Способ определения концентрации микроорганизмов Советский патент 1983 года по МПК C12Q3/00 

со

4ib

ч|

I-KJ Изобретение относится к микробио. логии, а точнее к физическим методам контроля концентрации микроорганизмов, и может быть использовано в мик робиологической , пищевой и медицинекой промышлениостях. Известен способ определения конце трации микроорганизмов непосредственно в процессе ферментации, основанный на измерении величины электрического заряда. В известном спосог бе в исследуемой среде создают элект рическое поле шестиэлектродным датчиком путем подачи постоянного напря жения на крайние электроды датчика,.Благодаря наличию заряда у живых клеток, микроорганизмы смещаются к одному из электродов. Возникшая разность потенциалов между клетками и средой улавливается средними электро дами, разность потенциалов между все :ми клетками и средой пропорциональна количеству клеток, находящихся в сре Способ не требует отбора проб и позволяет определить концентрацию непосредственно в процессе фер-. ментации Cl 1. Однако известно, что величина поверхностного электрического заряда микроорганизмов значительно варьируется и зависит от ионной силы, среды, функционального и морфологического состояния микроорганизмов. Эти .факторы приводят к погрешностям в определении концентрации вплоть до ±30%, обуславливая недоста точную точность этого способа. Кроме того, этим методом невозможно измерить концентрации ниже 0,1 г/л и выше 100 г/л, так как б первом рлучае недостаточна чувствительность метода, а во втором - поляризационные явления диффузионной части двойного электрического слоя делают невозможным с достаточной точностью определить параметры поверхностного электрического заряда. Таким образом, этот способ обладает недостаточными шириной диапазона измерений и точностью. Известен также способ определения концентрации микроорганизмов , предусматривающий, :прокачку суспензий последних через электрохимический преобразователь, измерение изменения электрохимического показателя преобразователя при прокачке через него суспензии микроорганизмов 21. Однако известный способ также не обеспечивает достаточную точность измерения. Целью изобретения является повышение точности. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации микроорганизмов, предусматривающему прокачку суспензии последних через электрохимический преобразователь, измерение изменения электрохимического показателя преобразователя при прокачке через него суспензии микроорганизмов, прокачку суспензии микроорганизмов осуществляют с постоянной скоростью, к электрохимическому преобразователю прикладывают постоянное электрическое поле напряженностью 80120 В/см, измеряют изменение электрохимического показателя на часто- те 50-10 Гц, а определение концентрации микроорганизмов осуществляют по скорости изменения измеренного параметра . Способ определения концентрации микроорганизмов основан на известном явлении электроудержания заряженных коллоидных частиц в любых макропористых телах, находящихся в постоянном электрическом поле. При фильтрации суспензии микроорганизмов через макропористый фильтр в отсутствии внешнего постоянного электрического поля, микроорганизмы проходят через фильтр, не задерживаясь в нем. При приложе нии постоянного электрического поля возникающая поляризация поверхности фильтра обуславливает электрическое взаимодействие между поверхностью и заряженной клеткой микроорганизма, что приводит к,удержанию и накоплению микроорганизмов в макропористом фильтре. Скорость накопления зависит от концентрации микроорганизмов и скорости прокачки жидкости через фильтр. При постоянной скорости прокачки суспензии микроорганизмов скорость их накопления в фильтре пропорциональна концентрации микроорганизмов. Скорость накопления микроорганизмов может быть измерена по скорости изменения диэлектрической проницаемости фильтра с адсорбированными микроорганизмами. При снятии постоянного электрического поля микроорганизмы вымываются из фильтра потоком жидкости и фильтр вновь приходит в исходное состояние, позволяющее провести новое измерение. Независимо от величины заряда, м фологического и (| ункцй6нального состояния . клеток микроорганизмов любая клетка подвержена электроудержа нию в макропористом фильтре, поэтом измеряемая скорость изменения диэлектрической проницаемости фильтра адсорбированными микроорганизмами , отражающая скорость на11соплёния, не зависит от состояния клеток микроорганизмов, причем изменение можно вести автоматическими методами с достаточно высокой точностью {пог решность не более 0,3% на частотах 50-10° Гц). При частотах, меньших 50 Гц, значительное влияние оказывает поляризация, а при частотах, больших 10 Гц, усложняется техника эксперимента. Концентрацию микроорганизмов по скорости изменения диэлектрической проницаемости фильтра с адсорбированными микроорганизмами ( ) можно представить в виде е ЛЛ.Ч. - - (. . Ч - диэлектрическая проницаемость и весовая доля адсорбированных микроорганизмов и диэлек рическая проницаемо.сть материала фильтра соответственно; скорость изменения весовой .доли адсорбированных микроорганизм мов.. В свою очередь величина () ..может быть представлена как скорости фильтрации суспензии (dCQ/ и концентрации (С) микроорганизмов суспензии

dgM

-fК, С dt

где постоянная. Объединяя {1)и (2), получим

«« «с

«()

:§§ dt

. tf р

Еф

где К - коэффициент, зависящий от постоянной датчика и размеров макропористого, накопителя.Этот коэффициент определяется из калибровки. Значения напряженностей поля 80-120 В/см являются оптимальными. Это доказывают результаты экспериментов , приведенные в табл. 1. Откуда концентрация микроорганизмов в суспензии . « Как видно, в формулу для определения концентрации суспензии входит и скорость изменения диэлектрической проницаемости (d€/dt) и скорость прокачки суспензии ). Для получения однозначной зависимости концентрации от скорости изменения диэлектрической проницаемости, нуж-. но фильтровать суспензию через фильтр с постоянной скоростью тогда концентрация роорганизмов А. olg . dg К,К.Еп at ai -. где функция ,еп() 1-1 VJ определяется калибровкой. В противном случае, т.е. когда скорость фильтрации не постоянна, понизится точность определения концентрации микроорганизмов из-за неопределенности закона изменения скорости фильтрации суспензии. Определение концентрации (С) осуществляется по скорости измене ния измеряемого параметра 6 - диэлектрическая проницаемость или тг электропроводность), т.е. рог-т а Р л и ц а 1

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий прокачку суспензии, последних через электрохимические преобразо,ватель,.измерение изменения электрохи-. мического показателя преобразователя при прокачке через него суспензии микроорганизмов, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, прокачку суспензии микроорганизмовосуществляют с постоянной скоростью, к электрохимическому преобразователю прикладывают постоянное электрическое поле напряженностью 80-120 В/см, измеряют изменение электрохимического показателя на частоте 50-10 Г, а определение концентраций микроорганизмов .осуществляют по скорости изменения измеренного параметра. ф

Примечание . Результаты в табл. 1 показыва-. ют, что полное удержание микроорга низмов обеспечивают поля 80-120 В/с выше 120 В/см начинается активный .электролиз воды в суспензии клеток. Интервал частот 50-10® Гц взят, исходя из расположения в этом интер вале 50-10 Гц гигантской низкочастотной дисперсии, что резко повышает точность измерений. К преимуществам предлагаемого способа относится также расширение диапазона измеряемых концентраций . За .счет эффекта накопления микроорганизмов в фильтре возможно измерение сколь угодно малых концентраций Измерение высоких концентраций лимитируется лишь емкостью фильтра. Начался активный электролиз воды, резко снижающий результаты измерений. Пример . Фильтр ff 1 диаметром 3 см и толщиной 1 см имее-т средний размер пор 0,1 мм. Фильтры 2 и № 3 имели такие же внешние размеры, но средний размер пор 0,5 мм (№ 2) и 1 мм (№ 3) . Фильтры располагают в области постоянного электрического поля напряженностью 80 В/см и 120 В/см. Через эти фильтры прокачивали 1000 мл взвеси дрожжевых клеток за,2-3 мин. Концентрацию дрожжевых клеток определяли на частотах 30-1-10 Гц по скорости изменения диэлектрической проницаемости , Результаты сравнения с известным методом и абсолютным приведены в табл. 2. Измерение концентрации абсолютным методом проводилось путем отбора проб. Таблица 2 Затраченное время на определение концентрации дрожжей предлагаемым способом может не превышать 20 с либо вообще измерения могут проводитьс непрерывно, в то время как абсолютный весовой метод требует 3 ч, обеспе :1ивая точность 1%. Данные табл.2 показывают, что точность предлагаемого способа выше точности известных способов. По затрачиваемому времени предлагаемый способ может считаться экспресс-методом, а также обеспечива ет автоматический контроль с повышенной точностью определения любых концентраций микроорганизмов в среде. Клетка микроорганизма застревает (сорбируется) в малых отверстиях чувствительного элемента датчика, накапливается там, что фиксирует вторичный прибор. Застревание клетки в малом отверстии датчика известного кондуктометрического способа выводит его из строя. В данном способе наоборот, сорбция клеток ведет к росту чувствительности. В табл. 3 представлены сравнительные данные по определению концентраций микроорганизмов известным и предложенным спо собом, а также ошибка в определении.

9lOU 10

Использование предлагаемого cno-мально управлять биосинтезом, что

соба контроля концентрации микроор-приведет к увеличению выхода конечганизмов в микробиологической про-ного продукта и повышению произвомышленности позволит шире автоматизи-дительности труда. Ожидаемый годовой

ровать производство, непрерывно конт- 5экономический эффект при внедрении

ролировать рост микроорганизмов,на одном биохимическом заводе состаЭто, в свою очередь, позволит опти-вит не менее 25 тыс. руб.