Устройство для автоматического определения кинетики тепловыделений Советский патент 1985 года по МПК G01K17/00 

11 Изобретение относится к микробиолотяи в частности к контролю процесса культивирования микроорганизмов на твердых средах по косвенному параметру, характеризующему величину роста биомассы. Известно устройство для поверхнос ного культивирования микроорга}1измов, содержащее рабочий и контрольны калориметрические сосуды, помещенные в термостатируемую камеру, выполненную в виде поддона, в которой размещен источник регулируемого давления например, вентилятор, размещенный .между коаксиальными вентилируемыми зазорами сосудов и теплоизолирующей оболочкой Cl- Однако это ycTpoticTBo имеет ограниченное применение ввиду 1{ебольших функциональных возможностей и сложну методику обработки результатов измерений, требующих определения масс, теплоемкостей и температуры в процессе культивирования с последующим расчетом количеств тепловыделений, используемых в качестве параметра контроля процесса культивирования. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для автоматического определения кине тики тепловьщелений,. содержащее размещенные в термостатируемой камере рабочий и контрольный калориметричес кие стаканы с фильтрующими крышками установленные на термостатируемом теплообменнике, и датчики тепловых потоков,, размещенные между дном каждого стакана и теплообменником и связанные с регистрируюи(им прибором 2. Однако известное устройство не позволяет точно судить о величине тепловьщелений в процессе культивирования из-за помех, вносимых переменным (нестабильным) тепловым сопро тивлением пробок, закрывающих отверстие в крышках, через которые стаканы вентилируются, из-за помех, вносиья 1Х различным и контактным термическим сопротивлением между дном стаканой, датчиками тепловьк потоков и термостатируемым теплообменником, а также из-за выбранных геометрических размеров, распределяющих тепловы потоки таким образом, что измеряется только 45% выделившегося тепла. Цель.изобретения - повышение точности измерения тепловьщеления. t2 Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для автоматического определения кинетики тепловыделений, содержащем размещенные в термостатируемой камере рабочий и контрольные калориметрические стаканы с фильтрующими крьшкатт, установленные на термостатируемом теплообменнике, -и датчики тепловых потоков, размещенные между дном каждого стакана и теплообменником и связанные с регистрирующим прибором, средняя часть фильтрующих крышек вьтолнена из пористой металлокерамики, при этом отношение высоты калориметрических стаканов к irx диаметру составляет 0,2-0,25, отношение диаметров калориметрических стаканов и датчиков теплового потока составляет 0,7-0,8, а отношение толщины вертикальной стенки калориметрического стакана к его диаметру 0,008-0,016. Кроме того, устройство оснащено пружинами, размещенными между фильтрующими крышками и внутренней стенкой термостатируемой камеры. Выгголнение крышек со средней частью из металлокерамики позволяет стабилизировать на одном уровне тепловое сопротивление крышки даже после многократных стерилизаций в автоклаве м обеспечить постоянное гидравлическое сопротивление потоку фильтрующего стаканы воздуха. Установка пружин между стенкой термостатируемой камеры и обеспечивает дополнительную герметизацию стаканов в местах касания их с крышками, постоянное контактное тепловое сопротивление между дном стаканов, датчиками теплового потока и термостатируемым теплообменником. Геометрические соотношения конструктивных элементов выбраны исходя из двух предпосылок - конструктивной прочности стаканов и обеспечения распределения тепловых потоков от стаканов таким образом, чтобы тепловой поток был наибольшим в направлении Датчиков теплового потока и обеспечивалось максимальное наращивание биомассы при данной массе среды. . ... Высота слоя культуральной среды влияет на газовый обмен и распределение тепловых потоков, при этом оптимальное отношение слоя культураль.ной жидкости определяется отно3- , шением объема газа над поверхность культуры и ее объемом по йыражению Уб 0,25, 2 Л т где VP и h объем и высота слоя культурал ной среды полные и высо обИН та стакана. Оптимум отношения поверхностей .рав Fg 4H/D, где F и F - площади боковой и н ней поверхностей ст кана или H/D - 0,25 Если Hh 0,25, то h/D 0,0625 .(0,25)2. Оптимальный относительный разме толщины вертикальной стенки калори метрического стакана получен из ма симального ее теплового сопротивле ния в вертикальном направлении при обеспечении конструктивной жесткос конструкции, т.е. совместного реше ния уравнений Лет/ max; с./Н А; Н2 где Р - сила прижима стакана; Лр - теплопроводность материала i толпщна стенки; А - отношение геометрических размеров-, 8 - модуль упругости материал I - момент инерции поперечног сечения. Для материалов, применяемых при изготовлении калориметрических стаканов, оптимальным будет 0,016 или (0,25), что же касается отношения диаметра датчика тепло вого потока к диаметру стакана, то оно должно быть не более 0,8, из условия создания равномерного теплевого поля через датчик, что также как и все предьщущие конструктивные изменения способствует правильному распределению тепловых потоков по всем трем координатам. Экспериментально установлено, чт изменение отношения высота стакана к его диаметру на 1% приводит к уме 3714 шению теплового потока через датчик на 5%, а дальнейшее уменьшение на 1% - к уменьшению на 8%. Л1галогично при изменении отношения диаметра стакана к диаметру датчика на 1% приводит к потере 2% теплового потока, проходящего через дно стакана, а изменение отношения толщины вертикальной стенки стакану к диаметру стакана на 1% приводит к увеличению потерь тепла через боковую стенку на 2%,|Либо к уменьшению запаса прочности стенки также на 2%. Таким образом, выбор указанных величин ;Соот юшений наиболее приемпем при конструировании устройств. На чертеже показано конструктивное выполнение предлагаемого устрой- . ства. Устройство содержит размещенные в термостатируемой камере 1 рабочий и контрольные калориметрические стаканы 2 с фильтрующими крьштками 3 и рабочими полостями 4. Стаканы установлены на термостат.ируемом теплообменнике 5, а между дном стаканов и теплообменником установлены датчики 6 тепловых потоков, электрически связанные с регистрирующим прибором 7, между камерой и фильтрующими крьшзками установлены пружины 8, средняя часть 9 фильтрующих крьш1ек выполнена из лористой металлокерамики, а стаканы с теплообменником заключены в оболочку 10. Устройство работает следующим образом. Рабочий и контрольный стаканы 2 заполняют средой до верхнего края своих рабочих полостей 4 и закрывают крьш1ками 3. При достижении в них температуры, равной температуре термостатируемой камеры 1, а следовательно, и термостатирующего теплообменника 5 (при этом термо-ЭДС от датчиков 6 теплового потока будет равняться нулю), осуществляют посев культуры. В результате протекания реакции в рабочем стакане в нем выделяется (поглощается), если peaкцIiя экзотермическая (эндотермическая), тепло, которое через дно стакана 2 отводится через датчик 6 теплового потока. При этом в датчике 6 теплового потока возникает термо-ЭДС величина которой пропорциональна проходящему через него тепловому потоку. Контрольный стакан 2 нужен для осуществления компенсации помех от окружающей среды и неравномерностей тепловых потоков в .теплообменнике 5. Это производится встречным включение датчиков 6 - дифференциально.

Таким образом выполнение стаканов ,2 с указанным соотношением конструк тивных элементов позволяет повысить использование тепла при калориметрических измерениях. Получают тепловой поток через дно стакана большей величины - 60% вместо 45% в известном устройстве. Это достигается за счет вьтолнения стаканов по указанной геометрии и при заполнении стаканов на 0,25 высоты. Кроме

того, погрешность, вносимая изме- нением теплофизических свойств крыш ки и изменением контактного термического сопротивления между дном стакана 2 и теплообменником 5, сводится к минимуму аа счет выполнения крьрки 3 из иетаплокераыики 4 и установки пружин 8j При этом величина теплового потока через дно стаканов увеличивается до 70%.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повьгсить точность измерений на порядок, т.е. до 0,5% tS против 2,5%.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИКИ ТЕПЛОВЬЩЕЛЕННЙ, содержащее размещенные в термостатируемой камере рабочий и контрольный калориметрические стаканы с фильтрующими кp.пuкaми, установленные на термостатйруемом теплообменнике, и датчики тепловых потоков, размещенные между дном каждого стакана и теплообменником и связанные с регистрирующим прибором, отличающееся тем, что, с цепью повьппения точности, средняя часть фильтрующих крышек вьтолнена из пористой металлокерамики, при этом отношение высоты калориметрических ста- каков к их диаметру составляет О,20,25, отношение диаметров калориметрических стаканов и датчиков теплового потока составляет 0,7-0,8, а отношение толщины вертикальной стенки калориметрического стакана к его диаметру 0,008-0,016.,5 2. Устройство по п. 1, отличающееся Тем, что оно осна щего пружинами, размещенньпми между фильтруютшми крышками и внутренней стенкой термостатирУемЬй камеры. Zi/L/ г I