SU1010130A1 - Способ определени количества газов в процессе культивировани микроорганизмов - Google Patents

Abstract

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОВ В ПРОЦЕССЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматривающий диффузию газов из анализируемой среды в датчик за установленный интервал времени, вывод диффундирсвайной из культуральной среды газовой смеси в газоанализатор с последующим анализом компонентов газовой смеси, отличающийс  тем, что, С целью повышени  точности, подают заданное количество эталонного газа в датчик с последующей его и измер ют количество выведенного из датчика эталонного газа, устанавливают коэффициент диффузии, пропорционалы )й величине отклонени  измеренного количества выведенного из датчика эталонного газа от заданного количества последнего, а количество (П газов определ ют с учетом коэффициента диффузии.

Description

1Ш

Изобретение относитс  к способам и аппаратуре дл  ми фoбиoлoгичecl иx исследований и может быть использовано при автоматическом управлении про цессом выращивани  микроорганизмое.

Известен способ измерени  скорости протекани  микробиологических процессов по количеству газа выдел ющегос  в результате метаболизма. вилюча адий осушение газа, причем перед осушением газ отдел ют, капримео , при помощи сил гравитации от культуральной жидкости, непрерывно отбираемой в процессе культивировани , а параллельно с отбором углекислого газа из культуральной среды прО|-13вод т отбор его из эталонной жидкости 5 поддержива  в последней параметры (давление, температуру и коэс :|фициент растворимости газа) , аналогичные параметрам культуральной средь, наход т разность расходов газа и расчетным путем определ ют скорость г ротекани  микробиологических процессов l J.

Однако данный способ не обеспечивает ceлef тивнoe отделение газовых компонентов из культуральной жидкости , в которой всегда имеютс  различные газы, что снижает точность анализа. Необходимость часто мен ть осушитель и эталонную жидкость затруд н ет применение данного способа при .лительнон процессе культивировани  при однюгзременыом обеспечении стериль ности процесса.

Известен таюке способ опредсУ1е НИЛ количества газов в процессе культивировами  микроорганизмов, предусматриваю пий дисрфузию газов из анализируе ,-.1ОЙ средь в датчик-за установлен ный ин ерсол вре,, вывод диффундированной из кул ьтурал ьной средь; газовой смеси в газоансшизатор с последу оа1им анализом компонентов газовой смеси ;i.

ОднакО наличие погрешности измерительного устройства, реализующего звестный способ в реальных услови х эксплуатации, обусловленный сильной зависимостью коэффи1(Иента проницаемости материала датчика от темперауры , за счет обрастани  его BHaiiней поверхности пленкой, состо щей з микроорганизмов и других продуков , а также за счет периодической стерилизации датчика не позвол ет осуществл ть контроль газов в пронес02

се культивировани  микроорганизмов, с достаточной точностью.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности контрол ,

Поставленна  цель достигаетс 

тем, что согласно способу, предусматривающему диффузию газов из анализируемой среды в датчик за установленный интервал времени, вывод диффундированной из культуральной среды газовой смеси в газоанализатор с последующим анализом компонентов газовой смеси, дополнительно подают заданное количество эталонного газа в датчик с последующей его выдержкой и измер ют количество выведенного из дат1-1ика эталонного газа, устанавливают коэффициент диффузии, пропорциональный величине отклонени  измеренного количества выведенного из датчика эталонного газа от заданного количества последнего, а количество газов- определ ют с учетом коэффициента диффузии.

Извечстнр, что движущей силой проесса диффузии газов через сплошные мембраны из полимеров  вл етс  градиент кх парциального давлени , при этом количество газа, проведшего

через газопроницаемый элемент датчика дп  временных интервалов, не превыша1ои их времени насыщени  датчика, о г 1 р е д ел   е т с   выражением

fl--:K Dt(p-pbj

А

где Кд - коэффициент диjЬ(t)vзии , характеризующий свойст во газопроницаемого элемента датчика;

D - коэффициент,, характеризующий геометрические размеры азопроницаемого элемента датчика ,

t врем  диффузии газового компонента через газопроницае -6iй элемент;

р- парциальные давлени  диффундирующего газа соответствен:--:о на одной И дру гой сторо не поверхности газопроницаемого элемента датчика.

Перед каждым циьшом измерени  внут раннюю полость датчика продувают газовой смесью посто нного состава, содержащей, по крайней мере, один эталонный газ, например-гелий , со стабильной концентрацией 1%. Лл  обеспечени  жизнеде тельности микрооргаг-;измоа культурапьную среду вергают аэрации воздухом, в котором содержание гели  посто нно и не более 5-10 и несоизмеримо мало в сравнении с тем, которым продувают внутреннюю полость датчика. 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 врем  от газового тракта смеси с ге лием и в датчике происходит процесс одновременной диффузии газовых компонентов , например, кислорода, из анализируемой среды во внутреннюю полость датчика и дисЬфузии гели  из внутренней полости этого датчика в анализируемую среду. В св зи с отсутствием гели  в анализируемой среде указанный газ диффундирует из внутренней полости датчика в анализируемую среду, при этом количество продифундированного. гели  зависит в соответствии с выражением (, 1 ) от парциального давлени  гели  в датчи ке перед началом диффузии, времени диффузии, геометрических размеров газопроницаемого элемента и его коэ фициента диффузии, D св зи с отсутствием кислорода во внутренней поло сти датчика указанный газ диффундирует из анализируемой в его внутреннюю полость, при этом количество продиффундировавшего кислоро да также зависит от парциального давлени  кислорода в анализируемой среде, времени диффузии,геометричес ких размеров газопроницаемого элемента и его коэффициента диффузии. Дл  каждого цикла анализа врем  диффузии И геометрические размеры датчика величины посто нные, поэтому количество контролируемого кисло рода, продиффундировашиего во внутреннюю полость датчика за установле ное врем , зависит от его парциаль , ного давлени  в анализируемой среде , и коэффициента диффузии газопроница емого элемента, а количество гели , оставшегос  в датчике после его диф фузии в анализируемую среду, за это же установленное врем  зависит от коэффициента диффузии газопроницаемого элемента датчика. По истечении установленного интервала времен диффузии осуществл ют посредством хроматографа анализ газового продук та, наход щегос  в датчике. В хрома 0 тографе происходит разделение и последовательное детектирование гели  и кислорода. Сигнал гели  сравнивают с опорным, например стабильным напр жением, и получают разностный сигнал, пропорциональный отклонению коэффициента диффузии газопроницаемого элемента от своего номинального значени , после чего дл  контролируемог-о компонента газовой смеси - KIIслорода - формируют корректирующую величину путем умножени  разностного сигнала на множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии газопроницаемых стенок датчика дл  гели  и кислорода. Полученную корректирующую величину вычитают из сигнала кислорода. Таким образом, сигнал кислорода, следующий после сигнала гели , скорректирован на величину отклонени  коэффициента диффузии газопроницаемого элемента датчика и пропорционален истинному парциальному давлению кислорода в ферментере, что исключает дополнительные погрешности анализатора , обусловленные зависимостью коэффициента диффузии от температуры и обрастани  газопроницаемого элег«нта продуктами микробиологического синтеза . Предлагаемый способ допускает контролировать и другие газы - углекислый газ, выдел емый микроорганизмами в процессе их культивировани  и метан, который потребл ют микроорганизмы при культивировании белкововитаминных концентратов из природного газа, при этом при формировании корректирующей величины разностный сигнал умножают на соответствующий множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии эталонного газа и контролируемого компонента газового продукта. Все действи , сос тавл ющие способ и. последовательность их проведени , при этом не мен ютс . На чертеже представлена схема устройства дл  реализации способа. Устройство содержит трубчатый датчик 1, вход которого соединен через клапан 2 с регул тором 3 давлени  газа-носител  и через клапан k с регул тором 5 давлени  газа посто нно го состава, а его выход соединен через клапан 6 с первым входом аналитического блока 7 газоанализатора и через клапан 8 с линией вакуума или окружающей средой. Выход регул 5

тора } соединен со вторым входом и через клапан 9 с первым входом аналитимеского блока 7. Выход аналит ческого блока 7 последовательно соединен с блока в 10 и 11 соответственно обработки сигналов и отображени  информации. Программирующий блок 12 св з.ан с клапанами 2, , 6, 8 и 9 и аналитическимблоком 7.

Пример. Предложенный способ используют дл  определени  парциального давлени  газов в ферментере с установленным в нем газопрОницае№1м датчиком в виде силиконовой трубки длиной О,5 м, внутренним диаметром 5 мм и толщиной стенки 1 ,5 мм. Дл  поп-учени  различных давлений например , кислорода среду предварительно продувают азотом до полного удалени  из нее кислорода, после чего среду продувают в течение 30 мин газовой смесью азота и кислорода, приготовленной с погрешностью не более 0,5% (при этом в ферментере поддерживают давление 0,1 МГГа) , затем ферментер отключают от тазосме сительной установки и среду выдерживают в течение 30 мин при давлении 0,1 МПа, после чего гaзoпpoницae ый датчик продувают в течение 30 с газовой смесью азота с гелием с известным и стабильным содержанием гели  ((1,1 об.%) и отключают датчик от Тракта продувки на k мин, в течение которых происходит диффузи  газов в датчике. Газовую смесь в датчике определ ют газовым хроматографом ЛХМ-8МД.

Услови  анализа. Разделительна  колонка длиной 2 м с внутренним диаметром 0k MMj сорбент молекул рные сита СаА. Температура разделительной колонки 80 С, а температура детектора . Газ-носитель - азот Скорость газа-носител  kS мл/мин. Детектор - катарометр. Измер емый параметр пика - площадь. Продолжительность удерживани  компонентов: гелий 50, кислород 120.

Газовую смесь из датчика ввод т в хроматограф, производ т анализ и вычисл ют площади пиков гели  и кислорода. Величину площадки пика гели  сравнивают с опорной величиной площади гели , полученной в определенных услови х, например, при температуре анализируемой среды , разность умножают на множитель, характеризующий различие козффициен30«

тов ди()фузии газопроницае 4 1х стенок датчика дл  гели  и кислорода, и полученную корректирующую величину вычитают из величины площади пика кислорода .

Анализы провод т при трех значени х температуры анализируемой среды. (25, 30 и ) и стабильном парциальном давлении кислорода в ней 12500 Па.

Результаты опытов по измерению составе газа и сопоставительный анализ предлагаемого и известного способов сведены в таблицу.

щадь пика кислоропри температуре 25С

186

185

30° С

186,5 212 35°С 23

183,5

щадь пика гели  при 25°С

228

зо°с 301

35°С

Пограиность определени  кислорода относительно результата, полученного при 25СД

Скорректированна  площадь пика кислорода Sg определ етс  выражением

I-. .

. где SQ - площадь пика кислорода до

коррекции;

uS,j - изменение площади пика гели  от площади, полученной при 25 С,  вл ющейс  опорной вели чи ной ;

0, посто нный множитель, характеризующий различие коэффициентов диффузии проницаемо . го элемента датчика дл  кислорода и гели .

Таким образом, предлагаемый способ а сравнении с прототипом позвол ет повысить точность контрол , например , кислорода на ,. 710 В предлагаемом способе колебани  коэффициента диффузии в реальных услови х эксплуатации газопроницаемого элемента датчика не вли ют на точность определени  содержани  парциального давлени  кислорода в анализи руемой среде, поскольку диффузи  эта лонного и исследуемого газов и анализ газовой смеси в датчике производ т в одних и тех же услови х. Точность способа в основном определ етс  стабильностью парциального давлени  гелин в газовой смеси посто нного состава вводимой во внутреннюю полость газопроницаемого элемента датчика перед каждым циклом измерени . Устройство работает следующим образом , В первом такте (клапаны 2 и 6 закрыты , а клапаны А, 8 и 9 открыты) происходит продувка измерительной и сравнительной камер аналитического блока 7 газоанализатора газом-носителем при посто нном давлении, вели.чина которого определ етс  установко регул тора 3 давлени , величина кото рого определ етс  установкой регул тора 3 давлени , и продувка датчика 1 газом посто нного состава от регул тора 5. При продувке измерительной и сравнительной камер аналитичес кого блока (на схеме не показаны) газом-носителем его измерительна  сх ма сбалансирована и сигнал на его вы де равен нулю, Во втором такте (клапаны 2,6, и 8 закрыты, а клапан 9 открыт) происходит накопление контролируемых газов в датчике за счет их диффузии из анализируемой среды через его газопроницаемый элемент и одновременно эталонный газ диффундирует из дат чика через тот же проницаемый элемен в анализируемую среду. Врем  этого такта выбирают в зависимости от газопроницаемости материала датчика и шкалы устройства так, чтобы получить измер е№1е с достаточной точностью концентрации контролируемых газовых компонент,.. В третьем такте (клапаны 2 и 6 от крыты, а клапаны 4, 8 и 9 закрыты) происходит подача газом-носителем в измерительную камеру аналитического блока 7 от регул тора 3 накопленных в датчике контролируемых газов и оставшегос  эталонного газа. Измерительна  камера аналитического блока 0в 7 снабжена хроматогра(1ической колонной , на которой осуществл ют раздеение подаваемой в камеру газовой смеси на индивидуальные компоненты. При поступлении в измерительную камеру смеси (газ-носитель плюс компонент ) балансировка измерительной схемы нарушаетс , что вызывает на выходе аналитического блока сигнал, пропорциональный концентрации измер емого компонента, В . блоке 10 обработки сигналов п запоминают сигналы, соответствующие эталонному и контролируекым газовым компонентам, сравнивают эталонный сигнал с опорным сигналом и. по полученной разности корректируют си| налы, соответствующие контролируемым газовым компонентам. Скорректированные сигналы, соответствующие контролируемым газовым компонентам, с выхода блока 10 обработки сигналов поступают в блок 11 отображени  информации дл  их визуального контрол  и регистрации. Затем весь цикл измерени  повтор ют в той же последовательности (первый, второй и третий такты), В блоке 10 обработки сигналов также осуществл ют автоматическую коррекцию нулевого уровн , выбор соответствующего измер емой концентрации компонента масштаба измерени . Устройство может обеспечивать и другие режимы работы. Возможен режим работы, при котором в первом такте кран 4 открывают периодически через несколько циклов -измерени  и в третьем такте коррекцию сигналов , соответствующих контролируемым газовым компонентам, в блоке 10 обработки сигналов также осуществл ют через несколько циклов, что позвол ет сократить расход эталонного газа, при этом в тех циклах, когда кран закрыт, кран 2 открыт и. продувку датчика 1 осуществл ют газом-носителем. Обеспечение всех тактов работы устройства осуществл ют соответствующи) командами, подаваемыми из программирующего блока 12, Основным положительным эффектом, достигаемым при осуществлении способа на данном устройстве,  вл етс  мала  зависимость сигнала от свойств газопроницаемого элемента дати1ка и .возможног.ти коррекции всего измери91010130О

тельного тракта, за счет чего повыша- снижаютс  непроизводительные энергоетс  точность контрол  газов в про-затраты, расход субстрата и-увеличивацессе культивировани  1Кроорганизмов, етс  выход целевого продукта.

Claims (1)

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ГАЗОВ В ПРОЦЕССЕ КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, предусматриваю щий диффузию газов из анализируемой среды в датчик за установленный ин-, тервал времени, вывод диффундировайной из культуральной среды газовой смеси в газоанализатор с последующим анализом компонентов газовой смеси, отличающийся тем, что, С целью повышения точности, подают заданное количество эталонного газа в датчик с последующей его выдержкой и измеряют количество выведенного из датчика эталонного газа, устанавливают коэффициент диффузии, пропорциональный величине отклонения измеренного количества выведенного из датчика эталонного газа от заданного количества последнего, а количество газов определяют с учетом коэффициента диффузии. .