Устройство для определения кинетических коэффициентов биохимической реакции

СОЮЗ СОВЕТСКИХОО,ИЦИРИМЕСИИЖРЕСПУБЛИН ЗВ) С 06 С 7/60 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(21) 3508540/2 (22) 15.10.82 (46) 15.11.84. (72) А.А.Арзам (53) 681.333(0 (56) 1. Луценк Аналоговые выч 4 юл, Уцев .8)В.А.,литель финякин ные маши,Н. ы в интегратосоединенжения, че ай Ю 1ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ химии и химическои технологии. М., "Химия", 1969, с. 99.2. Кафаров В.В., Винаров А,Ю., Гордеев П.С. Моделирование биохимических реакторов. М., "Леснаяпромьппленность", 1979, с. 49-50 (прототип). ,(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КИНЕТИЧЕСИП КОЭФФИЦИЕНТОВ БИОХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ, содержащее блок умножения,сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого сумматора линейного отклонения, и генератор линейно изменяющегося напряжения, выход которого через первыйфункциональный преобразователь подключен к второму входу первого сумматора линейного отклонения, выходкоторого соединен с первым и черезинвертор с вторым входами первогоблока вычисления квадратичного отклонения, выход которого через первый масштабируюший блок подключен кпервому входу интегратора суммарногоотклонения, выход которого являетсявыходом устройства, о т л и ч а ю -щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности и скорости определенияпараметров биохимической реакции, внего введены четыре инвертора, блокдифференцирования концентраций биомассы, блок задания значения полунасыщенияя, блок деления, интегратор концентрации субстрата, второй сумматор линейного, отклонения, второйблок вычисления квадратичногоотклонения, второй, третий, четвертый, пятый и шестой масштабирующиеблоки, квадратор и второй функциональный преобразователь, вход и выход которого подключены соответственно к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения и к первому входу второго сумматора линейного отклонения, выход которого соединен спервым и через инвертор с вторымвходами второго блока вычисленияквадратичного отклонения, выход которого через второй масштабирующийблок подключен к второму входу интегратора суммарного отклонения, выход ра концентрации биомассы с первым входом блока умнорез пятый масштабирующий блок - с первым своим входом и через инверчор - с вторым входом блока умножения и входом блока дифференцирования концентрации биомассы, выход которого через третий масштабирующий блок подключен к входу интегратора концентрации субстрата, выход которого соединен с первым входом сумматора, вторым входом второго сумматора линейного отклонения, первым входом квадратора и через ийвертор - с входом делителя блока деления и вторым входом квадратора, выход которого через четвертый мас 1 птабирующий блок подключен к второму входу сумматора, :выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого через шестой масштабирующий блок подключен к третьему входу блока умножения, выход блока задания значения полунасыщения соединен с третьим входом сумматора.Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при исследовании протекания биохимических реакций в микробиологической, ферментной, спир товой, пищевой и других отраслях промышленности, а также при исследо". ванин процессов биологической очистки сточных вод.Известно устройство для определе О ния константы скорости химической реакции, содержащее последовательно включенные потенциометр и интегратор, один выход которого подключен к потенциометру, а другой - к входу сум матора ( 1).Однако данное устройство не позволяет определять кинетические коэффициенты при биохимической реакции,что делает невозможным его использование 20 в укаэанном случае.Наиболее близким к изобретению является устройство для определения кинетических коэффициентов биохимической реакции, содержащее блок ум ножения, сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого сумматора линейного отклонения и генератор линейно изменяющегося напряжения,ЗО выход которого через первый функциональный преобразователь подключен ко второму входу первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор с вторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения, выход которого через первый масштабирующий блок подключен к первому входу интегратора суммарного отклонения, 40 выход которого является выходом устройства, Кроме того, устройство содержит ряд усилителей 2 .Однако указанное устройство позволяет пОдобрать лишь два кинетических 45 коэффициентаи / в простом уравнении Вольтерра(,АХ г- =ЕХ-ЪХ(1)дС1 50где Х - концентрация клеток микроорганизма;- максимальная скорость ростамикроорганизмов в отсутствиевзаимовлияния, 4) - коэффициент взаимовлияния.Уравнение (1) не нашло широкого применения в микробиологической практике, так как в него не входят по крайней мере следующие факторы, необходимые при исследовании биохимической реакции: экономический эффект, показывающий использование субстрата," зависимость. скорости роста от концентрации субстрата (подобная зависимость существует для всех микроорганизмов) коэффициент, учитывакиций отмирание части микроорганизмов, что особенно важно учитывать при больших временах пребывания микроорганизмов в аппаратах и неблагоприятных условиях их культивирования.Наиболее точно описывают, поведение микробной популяции, уравнения"-иХ - К Х; (2)0 Х с У сй 1 (4) где Х - концентрация биомассы микроорганизмов, г/л,5 - концентрация субстрата,г/л,р. - удельная скорость роста,1/ч,К 1) - фактор отмирания микроорганизмов 1/чу - экономический коэффициент,г/г.Точность описания экспериментальных данных уравнениями (2) - (4) вомногом зависит от выбора типа зависимости (3), Наиболее удобной являетсяуравнение ЭндрюсаМ=М г+К +К 55которое учитывает как лимитированиескорости роста микроорганизмов недостатком субстрата 5 , так и ее ингибирование избытком субстрата. Влэтом уравнении /А, - максимальнаяудельная скорость роста, 1/ч; Кконстанта полунасыщения, г/л, К -константа, л/г.Уравнение (5) хорошо еще и тем,что при К=О оно автоматически переходит в часто применяемое в микробиологической практике уравнение Моно(6) и является таким образом его более общим случаем.4343 3 , 112Данное устройство позволяет быстро производить вычисление кинетичеслких констант ц,К, Ч,К и Ко в часто употребимых в энзимальной кинетике уравнениях (2), (3), (4), уравнение (3) имеет при этом вид (5), которые наиболее точно характеризуют систему микроорганизмы - субстрат. Целью изобретения является повыше 10ние точности и скорости определениякинетических коэффициентов биохимической реакции,Указанная цель достигается тем,что в устройство для определения ки 15нетических коэффициентов биохимической реакции, содержащее блок умножения, сумматор, интегратор концентрации биомассы, выход которого подключен к первому входу первого суммато 20ра линейного отклонения, и генераторлинейно изменяющегося напряжения, выход которого через первый функциональный преобразователь подключен к второму входу первого сумматора линейного отклонения, выход которого соединен с первым и через инвертор свторым входами первого блока вычисления квадратичного отклонения, выходкоторого через первый масштабирующийблок подключен к первому входу интегратора суммарного отклонения, выход которого является выходом устройства, введены четыре инвертора, блокдифференцирования концентрации биомассы, блок задания значения полуна- З 5сьпцения, блок деления, интегратор концентрации субстрата, второй сумматорлинейного отклонения, второй блок вычисления квадратичного отклонения,второй, третий, четвертый, пятый и 40шестой масштабирующие блоки, квадратор и второй функциональный преобразователь, вход и выход которого подключены соответственно к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения и к первому входу второго сумматора линейного отклонения, выходкоторого соединен с первым и черезинвертор с вторым входами второгоблока вычисления квадратичного от- клонения, выход которого через второй масштабирующий блок подключен квторому входу интегратора суммарногоотклонения, выход интегратора концентрации биомассы соединен с первым 55входом блока умножения, через пятыймасштабирующий блок - с первым своимвходом и через инвертор - с вторым входом блока умножения и с входом блока дифференцирования концентрации биомассы, выход которого через третий масштабирующий блок подключен к входу интегратора концентрации субстрата, выход которого соединен с первым входом сумматора, вторым входом второго сумматора линейного отклонения, с первым входом квадратора и через инвертор - с вхоцом делителя блока деления и с вторым входом квадратора, выход которого через четвертый масштабирующий блок подключен к второму входу сумматора, выход которого соединен с входом делимого блока деления, выход которого через шестой масштабирующий блок подключен к третьему входу блока умножения, выход блока задания значения полунасьпцения соединен с третьим входом сумматора.На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - графики концентраций биомассы и субстрата. Устройство содержит (фиг1) интегратор 1 концентрации биомассы, пятый масштабирующий блок 2 (задания фактора отмирания микроорганизмов),блок 3 умножения, первый сумматор 4 линейного отклонения, инвертор 5, блок Ь дифференцирования, третий масштабирующий блок 7, интегратор 8 концентрации субстрата, сумматор 9, инвертор 10, второй сумматор 11 линейного отклонения, квадратор 12, четвертый масштабирующий блок 13, блок 14 задания значения полунасьпцения, блок 15 деления, шестой масштабирующий блок 16 (задания максимальной удельной скорости роста), генератор 17 линейно изменяющегося напряжения, первый и второй функциональный преобразователи 18 и 19, в которых аппроксимируются экспериментальные концентра- ции биомассы и субстрата соответственно, второй блок 20 вычисления квадратичного отклонения, инвертор 21, первый масштабирующий блок 22, интегратор 23 суммарного отклонения, второй блок 24 вычисления квадратичного отклонения; инвертор 25 и второй масштабирующий блок 26. Интеграторы 1 и 8 служат для решения уравнения (2) и (4). На них выставляются начальные значения концентрации биомассы Х и субстрата 5 оИнтегратор 23 служит для вычисления функции невяэки.Блоки 2, 7, 13 служат для установки и подбора численных значений кинетических параметров К, 1/У, .К. . 5Блоки 14 и 16 служат для установки и подбора численных значений константы полунасыщения К и максимальл ной удельной скорости роста р,.Блоки 22 и 26 служат для установки в зависимости от концентраций субстрата и биомассы весовых коэффициентов 7 Э иУстройство работает следующим об разом.15Экспериментально полученные значения концентраций биомассы микроорганизма Хэ"с" (1) и субстрата 5 . (с), для которых необходимо получить чис-. ленное значение кинетических пара- О. лметров с, К, У,К, К, набираются как функции времени на функциональных блоках 18 и 19 соответственно. На интеграторах 1 и 8 выстанавливаются начальные значения концентрации биомассы Х- и субстрата 5 . С помощью блоков 2, 7, 13, 14, 16 устанавливаются начальные приближения соответствующих Кинетических параметров (берутся иэ итературных источников, а если тако ых нет, то устанавливаются произвольно) . Блоками 22 и 26 устанавливаются весовые коэффициенты ф и 92 таким образом, чтобы выполнялось со-, отношение 35.1124343 бгде В и Х " - средние экспериэксв эксвментальные значения концентраций субстрата и биомассы, определяемые изсоотношенийаЭксп 1Эксо,х = - Ех ( )где ) "1, номер экспериментальногозначенияо - максимальное число экспериментальных значений.На схему подается питающее напряжение, Устройство работает в ечениевремени Ф 40 Т 3, .где Т -,макси мальное замасштабированное время вэкспериментальных данных (фиг.2), Поистечении времени Т замеряется напряжение на выходе интегратора 23.Естественно что из-за несоответ-.Э1ствия Х(С) и ХЭ"с"(Ф), а также 5(Ци 5"с" (я) напряжение иа выходе интегратора 23 равно некоторому ц , отличному от нуля. Последовательным вращением ручек потенциометров блоков2, 7, 13, 14, 16, каждый раз включаяустройство, добиваются наименьшегозначения напряжения О , что соответствует наилучшему описанию кинетикилданными значениями 1 и, К 5, , К, Кукоторые соответствуют настройкам потенциометров.Таким образом,предлагаемое устройство за счет введения новых блоков, и связей между ними позволяет подобрать кинетические параметры биохимической реакции, наиболее точно характеризующие протекание процесса.1124343Составитель А.Яицков РедактоР С;Тимохина ТехРед М,КУзьма КоРРектоР А,0 бручар Заказ 8284/40 Тираж 698 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб., д.4/5Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная, 4