Способ определения теплопродукции микроорганизмов и устройство для его осуществления

О ЛИС А Н ИЕ „„g8gggg

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических рес убя (6! ) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 23.02. 79 (21) 2738355/28-1 3 (5I)M. Кл. с присоелинением заявки ¹ 2760180/28-13

С 12 О 3/00

6 01 K 17/00

3Ъеудеретеенный камнтет

СССР

ao äàëàè хзобретеннй н открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30 ° 06 ° 82. Бюллетень № 24 (53) УДК: 663. 14. . 033. 2-52 (088. 8) Дата опубликования описания 30.06. 82 Ъ

Е.Ф. Андреев, Д.П. Лебедев, О.А. Геращенко и Т.Г. Грищенко lj (72) Авторы изобретения

А

Всесоюзный научно-исследовательский биотехничвс.кцй,институт и Институт технической теплофизики АН Украинской ССР * (71) Заявители (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОПРОДУКЦИИ МИКРООРГАНИЗМОВ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к теплометрии и касается способов и устройств для определения теплопродукции микроорганизмов при выращивании их в ферментере.

Известен способ определения теплопродукции путем измерения температуры в калориметре при сжигании конечного продукта 11).

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 тепловыделений с помощью тепломера (2).

Устройство для осуществления этого способа содержит ферментер с мешалкой, 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 высокой.

Кроме того, в известном способе и устройстве для его осуществления не предусмотрена компенсация влаги в Ферментере," которая уносится через отводящий патрубок отработанными га3 93955 зами. 8 результате объем культуральной жидкости в ферментере в конце биохимической реакции может снизиться до 35-403, что нарушает условия культивирования, а также отрицательно сказывается на точности определе ния теплопродукции микроорганизмов.

Цель изобретения - повышение точности определения теплопродукции микроорганизмов. 1О

Эта цель Достигается тем, что в способе определения теплопродукции ,микроорганизмов при выращивании в ферментере по величине теплового потока, в ферментер дополнительно 15 вводят тепловую энергию и регулируют ее подачу, причем перед посевом микроорганизмов дополнительную подачу тепловой энергии осуществляют до нулевого значения теплоизменений в ферментере, а в процессе выращивания микроорганизмов дополнительную подачу тепловой энергии - с учетом вязкости культуральной жидкости, при этом определение теплопродукции ве. дут 8 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 пропорциональносЗ5 ти и регулятор с исполнительным механизмом, служащим для изменения мощности нагревателя, и приспособлением для улавливания влаги из отходящих газов и возвращения ее в культураль- 4в ную 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 теплопродукции микроорганизмов при выращивании их

5О в ферментере в последнем создают необходимые условия для культивирования микроорганизмов и приводят все теплоизменения ферментера к нулю путем введения в него дополнительной тепловои энергии, после чего высевают м

55 микроорганизмы и с тепломера снимают вели чину теплопроду кции ми кроор ганизмов. Поскольку в процессе роста

2 4 микроорганизмов условия роста поддерживают постоянными, а на изменение вязкости культуральной жидкости автоматически непрерывно вводят поправку путем введения дополнительной тепловой энергии, снятые с тепломера показания достоверно отражают образующуюся 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 4.

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 9 дополнительного тепла, установленным в ферментере, контуром его регулирования, включающим приспособление для измерения вязкости, блоком 10 пропорциональности и регулятором ll с исполнительным механизмом, служащим для изменения мощности нагревателя. Приспособление для измерения вязкости включает регистратор 12 мощности на валу мешалки и контур 13 регулирования о6оротов мешалки.

Между емкостью 1 и термостатируемым теплообменником 4 установлен тепломер 14. Поскольку для повышения точности измерений температуру одной из сторон тепломера 14 необходимо поддерживать постоянной и равной по всей его поверхности, то для уменьшения массы теплообменника (помещаемого в процессе измерения в суховоздушный термостат) при создании равномерного теплового потока через тепломер 14 теплообменник

4 снабжен распределительным устройством 15, обеспечивающим в нем встречно-параллельные потоки термостатирующей жидкости от термостата 16.

939552 6

В емкости 1 также установлен холодильник 17 для отвода постоянного количества тепла в случае, например, анаэробного культивирования микроорганизмов. S

Устройство работает следующим образом.

Предварительно до начала измерений емкость 1 помещают в суховоздушный термостат 5, температуру в кото- о ром поддерживают постоянной и равной температуре культивирования микро. организмов и термостатируемого теплообменника 4, к которому отводится тепло от емкости 1 через тепломер 14.1

Перед началом измерений в емкости

1 создают заданные условия роста микроорганизмов: через контур 6 заполняют емкость 1 необходимым количеством культуральной жидкости, до- щ водят ее температуру до заданной,. контуром 7.обеспечивают барботирование воздуха с заданным расходом через питательную среду, контуром 13 задают необходимое количество оборо- 2S тов мешалки 2. При барботировании воздуха через питательную среду происходит частичный унос влаги из емкости 1 в виде пара, который, попадая в конденсатор 8, конденсируется щ и в виде охлажденной жидкости возвращается в емкость 1, что исключает потери жидкости из питательной среды.

При работе ферментера в зависимости от физико-химических характе" ристик питательной среды количество тепла, затрачиваемое на подогрев воздуха и испарение жидкости при барботировании; а также на подогрев конденсата иэ 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 T8fl ла, уносимое газом и затрачиваемое на подогрев конденсата было больше тепла, выделяемого при работе мешалки, SS

Причем в процессе всего эксперимента эта величина остается постоянной.

При соблюдении этого условия с помощью 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 теплообменнику

4. Возникающую при этом термо-ЭДС в тепломере 14 и пропорциональную величине теплового потока, проходящего через него, фиксируют вторичным прибором, например одноточечным самописцем КПС-4. Так как все тепловыделения в ферментере приравнивают

О, то показания вторичного прибора

cooTветствуют 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 ре-. зультата (удельной теплопродукции микроорганизмов) полученный с тепломера сигнал высчитывают по форму.ле

Ч =kN, 6 где

- удельная теплопродукция микроорганизмов a процессе их роста, - постоянный тарировочный коэффициент тепломера;

30

7 9395

N - 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 тепло- to продукции знак " +" с тепломера 14 указывает на экзотермическую реакцию, а знак "-" - на эндотермическую реакцию в рабочей емкости ферментера. 1S

Таким образом, предлагаемый способ определения теплопродукции микроорганизмов и устройство для его осуществления позволяют увеличить точность измерений теплопродукции 26 при глубинном культивировании микроорганизмов 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 выращивании в ферментере по величине тепло- 3 вого 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 .допол52 8 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 пектолитических ферментов.-"Микробиологическая промышленност ь", 1972, И 6, с. 29-31.

2. Корягин В. В. и др. Калориметрическое исследование термогенеза микроорганизмов-продуцентов ферментов, разрушающих клеточные стенки дрожжей.-"Прикладная биохимия и ми" кробиология", 1974, М 10, вып. 4, с. 621.

939552 и юму юру

Заказ 4599/40 Тираж 505

8НИИПИ Государст венного комитета СС CP по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауаская наб., д. 4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель H. Селиверстова

Редактор И. Ковальчук Техред н. Тепер Корректор Е, Рошко