Способ определения теплопродукции микроорганизмов и устройство для его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик и 939552(5 )М, Кл,с присоелинением заявки яе 2760180/28-13 С 12 О 3/00С 01 К 17/00 Ъеударетеенный камнтет СССР ввдалем зобретеннй н открытий(53) УДК: 663.1 й. . 033. 2-52 (088. 8) Дата опубликования описания 30,06. 82 Е,ф. Андреев, Д.П. Лебедев, О.А, Геращенко и Т,Г, Грищенко(72) Авторы изобретения АВсесоюзный научно-исследовательский биотехницвс.кый, институт и Институт технической теплофизики АН Украинской ССР( 5 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 1Изобретение относится к теплометрии и касается способов и устройств для определения теплопродукции микроорганизмов при выращивании их в ферментере.Известен способ определения тепло. продукции путем измерения температуры в калориметре при сжигании конечного продукта 111.Однако этот способ трудоемок, точность определения теплопродукции указанным способом невелика, так как он учитывает энергию, образованную внутри организма и не учитывает часть энергии, образованной при д дыхании организма.Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ определения теплопродукции путем прямого определения тепловы- в делений с помощью тепломера 1,2.Устройство для осуществления этого способа содержит ферментер с мещалкой, тепломер и системы регулирования 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 в значительных пределах (в 60 и более раз), то достоверность результатов без учета этих изменений не может быть высо" кой,Кроме того, в известном способе и устройстве для его осуществления не предусмотрена компенсация влаги в ферментере," которая уносится через отводящий патрубок отработанными га3 93955зами. 8 результате объем культуральной жидкости в ферментере в концебиохимической реакции может снизиться до 35-403 что нарушает условиякультивирования, а также отрицательно сказывается на точности определе ния теплопродукции микроорганизмов,Цель изобретения - повышение точности определения теплопродукциимикроорганизмов. 1 ОЭта цель Достигается тем, что вспособе определения теплопродукцииМикроорганизмов при выращивании вферментере по величине теплового потока, в ферментер дополнительно 15вводят тепловую энергию и регулируютее подачу, причем перед посевом ми кро.организмов дополнительную подачутепловой энергии осуществляют донулевого значения теплоизмененийв ферментере, а в процессе выращивания микроорганизмов дополнительнуюподачу тепловой энергии - с учетомвязкости культуральной жидкости, приэтом определение теплопродукции ве. дут в изотермических условиях.Устройство для осуществления способа, содержащее ферментер с мешалкой, тепломер и систему регулирования подачи питательной среды и воздуха, снабжено источником дополнительного тепла, установленным в ферментере, контуром его регулирования,включающим приспособление для измерения вязкости, блок пропорциональнос З 5ти и регулятор с исполнительным меха.низмом, служащим для изменения мощности нагревателя, и приспособлением для улавливания влаги из отходящихгазов и возвращения ее в культураль оную жидкость, при этом ферментеррасположен в изотермической емкости,На чертеже представлено устройство для осуществления способа определения теплопродукции микроорганизмов.Сущность способа заключается втом, что при изменении теплопродукциимикроорганизмов при выращивании их5 Ов ферментере в последнем создают необходимые условия для культивированиямикроорганизмов и приводят все теплоизменения ферментера к нулю путемвведения в него дополнительной тепловои энергии, после чего высеваютм55микроорганизмы и с тепломера снимаютвеличину теплопродукции микроорганизмов. Поскольку в процессе роста 2 4микроорганизмов условия роста поддерживают постоянными, а на изменениевязкости культуральной жидкости автоматически непрерывно вводят поправку путем введения дополнительной тепловой энергии, снятые с тепломерапоказания достоверно отражают образующуюся теплопродукцию,Устройство для осуществления указанного способа содержит емкость 1 смешалкой 2, штуцером 3 для отходящих газов, установленным в верхнейчасти емкости 1, и термостатируемымтеплообменником 4.Для создания стационарных условийтеплообмена емкости 1 с окружающейсредой она выполнена в виде сосудас теплоизоляционной рубашкой и заключена в изотермическую емкость, например суховоздушный термостат 5, Сэтой же целью установка снабженаконтуром 6 регулирования подачи питательной среды (для случая непрерывного культивирования микроорганизмов) и контуром 7 регулирования подачи воздуха. Емкость 1 через штуцер3 соединена с устройством для улавливания и возвращения в нее влагииз отходящих газов, выполненным,например, в виде конденсатора 8.Устройство снабжено также источником 9 дополнительного тепла, установленным в ферментере, контуромего регулирования включающим приспособление для измерения вязкости,блоком 10 пропорциональности и регулятором 11 с исполнительным механизмом, служащим для изменениямощности нагревателя. Приспособление для измерения вязкости включаетрегистратор 12 мощности на валу мешалки и контур 13 регулирования оборотов мешалки.Между емкостью 1 и термостатируемым теплообменником 4 установлентепломер 14. Поскольку для повышения точности измерений температуруодной из сторон тепломера 14 необходимо поддерживать постоянной иравной по всей его поверхности,то для уменьшения массы теплообменника (помещаемого в процессе измерения в суховоздушный термостат) присоздании равномерного теплового потока через тепломер 14 теплообменникснабжен распределительным устройством 15, обеспечивающим в нем встречно-параллельные потоки термостатирующей жидкости от термостата 16.В емкости 1 также установленхолодильник 17 для отвода постоянногоколичества тепла в случае, например,анаэробного культивирования микроорганизмов. 5Устройство работает следующим образом,Предварительно до начала измерений емкость 1 помещают в суховоздушный термостат 5, температуру в котором поддерживают постоянной и равнойтемпературе культивирования микро. организмов и термостатируемого теплообменника 4, к которому отводитсятепло от емкости 1 через тепломер 14.1Перед началом измерений в емкости1 создают заданные условия ростамикроорганизмов: через контур Б заполняют емкость 1 необходимым количеством культуральной жидкости, до оводят ее температуру до заданной,.контуром 7.обеспечивают барботирование воздуха с заданным расходом через питательную среду, контуром 13задают необходимое количество оборо- ттов мешалки 2. При барботированиивоздуха через питательную средупроисходит частичный унос влаги иземкости 1 в виде пара, который, попадая в конденсатор 8, конденсируется щи в виде охлажденной жидкости возвращается в емкость 1, что исключаетпотери жидкости из питательной среды,При работе ферментера в зависимости от физико-химических характе"ристик питательной среды количество тепла, затрачиваемое на подогреввоздуха и испарение жидкости при барботировании; а также на подогревконденсата иэ конденсатора 8, можетбыть больше или меньше количестватепла, выделяемого при перемешиваниипитательной среды мешалкой, В случае, когда количество тепла, выделяемого при работе мешалки, превышает количество тепла, уносимогогазом при барботировании и расходуемого на подогрев конденсата,включают холодильник 17, С помощьюхолодильника отводят такое количество тепла, при котором количество тепла, уносимое газом и затрачиваемоенаподогрев конденсата было большетепла, выделяемого при работе мешалки,5Причем в процессе всего эксперимента эта величина остается постоянной.При соблюдении этого условия спомощью нагревателя компенсируют 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 О. В этом случае установка подготовлена к работе. Затем в емкость 1 высевают культуру. При росте микроорганизмов выделяется тепло, которое от емкости 1 через тепломер 14 отводится к теплообменникуВозникающую 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 тепломассообмена 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 мощность нагревателя. Таким образом, компенсируется величина тепловыделений, связанная с изменением вязкости и условий теп" лообмена в ферментере.Для получения окончательного результата (удельной теплопродукции микроорганизмов) полученный с тепломера сигнал высчитывают по формулегде- удельная теплопродукция микроорганизмов в процессе ихроста;- постоянный тарировочный коэффициент тепломера;30 7 9395й - показания вторичного прибора, например цифрового вольтметра,Показания тепломера можно непрерывно фиксировать на ленте самописца,а использовав интегрирующее устройство, определить количество тепла, выделившееся за весь процесс культивирования.При определении удельной теплопродукции знак " +" с тепломера 14указывает на экзотермическую реакцию, а знак "-" - на эндотермическуюреакцию в рабочей емкости ферментера. 1Таким образом, предлагаемый способ определения теплопродукции микроорганизмов и устройство для егоосуществления позволяют увеличитьточность измерений теплопродукции 20при глубинном культивировании микроорганизмов за счет учета теплоизменений, вызванных работой мешалки иусловиями тепло- массообмена приизменении вязкости, и расширить 25диапазон измерений, что позволяетопределить теплопродукцию в эндо- иэкзотермических реакциях. формула изобретения 1, Способ определения теплопродукции микроорганизмов при выращиваниив ферментере по величине теплового потока, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения точности. определения, в ферментер дополнительно вводят тепловую энергию и регулируют ее подачу, причем перед посевом микроорганизмов допол 52 8нительную подачу тепловой энергииосуществляют до нулевого значения.теплоизменений в ферментере, а впроцессе выращивания микроорганизмовдополнительную подачу тепловой энергии - учетом вязкости культуральнойжидкости, при этом определение теплопродукции ведут в изотермическихусловиях.2. Устройство для осуществленияспособа, содержаЩее ферментер смешалкой, тепломер и системы регулирования подачи питательной средыи воздуха, отличающеесятем, что оно снабжено источникомдополнительного тепла, установленнымв ферментере, контуром его регулирования, включающим приспособлениедля измерения вязкости, блок пропорциональности и регулятор с исполнительным механизмом, служащим дляизменения мощности нагревателя, иприспособлением для улавливаниявлаги из отходящих газов и возвращения ее в культуральную жидкость,при этом ферментер расположен в изотермической емкости.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Салманов С. С. и др. 0 выделении тепла при культивировании грибас целью получения пектолитическихферментов.-"Микробиологическая промышленность, 1972, М 6, с. 29-31.2. Корягин В. В. и др. Калориметрическое исследование термогенезамикроорганизмов-продуцентов ферментов, разрушающих клеточные стенкидрожжей.-"Прикладная биохимия и ми"кробиология", 1974, М 10, вып.с. 621.939552 Селиверстов Составитель Техред , Т Корректор Е,Ковальч едак аказ 999/ одпис Филиал ОПП "Патент", г. Ужгород, ул, Проектная,ИИПИ по д 3035 Тираж 505сударственного комитета СССРм изобретений и открытийосква, Ж, Рауаская наб.,