Устройство для определения скорости выделения тепла микроорганизмами Советский патент 1992 года по МПК C12M1/36 

Изобретение относится к биотехнолоии и может быть использовано для контро- я процесса культивирования икроорганизмов клеток человека и живоных.,5

Известно устройство для определения корости выделения тепла микроорганизмами в жидких средах, используя для этого проточную камеру, снабженную дифференциальным измерителем температуры, один 10 конец которого расположен на входе, а другой конец- на выходе камеры Для индикации физического значения скорости выделения тепла микроорганизмами устройство снабжено индикатором, также 15 снабжено системами регулирования прокачивания культуральной жидкости и вычисления физического значения скорости выделения тепла микроорганизмами. Для блокирования вычислений при лимитации 20 роста микроорганизмов кислородом на выходе измерительной камеры установлен датчик растворенного кислорода Скорость прокачивания культуральной жидкости регулируется системой регулирования прока- 25 чивания путем измерения оборотов электродвигателя перистальтического насоса.

Недостатком данного устройства является то, что при измерении дифференциэль- 30 ным термодатчиком, установленным на проточной камере, перепад температур на входе и на выходе из камеры из-за нестабильной скорости прокачивания, а также из- за определенной нестабильности 35 температуры культуральной жидкости не соответствует истине и приводит к ошибкам измерения.

Целью изобретения является увеличение точности измерения тепловыделения 40 культуральной жидкости

Для достижения этой цели известное устройство снабжено дополнительным вычислительным блоком, к первому и к второму входам которого подключены 45 измерительные усилители,к входам которых подключены датчики температуры,измеряющие соответственно температуру на входе и на выходе измерительной камеры, а к третьему входу дополнительного вычисли- 50 тельного блока подключен промежуточный выход стабилизатора оборотов электродвигателя перистальтического насоса выход дополнительного вычислительного блока к 55 блоку компараторов и к индикатору

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства; на фиг. 2-8 - схемы функциональных блоков устройства.

Устройство содержит проточную измерительную камеру 1, снабженную измерителпми температуры, установленными на входе и на выходе камеры и связанными с измерительными усилителями 2 и 3, содержит дополнительный вычислительный блок 5 индикатор 6, блок компараторов 7 блок управления 8, тактовый генератор 4, счетчик 9 преобразователь 10, стабилизатор оборотов 14, осуществляющих измерение дифференциальной температуры и управление электродвигателем 13 перестальтического насоса 12, содержит датчик растворенного кислорода 11 для блокирования измерений при лимитации роста кислородом, установленный на выходе измерительной камеры и вычислительный блок 15 для вычисления физического значения тепловыделений микроорганизмов

Устройство работает следующим образом

После включения устройства блоком управления 8 задаются минимальные обороты перестальтического насоса 12 - минимальный проток культуральной жидкости через измерительную камеру 1, - при слабом росте микроорганизмов потребление кислорода слабое Лимитация кислородом по всей длине измерительной камеры 1 не происходит-датчик растворенного кислорода 11 не воздействует на блок управления 8.

Дополнительный вычислительный блок рассчитывает дифференциальное значение температур культуральной жидкости на входе и выходе измерительной камеры при этом обеспечивая высокую точность из-за внесения им поправки учитывающей нестабильность скорости прокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру,

При интенсификации роста микроорганизмов уровень дифференциальной температуры растет При достижении заданного значения обороты перистальтического насоса 12 увеличиваются соответственно увеличивается скорость прокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру 1, дифференциальный уровень температуры уменьшается При достижении заданного дифференциального уровня обороты электродвигателя 13 перистальтического насоса 12 стабилизируются

При снижении микробиологического роста дифференциальный уровень температуры падает Количество прокачиваемой культуральной жидкости через измерительную камеру 1 уменьшается дифференциальный уровень температуры растет до среднего уровня Скорость прокачивания стабилизируется При чрезмерном снижении скорости прокачивания начинается лимитация субстрата кислородом При

достижении минимального заданного уровня растворенного кислорода (до 15%) обороты электродвигателя 13 растут, прокачивание культуральной жидкости интенсифицируется.

В конце ферментационного процесса при отмирании микроорганизмов дифференциальный уровень температуры уменьшается. При падении его ниже минимального уровня и при минимальной скорости прокачивания выдается звуковой сигнал - это осуществляет вычислительный блок 15, одновременно блокируется вычисление тепловыделений вычислительным блоком 15, также при изменяющихся оборотах перистальтического насоса 12, нестабильном прокачивании культуральной жидкости.

Работа дополнительного вычислительного блока 5 осуществляется серийным мик- ропроцессором,выполняющим

разработанную программу, которая разрешает измерения моментной температуры элементарного количества культуральной жидкости на входе ее в измерительную камеру 1 и хранение измеренного значения температуры, в зависимости от скорости прокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру рассчитывает время прохождения элементарного количества культуральной жидкости от точки измерения температуры на входе в измерительную камеру до точки измерения температуры на выходе из измерительной камеры через рассчитанный интервал времени, осуществляет разрешение измерения моментной температуры элементарного количества культуральной жидкости на выходе из измерительной камеры 1 и хранение измеренного значения температуры, производит математическое суммирование хранимых значений температур, измеренных на входе и выходе измерительной камеры 1, передачу рассчитанного дифференциального значения температур на вычислительный блок 15, на блок компараторов 7 и индикатор 6,

Работа функциональных блоков устройства - измерителя температуры, измерительного усилителя (фиг. 2} осуществляется следующим образом.

Датчик температуры в виде резонатора включен в цепь эмиттера первого транзистора широкополосного усилителя по схеме токового зеркала. Температура среды преобразуется в частоту кварцевого резонатора, включенного в цепь эмиттера широкополосного усилителя с положительной обратной связью и автоматическим регулированием усиления

Частотный сигнал с выхода 2 поступает на стандартный частотомер ф5041 (не показан), имеющий стандартный выход 0-5 мА. С частотомера сигнал поступает на вход до- 5 полнительного вычислительного блока. Таким же образом на второй вход дополнительного вычислительного блока поступает электрический сигнал, соответствующий температуре культуральной жидко0 сти на выходе из измерительной камеры.

На вход блока компараторов подается сигнал уровня дифференциальной температуры от дополнительного вычислительного блока. В зависимости от уровня сигнала (10)

5 (100) (50) блок, компараторов выдает соответствующий сигнал на блок управления Блок состоит из трех компараторов (10, 100, 50) и схемы определения полярности. На инвертирующие входы компэрато0 ров подается опорное напряжение, на неинвертирующие - сигнал дифференциального значения температуры от дополнительного вычислительного блока (вход 1), Компараторы 10м и 100 особенностей не

5 имеют, сигнал с выхода компаратора 50 через дифференциальную цепь подается на вход схемы автоматического измерения полярности

Схема автоматического определения

0 полярности работает следующим образом. Параллельно инвертирующему входу операционного усилителя (ОУ) подключен канал полевого транзистора, на затвор которого подается сигнал с выхода ОУ, вслед5 ствие чего ОУ является инвертирующим для положительного сигнала и неинвертирующим - для отрицательного. На транзисторе и микросхеме собран формирователь ТТЛ уровня

0 Сигналы.из блока компараторов, измерителя кислорода, схемы определения полярности генератора тактовых импульсов подается соответственно на входы 2, 3, 4, 5, б блока управления (фиг. 4). Из выхода

5 7 блока снимается сигнал блокировки схемы измерения тепла, из выходов 8 и 9 - тактовые импульсы для работы реверсивного счетчика.

Блок работает следующим образом

0 Сигналы из компараторов поступают на схему сравнения (вход 2, 3) и в зависимости от сочетания сигналов на входе схемы сравнения на выхбде формируется лог О или Г, которые подаются на тактовые

5 входы триггеров. Из выхода этих триггеров снимаются сигналы, разрушающие прямой или обратный счет счетчика, триггер и элемент 2И-НЕ управляет подачей тактовых импульсов (вых. 8) на вход прямого счета, в другой триггер и элемент 2И-НЕ - на вход

обратного счета счетчика (вых. 9). Для выхода 7 элемент 2И-НЕ формирует сигнал блокировки схемы измерения тепла по состоянию триггеров и, если один из триггеров находится в нулевом состоянии (происходит изменение оборотов насоса), блокируется схема измерения выделения тепла.

На вход реверсивного счетчика (фиг. 5) из блока управления подаются тактовые им- пульсы генератора: на вход 1 для прямого счета, вход 2 - для обратного счета, На выходы счетчика поступает сигнал в двойном коде. Сам счетчик состоит из двух 4-раз- рядных реверсивных счетчиков и трех элементов 2И-НЕ для блокировки счетчика О при конечном значении счета.

Генератор тактовых импульсов (фиг. 6) представляет собой несимметричный мультивибратор, состоящий из мультитрзнзи- стора и элементов 2И-НЕ На двух элементах 2И-НЕ и конденсаторе С2 собран формирователь импульсов для нормальной работы счетчика

Выходящие сигналы счетчика поступа- ют на входы 1...8 цифроаналогового преобразователя (ЦАП) (фиг. 7) на базы транзисторных ключей, управляющих электромагнитными реле. Контакты реле в зависимости от выходного кода счетчика коммутируют резисторную матрицу, управляющую работой стабилизатора частоты вращения электродвигателя насоса

Стабилизатор частоты вращения насоса (фиг, 8) состоит из оптоэлектронного датчи- ка частоты вращения, усилителя ограничителя, выполненного на операционном усилителе, С-фильтра низких частот с фор мирователем управляющего напряжения, выполненного на третьем операционном усилителе и узла регулирования напряжения на электродвигателе, выполненного на транзисторе обратной проводимости При работе электродвигателя на выходе опто- датчика появляются импульсы, частота ко- торых зависит от частоты вращения вала электродвигателя. Данные импульсы также поступают на вход вычислительного блока (вых. 2). Далее они усилителем-ограничителем преобразовываются в импульсы прямо- угольной формы, которые поступают в частотный дискриминатор.

С-фильтр с формирователем управляющего напряжения формирует постоянное напряжение, величина которого обратно пропорциональна частоте вращения вала электродвигателя. Это напряжение поступает в базу транзистора, выполняющего функцию регулятора тока электродвигателя Этот ток меняется в зависимости от частоты

вращения электродвигателя и тем самым поддерживает постоянные обороты на валу электродвигателя насоса. Эти обороты при надобности меняются изменением напряжения смещения, поступающего на вход 1 операционного усилителя блока формирования управляющего напряжения. Напряжение смещения формирует ЦАП, который меняет сопротивление резисторного делителя, при помощи резисторного делителя меняется и напряжение смещения, которое и задает нужные обороты электродвигателя насоса. Блок вычисления не показан и не описан, так как им является серийный микропроцессор, который выполняет возлагаемые функции по разработанной программе

При изменении скорости тепловыделений анаэробных микроорганизмов, датчик р02 отключается и поправки скорости насоса по нему не производятся

В табл. 1-3 приведены сравнительные экспериментальные данные измерения дифференциальной температуры, характеризующие влияние нестабильности прокачивания перистальтического насоса, применяя предлагаемое устройство и устройство-прототип при выращивании в хемо- стате культуры Pseudomonas.

Применяя предлагаемое устройство, точность измерения дифференциальной температуры при максимальных значениях и соответственно точность расчета тепловыделений микрборганизмами на 9. .10% выше, чем при измерении способом-прототипом.

Увеличение на 10% точности позволяет определить с более высокой точностью характер роста культуры, при управлении процессом культивирования сократить себестоимость продукции из-за более точного определения времени и потребности подпитки

Формула изобретения

Устройство для определения скорости выделения тепла микроорганизмами, содержащее проточную измерительную камеру, снабженную дифференциальным измерителем температуры, один чувствительный элемент которого расположен на входе, а другой - на выходе камеры, усилитель, вход которого соединен с выходом дифференциального измерителя температуры, последовательно соединенные блок компараторов, блок управления, счетчик, цифроаналоговый преобразователь, регулятор числа оборотов, электродвигатель и перистальтический насос, подключенный к измерительной проточной камере, на выходе последней установлен блок растворенного кислорода, подключенный к одному из входов блока управления, к другому входу которого подсоединен тактовый генератор, вычислительный блок физического значения тепловыделений микроорганизмов, к одному из входов которого подключен регулятор числа оборотов электродвигателя перистальтического насоса, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности, оно снабжено дополнительными вычислительным блоком для определения дифференциального значения температур культуральной жидкости и усилителем, при этом чувствительные элементы дифферен0

5

циального измерителя температуры через соответствующие усилители подключены к первому и второму входам дополнительного вычислительного блока для определения дифференциального значения температур культуральной жидкости, к третьему входу посредством промежуточного выхода подсоединен регулятор числа оборотов электродвигателя перистальтического насоса, а выход дополнительного блока для определения дифференциального значения температур связан с индикатором, блоком компараторов и вычислительным блрком физического значения тепловыделений микроорганизмов.

Использование: микробиологическая промышленность, устройства для определения скорости выделения тепяа микроорганизмами. Сущность изобретения: устройство содержит проточную измерительную камеру 1, снабженную измерителями температуры, установленными на входе и выходе камеры и связанными с измерительными усилителями 2 и 3, содержит дополнительный вычислительный блок, индикатор 6, блок 7 компараторов, блок 8 управления, тактовый генератор 4, счетчик 9, преобразователь 10, стабилизатор 14 обо- -ротов, осуществляющих измерение дифференциальной температуры и управление электродвигателем 13 перистальтического насоса 12, содержит датчик 11 растворенного кислорода для блокирования измерения при лимитации роста кислородом, установленный на выходе измерительной камеры, и вычислительный блок 15 для вычисления физического значения тепловыделения микроорганизмов Культуральную жидкость из ферментера перистальтическим насосом 12 прокачивают через измерительную камеру 1 и датчик 11. Дополнительный вычислительный блок 5 рассчитывает дифференциальное значение температур культуральной жидкости на входе и выходе измерительной камеры 1, при этом обеспечивая высокую точность из-за внесения им поправки, учитывающей нестабильность скорости прокачивания культуральной жидкости через измерительную камеру. Данные из дополнительного вычислительного блока, блока управления вводятся в вычислительный блок. где вычисляется скорость тепловыделения 8 ил , 3 табл. сл а о сл

Таблица 1

Зависимость точности измеряемой дифференциальной температуры от нестабильности прокачивания культуральной жидкости (измерялось методом прототипа)

Таблица 2

Зависимость точности измеряемой дифференциальной температуры от нестабильности прокачивания культуральной жидкости (измерялось предлагаемым устройством)

Таблица 3

Сравнительные данные измерения дифференциальной температуры предлагаемого устройства и прототипа

13

йл-2

ШЗ-h

ff

J

2

CZJ-Зг X

Фиг. 5

РКГЬ

i i -I i

M ftx/:

$

JB JT

в

3

i

ъ

HUH

Д

t

я

|-

Г Т Т Т Т Т Т-I

Hi k iwii J-cii -k

Фиг.7

Фиг. В