CS261454B1

CS261454B1 - Způsob kontinuálního manometrického měření rychlosti -výměny plynů

Info

Publication number: CS261454B1
Application number: CS380186A
Authority: CS
Inventors: Jan Dr Csc Simmer
Original assignee: Jan Dr Csc Simmer
Priority date: 1986-05-26
Filing date: 1986-05-26
Publication date: 1989-02-10

Abstract

Způsob je určen pro kontinuální měření aktuální rychlosti výměny plynů předev ším v biologii a v biochemii. Jeho podstata spočívá v tom, že reakční prostor není uzavřený, nýbrž je od okolí oddělen membránou permeabilní pro plynné složky dané reakce, přičemž plyny vstupující do reakce difundují z okolí přes membránu do reakčního prostoru, zatímco plynné produkty reakce difundují opačným směrem do okolí. Vlivem nestejne permeability membrány pro různé plyny vznikne mezi reakčním prostorem a okolím tlaková diference, která je za konstantní teploty přímo úměrná rychlosti výměny plynů a nezávisí ani na slo žení, ani na tlaku plynné směsi v okolí.

Description

Vynález se týká způsobu kontinuálního manometrického měře ní rychlosti výměny plynů.

Existuje řada biochemických či chemických reakcí (fotosyntéza, dýchání, oxidace, dekarboxylace), při nichž se produkuje plyn (plyny) za současné spotřeby jiného plynu (jiných plynů). Např. při fotosyntéze se spotřebovává oxid uhličitý a produkuje kyslík.

Dosavadní způsob manometrického stanovení rychlosti výměny plynů je založen na měření změny tlaku, k níž došlo v průbě hu reakce za stálé teploty v uzavřeném prostoru konstantního objemu. Tento způsob má následující nevýhody:

a) Plyn vstupující do reakce nelze průběžně doplňovat, takže je možné jen jednorázové, relativně krátkodobé měření.

b) Sledovaná reakce probíhá za neustále se měnící koncentrace plynných reakčních složek.

c) Jestliže se objem vyprodukovaného plynu rovná objemu plynu-spotřebovaného (což je velmi častý případ), je třeba vytvořit tlakový efekt uplatněním dalších fyzikálních nebo chemických procesů. To jednak komplikuje měření, jednak může nepříznivě ovlivnit jeho přesnost.

Uvedené nevýhody odstraňuje způsob kontinuálního manometrického stanovení rychlosti výměny plynů podle vynálezu, jehož podstatou je, že reakční prostor není uzavřený, nýbrž je od okolí oddělen membránou permeabilní pro plynné složky dané reakce, přičemž plyny vstupující do reakce jsou přítomny v okolí a odtud difundují přes membránu do reakčního prostoru, zatímco plynné produkty reakce difundují opačným směrem do

261 454 okolí. Vlivem nestejné permeability membrány pro plyny účastnící se reakce vznikne tlaková diference mezi reakčním prostorem a okolím, která je za konstantní teploty přímo úměrná rychlosti výměny plynů a nezávisí ani na složení, ani na tlaku plynné směsi v okolí.

Popsaný způsob stanovení rychlosti výměny plynů má tyto výhody:

a) Umožňuje déletrvající kontinuální měření.

b) Koncentrace plynů v reakčním prostoru se po dosažení ustáleného stavu dále nemění, takže reakce probíhá za konstantních podmínek.

c) Tlaková diference na membráně, která je indikátorem rychlosti reakce, vzniká i tehdy, když objem vyprodukovaného plynu se rovná objemu plynu spotřebovaného.

Konkrétní realizace způsobu měření podle vynálezu vyžaduje aby membrána byla pro plynné složky reakce dostatečně permeabilní a aby její permeabilita pro různé plyny byla dostatečně odlišná. Pojem dostatečnosti pro daný účel objasní následující matematický popis principu vynálezu.

Je-li A (cm ) plocha permeabilní membrány, V (cm^J) objem reakčního prostoru, Τ (K) termodynamická teplota, R (Pa.cm^. pnol .K ) plynová konstanta, P^ (cm.h ) permeabilita membrány pro i-tý plyn, p_A^ (Pa) tlak i-tého plynu v okolí, ρ_β^ (Pa) tlak i-tého plynu v reakčním prostoru, r^ (jimol.h”^) rychlost spotřeby (-) resp. produkce (+) i-tého plynu, Δρ (Pa) tlaková diference mezi reakčním prostorem a okolím, t (h) čas, pak časovou změnu tlaku i-tého plynu v reakčním prostoru popisuje diferenciální rovnice

2§i = dt

'Ai'

RTr+ -1

V

Po určité době, úměrné hodnotě výrazu V/tP^A), nastane pro i-tý plyn dynamická tlaková rovnováha, při níž bude platit rovnost

RTr· ^PBi ’ ^PAi

AP.

vystihující skutečnost, že diference parciálního tlaku i-tého

261 454 plynu na membráně závisí pouze na rychlosti r^, protože R a A jsou konstanty a T a £< za stálé teploty rovněž. Je-li n počet plynných složek dané reakce, pak celková tlaková diference mezi reakčním prostorem a okolím je dána rovností

Δρ

RT

A n

Σ i=1

kde Δρ má bu<5 kladnou hodnotu (přetlak v reakčním prostoru), nebo zápornou hodnotu (podtlak v reakčním prostoru). Jen zcela výjimečně by Δρ mohlo být rovno nule. V takovém případě by bylo nutno zvolit membránu z jiného materiálu. Materiál membrány není předmětem tohoto vynálezu, avšak v současné době mají žádoucí vlastnosti membrány ze silikonového kaučuku (silicone rubber), protože jsou pro plyny a páry vysoce permeabilní a jejich permeabilita pro různé plyny je natolik odlišná, že vzniká snadno měřitelný rozdíl tlaků Δρ.

V ce\Lém průběhu sledování rychlosti výměny plynů je třeba zajistit, aby reakce nebyla limitována nedostatečným přívodem vstupních reakčních složek do reakčního pr-ostoru. Tento požadavek bude splněn, jestliže parciální tlak každé vstupní plynné reakční složky v okolí bude vyhovovat nerovnosti

R.T.r.

kde r^ (jrmol.h”^ ) je maximální možná rychlost spotřeby i-tého plynu během měření (r^ má zápornou hodnotu).

Rychlost produkce resp. spotřeby k-té reakční složky vypočteme z hodnoty tlakové diference Δρ pomocí vztahu

Ap.A.q_k

R.T

(1 - k = n) , kde q^, q_k (mol) je stechiometrický koeficient i-té resp. k-té plynné složky dané reakce. Pro plyn, který do reakce vstupuje, má q zápornou hodnotu. Plynová konstanta R = 8,31441 Pa.cm\ jimol^-1 .K“¹.

261

Jestliže rychlost spotřeby (-) resp. produkce (+) i-tého plynu r^ (^unol.h¹ ) je funkcí času, např, ^ri ^{= s}i° ^{+ k s}^ⁿ k - 1 , kde S| (pmol.h ^), k (1) a w(h jsou parametry charakterizu jící časový průběh dané reakce, pak čajový průběh tlakové dife rence Δρ (Pa) je popsán vztahem βΐ s

Δρ = — £ ~í£l + k[l + (wV/AP^ )²]”^1</2 sin(wt ^A i=1 ^Pi co V mai í kde φ. = arctan — . Ostatní gymboly vždy význam uvedený dříve, ¹ AP_i

Tato rovnost definuje odezvu měřicího systému na harmonický průběh měřené reakce, takže dovoluje předem zjistit, zda popsaná metoda kontinuálního měření je vhodná pro sledování změn rychlosti konkrétní reakce. Obecně platí, že metoda je pro daný případ tím vhodnější, čím menší je hodnota výrazů ων/ΑΡ^.

Dále jsou uvedeny příklady způsobu kontinuálního manometrického měření rychlosti výměny plynů podle vynálezu.

Přiklad 1

Byla kontinuálně měřena rychlost fotosyntetické výměny plynů synchronní populace jednoho druhu mikroskopických řas během jejich životního cyklu při teplotě T = 309,15 K (36°C). Jelikož řasové buňky mají značný obsah vody a byly suspendovány v živném roztoku, bylo nutno eliminovat vliv tlaku vodní páry na tlakovou diferenci Δρ. Uspořádání experimentu schematicky znázorňuje oňráták ·Kasová suspenze je v reakčním prostoru X, odděleném od okolí J permeabilní membránou 2. Diferenční manometr 4 ústí do prostoru 2 s živným roztokem bez suspendovaných buněk. Jelikož membrána 6 je shodná s membránou 2, je také tlak vodní páry v prostoru 2 stejný jako v prostoru £, zatímco parciální tlaky plynů v prostoru 2 se rovnají parciálním tlakům těchto plynů v okolí J.· Manometr 4 měří tedy pouze tlakovou diferenci reakčních složek. Stechiometrie plynných složek reakce, tj. CC^ a Oj ⁼ 2), odpovídala koeficientům qíCOg) = -1,00 mol a qíOg) - 1,22 mol. Pro měření byla použita membrána ze silikonového kaučuku tlouštky 80 jim, zpevněná sít- 5 261 434 kou. Permeabilita membrány pro plynné reakční složky činila PÍCOg) = 4,68 cm.h’^ a P(Og) = 0,90 cm.h~\ plocha membrány byla A = 120 cm^. V okolí reakčního prostoru byl vzduch při místním atmosférickém tlaku, obohacený COg na 2 obj. %· Po odeznění přechodných počátečních jevů ukázal diferenční manometr přetlak v reakčním prostoru Δρ = 1325 Pa. Z těchto údajů bylo vypočteno, že na začátku životního cyklu buněk byla rychlost spotřeby COg r(C0₂) = -54,2 (imol.h”¹ a rychlost produkce Og ^Γ(θ2^ ^sjimol.h~1 . Na konci životního cyklu, ve fázi dělení buněk, klesl přetlak Δρ až na 409 Pa, což odpovídá rychlostem r(C0_o) = -16,7 —1 —1 jimol.h a r(Og) = 20,4 jimql.h . Průběžná registrace přetlaku Δρ umožnila stanovit okamžitou rychlost fotosyntézy v kterékoliv fázi vývoje dané populace. Jelikož chyba měření přetlaku byla cca + 5 Pa, můžeme chybu stanovení r(C0₉) odhadnout na +0,20 ~ 1 -t ^{d —} jrmol.h a r(Og) na +0,25 jimol.h .

Příklad 2

Příklad se shoduje ve všem s příkladem 1, pouze stechiometrické koeficienty jsou jiné, tj. q(COg) - -1 mol a q(Og) ⁼ 1 mol. Vypočtené počáteční rychlosti výměny plynných reakčních složek jsou v tomto případě r(COg) = -68,9 jumol.h a r(Og) = 68,9 jimol.h”¹. Tento příklad ukazuje, že tlaková diference vzniká i tehdy, když součet rychlostí výměny všech plynů se rovná nule.

Vynález má možnost uplatnění při stanovení rychlosti výměny plynů především v biologii a v biochemii.

Claims

Způsob kontinuálního manometrického měření rychlosti výměny plynů, vyznačený tím, že reakční prostor se od okolí oddělí membránou permeabilní pro plynné složky reakce, přičemž plyny vstupující do reakce jsou přítomny v okolí, načež vlivem nestejné permeability membrány pro různé plyny vznikne mezi reakčním prostorem a okolím tlaková diference, indikovaná diferenčním manometrem, z níž se okamžitá rychlost výměny plynných reakčních složek stanoví výpočtem.