Дифференциальный микрокалориметр Советский патент 1983 года по МПК G01K17/00 

Изобретение относится к калориметрическим измерениям при микробио логических исследованиях и контроле . роста микроорганизмов при объемном культивировании и может быть испоЛьзовано в медицинской, фармацевтической и микробиологической промышленности для изучения микроорганизмов. Известны дифференциальные микрокалориметры ампульного типа, предназначенные для измерений теплофизческих свойств жидких и твердых веществ Г 3- Внутренняя оболочка известного микрокалориметра выполнена в виде тонкостенного патрона или пластины с отверстием для ампулы внешняя поверхность которых находится в тепловом контакте с термопреобразователями/ измеряющими выделя- емое или поглощаемое в процессе эксперимента тепло. Исследуемый образец предварительно помещают в ампулу, которую.перед началом эксперимента опускают в измерительную калориметри ческую ячейку микрокалориметра,а име но - в ампульный приемник.С целью со хранения теплового равновесия в измерительной калориметрической ячейке ампулу с исследуемым образцом по хо ду ее погружения выдерживают в тепло обменных блоках в течение определенного времени. Время выдержки ампулы в теплообменных блоках определяют необходимым временем ее прогрева до рабочей температуры с определенной точностью. Недостатком данных конструкций дифференциальных микрокалориметров является то, что в ампулу с исследуемым образцом невозможно в ходе эксперимента ввести дополнительное вещество.,Для повторного исследования вещества с введенными добавками готовят новую ампулу, что снижает ди пазон исследований и увеличивает вре мя эксперимента. Для микробиологических материалов этот недостаток может иметь существенное значение,та как за время выдержки может изменить ся начальная концентрация клеток вследствие их деления. Несмотря на то, что ампулы выполняются таким образом, чтобы они входили в.ампульный приемник с минимальным зазором, пред ставляющим дополнительное термическо сопротивление, повышающее инерционность микрокалориметра, устранить зазор между стенками амплуы и приемн ком невозможно. э Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является дифференциальный микрокалориметр для исследования микроорганизмов, содержащий термостат с размещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейками,включающими внутреннюю и внешнюю оболочку с расположенными между ними датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительнойячейки, снабжённое блоком npoTOMfftix теплообменни-; ков, содержащим корпус с размещенными в нем спиральными трубками, свя занными с наконечниками С. I. Известная конструкция предполагает возможность введения в измерительную ячейку необходимые добавки жидких aeiiecTB. Как правило, такие добавки осуществляют с помощью шпри ца или пипетки, позволяющих производить дозировку вещества с высокой степенью точности. Однако при таком методе введения добавок температура ВВОДИМОГО вещества : отличается от рабочей температуры микрокалориметра, так как в шприце или в пипетке происходит охлаждение даже при очень быстром выполнении этой операции,а проточный теплообменник ампулы не в состоянии полностью устранить возникаи цую при этом разность температур. Таким образом, при введении добавок наблюдается период теплового разбаланса микрокалориметра, т.е. уход Экспериментального нуля от положения теплового равновесия, достигнутого в подготовительный период. Чем больше несоответствие температуры вводимой добавки и рабочей температуры микрокалориметра тем длительнее период температурного разбаланса и тем значительнее искажение калориметрической кривой, несущей ин- формацию об исследуемом процессе. Если при исследовании теплофизических характеристик этот факт проявл ется в снижении точности определяемых величин, то, например, в медицине при исследовании воздействия антибиотиков на микроорганизмы этот факт недопустим, так как искажение Калориметрической кривой после введения добавки антибиотика из-за теплового -разбаланса может быть принято .за .имекмцее места воздействие введенного антибиотика на микроорганизмы. Кроме этого, конструкция ампулы образует неразъемное соединение трубчатого канала от места введения добавки до кюветы. Поскольку концы этого канала в ходе эксперимен та находятся при разных температурах то из кюветы по этому каналу как по тепловому мостику возникают стоки тепла, которые не контролируются и, в свою очередь, снижают точность измерений. Цель изобретения - повышение точности исследования. Указанная цель достигается тем, что известный дифференциальный микро калориметр для исследования микроорганизмов, содержащий термостат с раз мещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и Эталонной ячейками, включающими внутреннюю и внешнюю оболочку с расположенными между ними датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жид кости во внутреннюю оболоМку измерительной ячейки, снабженное блоком проточных теплообменников, содержащим корпус с размещенными в нем спиральными трубками- связанными с нак нечниками, снабжен блоком предварительного термостатирования исследуемой жидкости, закрепленным на термо стате, при этом внутренняя оболочка измерительной и эталонной ячеек выполнена в виде кювет, а блок проточных теплообменников оснащен резьбовыми втулками с закрепленными в них баллонами для размещения спиральных трубок и выполненными с возможностью перемйдения в вертикальной плоскости при этом наконечники трубок соединены с резьбовыми втулками и кюветами. На чертеже изображена принципиальная конструкция дифференциального микрокалориметра для исследования микроорганизмов. Дифференциальный микрокалориметр для исследования микроорганизмов содержит термостат 1, например суховоздушный, калориметрический блок 2 с идентично выполненными измерительной 3 и эталонной 4 ячейками, каждая из которых включает внутреннюю оболочку 5, выполненную в виде кюветы, и внешнюю 6, состоящую из основного, центрального и бокового радиаторов соответственно 7-9 Между внутренней 5 и внешней 6 оболочками калориметрического блока 2 располо жены датчики 10 теплового потока. 1 9 которые одной плоскостью закреплены на торцевых поверхностях центрального и бокового радиаторов соответственно 8 и 9, а с другой плоскостью поджаты к основаниям кювет, выполненных в виде полого диска с отверстием 11 для ввода исследуемых жидкостей, боковая поверхность которых составляет 10% от оби1яй площгли, и опирающихся на подпятники 12, В которых установлены тензометрические датчики 13,, контролирующие усилие, с которым боковые радиаторы 9 прижимают кюветы к центральным радиаторам 8. Микрокалориметр содержит устройство для ввода исследуемых жидкостей в кюветы, которое состоит из блока 1 предварительного термостатирования для прогрева исследуемых жидкостей перед вводом их в кюветы и блока 15 проточных теплообменников для окончательного выравнивания температур исследуемых жидкостей перед попаданием их в кюветы. Оба блока соединены гибкими шлангами 16. В корпусе 17 блока 1 предварительного термостатирования выполнено контрольное гнездо 18 для датчика 19 термометра 20 и рабочие полости 21 для исследуемых жидкостей. В нем же установлены вентили 22 для перекрытия соединительных шлангов 1б. На внешней поверхности блока 1 предварительного термостатироваиия намотан проволочный электронагреватель 23, управляемый электронной схемой термостабилизаций (на чертеже не показана |. В крышке 2 блока установлены пр(5)косые вводы 25 для герметизации рабочий полостей. Между корпусом 17 и крышкой 25 установлена прокладка 26. В корпусе 27 блока 15 проточных теплообменников выполнено контрольное гнездо 28 для второго дат,чика 29 термометра 20 и рабочие полости 30 для проточных теплообменников 3 , состоящих из стеклянных баллонов 32, заполненных теплопроводной жидкостью внутри которых проходят спиральные трубки 33 для термостабилизации исследуемых жидкостей. Баллоны 32 неподвижно закреплены в резьбовых втулках 3, имеющих возможность при вращении перемещаться в вертикальном направлении вдоль скользящих втулок 35, которые вставлены в рабочие полости 30 и закреплены винтами 36. Наконечник 37 резьбовой s1 втулки 3 выполнен из нетеплопровод ного материала и скреплен с кювето посредством разъемного соединения 38. Все детали микрокалориметра аа исключением прокладки 26, баллонов 32 и наконечников 37 выполнены из высокотеплопроводного материала. Блок 1 предварительного термостатирования установлен снаружи термостата 1, а калориметрический блок 2 и блок 15 проточных тепло обменников, помещенные в пенопласто вый короб, установлены внутри термо стата 1 . Устройство работает следующим образом. Перед экспериментом предварительно подготавливают микрокалориметр к работе. Для этого скользяи ие втулки 35 до упора наворачивают на резьбовые втулки З, неподвижно закрепленные на стеклянных баллонах 3 Кюветы наворачивают на наконечник 37. Такое положение необходимо для автоклавирования кювет перед проведением микробиологических экспериментов. Собранную таким образом конструк цию помещают в рабочие полости 30 корпуса 27 и закрепляют винтами 36 так, чтобы скользящие втулки 35 во все последующее время оставались неподвижными. Весь блок 15 проточны теплообменников с кюветами автоклавируют, после чего его устанавливают на калориметрический блок 2, при этом кюветы оказываются расположенными между датчиками 10 теплового потока с небольшим зазором над подпятниками 12. Вращая баллоны 32 с резьбовыми втулками З в скользящих втулках 35, одновременно выворачива ют наконечники 37 из кювет так, что последние в определенный момент рас стыковываются с наконечниками 37 в месте разъемного соединения 38 и сбрасываются на подпятники 12. При этом наконечник 37 остается введенным в отверстие 11 кюветы с зазором представляющим собой большое термическое сопротивление, предотвращая тем самым сток тепла, выделяемого в кювете. После этого, следя за показаниями тензометрических датчиков 13, поджимают боковые радиаторы 9 к основаниям кювет,обеспечивая постоя ство теплового контакта кювет с дат чиками 10 теплового потока. 9 Выполнение внутренней оболочки микрокалориметра в виде кюветы, стенки которой находятся в непосредственном контакте с датчиками теплового потока позволяет исключить термическое сопротивление зазора при введении ампулы в ампульный приемник и уменьшить теплоемкость внутренней оболочки за счет исключения ампульного приемникаi Затем заливают в баллоны 32 теплопроводную жидкость и устанавливают всю конструкцию в пенопластовый короб, после чего последний помещают в термостат 1, а гибкие шланги 1б, ведущие от блока Н предварительного термостатирования, подсоединяют к проточным теплообменникам 31. Выдерживают устройство в термостате до установления теплового равновесия, которое фиксируют по сигналу с датчиков 10 теплового потока и определяют по моменту установления экспериментального нуля микрокалориметра на постоянном уровне. Затем включают блок 1k предварительного, термостатирования и, контролируя его температуру по показанию термометра 20 и сравнивая ее с температурой блока , 15 проточных теплообменников, где в контрольном гнезде 18 установлея датчик 19 термометра 20, доводят ее до температуры калориметрического блока 2, которая равна температуре блока 15 проточных теплообменников. В момент равенства температур блока предварительного термостатирования и блока 15 проточных теплообменников с помощью вентилей 22 перемещают соединительные шланги 16 и в рабочие-полости 21 с помощью шприца через пробковые вводы 25 вводят исследуемые жидкости. Введенные жидкости выдерживают в полостях определенное время с целью прогрева до рабочей температуры, после чего Вентили 22 открывают и жидкости из рабочих полостей 21 по соединительным шлангам 16 и по спиральным трубкам 33 протекают в кюветы. Небольшяя разность температур, которая может при этом существовать, определяется удвоенной погрешностью измерения используемого термометра. При этом температуру жидкостей по мере их протекания из блока 1 предварительного термостатирования в кюветы дополнительно термостабилизируют до значения рабочей температуры калр риметрического блока 2 в спиральных трубках 33 проточных теплообменников так, что, попадая в кювету, жидкости не вносят сколь-нибудь заметного раз баланса в тепловое равновесие. Теплообменник с наклонной трубкой в микрокалориметре устанавливают для более полного прогрева проходящей через него исследуемой жидкости до температуры эталонной жидкости. При стоке объема V суспензии через теплообменник дифференциального микрокалориметра необходимо рассматривать два процесса: непосредственно .сток суспензии по наклонной (с углом р) трубке; отрыв капель суспензии у торца прямой трубки и их падение непосредственно в измерительную кювету. В том и другом процессе не допускается, чтобы капли суспензии за счет сил поверхностного натяжения оставались или в наклонной части тру ки или на ее торце. Это может привести к дрейфу экспериментального нуля микрокалориметра и, следовательно, уменьшению точности. Оптимальный радиус трубки теплообмрнника будет определяться условием, когда силы гравитации, действующие на объем дозируемой жидкости (суспен зии ), будут больше сил поверхностного натяжения F, на границе раздела суспензия-твердое тело поверхность трубки . Тогда для объема суспензии в труб ке F п d для торца трубки: Для суспензии в объеме трубки, наклоненной под углом /ъ ,силы поверхностного натяжения по периметру на границе раздела сред равны P P + F 2jlKtl 2ЛR 4ЛR6L 8 - Уравнение (1) запишется в виде: t 4J/Ro(.sin fb (г) Для капли суспензии на торце трубки уравнение (2) запишется 3-p JR /2Jrrot , Откуда внутренний радиус спиральных трубок 33 выбирают в соответствии с зависимостью HP При протекании суспензии через теплобменник в кювету должно выпол(3) и (4): няться условие о1 sin (Ь ,437Rsinp(6J Уравнение (6) с точностью до постоянного коэффициента связывает радиус трубки, угол ее наклона с объемом вводимой в теплообменник жидкости (суспензииJ, при других меньших вводимых объемах пробы силы поверхностного натяжения уравновесятся с силой ее тяжести и часть жидкости может остаться внутри трубки. После этого соединительные шланги 1б перекрываются вентилями 22 и устройство вновь готово для введения необходимых для исследования добавок. . Предложенный дифференциальный микрокалориметр для исследования микроорганизмов позволяет производить неоднократный ввод добавок, например активных ферментов, в процессе одного эксперимента и тем самым расширить, точность и диапазон микробиологических исследований.

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ МИКРОКАЛПРИМЕТР для исследования микроорганизмов, со держащий термостат с размещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейками, включающими внутреннююи внешнюю оболочку с расположенными между ними датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительной ячейки, снабженное блоком проточных теплообменников, содержащим корпус с размещенными в нем спиральными трубками, связанными, с наконечниками, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, снабжен блоком предварительного термостатирования исследуемой жидкости, закрепленным на термостате, при этом внутренняя оболочка измерительной и эталонной ячеек выполнена в виде кювет, а блок проточных теплообменников осI нащен резьбовыми втулками с закрепленными в них баллонами для размещесл ния спиральных трубок и выполненными с возможностью перемещения в вертикальной плоскости, при этом наконечники трубок соединены с резьбовыми втулками и кюветами. ел у 05 оо со