Способ определения теплопродукции микроорганизмов и устройство для его осуществления Советский патент 1982 года по МПК C12Q3/00 G01K17/00 

(k) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к теплометрии и касается способов и устройств для определения теплопродукции микро организмов при выращивании их в ферментере . Известен способ определения тепло продукции путем измерения температуры в калориметре при сжигании конечного продукта l. Однако этот способ трудоемок, точность определения теплопродукции указанным способом невелика, так как он учитывает энергию, образован ную внутри-организма и не учитывает часть энергии, образованной при дыхании организма. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения теплопродукции путем прямого определения тепловыделений с помощью тепломера L2j. Устройство для осуществления этого crtoco6a содержит ферментер с мешалкой, тепломер и системы регулир вания подачи питательной среды и воздуха 2. Однако указанные способ и устройство для его осуществления также не обеспечивают высокой точности определения теплопродукции микроорганизмов, так как при этом не учитываются переменные во времени тепловыделения , связанные с изменением вязкости культуральной жидкости и условий барботирования в процессах роста микроорганизмов с аэрацией. Так как вязкость культуральной жидкости в процессе роста микроорганизмов может изменяться б значительных пределах (в 60 и более раз), то достоверность результатов без учета этих изменений не может быть высокой . Кроме того, в известном способе и устройстве для его осуществления не предусмотрена компенсация влаги в ферментере, которая уносится через отводящий патрубок отработанными газами. В результате объем культуральной жидкости в ферментере в конце биохимической реакции может снизиться до , что нарушает условия культивирования, а также отрицательносказывается на точности определения теплопродукции микроорганизмов. Цель изобретения - повышение точности определения теплопродукции микроорганизмов. Эта цель Достигается тем, что в способе определения теплопродукции микроорганизмов при выращивании в ферментере по величине теплового потока, в ферментер дополнительно вводят тепловую энергию и регулируют ее подачу, причем перед посевом микр организмов дополнительную подачу тепловой энергии осуществляют до нулевого значения теплоизменений в ферментере, а в процессе вьгращивания микроорганизмов дополнительную подачу тепловой энергии - с учетом вязкости культуральной жидкости, при этом определение теплопродукции ведут в изотермических условиях. Устройство для осуществления способа, содержащее ферментер с мешалкой, тепломер и систему регулирования яодачи питательной среды и воздуха, снабжено источником дополнительного тепла, установленным в ферментере, контуром его регулирования, включающим приспособление для измерения вязкости, блок пропорционально ти и регулятор с исполнительным меха низмом, служащим для изменения мощности нагревателя, и приспособлением для улавливания влаги из отходящих газов и возвращения ее в культуральную жидкость, при этом ферментер расположен в изотермической емкости . На чертеже представлено устройство для осуществления способа определения теплопродукции микроорганизмов. Сущность способа заключается в том, что при изменении теплопродукци микроорганизмов при выращивании их в ферментере в последнем создают необходимые условия для культивировани микроорганизмов и приводят все тепло изменения ферментера к нулю путем введения в него дополнительной тепловой энергии, после чего высевают микроорганизмы и с тепломера снимают величину теплопродукции микроорганизмов. Поскольку в процессе роста мик1эоорганизмов условия роста поддерживают постоянными, а на изменение вязкости культуральной жидкости автоматически непрерывно вводят поправку путем введения дополнительной теповой энергии, снятые с тепломера показания достоверно отражают образуюуюся теплопродукцию. Устройство для осуществления указанного способа содержит емкость 1 с мешалкой 2, штуцером 3 для отходящих газов, установленным в верхней части емкости 1, и термостатируемым теплообменником i. Для создания стационарных условий теплообмена емкости 1 с окружающей средой она выполнена в виде сосуда с теплоизоляционной рубашкой и заключена в изотермическую емкость, например суХовоздушный термостат 5. С этой же целью установка снабжена контуром 6 регулирования подачи питательной среды (для случая непрерывного культивирования микроорганизмов) и контуром 7 регулирования подачи воздуха. Емкость 1 через штуцер 3 соединена с устройством для улавливания и возвращения в нее влаги из отходящих газов, выполненным, например, в виде конденсатора 8. Устройство снабжено также источником 3 дополнительного тепла, установленным в ферментере, контуром его регулирования, включающим приспособление для измерения вязкости, блоком 10 пропорциональности и регулятором 11 с исполнительным механизмом, служащим для изменения мощности нагревателя. Приспособление для измерения вязкости включает регистратор 12 мощности на валу мешалки и контур 13 регулирования оборотов мешалки. Между емкостью 1 и термостатируемым теплообменником k установлен тепломер 14. Поскольку для повышения точности измерений температуру одной из сторон тепломера I необходимо поддерживать постоянной и равной по всей его поверхности, то для уменьшения массы теплообменника (помещаемого в процессе измерений в суХовоздушный термостат) при создании равномерного теплового потока через тепломер I теплообменник k снабжен распределительным устройством 15, обеспечивающий в нем встречно-параллельные потоки термостатирующей жидкости от термостата 16. в емкости 1 также установлен холодильник 17 для отвода постоянно количества тепла в случае, например анаэробного культивирования микроорганизмов. Устройство работает следующим об разом. Предварительно до начала измерений емкость 1 помещают в суховоздуш ный термостат 5, температуру в кото ром поддерживают постоянной и равно температуре культивирования микроорганизмов и термостатируемого теплообменника k, к которому отводится тепло от емкости 1 через тепломер I Перед началом измерений в емкост 1 создают заданные условия роста микроорганизмов: через контур 6 заполняют емкость 1 необходимым количеством культуральной жидкости, доводят ее температуру до заданной, контуром 7 обеспечивают барботирование воздуха с заданным расходом через питательную среду, контуром 13 задают необходимое количество оборотов мешалки 2. При барботировании воздуха через питательную среду происходит частичный унос влаги из емкости 1 в виде пара, который, попа дая в конденсатор 8, конденсируется и в виде охлажденной жидкости возвра щается в емкость. 1, что исключает потери жидкости из питательной среды. При работе ферментера в зависимости от физико-химических характеристик питательной среды количество тепла, затрачиваемое на подогрев воздуха и испарение жидкости при бар ботировании, а также на подогрев конденсата из конденсатора 8, может быть больше или меньше количества тепла, выделяемого при перемешивании питательной среды мешалкой. В случае, когда количество тепла, выделяемого при работе мешалки, превышает количество тепла, уносимого газом при барботировании и расходуемого на подогрев конденсата, включают холодильник 17. С помощью холодильника отводят такое количество тепла, при котором количество теп ла, уносимое газом и затрачиваемое на подогрев конденсата было больше тепла, выделяемого при работе мешалк Причем в процессе всего эксперимен та эта величина остается постоянной При соблюдении этого условия с помощью нагревателя компенсируют 26 указанную разницу выделяемого и расходуемого тепла в ферментере до получения нулевого значения сигнала с тепломера. Таким образом, все тепловыделения, происходящие при работе в ферментере (до посева микроорганизмов) приравнивают 0. В этом случае установка подготовлена к работе. Затем в емкость 1 высевают культуру. При росте микроорганизмов выделяется тепло, которое от емкости 1 через тепломер k отводится к теплообменнику k. Возникающую при этом термо-ЭДС в тепломере 14 и пропорциональную величине теплового потока, проходящего через него, фиксируют вторичным прибором, например одноточечным самописцем КПС-. Так как все тепловыделения в ферментере приравнивают О, то показания вторичного прибора соответствуют теплопродукции микроорганизмов. В процессе культивирования изменяется вязкость культуральной жидкости в емкости 1, а следовательно изменяются и условия тепломассос мена в ферментере. Несмотря на изменения вязкости контуром 13 регулирования числа оборотов поддерживают количество оборотов мешалки постоянным, что ведет к изменению нагрузки на валу мешалки 2, которую фиксируют регистратором 12 мощности на валу. Сигнал от изменения нагрузки поступает в блок 10 пропорциональности, где преобразованный в заданном соотношении поступает на исполнительный механизм регулятора 11 напряжения, который пропорционально поступающему сигналу изменяет мощно(:ть нагревателя. Таким образом, компенсируется величина тепловыделений, связанная с изменением вязкости и условий теплообмена в ферментере. Для получения окончательного результата (удельной теплопродукции микроорганизмов) полученный с тепломера сигнал высчитывают по формуле.N, где q - удельная теплопродукция мик роорганизмов в. процессе их роста; k - постоянный тарировочный коэффициент тепломера; N - показания вторичного прибора, например цифрового воль метра. Показания тепломера можно непрер но фиксировать на ленте самописца, а использовав интегрирующее устройс во, определить количество тепла, вы делившееся за весь процесс культивирования. При определении удельной теплопродукции знак -f с тепломера указывает на экзотермическую реакцию, а знак на эндотермическу реакцию в рабочей, емкости ферментера. Таким образом, предлагаемый способ определения теплопродукции микроорганизмов и устройство для его осуществления позволяют увеличить точность измерений теплопродукции при глубинном культивировании микро организмов за счет учета теплоизменений, вызванных работой мешалки и условиями тепло- массообмена при изменении вязкости, и расширить диапазон измерений, что позволяет определить теплопродукцию в эндо- и экзотермических реакциях. Формула изобретения 1. Способ определения теплопродукции микроорганизмов при выращива нии в ферментере по величине теплового потока, отличающийс я тем, что, с целью повышения точности, определения, в ферментер дополнительно вводят тепловую энергию и регулируют ее подачу, причем перед посевом микроорганизмов допол нительную подачу тепловой энергии осуществляют до нулевого значения теплоизменений в ферментере, а в процессе выращивания микроорганизмов дополнительную подачу тепловой энергии - учетом вязкости культуральной жидкости, при этом определение теплопродукции ведут в изотермических условиях. 2. Устройство для осуществления способа, содержащее ферментер с мешалкой, тепломер и системы регулирования подачи питательной среды и воздуха, отличающееся тем, что оно снабжено источником дополнительного тепла. Установленным в ферментере, контуром его регулирования, включающим приспособление для измерения вязкости, блок пропорциональности и регулятор с исполнительным механизмом, служащим для изменения мощности нагревателя, и приспособлением для улавливания влаги из отходящих газов и возвращения ее в культуральную жидкость, при этом ферментер расположен в изотермической емкости. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Салманов С, С. и др. О выделении тепла при культивировании гриба с целью получения пектолитйческих ферментов.- Микробиологическая промышленность , 1972, № 6, с. 29-31. 2.Корягин В. В. и др. Калориметрическое исследование термогенеза микроорганизмов-продуцентов ферментов, разрушающих клеточные стенки дрожжей.- Прикладная биохимия и микробиология, 197, №10, вып. k, с. 621.

/;

л /у Вторичному /7рц5ору

Ч