Способ определения количества газов в процессе культивирования микроорганизмов

Изобретение относится к способами аппаратуре для микробиологических , исследований и мо)нет быть использовано при автоматическом управлении процессом выращивания микроорганизмов, зИзвестен способ измерения скорости протекания микробиологических процессов по коли чест ву газа выделяющегося в результате метабопизма,.внлючающИЙ осушение газа, причем пе- О ред осушением газ отделяют, например, при помощи сил гравитации от купьтуральной жидкости, непреывно от ираемой в процессе культивированиг, а пс)Раллел ьно с ОтбоРом УГле" )5кислого газа из культуральной среды прсизводят отбор его из эталгной жидкости, поддерживая в последней парметры дав пени е, температуру и ,ОзффИЦИЕЬТ РсЗСТВОРИМОСТИ Гаэс)сзнсЭ 70 логичные параметрам культуральной среды, нах)дят разность расходовгаза и расчетным путем определяют с коро ст ь роте к ни я ми кроби ол о ги ческих процессов 1 ,2:2Однако данный способ не обеспечивает селективное Отделение газовых компо 1 егг ов из ул ьтурал ьной жидкости, в которой всегда имеются разли цные Газы, что снижает гоцност ь анап; з), Ие Обходи мост ь ч сто меня т ь осуш;тель и э гагОнную жидкость затрудняет поицене(Ие данного способ при ,".;ли гел ьном процессе кул ьти вирования при Одновременном обеспечении стерильности процесса.Э,)Известен такне способ определе:1 ия коли -1 ества газов в процессе куль;виЗова;1 ия микроор Ганизмов, предус Натри вэющий длффузию газов из аналиЗИРУО, Ой СРЕД В ДЭТЧИ: 3 Й УС с 1 НОВЛЕН НЫй И св 1)1)ЭЛ ВРЕМЕИ. ЕЫВОД аИфФУН- дирован 1 Ой из кул ьтурал ьной среды газовой с еси в газоанаяиз ггор с п 1" следующим анализом комгонентов газсвой смсси Йс НаО НаЛИЧИЕ ПОГГЕШНОСГИ ИЗНЕ- рител ьного устройства, реализующего известный споссб в реальных условиях эксплуатации, обусловленный сильной з ависи мост ью коэффици ента прониц ае.- мости мат ери ал а дат ци ка от т емпер аТУРЬ 1, 3 а СЦЕТ ОГ)Р сэста НИ Я Е ГО БНЕШ- ней гОверхОсти пленкой, состоящей ИЗ Мс КР 1 ООРаНИЗ МОВ И ДРУ ГИХ ПРОДУК" тов, а также за счет периодической стеригизаци датцика не позволяет осуществлят 1-онтроль газов в процес 1 се культивирования микроорганизмов,с достаточной точност ью,Цепью изобретения является повь 1 ше ни е т очности контроля.Поставленная цель достигаетсятем, цто согласно способу, предусматривающему диффузию газов из анализируелОЙ среды в датцик за установленный интервал времени, вывод диффундированной из кул ьтуральной средыгазовой смеси в газоанализатор с последующим анализом компонентов газовой смеси, дополнительно подают задан.ное колицество эталонного газа в датчик с последующей его выдержкой иизмеряют колицество выведенного издатчика эталонного газа, устанавливаю коэффициент диффузии, пропорциональный величине отклонения измеренно-о количества выведенного из датчика эталонного газа от заданногоколичества последнего, а количествогазов определяют с учетом коэффициента диффузии.Известно, что движущей силой процесса диффузии газов через сплошныемембраны и з поли меро в является градиент их парциального давления, приэтом количество газа, прошедшегочерез газо;роницаемый элемент датчик для временных интервалов, не превыц 1 ающнх времени насыщенля датчика,определяе Гся выражениемгде К - коэффициент диффузии, характеризующий свой ст во газопроницаеьОГО элемента дачи ка;3 - коэффициент характеризующийй Геоме гр" чес ки е размеры-азопрониц аемс Го элементадатчика;время диффузии газового компонента через гэзопрониц ае 1 Й элемент;1И Г) " ПРЦИс)л ЬНЬ 1 Е Дс)РЯЕНИЯ ДИффУНдирующего газа соответствен:-.о на однои и другой стороне поверхности газопроницаемого элемента датцика.Перед каждым циклом измерения внутреннюю полость датчика продувают газовой смесью постоянного состава, содержащей, по крайней мере, один эталон,ый газ, например гелий, со стабильной концентрацией 1 (ля обесге це ни я низнедея тел ь ности ми кроорган. змов культуральную среду под 3 101 вергают аэрации воздухом, в котором, содержание гелия постоянно и не более 5 10"ф 4 и несоизмеримо мало в сравнении с тем, которым продувают внут ре н нею пол ост ь дат чи ка, Поэтому считают, что эталонный газ гелий отсутствует в анализируемой среде. После продувки внутренней полости датчика смесью с гелием со стабильной концентрацией газопроницаемый элемент отключают на установленное время от газового тракта смеси с гелием и в датчике происходит процесс одновременной диффузии газовых компоне нтов, на при мер, ки слорода, из анализируемой среды во внутреннюю полость датчика и диффузии гелия из внутренней полости это го датчика в анализируемую среду, В связи с отсутствием гелия в анализируемой среде указанный газ диффундирует из внутренней полости датчика в анализируемую среду, при этом количество продифундированного. гелия зави сит в соответствии с выражением 1 ) от парциального давления гелия в датчике перед началом диффузии, времени диффузии, геометрических размеров газопроницаемого элемента и его коэффициента диффузии. В связи с отсутствием кислорода во внутренней полости датчика указанный газ диффундирует из анализируемой сре;ы в его внутреннюю полост ь, при этом коли - чество продиффундировавшего кислорода также зависит от парциального давления кислорода в анализируемой среде, времени диффузии, геометрических размеров газопроницаемого элемента и его коэффициента диффузии.Для каждого цикла анализа время диффузии и геометрические размеры датчика величины постоянные, поэто" му количество контролируемого кислорода, проди ффундировавшего во внутреннюю полость датчика за установленное время, зависит от его парциального давления в анализируемой среде и коэффициента диффузии газопроницаемого элемента, а количество гелия, оставшегося в датчике после его дифФузии в анализируемую среду, за это же установленное время зависит от коэффициент а ди ффузии газ опро ниц аемого элемента датчика. По истечении установленного интервала времени диффузии осущест вляют посредст вом хроматографа анализ газового продукта, находящегося в датчике. В хрома" О 1 ЗОтографе происходит разделение и последовательноее детектирование гелияи кислорода. Сигнал гелия сравнивают с опорным, например стабильным5 напряжением, и получают разностныйси гнал, пропорционал ьный отклонениюкоэффициента диффузии газопроницаемого элемента от своего номинальногозначения, после чего для контролиру 10 емог.о компонента газовой смеси - кислорода - Формируют корректирующуювеличину путем умножения разностного сигнала на множитель, характери"зующий различие коэффициентов диффуязии газопроницаемых стенок датчикадля гелия и ки слорода, Полученнуюкорректирующую величину вычитают изсигнала кислорода,Таким образом, си гнал кислорода,20 "ледующий после сигнала гелия, скорре ктиро ван на еели чи ну от клоне ниякоэффициента диффузии газопроницаемого элемента датчика и пропорционален истинному парциальному давлению25 кислорода в Ферментере, что исключает дополнительные погрешности анализатора, обусловленные зависимостьюкоэффициента диффузии от температурыи обрастания газопроницаемого элеменЗО та продуктами микробиологического синтеза.Предлагаемый способ допускаетконтролировать и другие газы - углеки слый газ, выделяемый ми кроор ганизмами в процессе и х кул ьти ви рованияи метан, который потребляют микроорганизмы при культивировании белкововитаминных концентратов из природного газа, при этом при Формированиикорректирующей вели чины разностныйси гнал умножают на сост вет ст вующиймножитель, характеризующий различиекоэффициентов диффузии эталонногогаза и контролируемого компонентагазового продукта. Все действия, сос"тавляющие способ и. последовательностьи х про ведения, при этом не меня ют ся .На чертеже представлена схема устрой ст ва для р еали з ации спо соба,50Устройство содержит трубчатый датчик 1 вход которого соединен черезклапан 2 с регулятором 3 давлениягаза-носителя и через клапан 4 с регулятором 5 давления газа постоянного состава, а его выход соединен че"рез клапан 6 с первым входом аналитического блока 7 газоанализатораи через клапан 8 с линией вакуумаили окружающей средой, Выход регуля.тов диффузии газопроницаемых стенокдатчика дпя гелия и кислорода, иполученную корректирующую величинувычитают из величины площади пика ки 5 слор ода,Анализы проводят при трех значениях температуры анализируемой среды(25, 30 и 3 С) и стабильном парциальном давлении кислорода в ней 12500 Па,1 О Результаты опытов по измерениюсоставе газа и сопоставительный анализ предлагаемого и известного способовсведены в таблицу. Величина, мм 2,по способу 5 Параметры из вест- предланому гаемому 186 185 212 186,5 234 183,5 30 С 35 С 228 30 С 35Погрев ност ь определения кислорода относи тел ьно резул ьтат а,полу чен но го при 25 о С, 3 258. 1,6 40С корре кти ро ванная площад ь пи каки слорода 50 определяется выражениемг( 2, 2где 5 - площадь пика кислорода докоррекции,Д 5 - изменение площади пика гелияот площади, полученной при25 С, являющейся опорной вели чи ной;0,354- постоянный множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии проницаемого элемент а дат чи ка для ки слорода и гелия,55Таким образом, предлагаемый способ в сравнении с прототипом позволяет повысить точност ь контроля, например, кислорода на 2 4,0 г. 5 10тора 3 соединен со вторым входоми через клапан 9 с первым входоманалитического блока 7. Выход аналитйческого блока 7 последовательно соединен с блоками 10 и 11 соответственно обработки сигналов и отображенияинформации, Программирующий блок 12связ.ан с клапанами 2, 468 и 9и аналитическим блоком 7,П р и м е р. Предложенный способиспользуют дпя определения парциального давления газов в ферментере сустановленным в нем гаэопроницаемымдатчиком в виде силиконовой трубкидлиной 0,45 м, внутренним диаметром5 мм и толщиной стенки 1,5 мм. Дляполучения различных давленийр например, кислорода среду предварительно продувают азотом до полного удаления из нее кислорода, после цегосреду продувают в течение 30 мингазовой смесью азота и кислорода,приготовленной с погрешностью неболее 0 5. (при этом в ферментереподдерживают давление О,1 МПа)затем ферментер отключают от газосме сительной установки и среду выдерживают в течение 30 мин при давлении0,1 МПа, после чего гаэопроницаемыйдат ци к проду вают в те чение 30 с газовой смесью азота с гелием с известным и стабильным содержанием гелия(С=1 об,Ф) и отключают датчик оттракта продувки на 4 мин, в течениекоторых происходит диффузия газовв датчике, Газовую смесь в датчикеопределяют газовым хроматографомЛХММД.Условия анализа. Разделительнаяколонка дпиной 2 м с внутренним диаметром Ф 4 мм, сорбент - молекулярные сита С аА. Темпер атур а р аз делительной колонки 80 С, а температурадетектора 100 С, Газ-носитель - азот.оСкорость газа-носителя 45 мп/мин.Детектор - катарометр. Измеряемыйпараметр пика - площадь, Продолжительность удерживания компонентов:гелий 50, кислород 120.Газовую с мес ь из дат ци ка вводятв хроматеграф производят анализ ивычисляют площади пиков гелия икислорода, Величину площадки пика гелия сравнивают с опорной величинойплощади гелия, полученной в определенных условиях, например, при температуре анализируемой среды 25 оС,р аз ност ь у множ ают на множи тел ь, характеризующий различие козффициенПлощадь пи ка ки слорода при температуре25 С Площадь пика гелия при 25 ос7 10101В предла гаемом способе колебани я коэффициента диффузии в реальных условиях эксплуатации газопроницаемого элемента датчика не влияют на точ" ность определения содержания парци ального давления кислорода в анализируемой среде, поскольку диффузия эталонного и исследуемого газов и анализ газ овой смеси в дат чи ке произ водят в одних и тех же условиях, Точ- . 10мност ь способа в основном определяется стабильностью парциального давления гелия в газовой смеси постоянного состава вводимой во внутреннюю полость газопроницаемого элемен та датчика перед каждым циклом измерения.Устройство работает следующим образом,В первом такте (клапаны 2 и 6 за крыты, а клапаны 4, 8 и 9 открыты) происходит продувка измерительной и сравнительной камер аналитического блока 7 газоанапизатора газом-носителем при постоянном давлении, вели. - 25 чи н а кот оро го опре деля ет ся у ст ано в кой регулятора 3 давления, величина которого определяется установкой регулятора 3 давления, и продувка датчикагазом постоянного состава от регулятора 5, При продувке измерительной и сравнительной камер аналитического блока (на схеме не показаны) газом-носителем его измерительная схема сбалансирована и сигнал на его выхо 35 де равен нулю.Во втором такте (клапаны 2, 6, 4 и 8 3 акрыты, а кл апан 9 от крыт ) происходит накопление контролируемых газов в датчике за счет их диффузии из анализируемой среды через его газопроницаемый элемент и одновременно эталонный газ диффундирует из датчика через тот же проницаемый элемент в анализируемую среду, Время этого45 такта выбирают в зависимости от газопроницаемости материала датчика и шкалы устройства так чтобы получить измеряемые с достаточной точностью концентрации контролируемых газовых компонентВ третьем такте (клапаны 2 и 6 открыты, а клапаны 4, 8 и 9 закрыты) происходит подача газом-носителем в из мерит ел ьную камеру аналити чес ко го блока 7 от регулятора 3 накопленных в дат чи ке конт роли руе мых газ ов и о ставшегося эталонного газа, Измерительная камера аналитического блока 307 снабжена хроматогра 4 ической колонной, на которой осуществляют разделение подаваемой в камеру газовойсмеси на индивидуальные компоненты.При поступлении в измерительнуюкамеру смеси ( газ-носитель плюс ком"поне нт ) балансировка измерител ьнойсхемы нарушается, что вызывает навыходе аналитического блока сигнал,пропорциональный концентрации измеряемого компонента,В . блоке 10 обработки сигналовзапоминают сигналы, соответствующиеэталонному и контролируеььм газовымкомпонентам, сравнивают эталонныйсигнал с опорным сигналом и. по полученной разности корректируют сигналы, соответствующие контролируемым газовым компонентам. Скорректированные си гналы, соответст дующиеконтролируемым газовым компонентам,с выхода блока 10 обработ ки си гналов поступают в блок 11 отображенияинформации для их визуального контроля и ре ги стр ации, Затем вес ь ци клизмерения повторяют в той же последовательности (первый; второй и третий такты).В блоке 10 обработ ки си гнало в т акже осуществляют автоматическую коррекцию нуле во го уровня, выбор соот ветствующего измеряемой концентрации компонента масштаба измеренияУстройство может обеспечивать идругие режимы работы.Возможен режим работы, при которомв пе р вом т а кт е кр ан 4 от кры вают периодически через несколько циклов измерения и в третьем такте коррекцию сигналовв, соот вет ст дующих контролируемымгазовым компонентам, в блоке 10 обработки сигналов также осуществляютчерез несколько циклов, что позволяет сократить расход эталонного газа,при этом в тех циклах, когда кран 4закрыт, кран 2 открыт и, продувку датчика 1 осуществляют газом-носителем.Обеспечение всех тактов работы устрой ст ва осуществляют соответствующимикомандами, подаваемыми из программирующего блока 12,Основным положительным эффектом,достигаемым при осуществлении способа на данном устрой ст ве, я вляется малая зависимость сигнала от свойствгазопроницаемого элемента датчика и возможности коррекции всего измери9 1010130 10тельного тракта, эа счет чего повыша- снижаются непроизводительные энерго- ется точность контроля газов в про- затраты, расход субстрата и увеличивацессе Культивирования микроорганизмов ется выход целевого продукта. Составитель Н. Арцыбашева Редактор М, Петрова Техред Б, Харитончик Корректор М.йарошиЗаказ 2408/1 П "Патент жгород ул. Проектная Гау юж мы с ИИПИ по д 035,ираж 521осударст вам изобреосква, У(Подпи сннного комитета СССРений и открытийРаушская наб д. 4/5