Дифференциальный микрокалориметр

(5 И АНИЕ И ТЕЛ ЬСТВ 1; 42А.Тар ов чно-исследова иологического И рс 5947 в 1 сгоса 1 ог 1 вейеуэ 1 з. 5 с 1 епсе2-3, 1974, с,18 ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ Св(71) Всесоюзный нательский институт(54)(57) АИФФЕРЕНЦИАЛЬНЬ 1 И МИКРОКАЛО РИМЕТР для исследования микрооргани мов,содержащий термостат с размещен ным в нем калориметрицеским блоком с измерительной и эталонной ячейкам включающими внутреннююи внешнюю обо лочку с расположенными между ними ЯО 1054689 А датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости вовнутреннюю оболочку измерительнойячейки, снабженное блоком проточныхтеплообменников, содержащим корпусс размещенными в нем спиральнымитрубками, связанными, с наконечникамо т л и ч а ю щ и й с я тем, что,целью повышения точности, снабженблоком предварительного термостатирования исследуемой жидкости, закрепленным на термостате, при этом внутренняя оболочка измерительной и эталонной ячеек выполнена в виде кювет,а блок проточных теплообменников оснащен реэьбовыми втулками с закреп;ленными в них баллонами для размещения спиральных трубок и выполненнымис возможностью перемещения в вертикальной плоскости, при этом наконечники трубок соединены с реэьбовымивтулками и кюветами,3510546Изобретение относится к калориметрическим измерениям при микробиологических исследованиях и .контроле,роста микроорганизмов при объемномкультивировании и может быть исполь 5зовано в медицинской, Фармацевтической и микробиологической промышленности для изучения микроорганизмов.Известны дифференциальные микрокалориметры ампульного типа, предназначенные для измерений теплофизческих свойств жидких и твердыхвеществ 1 1. Внутренняя оболочкаизвестного микрокалориметра выполнена в виде тонкостенного патронаили пластины с отверстием для ампулы,.внешняя поверхность которых. находится в тепловом контакте с термопреобразователями измеряющими выделя"емое или поглощаемое в процессе экс"перимента тепло. Исследуемый образецпредварительно помещают в ампулу,которую. перед началом экспериментаопускают в измерительную калориметрическую ячейку микрокалориметра,а ймен "5но - в ампульный приемник.С целью сохранения теплового равновесия в измерительной калориметрической ячейке ампулу с исследуемым образцом по хо"ду ее погружения выдерживают в теплообменных блоках в течение определен 30ного времени. Время выдержки ампулыв теплообменных блоках определяютнеобходимым временем ее прогрева дорабочей температуры с определеннойточностью.Недостатком данных конструкцийдифференциальных микрокалориметровявляется то, что в ампулу с исследуемым образцом невозможно в ходеэксперимента ввести дополнительноевещество., Для повторного исследова"ния вещества с введенными добавкамиготовят новую ампулу, что снижает диапазон исследований и увеличивает время эксперимента, Для микробиологических материалов этот недостатокможет иметь существенное значение,такнак за время выдержки может измениться начальная концентрация .клетоквследствие их деления. Несмотря нато, что ампулы выполняются таким об"разом, чтобы они входили в.ампульныйприемник с минимальным зазором, пред"ставляоцим дополнительное термическоесопротивление, повышающее инерционность микрокалориметра, устранитьзазор между стенками амплуы и приемником невозможно,89 3Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является дифференциальный микрокалориметр для исследования микроорганизмов, содержащий термостат с размещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейками,включающими внутреннюю и внешнюю оболочку с расположенными между ними дачиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительнойячейки, снаб" женное блоком проточных теплообменни", ков, содержащим корпус с размещенными в нем спиральными трубками, связанными с наконечниками 2 3Известная конструкция предполагает возможность введения в измерительную ячейку необходимые добавки жидких веществ, Как правило, такие " добавки осуществляют с помощью шприца или пипетки, позволяющих производить дозировку вещества с высокой степенью точности, Однако при таком методе введения добавок температура вводимого вещества: отличается от ра" бочей температуры микрокалориметра; так как в шприце или в пипетке происходит охлаждение даже при очень быстром выполнении этой операции,а про-. точный теплообменник ампулы не в состоянии полностью устранить возни" кающую при этом разность температур, Таким образом, при введении добавок наблюдается период теплового разбаланса микрокалориметра, т.е, уход "Экспериментального нуля" от положения теплового равновесия, достигнутого в подготовительный период. Чем больше несоответствие температуры вводимой добавки и рабочей температуры микрокалориметра, тем длительнее период температурного разбаланса и тем значительнее искажение калориметрической кривой, несущей информацию об исследуемом процессе.Бсли при исследовании теплофизических характеристик этот Факт проявляется в снижении точности определяемых величин, то, например, в медицине при исследовании воздействия антибиотиков на микроорганизмы этот факт недопустим, так как искажение калориметрической кривой после введения добавки антибиотика из-за теп" лового разбаланса может быть принято .за .имеющееместа воздействие введенного антибиотика на микроорганизмы. Кроме этого, конструкция3 10546 ампулы образует неразъемное соединение трубчатого канала от места вве" дения добавки до кюветы, Поскольку концы этого канала в ходе эксперимента находятся при разных температурах то иэ кюветы по этому каналу как по тепловому мостику возникают стоки " тепла, которые не контролируются и, в свою очередь, снижают точность измерений.1 ОЦель изобретения - повышение точности исследования.Укаэанная цель достигается тем, что известный дифференциальный микрокапориметр для исследования микроорганизмов, содержащий термостат с раэ" мещенным в нем калориметрическим блоком с измерительной и эталонной ячейками, включающими внутреннюю и внешнюю оболочку с расположенными между ними датчиками теплового потока, устройство ввода исследуемой жидкости во внутреннюю оболочку измерительной ячейки, снабженное блоком проточных теплообменников, содержа" щим корпус с размещенными в нем спиральными трубками", связанными с наконечниками, снабжен блоком предварительного термостатирования исследуемой жидкости, закрепленным на термо- З стате, при этом внутренняя оболочка измерительной и эталонной ячеек выполнена в.виде кювет, а блок проточных теплообменников оснащен резьбовыми втулками с закрепленными в них баллонами для размещения спиральных трубок и выполненными с возможностью перемещения в вертикальной плоскости при этом наконечники трубок соединены с резьбовыми втулками и кюветами, 40На чертеже изображена принципиальная конструкция дифференциального микрокалориметра для исследования микроорганизмов.Дифференциальный микрокалориметр 45 для исследования микроорганизмов содержит термостат 1, например сухо- воздушный, калориметрический блок 2 с идентично выполненными измерительной 3 и эталонной 4 ячейками, 50 каждая из которых включает внутреннюю оболочку 5, выполненную в виде кюветы, и внешнюю 6, состоящую из основного, центрального и бокового радиаторов соответственно 7-9. Между 55 внутренней 5 и внешней 6 оболочками калориметрического блока 2 расположены датчики 1 О теплового потока,89 4которые одной плоскостью закреплены на торцевых поверхностях центрального и бокового радиаторов соответственно 8 и 9, а с другой плоскостью поджаты к основаниям кювет, выполненных в виде полого диска с отверстием 11 для ввода ясследуемых жид" , костей, боковая поверхность которых составляет 10 от общей площали, и опирающихся на подпятники 12, в которых установлены тензометрические датчики 13, контролирующие усилие, с которым боковые радиаторы 9 прижимают кюветы к центрапьным радиа" торам 8, Иикрокалориметр содержит устройство для ввода исследуемых жидкостей в кюветы, которое состоит из блока 14 предварительного термостатирования для прогрева исследуемых жидкостей перед вводом их в кюветы и блока 15 проточных тепло" обменников для окончательного выравнивания температур исследуемых жидкостей перед попаданием их в кюветы. Оба блока соединены гибкими шлангами 16. В корпусе 17 блока 14 предварительного термостатирования выполне" но контрольное гнездо 18 для датчика 19 термометра 20 и рабочие полости 21 для исследуемых жидкостей. В нем же устайовлены вентили 22 для перекрытия соединительных шлангов 16 . На внешней поверхности блока 14 предварительного термостатирования намотан проволочный электронагреватель 23 управляемый электронной схемой термостабилизации 1,на чертеже не показана ), В крышке 24 блока установлены прковые вводы 25 для герметизации рабочий полостей, Между корпусом 17 и крышкой 25 установлена прокладка 26.В корпусе 27 блока 15.проточных теплообменников выполнено контрольное гнездо 28 для второго датчика 29 термометра 20 и рабочие полости 30 для проточных теплообменников 31, состоящих из стеклянных баллонов 32,1 заполненных теплопроводной жидкостью, внутри которых проходят спиральные трубки 33 для термостабилизации исследуемых жидкостей. Баллоны 32 неподвижно закреплены в резьбовых втулках 34, имеющих возможность при вращении перемещаться в вертикальном направлении вдоль скользящих втулок 35, которые вставлены в рабочие полости 30 и закреплены винтами 36. Наконечник 37 резьбовой5 1051689 микрокалориметра в виде кюветы, стенки которой находятся е непосредственном контакте с датчиками теплового потока позволяет исключить термическое сопротивление зазора при введении ампулы в ампульный приемник и уменьшить теплоемкость внутренней оболочки за счет исключения ампуль- ного приемника.Затем заливают в баллоны 32 тепло- проводную жидкость и устанавливают всю конструкцию в пенопластовый короб, после чего последний помещают в термостат 1, а гибкие шланги 16, ведущие от блока 14 предварительного термостатирования, подсоединяют к проточным теплообменникам 31, Вы 0 держивают устройство в термостате до установления теплового равновесия,которое фиксируют по сигналу с датчиков 10 теплового потока и определяют по моменту установления "экс 20 периментального нуля" микрокалориметра на постоянном уровне, Затем включают блок 1 М предварительного термостатирования и, контролируя его температуру по показанию термометра 20 и сравнивая.ее с температурой блока 25 15 проточных теплообменников, где в контоольном гнезде 18 установлен датчик 19 термометра 20,доводят ее до температуры калориметрического блока 2, которая равна температуре блока 15 проточныхтеплообменников. В момент равенстватемператур блока 11 предварительноготермостатирования и блока 15 проточных теплообменников с помощью вентилей 22 перемещают соединительныешланги 16 и в рабочие. полости 2 1 спомощью. шприца через пробковые вводы25 вводят исследуемые жидкости. Введенные жидкости выдерживают в полостях определенное время с целью прогрева до рабочей температуры, после чего вентили 22 открывают и жидкостииз рабочих полостей 21 по соедини"тельным шлангам 16 и по спиральнымтрубкам 33 протекают в кюветы, Небольшая разность температур, которая может при этом существовать, определяется удвоенной погрешностью измерения используемого термометра, Приэтом температуру жидкостей по мереих протекания из блока 11 предварительного термостатирования в кюветыдополнительно термостабилизируют дозначения рабочей температуры каловтулки 3 ч выполнен из нетеплопроводного материала и скреплен с кюветойпосредством разъемного соединения38. Все детали микрокалориметра заисключением прокладки 26, баллонов32 и наконечников 37 выполнены извысокотеплопроводного материала.блок 14 предварительного термостатирования установлен снаружитермостата 1, а калориметрическийблок 2 и блок 15 проточных теплообменников, помещенные в пенопластовый короб, установлены внутри термостата 1Устройство работает следующимобразом,Перед экспериментом предварительно подготавливают микрокалориметр к работе. Для этого скользящиевтулки 35 до упора наворачивают нарезьбовые втулки 3 ч, неподвижно закрепленные на стеклянных баллонах 32,Кюветы наворачивают на наконечник37, Такое положение необходимо дляавтоклавирования кювет перед проведением микробиологических экспериментов. Собранную таким образом конструкцию помещают в рабочие полости 30корпуса 27 и закрепляют винтами 36так, чтобы скользящие втулки 35 вовсе последующее время оставалисьнеподвижными. Весь блок 15 проточныхтеплообменников с кюветами автокла 35вируют, после чего его устанавливают на калориметрический блок 2, приэтом кюветы оказываются расположенными между датчиками 10 тепловогопотока с небольшим зазором над под 40пятниками 12. Вращая баллоны 32 срезьбовыми втулками 3 ч в скользящихвтулках 35, одновременно выворачивают наконечники 37 из кювет так, чтопоследние в определенный момент рас 45стыковываются с наконечниками 37 вместе разъемного соединения 38 исбрасываются на подпятники 12. Приэтом наконечник 37 остается введенным в отверстие 11 кюветы с зазором,представляющим собой большое термическое сопротивление, предотвращаятем самым сток тепла, выделяемого вкювете. После этого, следя за показаниями тензометрических датчиков13, поджимают боковые радиаторы 9 к 55,основаниям кювет, обеспечивая постоянство теплового контакта кювет с датчиками 10 теплового потока,6 Выполнение внутренней оболочки7 105 й 68риметрического блока 2 в спиральныхтрубках 33 проточных теплообменниковтак, что, попадая в кювету, жидкостине вносят сколь-нибудь заметного разбаланса в тепловое равновесие. Теплообменник с наклонной трубкой в .микрокалориметре устанавливают дляболее полного прогрева проходящейчерез него исследуемой жидкости дотемпературы эталонной жидкости.При стоке объема Ч суспензии через теплообменник дифференциальногомикрокалориметра .необходимо рассматривать два процесса: непосредственно,сток суспензии .по наклонной ( с углом р) трубке; отрыв капель суспензии у торца прямой трубки и их падение непосредственно в измерительнуюкювету. В том и другом процессе недопускается, чтобы капли суспензииза счет сил поверхностного натяженияоставались или в наклонной части трубки или на ее торце. Это может привести к дрейфу "экспериментальногонуля" микрокалориметра и, следовательно, уменьшению точности. Оптимальный радиус трубки теплообменника будет определяться условием,когда силы гравитации, действующиена объем дозируемой жидкости ( суспензии ), будут больше сил поверхностного натяжения Г, на границе разделасуспензия-твердое тело поверхностьтрубкиТогда для объема суспензии в труб , (1(г)Для суспензии в объеме трубки,40наклоненной под углом р,силы поверхностного натяжения по периметруна границе раздела сред равныР =Р+ф 2 УЙ 3+ЯУРу =4,7/Йо 45 8Уравнение (1) запишется в виде: рТЙ Ь4 Уйо(,з 1 п р (Ъ)Для капли суспензии на торце трубки уравнение (2) запишетсяЭ 9% ф Ъ 2 ТгЫ, где - О 64 - эОткуда внутренний радиус спиральных трубок 33 выбирают в соответствии с зависимостью1 Ьв2 %РПри протекании суспензии через теплобменник в кювету должно выполняться условие (3) и (1):Ы,1%ч абай в 1 р -1 йЧ 4430 51 пф (6)Уравнение (6) с точностью до постоянного коэффициента связывает радиус трубки, угол ее наклона с объемом вводимой в теплообменник жидкости ( суспенэии , при других меньших вводимых объемах пробы силы поверх" ностного натяжения уравновесятся с силой ее тяжести и часть жидкости может остаться внутри трубки, После этого .соединительные шланги 16 перекрываются вентилями 22 и устройство вновь готово для введения необходимых для исследования добавок.Предложенный дифференциальный микрокалориметр для исследования микроорганизмов позволяет производить неоднократный ввод добавок, например активных ферментов, в процессе одного эксперимента и тем самым расширить, точность и диапазон микробиологических исследований,илиал ППП "Патент", г, Ужгор ПИ Заказ 9092/47 1054689 ж 873 Подписно Проектная