Устройство для изучения энергетического обмена у животных Советский патент 1979 года по МПК A01K1/02 

6 Целью НооЬретбшля является повышеише точности иссладовання энергетического об мена у животных, Поставпокнйя цепь достигается тем, Что KQMei:;9, в которой находится подолытНО8 животпое, имеет вентилируемую воздушную рубашку, в которой установл,ен:а перегородкп с образованием сообщающихся мехсцу собой секций. В вентилируемую и камеру подается воздух одинеьковой температурьь пгри этом расход через рубашку yci-aHaBnHBaetcsj таким, что изменение температуры воздуха в прослойке за счет теплообмена с окружающей средой равно изменению температ фы воздуха в кпмерй за счет тепловыделений подопытно го жиБотиого. В реаультате средняя ра;з- ность температур воэд5ха в рубашке и камере равяа нулю, что исключает проникно вепие из окружающей среды через вентилиузуэмую рубои ку в камеру. Для того чтобы колебания температуры окружающей среды не оказывали влияния на температуру в вентилируемой рубаиже, камера v7MeeT вторую вентилируемую секцию, охватывающую камеру и первую секцию, Вентйлетдия этой секции осуществляется ЕОЗДухОМз покидающим первую В€ШТИ- лируе г;, секцию.. Для обеспечения равенства температур па входе в камеру и первую секцию циркулирующий через них воздух Смешивается и подвергается совместной тепловой обработке. Бпагодаря атому удается упростить систему регулирования устройства, т.е. исключить ан.томатическое слежение за температурой ств ;нок камеры. сопоставление ее с температурой внутри камеры И выдачу команд со отаетствующигуг исполнительньт механизмом. При этом производится контроль за температурой воздущного потока, что облегчает процесс измерения, выбор установку Т1змерительных устройств. Удаление и разделение экскрементов производится при помощи подвижного пола камеры, представляющего собой ленту (например, из влюминиевой фольги) с нанесенным на ее поверхность сорбентом, применяемым в тонкослойной хроматогра- о)ИИ (например, целлюлозой, окисью алюм тая). Жидкй« экскременты, попадая на пол, потлот1(рются сорбентом. После каждого акта лйнте сообщается движение и участок легпЫ с впитавшим в себя жидки эв:скрем :4нть сорбентом скатывается Б рулону тперше же экскременты при 54 вижении ленты-нола ссыпаются на бумажую полосу, которая вместе с находящиися на ее поверхнос1И твердыми экскреентами сворачивается в рулон. В итоге оявляется возможность производить оактный анализ жидких и твердых эксрементов. Для длительного содержания ивотного в искусственных условиях без арущения его физиолс)гического состояия на входе воздуха в камеру устанавивается ионизатор воздуха, генерируюий легкие отрицатеш ные аэроионы, коорые необходимы для нормальной жиз- деятепьности животного. На фиг, 1 приведена структурная схема устройства для изучегшя энергетического обмена у подопытных животных; на фиг. 2 диаграмма, отражающая изменение воздуха в устройстве. Устройство содержит камеру 1, окруженную двумя вентилируемыми секциями 2 и Sj представляющими собой замкнутые полости, образованные стенками 4 камеры 1, промежуточными neperopojjKaми 5 н наружными ограждениями 6. Друг с другом секции сообщаются через отверстие 7, С целью освещения камеры 1 и наблюдения за подопыти тми хсивотными стешш 4, перегородки 5 и ограждершя 6 вьтолнены из прозрачного материала, например органического стекла.. Камера 1, перегородки 5 и ограждения 6 имеют съемные крыщки, что обеспечивает доступ внутрь камеры. Циркуляция воздуха в устройстве осуществляется по двум контурам Г и И. В состав контура 1, по которому производится вентиляция камеры 1, входят: камера 1, расходомер 8, осушитель 9, обводная линия 10 с соленоидным вентилем 11, побудитель 12 расхода воздуха регулировочпьп вентиль 13, охлаждающий змеевик 14, электронагреватель 15, вентиль 16, ио -шзатор 17 воздуха о Озуиштель 9 заполнен хорошо адсорбирующим влагу веществом, например силикагелем. Контур 1 имеет также выбросной патрубок 18 с вентилем 19 для выпуска части циркулирующего через камеру 1 воздуха в атмосферу. Контур И, по которому осуществляется вентиляция секций 2 и 3, включает в себя секции 2 и 3, побудитель 20 расхода, регушфовочный вентиль 21, ох- лаждающий змеевик 14, электронагреватель 15, вентиль 22, расходомер 23. Для подачи Б устройство свежего воздуха контур 11 снабжен всасывающим патрубком 24 с вентилем 25. Контуры 1 и И имеют общий участок, на котором происходит, смешение воздуха циркулирующего в обоих контурах. Сбщий для двух контуров участок включает в себя охлаждающий змеевик 14 и электро нагреватель 15. «охлаждающий змеевик 14 помещен в заполненную водой емкост 26, в которой находится испаритель 27 холодильного агрегата 28. На входе воз духа в камеру 1 и на выходе, из нее установлены сухие измерители температу ры 29 и ЗО и мокрые измерители тем пературы 31 и 32. Измерители температуры 29 и 31, помимо своих основных функцией выполняют и дополнительные; сухой измеритель 29 управляет холодильным агрегатом 28, а мокрый изме ритель 31 - соленоидным вентилем 11, установленным на обводной линии 10. При помощи измерителей температуры 29 и 31 задается температурно-влажностный режим в камере 1. Температура выходящего из секции 2 воздуха фиксируется и мерителем температуры 33. Подача воздуха на газовый анализ про изводится , побудителем расхода 34 через регулирующий вентиль 35 и расходомер 36. Воздух через вентили 37 к 38 поступает соответственно к анализаторам кислорода 39 и углекислого газа 4О, подвергается анализу и выбрасывается в атмосферу. Контроль газового состава воздуха, поступающего в устройство через всасьгеаюший патрубок 24, производит ся при помощи анализаторов 41, 42 кислорода и углекислого газа соответствен но. На входе воздуха в анализаторы 41 и 42 установлены вентили 43 и 44, поз воляющие отключать соответствующие анализаторы. Подача свежего воздуха кон тролируется при помощи расходомера 45, При проведешш газового анализа необхадимо определить объем кислорода и углекислого газа в устройстве до опыта и после него. Для этой цели используется газоанализируюшее устройство 46, которое через вентиль 47 присоединяется к выбросному патрубку 18. Разделение и удаление экскрементов осуществляется при помощи приспособления, состо5пцего из подвижной ленты-пола 48, рулона 49 с неиспользованной лентой, рулона 5О с использованнойлентой, двух натяжных роликов 51, отражательного щитка 52, предохранительного G 256 козырька 53, пасик 54, бумажной ленты 55, смотанной в рулон 56, рулона 57, привода 58. Рулон 56 с намотанной на него лентой 55 и отражателытый щиток 52 размещены под кормушкой 59 Подвин ная лента - пол 48 изготовлена из алюм1щиевой фольги, на поверхность которой нанесен слой твердого сорбента, применяемого в тонкослойной хроматографин, нaпpи iep целлюлозы, ок1€Сй алюминия. Приспособление приводится в действие приводом 58, который включается и выключается вр чную. На I-d -диаграмме, отражающей изменение состояния воздуха в устройстве, отрезок а-Ь характеризует увлажиекке к нагрев воздуха в камере 1; отрезок Ъ - с - осушение воздуха в осушителе 9; С - 1 - подогрев воздуха в побудителе 12 расхода воздуха; а - s подогрев воздуха в секшш 2; S - в подогрев воздуха в секшш 3; е - смешение воздуха, подогревшегося в сек- 1ШЯХ 2 и 3, с наружным воздухом; д- J-1 подогрев образовавшейся смеси в побудителе 20 расхода; К - И - смешение потоков, щфкулирующих в контурах 1 и ГГ; G - а - охлаждение образовавшейся смеси в змеевике 14; точка d состояние воздуха на выходе из змеевика 14 и на входе в камеру 1 к секшш 2; точка р - состояние смеси, образовавшейся при подогреве в секции 3; точка Ч - состояние смеси, образовавшейся при смешеш и потоков двух контуров jt и И; точка р - определяет точку росы с температурой t р ; точка и - характеризует поверхность амеевзгка 14 с гемпературой , t - соответственно показаш я сухих иззх ерителей температуры 29 и 30; , t g соответственно показатеш : мокрых измерителей температ фы 31 и 32; tg показания H3N.iepHTejra температуры 33; - соответственно влагосодержание воздуха на входе в камеру 1 и на выходе из нее, d , влагосодержание воздуха после осушителя. 9; IQ i Ф, - соответственно энтальпия воздуха на входе в камеру 1 и на выходе из нее. Воздух, имеющий параметры -t , d .(см. точку о| }, поступает в камеру 1 и в результате восприятия выделяемого животным тепла и влаги пригагмает на выходе «з нее параметры t „ , t п12 (точка b ). Изменение температуры воздуха в результате процесса 6 опрод(У яегся разностью Ь - а иачгенение р.лагосодержания - разностью .| , Избытки влаги, ассимилированные воздуксмЛ в процессе cJ - Ь , пог ющаются в rcjimrrene 9, в результате чего воз/,ух поел ч осутдитвпя принимает пара.метры то:пся с с влагосодержанием в .этой точке d -ь Далее воздух засасыва.ется побуллтелем 12 расхода и нагревается в нем ари постоянном влагосодержаили ( d.-, ;4 const ) до состояния, определяемого точкой Ко При этом часть вОояуха выбрасывается через патрубок 16 в атмос-феру т.бо псхзтупает к аналн:ааторам кислорода 39 н 7)глекислого газа 40 йпя газового анализа, а оставщаяся часть воздуха направляетсяна рецйрк;у71ЯУ1.ию, В BeiiTHJiBrpyeivryio секшгю 2 воздух поступает также с параметрами Ь , Ьпц сЬ; (тотка d )о Омывая промежуточные перегородки 5, воздух воспринимает тегело, проникающее из секшш 3 в секгшю 2 подогревается до состояния, определяемого точкой S , и через отверстие 7 в перегородке 5 поступает в секшпо 3, где в спринЕлмает теплопритоки через наружные ограждеуля: 6, вследствие чего подогреЕйется (процесс 9-6 ), Расход воэ духа через секцию 2 устанавливается TaKJ-Bvi, что .изменение температуры в секции .2 (ггрсцесс с1 -s ) равно изме- Кению тем);ературы воздуха в камере 1 (npJjt.ecc ), т,е„ температура воэдузь.ходе .из секции 2 равна т&Л ;.;t выходящего из 1 «ерйтуре - t с р . В результате средБОадуке;тг мператур воздрса н;ир зааяо камере 1 равна пулю: 4 ,- -tcO-r s-4 - T;(c-t)-.J-(t,. Следовательно, и количество тепла т-ронккающее Jis секции 2в камеру 1 через отвИси 4, будет равно О: Q KF&tcp, ГДР; ;f коэфф.итшент тенлопередачи через стенку 4: . F - ке з11хфи1шент теплопередачи черэз поверхлость стенки 4 Е оздуХ: подогретый в секциях 2 и 3, смешивается с наружным воздухом. О6р,а ловавша.яся смесь (см. 6-5 ка диаг замме) смепплзаетс53 с рециркулящионным воз кутом, ног-тупающим из камеры 1. ГазоБвй: . R.B:VX I и IT (К -ji ) 258 характеризуется параметрами точки t , причем влагосодержание этой смеси равно влагосодержанию поступающего в камеру 1 воздуха, т.е. d,p - d Положение точки 6 на диаграмме Т-с зависит от степени осушения воздуха, циркулирующего через камеру 1, в осушителе 9. Степень осушения в осушителе поддерживается на необходимом УроБне (dg d.( ) -мокрым измерителем температуры 31, который, в зависимости от температуры t /у. , подает команду на включение или отключение соленоидного вентиля 11, направляя поток воздуха либо через обводную линию Ю, либо через осуиштель 9. В результате воздух после осушителя 9 имеет влагосодержание U , необходимое для поддержания const . Воздух в состоянии, определяемом точкой i , направляется в общий для контуров 1 и П участок, содержащий зме-. евик 14. В змеевике воздух охлаждается до температуры t (см. Е-о ), Температура t , поддерживается сухим измерителем температуры 29, который, подавая сигнал на включение или отключение холодильного агрегата 28, регулирует температуру воды, заполняющей емкость 26. Во избежание конденсатши влаги в змеевике 14 поверхность его рассчитывается с таким условием, чтобы тепло, воспринимаемое заполн{пощей емкость 26 водой в процессе охлаждения воздуха ( - Q ), отводилось при температуре поверхности -Ь змеевика 14, превышающей температуру точки росы т.е. ti Р . Псюле охлаждения в змеевике 14 воздушный поток разветвляется и с параметрами t; . , , d направляется в камеру 1 и секцию 2. Цикл повторяется. На входе воздуха в камеру 1 установлен ионизатор 17 воздуха. Ионизатор предназначен для образования легких аэроионов, несущих отрицат€этьный заряд. Нал:ичие отрицательных аэроионов в воздухе, заполняющем камеру 1, необходимо д,ля нормального существования подопыт.ffibtx животных в течение длительного временно Изменение параметров воздуха на входе в камеру (точка d ) производится измерителями температуры 29 и 31, что позволяет варьировать параметры воздуха при гфоведении эксперимента. Для -увеличения влагсх:одержания di используется либо влага наружного воз969духа (точка f ), либо влага, выделяемая животным, Е1СЛИ температура окружающей среды ниже температуры в камере Г, термометр 29 пере1шючается на управление электронагревателем 15. Следует отметить, что наличие обцего для воздушных контуров Г и П участ ка с охлаждающим змеевиком 14 позволяет;1)выполнить устройство экономичным так как воздух, покидающий ячейки 2 и и имеющий температуру ниже температуры окружакхцей среды, не сбрасывается в атмосферу, а возвращается в систему циркуляции воздуха; 2)обеспечить равенство температур воздушных потоков на входе в камеру 1 и секцию 2, что необходимо для обеспечения нулевой разности температур ut 0; 3)упростить систему управлений устройством за счет совместного охлаждения до температ5фы Ьс циркулирующег в обоих контурах воздуха; 4)за счет смешения двух воздугикых потоков с различным массовым расходам сгладить колебания влагосодержания d на входе в камеру 1, вызванные цикличной работой осушителя 9 (соленоидного вентиля 11), Массовый расход через контур) П выше, чем через контур 1 (содержащий осу шитель 9). Разность расходов обусловле на тем, что теплопритоки через огра кдения (контур П) превышают тепловыделения животного в камере (контур 1), и для ссблюдения Atcp -О в ячейки 2 и 3 необходимо подавать большее количество воздуха. Например, при внутренних разме pax камеры 1О,7х4хО,35 м, тогешше В0ч3дуп1ных прослоек ячеек - OsOl м, температуре окрух ающей среды 25°С температурах -t н Су.- ,. т.е. при ( )2°С, теплоприто ки из ячейки 2 в ячейку 3 через промеж точные перегородки 5 составляют .а 7,5 ккал/час. Подача воздуха в зчейку 2 при этом должна составлзггь /ч. Белая мышь выдачяет 0,455 ккал/ч, Чтобы отвести это тепло, необходимо в камеру 1 подавать J2-O,8 возду ха, с ношение 1. массовых расходов в этом случае равно: ТМ-1 N-t Ъ ., -. 2 Также с целью у(еньшения колебаний влагосодержания 0 подача свежего воэ10духа в устройство i-фоизвошггся через контур И (патрубок 24), Разделение и удаление экскрементов подопытного животного происходит следующим образом. Жидкие экскретеекты, попадая на подвижную ленту-пол 48, поглоЕцаются слоем сорбента, покрывающим ее поверхность. Твердые экскременты, находящиеся на поверхности ленты-пола 48, при ее дви) доходят до отражательного щитка 52 П по нему скатываются на поверхность 6y vfaMKofl ленты 55, запас которой наход1ггся на рулоне 56, Бут-лажная лента 55 с попавЕшми на ее внутреншою поверхлость твердымп экcкper,feнтaми сматывается в 57. Вращешиг рулону 57 сообщается пасиком 54, которыГ), в свою очередь, -получает Брпшешго отсоединенного с приводом 58 рулоиа 5О. На рулон 5О наматывается лента-гоэдЕ 48, гфопитаннак ж.ид1С1лмп экскрементами. Такой способ удзяешЕя и раздепе1шя зкскре;MeirroB позволяет проиэводгпъ ЕХ аналога поактно, обеспечивая полный сбор выделенных экскре:.ге гг-ов к. спеяо 1зтеяь то. более точный учет интересующих метаболитов. Колит ество о;лут1Сч1ого тепла, выпет.я- емого жлшотным, определяется по формуе . Q.Vy-clte -tc. где V - подача воздуха в камеру 1, у- плотнс с;ть воздуха npir res-fuepa- туре tcg С - TennoeNiKOCTb воздухе. Количество скрытого гсплз, эыдеяяеi-.-foro животным с выдыхаемыми парам, равно: y-(d2-d,5Tr, где (- - скрытая теплота парообразования воды, Расчет потребления Мо кислорода и выделения уг лекислого газа подопытным животным производится по формуле: , где М . - масса анализируемого газа, покинувшего устройство (определяется при помощи вентиля 38 и анализатора 39); М - масса анализ1фуемого газа, содержащегося в устройстве после эксперимента (определяется расходомером 45); N. - масса анализируемого газа, посту шгошего в устройство со свежим в духом (определяется при помо- щи анапизаторов 40 и 41); масса анализируемого газа, содержащегося в устройстве до начала эксперимента (определяется расходомером 45). Таким образом, изобретение позволяет 1)одновременно проводить опыты по прямой и непрямой калориметрии, 2)проводить опыты при различных па раметрах воздуха в камере (температуре и влагосодержании, или относительной влажности), 3)исключить влияние внешних теплопритоков при проведении опытов по прямой калориметрии, 4)применить простые измерительные устройства к облегчить тем самым эксплуатацию устройства, 5)упростить регулирование параметров воздуха, 6)разделять и удалять экскременты и;проводить их анализ поактно, 7)благодаря наличию ионизатора во,здуха, проводить опыты в течение длитеггь кого времени, Формула изобретения 1,Устройство для изучения энергетического обмена у животных, содержащее камеру, снабженную системами циркуляшшл воздуха, регулирования и исэлерения тепловыделений и удаления и экскрементов, отличающееся тем, что, с нелью повыщения точности исследований обмена, камера имеет воздушную рубащку, в которой установлена перегородка с образованием сообщающихся между собой секций. 2.Устройство по п, 1, отличающееся тем, что система удаления экскрементов выполнена в виде подвижной ленты,; установленной в камере, на поверхность которой нанесен слой.сорбента. 3, Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью проведения эксперимента в течение длительного времени, оно дополнительно,содержит ио Z ° ™ в системе щфкуляции воздуха. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Чередниченко Л, К. Физиологическая калориметрия. М.-Л,, Наука, 1965, с, 39-43,