способ измерения в ферментационном сосуде теплопродукции микроорганизмов в непрерывных и периодических процессах и ферментационный аппарат для его осуществления
| Классы МПК: | C12Q3/00 Способы контроля за условиями G01K11/00 Измерение температуры термометрами, действие которых основано на изменении физических или химических свойств веществ в зависимости от температуры, не отнесенными к группам 3/00, 5/00, 7/00 или 9/00 |
| Автор(ы): | Котельников Григорий Владимирович (RU), Моисеева Софья Петровна (RU) |
| Патентообладатель(и): | Учреждение Российской Академии Наук Институт биологического приборостроения с опытным производством РАН (RU) |
| Приоритеты: |
подача заявки:
2009-04-21 публикация патента:
10.06.2010 |
Основными областями применения заявленного способа является биотехнология, биохимия и техническая микробиология. Ферментационные аппараты используются для изучения роста и метаболизма микроорганизмов и для решения ряда других задач. Предложенное решение заключается в том, что измерения проводят при останавливаемых на заданный промежуток времени протоках жидких и газообразных сред через ферментационный сосуд в начале ферментационного процесса и в течение этого процесса через выбранные интервалы времени, необходимые для измерений теплопродукции микроорганизмов и оценки дестабилизирующих вкладов тепловой мощности от работы средств перемешивания культуральной жидкости, и рассчитывают теплопродукцию как приращение текущих значений тепловой мощности к начальному значению измеренной тепловой мощности с введением поправки на действие указанных дестабилизирующих вкладов. Способ осуществляется в ферментационном аппарате, в котором ферментационный сосуд установлен внутри управляемого термостатирующего экрана и снабжен дополнительным перемешивающим устройством для обеспечения регулирования температуры ферментационного сосуда, при этом коммуникации, идущие в ферментационный сосуд, имеют тепловой контакт с управляемым термостатирующим экраном. Технический результат - повышение точности измерений в ферментационном сосуде теплопродукции микроорганизмов в непрерывных и периодических процессах. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 5 ил. 
Формула изобретения
1. Способ измерения теплопродукции микроорганизмов в аппарате для культивирования микроорганизмов с перемешиванием культуральной жидкости в ферментационном сосуде перемешивающим устройством в ферментационных процессах с протоком жидких и газообразных сред, заключающийся в том, что теплопродукцию микроорганизмов измеряют по изменению тепловой мощности, затрачиваемой на поддержание изотермического режима ферментационного сосуда при остановленных на заданный промежуток времени протоках жидких сред через ферментационный сосуд, отличающийся тем, что измерения проводят при остановленных на заданный промежуток времени протоках также и газообразных сред через ферментационный сосуд в начале ферментационного процесса и в течение этого процесса через интервалы времени и рассчитывают теплопродукцию как приращение текущих значений тепловой мощности к начальному значению измеренной тепловой мощности с введением поправки на вклад тепловой мощности от перемешивания культуральной жидкости.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание культуральной жидкости осуществляют перемешивающим устройством, затем включают дополнительное перемешивающее устройство, измеряют первое значение тепловой мощности в нагревателе, выключают перемешивающее устройство, измеряют второе значение тепловой мощности в нагревателе, после чего включают перемешивающее устройство и выключают дополнительное перемешивающее устройство, а вычисление вклада тепловой мощности перемешивающего устройства производят по разности между первым и вторым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе, измерения которых обновляются через выбранный интервал времени.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что перемешивание культуральной жидкости осуществляется перемешивающим устройством и дополнительным перемешивающим устройством одновременно при измерении исходного значения тепловой мощности в нагревателе, затем выключают дополнительное перемешивающее устройство, измеряют первое значение тепловой мощности в нагревателе, вновь включают дополнительное перемешивающее устройство, затем выключают перемешивающее устройство, измеряют второе значение тепловой мощности в нагревателе, вновь включают перемешивающее устройство, вычисление вклада тепловой мощности дополнительного перемешивающего устройства производят по разности между исходным и первым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе, вычисление вклада тепловой мощности перемешивающего устройства производят по разности между исходным и вторым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе, а вычисление суммарного вклада тепловой мощности дополнительного перемешивающего устройства и перемешивающего устройства производят, суммируя вклады каждого перемешивающего устройства, которые обновляются через выбранный интервал времени.
4. Ферментационный аппарат для осуществления способа измерения теплопродукции микроорганизмов, содержащий ферментационный сосуд с перемешивающим устройством, подключенный пневмогидравлическими коммуникациями к исполнительным устройствам, снабженный датчиками измерительных параметров и нагревателем, соединенными электрическими коммуникациями с управляющим компьютером через устройство согласования, через которое к управляющему компьютеру электрическими коммуникациями подключены исполнительные устройства, отличающийся тем, что ферментационный сосуд установлен внутри управляемого термостатирующего экрана и снабжен дополнительным перемешивающим устройством для обеспечения регулированиия температуры ферментационного сосуда при изменении режимов работы перемешивающего устройства в процессе измерения вклада его тепловой мощности в теплопродукцию микроорганизмов, при этом коммуникации, идущие в ферментационный сосуд, имеют тепловой контакт с управляемым термостатирующим экраном.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к биотехнологии, биохимии, технической микробиологии и, в частности, может использоваться для измерения теплопродукции микроорганизмов в исследовательских и лабораторных ферментерах. Ферментационные аппараты позволяют разрабатывать биотехнологические процессы по очистке окружающей среды, процессы микробиологического синтеза антибиотиков, ферментов и других препаратов. Способ измерения теплопродукции микроорганизмов применяется в мировой практике для анализа роста и метаболизма микроорганизмов. Доступность чувствительных и стабильных датчиков температуры и современных персональных компьютеров открыла новые возможности для количественного определения теплопродукции микроорганизмов [1]. Теплопродукция может быть определена на основе теплового баланса энергии в ферментационном сосуде, и эти данные могут быть использованы подобно данным других независимых измерений с целью получения информации о процессе. Для построения измерительной системы необходимы правильная оценка тепловых потоков в ферментационный сосуд и из него, и точное поддержание заданной температуры ферментационного сосуда.
Известно экспериментально-теоретическое исследование на основе математических моделей, позволившее оценить величину теплопродукции микроорганизмов в ферментационной лабораторной установке. При этом выполнена оценка теплопродукции в непрерывной культуре Saccaromyces cerevisiae в лабораторном ферментационном сосуде емкостью 1.5 л после введения в него добавки глюкозы. Показано, что полученные данные по теплопродукции подтверждаются данными по потреблению кислорода и соответствуют теоретическим оценкам указанного процесса. Принципиальным недостатком этих результатов является то, что указанный эксперимент выполнен при неизменных свойствах культуральной среды (вязкость, плотность и др.), при которых тепловой вклад от мешалки сохраняет постоянное значение в течение эксперимента. В реальной работе тепловой вклад мешалки изменяется в широких пределах. Это ограничивает использование предложенной в исследовании модели, так как в ней вклад мешалки считается постоянным [2].
Наиболее известным прибором, позволяющим измерять теплопродукцию микроорганизмов, является реакционный калориметр RC1 (Mettler Toledo, Switzerland). Данный прибор измеряет теплопродукцию микроорганизмов прямым сравнением с калибровочным тепловым сигналом [3].
Данный аналог также не позволяет учитывать переменный тепловой вклад мешалки в течение длительного ферментационного процесса.
Наиболее близким предложенному по технической сущности и количеству совпадающих признаков является способ измерения тепловой мощности, затрачиваемой на поддержание заданной температуры ферментера в изотермическом режиме [4]. При этом в измеряемую мощность входят мощность на подогрев биореактора в изотермическом режиме, тепловая мощность, вводимая перемешивающим устройством, потоками жидкостей и газов, и теплопродукция от жизнедеятельности микроорганизмов. Таким образом, способ не предусматривает обеспечение постоянства теплообмена ферментационного сосуда при изменении температуры внешней среды, исключение дестабилизирующих влияний протока газовых сред через ферментационный сосуд и теплового вклада от перемешивания культуральной жидкости в ферментационном сосуде. Это не позволяет точно измерить теплопродукцию от жизнедеятельности микроорганизмов.
Известно устройство для измерения теплопродукции микроорганизмов по указанному способу [4]. Это аппарат для непрерывного культивирования микроорганизмов АНКУМ-3, обладающий расширенными функциональными возможностями. Наряду с наиболее распространенными параметрами измерения и регулирования, такими как: обороты мешалки, температура жидкости в ферментационном сосуде, объемная подача жидкости в ферментационный сосуд, расход воздуха через ферментационный сосуд, pH, рO2 и др., в нем измеряется тепловая мощность, затрачиваемая на поддержание заданной температуры ферментера в изотермическом режиме. При этом в изотермическом режиме обеспечивается баланс между вводимой и отводимой из биореактора энергией. Вводимая мощность на подогрев биореактора в изотермическом режиме компенсирует теплообмен биореактора с внешней средой через элементы его конструкции, учитывает тепловую мощность, вводимую перемешивающим устройством, потоками жидкостей и газов, и теплопродукцию от жизнедеятельности микроорганизмов. В табл.1 приведены данные для аппарата АНКУМ-3 по изменению мощности теплообмена ферментационного сосуда с окружающей средой в зависимости от отклонения температуры окружающей среды от рабочей температуры ферментационного сосуда АНКУМ-3 ( Р1). Эти данные показали, что дестабилизирующий вклад (
Р1) превышает величину измеряемой мощности теплопродукции.
Дестабилизирующий вклад тепловой мощности от перемешивания культуральной жидкости в лабораторных ферментационных сосудах составляет величину порядка 3.5 Вт, что также не позволяет точно измерять в процессах культивирования теплопродукцию микроорганизмов [2].
Таким образом, известные способ и устройство для измерения теплопродукции микроорганизмов не обеспечивают измерение в непрерывных и периодических процессах теплопродукции микроорганизмов, важного параметра для анализа роста и метаболизма микроорганизмов.
Задача изобретения - предложить способ и устройство для повышения точности измерений в ферментационном сосуде теплопродукции микроорганизмов в непрерывных и периодических процессах.
Для решения задачи изобретения предлагается способ измерения теплопродукции микроорганизмов в аппарате для культивирования микроорганизмов с перемешиванием культуральной жидкости в ферментационном сосуде перемешивающим устройством в ферментационных процессах с протоком жидких и газообразных сред, заключающийся в том, что теплопродукцию микроорганизмов измеряют по изменению тепловой мощности, затрачиваемой на поддержание изотермического режима ферментационного сосуда при остановленных на заданный промежуток времени протоках жидких сред через ферментационный сосуд, при этом измерения проводят при остановленных на заданный промежуток времени протоках также и газообразных сред через ферментационный сосуд в начале ферментационного процесса и в течение этого процесса через интервалы времени и рассчитывают теплопродукцию как приращение текущих значений тепловой мощности к начальному значению измеренной тепловой мощности с введением поправки на вклад тепловой мощности от перемешивания культуральной жидкости.
Поставленная задача дополнительно решается тем, что в способе перемешивание культуральной жидкости осуществляют перемешивающим устройством, затем включают дополнительное перемешивающее устройство, измеряют первое значение тепловой мощности в нагревателе, выключают перемешивающее устройство, измеряют второе значение тепловой мощности в нагревателе, после чего включают перемешивающее устройство и выключают дополнительное перемешивающее устройство, а вычисление вклада тепловой мощности перемешивающего устройства производят по разности между первым и вторым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе, измерения которых обновляются через выбранный интервал времени.
Поставленная задача решается также благодаря тому, что перемешивание культуральной жидкости осуществляют перемешивающим устройством и дополнительным перемешивающим устройством одновременно при измерении исходного значения тепловой мощности в нагревателе, затем выключают дополнительное перемешивающее устройство, измеряют первое значение тепловой мощности в нагревателе, вновь включают дополнительное перемешивающее устройство, затем выключают перемешивающее устройство, измеряют второе значение тепловой мощности в нагревателе, вновь включают перемешивающее устройство, вычисление вклада тепловой мощности дополнительного перемешивающего устройства производят по разности между исходным и первым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе, вычисление вклада тепловой мощности перемешивающего устройства производят по разности между исходным и вторым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе, а вычисление суммарного вклада тепловой мощности дополнительного перемешивающего устройства и перемешивающего устройства производят, суммируя вклады каждого перемешивающего устройства, которые обновляются через выбранный интервал времени.
Поставленная задача повышения точности измерения теплопродукции микроорганизмов решается также в ферментационном аппарате для осуществления способа измерения теплопродукции микроорганизмов, содержащем ферментационный сосуд с перемешивающим устройством, подключенном пневмогидравлическими коммуникациями к исполнительным устройствам, снабженном датчиками измерительных параметров и нагревателем, соединенными электрическими коммуникациями с управляющим компьютером через устройство согласования, через которое к управляющему компьютеру электрическими коммуникациями подключены исполнительные устройства, при этом ферментационный сосуд установлен внутри управляемого термостатирующего экрана и снабжен дополнительным перемешивающим устройством для обеспечения регулированиия температуры ферментационного сосуда при изменении режимов работы перемешивающего устройства в процессе измерения вклада его тепловой мощности в теплопродукцию микроорганизмов, при этом коммуникации, идущие в ферментационный сосуд, имеют тепловой контакт с управляемым термостатирующим экраном.
Для иллюстрации способа измерения теплопродукции по п.1. на фиг.1 схематично представлены кривая вклада тепловой мощности перешивающего устройства (А) и кривая суммы вкладов тепловой мощности перешивающего устройства и теплопродукции (В). Представленные кривые построены по данным измерений, выполненных через заданные интервалы времени. Измерение поправки на вклад тепловой мощности от перешивающего устройства может делаться циклически с интервалами между измерениями поправки на вклад тепловой мощности перемешивающего устройства порядка 1 мин и больше, поскольку измеряемая мощность теплопродукции изменяется медленно. Перед началом указанного цикла, после окончания переходного процесса, связанного с остановкой протоков жидкости и газа, выполняют измерение тепловой мощности в нагревателе, обеспечивающей поддержание изотермического режима ферментационного сосуда. Аналогично, после окончания переходных процессов, проводят все измерения мощности в цикле. Длительности измерения поправки на вклад тепловой мощности перемешивающего устройства не превышает нескольких секунд. Вклады тепловой мощности измеряются компенсационным методом. При этом в нагреватель автоматически подается компенсационная мощность, равная измеряемой мощности. Кривая вклада тепловой мощности перешивающего устройства строится в соответствии с предложенным способом по пп.1-3. Данный способ измерения будет детально описан ниже. Соответственно кривая теплопродукции (С) определяется как разность между кривой суммарного вклада тепловой мощности и кривой вклада тепловой мощности перешивающего устройства.
Для иллюстрации способа измерения теплопродукции по п.2. на фиг.2 схематично представлен способ измерения вклада тепловой мощности перемешивающего устройства. По оси ординат откладывается значения тепловой мощности, измеренной компенсационным методом при работе перемешивающего устройства и дополнительного перемешивающего устройства в соответствии со способом. По оси абсцисс откладываются временные интервалы работы (ta, tb, t c) перемешивающих устройств. На интервале ta работает перемешивающее устройство при заданных рабочих оборотах и измеряется начальное значение мощности в нагревателе (P нач). Затем включают дополнительное перемешивающее устройство (интервал 4) и измеряют первое значение тепловой мощности в нагревателе (Р1). После этого выключают перемешивающее устройство (интервал tс) и измеряют второе значение тепловой мощности в нагревателе (Р2). Далее включают перемешивающее устройство и выключают дополнительное перемешивающее устройство (интервал ta) и измеряют текущее значение мощности (Pтек ), которое равно начальному значению мощности (Pнач ) при мощности теплопродукции, равной нулю. Вычисление вклада тепловой мощности перемешивающего устройства производят по разности между первым (Р1) и вторым (Р2) значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе. Текущие значения мощности Р1 и Р2 обновляются через выбранный интервал времени в течение всего ферментационного процесса. Начальное значение мощности (Pнач), измеряемое в начале ферментационного процесса при мощности теплопродукции, равно нулю. Соответственно значение теплопродукции (С, фиг.1) в начале процесса (t=0) равно нулю. Возникновение мощности теплопродукции приводит к изменению тепловой мощности, измеряемой на интервалах ta (фиг.2) повторяющихся циклов измерения вклада перемешивающего устройства. Таким же образом вклад тепловой мощности перемешивающего устройства приводит к изменению тепловой мощности, измеряемой на интервалах ta (фиг.2) цикла измерения вклада перемешивающего устройства. Соответственно кривая В (фиг.1) строится по приращениям, измеренным на интервалах ta (фиг.2) на протяжении всего ферментационного процесса, к начальному значению тепловой мощности (Pнач). Таким образом, кривая теплопродукции (С, фиг.1) определяется как разность между кривой суммарного вклада тепловой мощности (В, фиг.1) и кривой вклада тепловой мощности перешивающего устройства (А, фиг.1). Принципиальным для данного способа является то, что дополнительное перемешивающее устройство необходимо только для обеспечения перемешивания культуральной жидкости, что требуется для точного регулирования температуры в ферментационном сосуде при выключенном перемешивающем устройстве. Дополнительное перемешивающее устройство может отличаться от перемешивающего устройства по мощности и по типу.
Для иллюстрации способа измерения теплопродукции по п.3. на фиг.3 схематично представлен способ измерения вкладов тепловой мощности перемешивающего устройства и дополнительного перемешивающего устройства, которые в ферментационном процессе работают совместно. На интервале ta работают перемешивающее устройство и дополнительное перемешивающее устройство при заданных рабочих оборотах, и измеряют исходное значение мощности в нагревателе (Pисх). Затем выключают дополнительное перемешивающее устройство (интервал td) и измеряют первое значение тепловой мощности в нагревателе (Р1). Затем вновь включают дополнительное перемешивающее устройство (интервал tc). Далее выключают перемешивающее устройство (интервал td) и измеряют второе значение тепловой мощности в нагревателе (Р2). Вновь включают перемешивающее устройство (интервал ta следующего цикла). Указанный цикл измерений (ta, tb , tc, td) позволяет измерить вклады тепловой мощности перемешивающих устройств в циклах измерений. Вычисление вклада тепловой мощности дополнительного перемешивающего устройства ( Pдоп) производят по разности между исходным (Pисх) и первым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе (Р1). Вычисление вклада тепловой мощности перемешивающего устройства (
Pпу) производят по разности между исходным (P исх) и вторым значениями измеренной тепловой мощности в нагревателе (Р2). Вычисление суммарного вклада тепловой мощности (Pсум) дополнительного перемешивающего устройства и перемешивающего устройства производят, суммируя вклады каждого перемешивающего устройства (
Pдоп и
Pду), которые обновляют через выбранный интервал времени в течение всего ферментационного процесса.
На фиг.4 представлена структурная схема ферментационного аппарата для измерений в ферментационном сосуде теплопродукции микроорганизмов в непрерывных и периодических процессах по предложенному способу.
Ферментационный аппарат для измерения теплопродукции микроорганизмов в непрерывных и периодических процессах содержит ферментационный сосуд 1 с перемешивающим устройством 2, подключенный пневмогидравлическими коммуникациями 3 к исполнительным устройствам 4, снабженный датчиками измерительных параметров 5 и нагревателем 6, соединенными электрическими коммуникациями 7 с управляющим компьютером 8 через устройство согласования 9, через которое к управляющему компьютеру 8 электрическими коммуникациями подключены исполнительные устройства 4, при этом ферментационный сосуд 1 установлен внутри управляемого термостатирующего экрана 10 и снабжен дополнительным перемешивающим устройством 11 для обеспечения регулированиия температуры ферментационного сосуда 1 при изменении режимов работы перемешивающего устройства 2 в процессе измерения вклада его тепловой мощности в теплопродукцию микроорганизмов, при этом коммуникации 3 и 7, идущие в ферментационный сосуд 1, имеют тепловой контакт с управляемым термостатирующим экраном 10. Управляемый термостат 12 подключен к управляемому термостатирующему экрану 10.
Для примера в состав датчиков измеряемых параметров 5 входят датчик пены (Д_пены), датчик температуры (Д_t), датчик растворенного кислорода (Д_рO2), датчик pH (Д_pH), а датчик оборотов перемешивающего устройства 13 (Д_пу) и датчик оборотов дополнительного перемешивающего устройства 14 (Д_пу_доп), подключенные к управляющему компьютеру 8 через устройство согласования 9, установлены на валах приводов турбинной мешалки 2 и циркуляционного насоса 11 соответственно. В состав исполнительных устройств входят насос подачи кислоты (Нс_кислоты), насос подачи щелочи (Нс_щелочи), насос слива культуральной жидкости (Нс_слива), насос подачи питательной среды (Нс_пит.среды), клапан возврата конденсата (Кл_конденсата), клапан подачи газов (Кл_подачи_газов), клапан подачи пеногасителя (Кл_подачи_пеногасителя), привод перемешивающего устройства (Привод_пу), привод дополнительного перемешивающего устройства (Привод пу_доп). Датчики подключены через устройство согласования 9 к входам многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 15, входящего в модуль Lab-PC+(16), встроенный в управляющий компьютер 8. Через указанное устройство согласования 9 исполнительные устройства 4 ферментационного сосуда 1: Нс_кислоты и Нс_щелочи подключены к выходам цифроаналоговых преобразователей ЦАП_0 и ЦАП_1, входящих в модуль 16; Нс_слива и Нс_пит.среды подключены к выходам цифроаналоговых преобразователей ЦАП_2 и ЦАП_3, входящих в модуль Lab-PC+(17); Кл_конденсата, Кл_подачи_газов и Кл_подачи пеногасителя подключены к выходам: Лог_вых_0, Лог_вых_1 и Лог_вых_2; привод пу и привод пу_доп, нагреватель подключены к выходам: счетчик_1, счетчик_2, счетчик_0 модуля РС-ТIO-10 (18). При построении ферментационного аппарата предусмотрено, что все коммуникации, идущие в ферментационный сосуд, проходя через экран в зоне контакта, приобретают температуру экрана, что также сохраняет постоянную величину теплообмена между экраном и ферментационным сосудом. Это относится и к валам мешалок, имеющих магнитно-жидкостное уплотнение (МЖУ). Благодаря тому что корпуса МЖУ имеют тепловой контакт с экраном, валы мешалок также имеют температуру экрана. Ферментационный сосуд 1 выполнен из металла с толщиной стенки 0.3 мм.
Предлагаемый ферментационный аппарат работает следующим образом.
Построение ферментационного аппарата обеспечивает проведение в нем управляемого культивирования в ходе непрерывных и периодических процессов. Принципиальным отличием данного аппарата от современных аналогов является увеличенный перечень измеряемых параметров. Дополнительно к традиционно измеряемым параметрам в этом аппарате обеспечено точное измерение нового параметра «теплопродукция микроорганизмов» благодаря новому способу измерения теплопродукции и новому ферментационному аппарату для реализации способа. В данном аппарате ферментационный сосуд 1 размещен в управляемом термостатирующем экране 10. При этом температура стенки ферментационного сосуда 1 равна температуре культуральной жидкости, так как между ними обеспечен высокий теплообмен за счет перемешивания, а стенка имеет толщину 0.3 мм. Такое построение позволяет сохранять величину теплообмена ферментационного сосуда с указанным экраном 10 неизменной величины в течение всего ферментационного процесса, поскольку температура экрана 10 и ферментационного сосуда 1 поддерживаются при заданных значениях с абсолютной погрешностью не более 0.01 К. Заданная температура экрана 10 обеспечивается управляемым термостатом 12, а рабочая температура ферментационного сосуда обеспечивается реализованным на основе управляющего компьютера и элементов схемы (фиг.4) цифровым интегральным регулятором температуры, подающим электрическую мощность в нагреватель 6, размещенный внутри ферментационного сосуда 1. Это позволяет вести процесс при строго заданной температуре и измерять без ошибки, на уровне единиц мВт, тепловую мощность, затрачиваемую на поддержание рабочей температуры регулируемого объекта 1. Кроме того, современные алгоритмы регулирования температуры обеспечивают высокое быстродействие такой системы регулирования. При регулировании температуры ферментационного сосуда 1 надежно обеспечивается время установления на уровне единиц секунд [4]. Это важно, так как позволяет реализовать предложенный способ измерения теплопродукции практически без изменения режимов подачи жидких и газообразных сред в ферментационный сосуд 1. Измерение поправки на вклад тепловой мощности от перемешивающего устройства может делаться с интервалами порядка 1 мин и больше, поскольку измеряемая мощность теплопродукции изменяется медленно. Длительность измерения поправки на вклад тепловой мощности перемешивающего устройства не превышает нескольких секунд. Например, измерение теплопродукции в непрерывной культуре Saccaromyces cerevisiae в лабораторном ферментационном сосуде емкостью 1.5 л после введения в него добавки глюкозы длилось больше одного часа [2]. Таким образом, предложенный способ измерения теплопродукции микроорганизмов практически не изменяет режим подачи компонентов питательной среды и газа в ферментационный сосуд при непрерывных и периодических процессах культивирования микроорганизмов. Измерение теплопродукции может производиться чаще, чем измерение вкладов вкладов тепловой мощности от перемешивания, если величина этих вкладов изменяется медленно. При этом измерение теплопродукции по измерениям тепловой мощности в нагревателе, обеспечивающей поддержание изотермического режима ферментационного сосуда, производят с частотой, выбираемой в соответствии с динамикой теплопродукции микроорганизмов.
На измерение теплопродукции не влияют протоки жидкостей и газов, т.к. тепловые эффекты от добавок нетермостатированных жидкостей и газов и возможных реакций химического взаимодействия вносимых реагентов разнесены во времени с операцией измерений теплопродукции и теплового вклада тепловой мощности перемешивающих устройств. Указанные тепловые эффекты при перемешивании культуральной жидкости в ферментационном сосуде перемешивающим устройством завершаются практически сразу после остановки их дозирования, а измерения производятся в течение паузы в протоке всех компонентов.
Температура ферментационного сосуда 1 автоматически регулируется по сигналу датчика температуры Д_t, сигнал которого нормируется в устройстве согласования 9 и подается на один из входов на многоканального АЦП, входящего в модуль Lab-PC+(16), встроенного в управляющий компьютер 8. Аналогично формируются сигналы с других датчиков. Сформированный в компьютере управляющий широтно-импульсный сигнал (ШИМ) с выхода «Счетчик_0» модуля РС-TIO-10 (18), встроенного в компьютер 8, подается через согласующее устройство 9 в нагреватель 6 ферментационного сосуда 1, обеспечивая автоматическое регулирование температуры в соответствии с уставкой, заданной на компьютере 8. Аналогичным образом работают системы регулирования оборотов перемешивающего устройства и дополнительного перемешивающего устройства соответственно по сигналам датчиков оборотов «Д_пу» и «Д_пу_доп». Управление клапаном подачи газов, клапаном подачи пеногасителя и клапаном возврата конденсата осуществляется через устройство согласования 9 логическими сигналами «Лог_вых_1», «Лог_вых_2», «Лог_вых_0», формируемыми в модуле РС-TIO-10 (18) управляющей программой измерения теплопродукции. Управление насосом подачи кислоты, насосом подачи щелочи, насосом слива и насосом подачи питательной среды осуществляется через устройство согласования 9 сигналами с выходов «ЦАП_0», «ЦАП_1», «ЦАП_2», «ЦАП_3», формируемыми в модулях Lab-PC+(16) и Lab-PC+(17) управляющей программой измерения теплопродукции. На время калибровки вклада тепловой мощности перемешивающего устройства при измерении теплопродукции все каналы протоков сред через ферментационный сосуд 1 останавливаются, и после операции калибровки указанные каналы протоков продолжают работу. При задании протоков сред через ферментационный сосуд 1 учитывается пауза остановки протоков на время калибровки. Указанное прерывание протоков в системах подачи кислоты, щелочи и пеногасителя вносит только задержку в работе этих систем на время калибровки и не изменяет рабочих параметров этих систем. На работу других систем описанное выше прерывание не оказывает влияния. В качестве примера устройство для поддержания заданной температуры управляемого термостатирующего экрана 10 в структурной схеме ферментационного аппарата для измерений в ферментационном сосуде 1 теплопродукции микроорганизмов в непрерывных и периодических процессах использован управляемый термостат 12. Задача поддержания заданной температуры экрана 10 с высокой точностью порядка 0.01 К может быть решена также с использованием автоматических систем регулирования температуры и средств охлаждения указанного экрана 10.
Ферментационный аппарат для измерения в ферментационном сосуде 1 теплопродукции микроорганизмов в непрерывных и периодических процессах реализует способ по пп.1-3 и обеспечивает условия для точной оценки вкладов тепловой мощности от перемешивающих устройств. Это контролируется следующим образом: проверяют отсутствие погрешности в оценке вкладов тепловой мощности перемешивающих устройств в теплопродукцию микроорганизмов из-за возможного влияния работы одного перемешивающего устройства на вклад тепловой мощности другого перемешивающего устройства при перемешивании культуральной жидкости в течение процесса культивирования микроорганизмов. Иллюстрация указанной проверки схематично представлена на фиг.5. Проверка осуществляется тем, что периодически перемешивание культуральной жидкости осуществляется перемешивающим устройством и дополнительным перемешивающим устройством одновременно при измерении исходного значения тепловой мощности в нагревателе Рисх, затем на фиксированную величину изменяют обороты дополнительного перемешивающего устройства, измеряют первое значение тепловой мощности в нагревателе (Р1) и вычисляют первое приращение значения тепловой мощности в нагревателе ( Р1), вновь устанавливают исходные обороты дополнительного перемешивающего устройства, затем на такую же фиксированную величину изменяют обороты перемешивающего устройства, измеряют второе значение тепловой мощности в нагревателе (Р2) и вычисляют второе приращение значения тепловой мощности в нагревателе (
Р2), вновь устанавливают исходные обороты перемешивающего устройства, изменяют на такую же фиксированную величину обороты перемешивающего устройства и дополнительного перемешивающего устройства, измеряют третье значение тепловой мощности в нагревателе (Р3) и вычисляют третье приращение значения тепловой мощности в нагревателе (
Р3), вновь устанавливают исходные обороты перемешивающего устройства и дополнительного перемешивающего устройства, проверяют отсутствие погрешности в оценке вкладов тепловой мощности перемешивающих устройств в теплопродукцию микроорганизмов из-за возможного влияния работы одного перемешивающего устройства на тепловой вклад другого перемешивающего устройства при перемешивании культуральной жидкости в течение процесса культивирования микроорганизмов по равенству между суммой первого и второго приращений тепловой мощности в нагревателе и третьим приращением тепловой мощности в нагревателе. Указанная операция контроля позволяет выбрать тип указанных перемешивающих устройств и расположить их в ферментационном сосуде так, чтобы было исключено их взаимное влияние.
Литература
1. B.H.Kleeff, J.G.Kuenen and J.J.Heijnen. Continuous measurement of microbial heat production in laboratory fermentors / Biotechnol. Bioeng. 1993, Vol.41, P.541-549.
2. B.H.Kleeff, J.G.Kuenen, G.Honderd and J.J.Heijnen. Model-based optimization of equipment and comtrol for heat flux measurements in a laboratory fermentor / Biotechnol. Bioeng. 1995, Vol.11, P.525-532.
3. U.Stockar and I.Marison. The use of calorimetry in biotechnology, Advances in Biochemical Engineering / Biotechnology, 1989, Vol.40, P.95-136.
4. Kotelnikov G.V., Moiseyeva S.P. and Krayev V.P. Calorimetric method for adjusting the mass of culture fluid in a bioreactor // Review of Scientific Instruments, 1998, Vol.69, P. 2137-2140.
| Таблица 1 | ||||
| Изменение теплообмена ферментационного сосуда при изменении температуры окружающей среды | ||||
| | Рабочая температура ферментационного сосуда, °С | Температура окружающей среды, °С | Входной поток, л/ч | В, Вт/К |
| -12 | +20 | +30 | 0 | 1.2 |
| 12 | +20 | +10 | 0 | 1.2 |
| -30 | +10 | +35 | 0 | 1.2 |
| 30 | +35 | +10 | 0 | 1.2 |
Класс C12Q3/00 Способы контроля за условиями
Класс G01K11/00 Измерение температуры термометрами, действие которых основано на изменении физических или химических свойств веществ в зависимости от температуры, не отнесенными к группам 3/00, 5/00, 7/00 или 9/00
