля5

тора } соединен со вторым входом и через клапан 9 с первым входом аналитимеского блока 7. Выход аналит ческого блока 7 последовательно соединен с блока в 10 и 11 соответственно обработки сигналов и отображения информации. Программирующий блок 12 связ.ан с клапанами 2, , 6, 8 и 9 и аналитическимблоком 7.

Пример. Предложенный способ используют для определения парциального давления газов в ферментере с установленным в нем газопрОницае№1м датчиком в виде силиконовой трубки длиной О,5 м, внутренним диаметром 5 мм и толщиной стенки 1 ,5 мм. Для поп-учения различных давлений например, 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 0,1 МГГа) , затем ферментер отключают от тазосме сительной установки и среду выдерживают в течение 30 мин при давлении 0,1 МПа, после чего гaзoпpoницae ый датчик продувают в течение 30 с газовой смесью азота с гелием с известным и стабильным содержанием гелия ((1,1 об.%) и отключают датчик от Тракта продувки на k мин, в течение которых происходит диффузия газов в датчике. Газовую смесь в датчике определяют газовым хроматографом ЛХМ-8МД.

Условия анализа. Разделительная колонка длиной 2 м с внутренним диаметром 0k MMj сорбент молекулярные сита СаА. Температура разделительной колонки 80 С, а температура детектора . Газ-носитель - азот Скорость газа-носителя kS мл/мин. Детектор - катарометр. Измеряемый параметр пика - площадь. Продолжительность удерживания компонентов: гелий 50, кислород 120.

Газовую смесь из датчика вводят в хроматограф, производят анализ и вычисляют площади пиков гелия и кислорода. Величину площадки пика гелия сравнивают с опорной величиной площади гелия, полученной в определенных условиях, например, при температуре анализируемой среды , разность умножают на множитель, характеризующий различие козффициен30«

тов ди()фузии газопроницае 4 1х стенок датчика для гелия и кислорода, и полученную корректирующую величину вычитают из величины площади пика кислорода.

Анализы проводят при трех значениях температуры анализируемой среды. (25, 30 и ) и стабильном парциальном давлении кислорода в ней 12500 Па.

Результаты опытов по измерению составе газа и сопоставительный анализ предлагаемого и известного способов сведены в таблицу.

щадь пика кислоропри температуре 25С

186

185

30° С

186,5 212 35°С 23

183,5

щадь пика гелия при 25°С

228

зо°с 301

35°С

Пограиность определения кислорода относительно результата, полученного при 25СД

Скорректированная площадь пика кислорода Sg определяется выражением

I-. .

. где SQ - площадь пика кислорода до

коррекции;

uS,j - изменение площади пика гелия от площади, полученной при 25 С, являющейся опорной вели чи ной ;

0, постоянный множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии проницаемо. го элемента датчика для кислорода и гелия.

Таким образом, предлагаемый способ а сравнении с прототипом позволяет повысить точность контроля, например, кислорода на ,. 710 В предлагаемом способе колебания коэффициента диффузии в реальных условиях эксплуатации газопроницаемого элемента датчика не влияют на точность определения содержания парциального давления кислорода в анализи руемой среде, поскольку диффузия эта лонного и исследуемого газов и анализ газовой смеси в датчике производят в одних и тех же условиях. Точность способа в основном определяется стабильностью парциального давления гелин в газовой смеси постоянного состава вводимой во внутреннюю полость газопроницаемого элемента датчика перед каждым циклом измерения. Устройство работает следующим образом, В первом такте (клапаны 2 и 6 закрыты, а клапаны А, 8 и 9 открыты) происходит продувка измерительной и сравнительной камер аналитического блока 7 газоанализатора газом-носителем при постоянном давлении, вели.чина которого определяется установко регулятора 3 давления, величина кото рого определяется установкой регулятора 3 давления, и продувка датчика 1 газом постоянного состава от регулятора 5. При продувке измерительной и сравнительной камер аналитичес кого блока (на схеме не показаны) газом-носителем его измерительная сх ма сбалансирована и сигнал на его вы де равен нулю, Во втором такте (клапаны 2,6, и 8 закрыты, а клапан 9 открыт) происходит накопление контролируемых газов в датчике за счет их диффузии из анализируемой среды через его газопроницаемый элемент и одновременно эталонный газ диффундирует из дат чика через тот же проницаемый элемен в анализируемую среду. Время этого такта выбирают в зависимости от газопроницаемости материала датчика и шкалы устройства так, чтобы получить измеряе№1е с достаточной точностью концентрации контролируемых газовых компонент,.. В третьем такте (клапаны 2 и 6 от крыты, а клапаны 4, 8 и 9 закрыты) происходит подача газом-носителем в измерительную камеру аналитического блока 7 от регулятора 3 накопленных в датчике контролируемых газов и оставшегося эталонного газа. Измерительная камера аналитического блока 0в 7 снабжена хроматогра(1ической колонной, на которой осуществляют раздеение подаваемой в камеру газовой смеси на индивидуальные компоненты. При поступлении в измерительную камеру смеси (газ-носитель плюс компонент) балансировка измерительной схемы нарушается, что вызывает на выходе аналитического блока сигнал, пропорциональный концентрации измеряемого компонента, В . блоке 10 обработки сигналов п запоминают сигналы, соответствующие эталонному и контролируекым газовым компонентам, сравнивают эталонный сигнал с опорным сигналом и. по полученной разности корректируют си| налы, соответствующие контролируемым газовым компонентам. Скорректированные сигналы, соответствующие 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 обработки сигналов также осуществляют автоматическую коррекцию нулевого уровня, выбор соответствующего измеряемой концентрации компонента масштаба измерения. Устройство может обеспечивать и другие режимы работы. Возможен режим работы, при котором в первом такте кран 4 открывают периодически через несколько циклов -измерения и в третьем такте коррекцию сигналов, соответствующих контролируемым газовым компонентам, в блоке 10 обработки сигналов также осуществляют через несколько циклов, что позволяет сократить расход эталонного газа, при этом в тех циклах, когда кран закрыт, кран 2 открыт и. продувку датчика 1 осуществляют газом-носителем. Обеспечение всех тактов работы устройства осуществляют соответствующи) командами, подаваемыми из программирующего блока 12, Основным положительным эффектом, достигаемым при осуществлении способа на данном устройстве, является малая зависимость сигнала от свойств газопроницаемого элемента дати1ка и .возможног.ти коррекции всего измери91010130О

тельного тракта, за счет чего повыша- снижаются непроизводительные энергоется точность контроля газов в про-затраты, расход субстрата и-увеличивацессе культивирования 1Кроорганизмов, ется выход целевого продукта.

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.