Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Теплофизические параметры в контроле и управлении процессами ферментации

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Теплофизические параметры в контроле и управлении процессами ферментации"

Г л

О '4 На пРавах рукописи

КОТЕЛЬНИКОВ Григорий Владимирович

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ В КОНТРОЛЕ И УПРАВЛЕНИИ ПРОЦЕССАМИ ФЕРМЕНТАЦИИ

03. 00. 23 - биотехнология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1996

Работа выполнена в Институте биологического приборостроения с опытнь1м ¡оизводством Российской Академии Наук

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Энрик Иванович Лежнев

кандидат технических наук, доцент Юрий Михайлович Крылов

Ведущая организация: Государственный научный центр прикладной микробиологии Министерства здравоохранения и медицинской промышленности РФ

ащита состоится <¡-¿1996 г. в /У- часов на заседании диссертационного

овета Д 053 34 13 в Российском химико-технологическом университете им. Д.И.Менделеева 125047, Москва, Миусская пл., дом 9)

: диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре РХТУ им. (.И.Менделеева

автореферат разослан 996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.б.н. ^ И.И.Гусева

Общая характеристика работы

Актуальность темы исследований

Развитие фундаментальных и прикладных исследований по новым направлениям биологии и биотехнологии требует создания новых технологических средств для оснащения работ в этой области.

Ключевым направлением при этом в настоящее время является совершенствование принципов управления биотехнологическими процессами, разработка современных средств для осуществления управляемых процессов - средств измерения технологических параметров и автоматического регулирования потоков веществ и энергии с использованием компьютеров.

Создание лабораторных ферментеров, обеспечивающих проведение непрерывных ферментационных процессов с соблюдением строгого значения величины разбавления позволит проводить на них работы теоретического и прикладного характера по непрерывному культивированию микроорганизмов с обеспечением точных количественных расчетов материально-энергетических затрат.

Разработка методических основ, аппаратно-программных средств для обеспечения процессов культивирования микроорганизмов и решение прикладных задач по теме диссертационной работы выполнено в рамках направления "Биотехнология защиты окружающей среды" ГНТП "Новейшие методы биоинженерии", объединяющей наиболее актуальные и перспективные работы, направленные на решение задач защиты окружающей среды методами биотехнологии.

Цель работы состоит в обосновании и исследовании построения аппаратно-программных средств для контроля и управления ферментационными процессами на базе теплофизических параметров и разработке данных средств.

Основные задачи исследования:

• Обоснование, разработка и исследование термодинамического метода контроля и поддержания массы КЖ в ферментере, обеспечивающего проведение напрерывных ферментационных процессов с соблюдением строгого значения величины разбавления.

• Разработка методов и средств калибровки новой системы контроля и поддержания массы КЖ в ферментере.

• Разработка, изготовление и подготовка к промышленному выпуску аппарата для непрерывного кульпгеирования микроорганизмов АНКУМ-3, базирующегося на термодинамическом методе поддержания массы КЖ в ферментере.

Научная новизна работы

•Выполнено обоснование и экспериментальная проверка Метода (й дальнейшем Термо-инамический метод) контроля и поддержйнйя массы культуральной жидкости (в альнейшем КЖ) в ферментере по результатам измерений вводимой в ферментер гпловой мощности через нагреватель.

•Предложен алгоритм расчета и поддержания величины разбавления по массе КЖ, змеряемой непосредственно в ферментере через ее теплоемкость.

•Обосновано и осуществлено применение метода сканирующей калориметрии при змерениях теплоемкости КЖ в ходе процесса культивирования микроорганизмов и при ка-ибровке системы поддержания КЖ при изменяющихся ее параметрах в длительных про-ессах.

Практическая значимость

•Разработан и создан новый, превышающий мировой уровень аппарат для непрерыв-ого культивирования микроорганизмов АНКУМ-3 на базе созданного термодинамического 1етода контроля и поддержания массы КЖ в ферментере, позволяющего обеспечивать точ-ое поддержание массы IOK в ферментере.

•Разработан и промышленно изготавливается дифференциальный сканирующий микро-алориметр ДСМ-2М, обеспечивающий измерение теплоемкости ЮК при калибровке системы оддержания массы IOK аппарата АНКУМ-3. Данный прибор нашел широкое амостоятельное применение в исследовательских и практических работах в биологии, )изике и химии полимеров, медицине и многих других областях науки и техники.

•Обосновано дальнейшее развитие термодинамического метода для решения задачи змерения теплопродукции микроорганизмов.

•Предложено и экспериментально проверено новое техническое решение алориметрических камер дифференциального сканирующего микрокалориметра, которое озволяет в десятки раз повысить разрешающую способность современных дифференциальных сканирующих микрокалориметров по энергии регистрируемых тепловых роцессов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на VII Всесоюзной Конференции по калориметрии, 1ерноголовка, 1977, Всесоюзном научно-техническом семинаре 'Метрологическое 1беспечение теплофизических измерений при низких температурах, Хабаровск, 1976, (сесоюзной конференции "Процессы и аппараты для микробиологических производств )ИОТЕХНИКА-86", Грозный, 1986, Совместном семинаре ИБФМ РАН и НПО "Биоприбор", 1ущино, 1991, Семинаре ИБП РАН, Пущино, 1996 .

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 35 работ.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы, включающего 112 наименований. Работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 2 таблицы.

Содержание работы

Во введении рассмотрена актуальность проблемы, анализируются цель и задачи исследования, изложены научная новизна и значимость результатов работы.

В первой главе в обзоре литературы изложены сведения о математическом описании процессов культивирования микроорганизмов с использованием параметра величины разбавления О.

Приводятся материалы, подтверждающие зависимость объема КЖ в ферментере от воздействия дестабилизирующих факторов: пенообразования, изменения аэрации и режимов перемешивания.

Показано, что особое значение для проведения непрерывных ферментационных исследований имеет измерение и регулирование массы 10К в реакторе. Подробно анализируются методы определения и поддержания заданного значения массы в ферментере.

Обосновывается, что, несмотря на настойчивый в мировой практике поиск научно-технических решений, направленных на обеспечение точного измерения и поддержания массы КЖ в ферментере, данная проблема требует новых, совершенных, более точных решений.

Во второй главе рассмотрены результаты разработки и экспериментальной проверки термодинамического метода контроля и поддержания массы КЖ в ферментере, обеспечивающего проведение непрерывных ферментационных процессов с соблюдением строгого заданного значения величины разбавления.

В третьей главе показаны результаты разработки методов и средств для калибровки системы измерения и поддержания массы КЖ в ферментере.

В четвертой главе приведены результаты по внедрению в практику разработанных по данной диссертационной работе новых приборов для биотехнологии.

Выводы завершают работу.

Термодинамический метод контроля и поддержания массы КЖ в ферментере

В диссертационной работе теоретически обоснован термодинамический метод контроля и поддержания массы КЖ в ферментере. Дана оценка погрешностей поддержания

ассы КЖ от влияния дестабилизирующих факторов: изменяющейся аэрации, иЗмйнений гжимов перемешивания, пенообразования. Поддержание массы 1<Ж по данному методу гуществляется по результатам измерения тепловой мощности, подаваемой в нагреватель, «мещенный в емкости ферментера.

На рис.1 приведена схема устройства, реализующего термодинамический метод жтроля и поддержания массы КЖ в ферментере.

_____Рис 1 Функциональная схема АНКУМ-3____

Вместо общепринятого режима автоматического поддержания заданной температуры

лстемой автоматического регулирования (в дальнейшем САР) ферментера используется ;мпературный режим ферментера в соответствии с циклограммой рис.2а

В данном режиме на участке 0-11 САР поддерживается рабочая температура 1ерментера Траб.

И- время начала разогрева, 12- время окончания разогрева, 13- время окончания хпаждения ферментера до Тр3б, ТПрир максимальная температура ферментера при его азогреве;

14,15,16 - время соответствующее Н,(2ДЗ для повторного и последующих циклов змерения мощности;

Р1- мощность в нагревателе в изотермическом режиме при температуре ферментера

раб

Рн устав- приращение мощности в нагревателе в установившемся режиме разогрева ферментера. Рн устав измеряется при разогреве ферментера с заданным количеством КЖ и является уставкой для САР;

Рн Тек - приращение мощности в нагревателе в установившемся режиме разогрева ферментера во втором и последующих циклах.

Рис 2а Циклограмма сигнала задатчика температуры ферментера.

Рис. 26 Тепловая электрическая мощность Р=Ц2/Я н, выделяющаяся в нагревателе ферментера Ин при подаче на него напряжения и с выхода САР для температурных режимов по циклограмме Рис 1а

При этом САР обеспечивает баланс мееду вводимой и отводимой из ферментера энергией. Вводимая САР мощность на подогрев ферментера в изотермическом режиме Р1 рис 26 компенсирует теплообмен ферментера с внешней средой через элементы его конструкции, через теплообменник и учитывает тепловую мощность, вводимую перемешивающим устройством, протоками жидкости и газов, и теплопродукцию от жизнедеятельности микроорганизмов.

Разогрев ферментера с постоянной скоростью на участке И-12 обеспечивается благодаря изменению Тр3б по линейному закону в соответствии с сигналом программы,

формируемым ПЭВМ либо другим устройством. Разогрев ведется со скоростью 0.1-0.2^®

на величину 0.1-0.2 град.

Для разогрева ферментера с ЖидкЬстью затрачивается мощность Рн (Рис 26) Рн = СРфеРм тферм У + СРж тж <»

>р ферм - удельная теплоемкость материала ферментера, т ферм - масса ферментера, - скорость разогрева ферментера с жидкостью, Ср - удельная теплоемкость жидкости, - масса жидкости в ферментере.

Из данной формулы следует, что определенному значению массы жидкости зответствует определенное значение мощности на разогрев, т.к.

Р ферм т ферм = Соп5''

Практические результаты измерений показали, что изменение мощности теплообмена 1ерментера с внешней средой при его разогреве на 0.1-0.2 град.С составляет 0.2-0.3 Вт, го много меньше величины тепловой мощности РНтек, идущей на разогрев жидкости в ежиме измерения, и может не учитываться в расчете.

Это исключает необходимость измерения мощности, обеспечивающей изотермический ежим ферментера при температуре ТПрИр, т.е. при разогреве его на 0.1-0.2 град, тносительно Траб , что значительно сокращает время измерения .

Анализ формулы (1) показывает, что изменение массы жидкости в ферментере печет за собой соответствующее изменение Мощности на разогрев ферментера с мдкостью. Это позволяет поддерживать т ж , изменяя ее величину методом убавления

ли добавления, по величине измеряемой мощности Рн, используя величину мощности, атрачиваемой на разогрев единицы массы жидкости в ферментере, в качестве алибровочного коэффициента К калибр.

Калибровочный коэффициент определяется в ходе операции калибровки как '

_ Аш

К калибр = -р , где (2)

Дт - количество слитой или добавленной в ферментер жидкости при калибровке ДР - мощность, затрачиваемая на разогрев Дт.

При этом масса сливаемой из ферментера жидкости т .„._.„_ рассчитывается по

?к. слив.

формуле (3):

01 ж.слив. = К кали6Р • ( Рн - РН тек ) • ( з )

Слив культуральной жидкости осуществляется насосом с нормированной производительностью по управляющему сигналу ПЭВМ.

При ( Рн - Рн тек) > 0 слив не ведется, т.к. количество 10К в ферментере при этом меньше заданного значения. За счет дозирования в ферментер питательных и других компонентов величина ( Рн - Рн тек ) меняет знак, что влечет за собой слив текущего расчетного значения т „,„_,,_ .

Ж. СЛИВ,

Поддержание массы культуральной жидкости ведется циклически.

Принципиальным для изложенного метода является быстродействие системы измерения массы. В аналоговых системах регулирования температуры ферментера достаточно просто удается выполнять операцию измерения массы в течение времени порядка 30 сек. Однако данное время может быть снижено до единиц секунд за счет инженерных средств при использовании цифровых систем регулирования температуры ферментера с соответствующей цифровой коррекцией. Данная система регулирования может обеспечить измерение массы культуральной среды в интервале времени меизду дозированием компонентов, что необходимо в случае, если на время измерений не прерывается дозирование жидкости в ферментер.

При этом циклы измерений могут повторяться через интервалы времени 2(12-11), т.е. времени необходимом для достижения установившихся значений в изотермическом режиме и в режиме разогрева. Однако, учитывая, что при управлении ферментером от ПЭВМ подача жидкостей и слив КЖ устанавливаются равными по величине, имеется возможность в практической работе задать интервал между циклами значительно большим. Этот интервал определяется накоплением ошибки дозирующих устройств и может быть по времени более 1ч.

Термодинамический метод измерения массы КЖ в ферментере, аналогично методу сканирующей микрокалориметрии, предусматривает измерение тепловой мощности в установившихся режимах: в изотермическом и при разогреве с постоянной скоростью.

На рис. 3 представлены результаты поддержания заданной массы КЖ в ферментере. Параллельно данным ПЭВМ велся контроль подачи жидкости и ее слива из ферментера весовым методом.

В ферментере емкостью 3 л автоматически поддерживается заданное количество воды, равное 2000 г, в условиях: температура жидкости в ферментере 38.5 град.С, скорость вращения перемешивающего устройства от 200 до 1300 об/мин, проток жидкости 1 л/час, поддержание рН=5ед.рН автоматической системой регулирования с подачей ЫаОН (0.04Н) по каналу щелочи и Н2504 (0.04 Н) по каналу кислоты. Аэратор установлен

ртикально. На кривой 1 пред-авлены данные без протока -здуха, на кривой 2 представ-ны данные при протоке воздуха рез ферментер 4.3 л/мин с ввратом конденсата.

При данном способе ддержания заданного значения 1ссы КЖ в ферментере при оведении ферментационных оцессов, сопровождающихся менением аэрации, режимов ремешивания и пенообразования, ошибка в поддержании массы от указанных ¡стабилизирующих факторов сводится к нулю. В зависимости (1) не учитывается величина

ккал „ „ „„ ккал

возд

т возд ' У • П0С|<0ЛЬ|<У ПРИ СР ж

1

; Ср

кг град. ' возд

0.22

кг град.

= 1» 103 р з 1.091 -з ж- мэнвозд- '■ио1 м3

возд * р возд -3 величина—--° « 10

Ср

т.е. вклад в

ж

меряемую мощность Рн от теплоемкости максимально возможного количества воздуха в ерментере при нормальном давлении составляет величину менее 0.1%.

Для случая образования пузырьков пены в КЖ ферментера вклад теплоемкости их пузырьков в Рн составляет величину того же порядка, что и для случая аэрации. Для |учая автоматического гашения пены в ферментере на поверхности КЖ содержится ¡значительное ее количество, вклад которого в Рн мал и может не учитываться.

Наличие изменяющейся воронки жидкости от изменения режимов перемешивания не шяет на Ср

ж

т вообще и, соответственно, не вносит погрешности в поддержание

ксы жидкости через ее теплоемкость.

Таким образом, обеспечивается величина разбавления строго в соответствии с ¡данным значением.

На аппарате АНКУМ-3 проведен биотехнологический процесс выращивания дрожжей апсМа иИЙБ с целью оценки воспроизводимости параметров ростового цикла дрожжей в :ловиях нестационарного процесса роста при непрерывном культивировании при протоке 266 ч1.

Во время эксперимента исследовано влияние частоты дозирования глюкозы на фаметры ростового цикла дрожжей.

Длительность процесса культивирования 77.3 ч. . Плотность популяции дрожжей контролировалась подсчетом числа клеток на счетчике "ZF" фирмы "Coultroniks France" и по датчику оптической плотности аппарата культивирования, который параллельно с измерением оптической плотности использовали для управления подпиткой глюкозой.

рН культуральной жидкости колебался в пределах 7.18-6.78 единиц в зависимости от величины субстратной нагрузки и в процессе культивирования не регулировался. Процесс сопровождался обильным пенообразованием.

Воспроизводимость длительности цикла и первой ростовой фазы цикла при двадцатикратном повторении эксперимента составили соотвественно 6.3% и 7.8%.

В диссертационной работе показано, что термодинамический метод может быть развит. При обеспечении измерений по данному методу в диапазоне мощностей порядка 0.1 Вт реализуется дополнительная характеритика: измерение теплопродукции микроорганизмов. Калибровка системы измерения и поддержания массы КЖ в ферментере методом сканирующей микрокалориметрии В соответствии с выражением (1) измеряемая мощность Рн будет изменяться при изменении удельной теплоемкости жидкости, залитой в ферментер, что требует введения поправки в алгоритм поддержания массы жидкости в ферментере.

На микрокалориметре ДСМ-2М проведены измерения удельной теплоемкости жидкой

культуры CD Saccharomyces cerevisiae с концентрацией биомассы 100 г/л (по

к жид.культ.

сухому весу) и Ср без микробных клеток.

кзл кзл

Получены следующие данные : CD =0.963 --, CD =0.998 -. Для

' ржид.культ. гтрад Ркж гтрад м<

указанных значений удельных теплоемкостей масса жидкой культуры m^^ КуЛЬТ, поддерживаемая в ферментере, на основании (1) примет новое значение, которое

определяется как m^ w чп^-

Ср нюк

'^жид.культ.

_ "^кид.культ. л Для приведенного случая-0-1-= 1.036 .

тюк

Для исключения указанной ошибки необходимо обеспечить условие: Рн уСтав = Рн тек

для изменяющегося текущего значения Сп

пкид. культ.

Данное условие обеспечивается введением множителя И для Рн тек в алгоритме поддержания массы жидкой культуры.

Рн

При этом Ь= —^ где Рн устав и Рн тек определяются из вырзжения (1) для Ср и

Рн тек

соотвественно. Сп и С0 измеряют методом дифференциальной

нжид.культ\ нкж кжид.культ.

сканирующей микрокалориметрией.

В диссертационной работе разработана методика измерений Ср жидких и твердых

образцов, включающая в себя разработку дифференциального сканирующего

микрокалориметра ДСМ-2М, снабженного метрологическим обеспечением.

ДСМ-2М позволяет определять изобарную теплоемкость Ср жидких и твердых

образцов, а также температуры фазовых переходов и изменение энтальпии вещества ДН в

рабочем интервале температур.

Для определения теплоемкости образца выбирают эталон с известной зависимостью

теплоемкости от температуры Ср=Т(Т).

Расчетное значение удельной теплоемкости образца определяется по формуле

С °6р = С„эт р р

(_ max „ \ ^1_+ АР

V тобр " рэт mo6pJ ' (4)

где АР - величина разностной мощности при разностных измерениях, Рэт - величина

мощности, регистрируемой прибором для тзт , Ср0®'3 - удельная теплоемкость образца,

max

Ср - удельная теплоемкость эталона, тэт - масса стандартного образца,

располагаемого в эталонной камере при разностных измерениях, mQgp - масса образца,

тэт - масса СО при калибровке шкалы прибора.

Знак плюс в формуле берется, если знак отклонений термограмм для АР и Рэт от

линии, соединяющей изотермические режимы, одинаков, а знак минус при различных знаках ДР и Рэт.

Относительная погрешность нелинейного косвенного измерения Ср°®Р по разработанной методике определяется по формуле (5):

ГГ»ЭТ др

—^ *Р~ '(Р+тв+а) АС обР тэт эт

е=——=(pta+Y)+---, (5)

с обр тэт АР

р 1+--•—

_ max Р_,

эт эт

где ДР= Рэт таХ - Р обр : Рэт

тах

мощность, идущая на нагрев эталона массой

тэт тах ; Р 0рр - мощность, идущая на нагрев образца массой т0бр .

Лт

тах

Р="

эт

лт „ ДС. ДР

дтобр Рэт „ эт л

сс=--у=--5=- О т

_ тах ' т„к„ С_ Р ' 0 тах

т», обр рЭТ эт Р

АР Дт

эт эт

П="

т,

относительные

эт

эт

эт

погрешности измеряемых или нормируемых аргументов по формуле (4).

При реальных условиях измерений р=0.0002; у=0.001; а=0.0002; 5=0.01; п=0 002; т.

0=0.001;-

т

^-=0.1;-^-=0.1 тах Р

эт

эт

Расчет СробР по формуле (4) дает величину е£0.2%, что согласуется с практическими результатами измерений предложенным методом.

Используемый известный метод измерения Сробр в сканирующей калориметрии основан на зависимости (6):

с 0бр_с ЭТ тэт обр Р " Р тобр РЭТ

(в)

Относительная пофешность нелинейного косвенного измерения Ср°®Р в соответствии с (6) определяется по формуле

£=ш+а+п+5+у,

ДР

где

обр

обр

Таким образом при заданных выше условиях измерений и ш=0.01 относительная погрешность

измерений С

обр

по формуле (6)

(7)

• Г , . 1 г*>

■ / ' ^^^^^^ К*

V

• лт ме и» гг 1 Рис 4. Температурные зависимости теплоемкости полиэтилена (1) и полиимидов (2,3,4,5,6)

составляет 2.5%, что хорошо согласуется с практическими результатами измерений по известной методике.

На рис. 4 приведены результаты, полученные на ДСМ-2М при изучении теплоемкости полимерных образцов.

Для прецизионных измерений теплоемкости, изменения энталы1ии и мощности тепловых процессов в диссертационной работе обосновано перспективное построенйб калориметрических камер в виде капилляров.

Структурная схема СДР для сканирующего микрокалориметра Система сканирования ДСМ-2М выполнена по схеме САР температуры калориметрических камер. Из теории автоматического регулирования известно, что динамическая ошибка системы автоматического регулирования имеет общий вид:

Г

Ed(t)=SCiU0,(t)=CoU(t)+C1U,(t)+C2U"(t)+... , (8)

¡=0

где С, - коэффициент ошибок; U(t) - входное воздействие; для астатической системы Со=0.

В зависимости от порядка астатизма равны нулю коэффициенты C1; C2.... С„. Для системы с астатизмом первого порядка Co=0, C1=Const. Для такой системы характерно наличие ошибки при входном сигнале, меняющемся с постоянной скоростью.

Для САР температуры камер сканирующего микрокалориметра входным сигнапом является уставка температуры. В режиме сканирования данный сигнал изменяется с

постоянной скоростью V ). Следовательно на вход САР камер подается сигнал

U(t)=Vt (9)

Отсюда:

Ed(t)=CiU'(t)= CiV . (10)

Известно, что С^^ , где Ко - коэффициент усиления системы^ ^

1

Следовательно, EdltJsj—V . (11)

Максимальное значение cd(t), ошибки между задаваемой по программе температурой и истинной температурой камер, будет при максимальной скорости сканирования. В ДСМ-2М \/макс = 64 град/мин (-1 град/сек). При Умакс = 1 град/сек и Ко = 10, динамическая ошибка будет

Еч(0=^,-1=0.1 град.

Для расчета САР используется передаточная функция калориметрических камер:

..., > 40 град/Вт

W(p)KaM=-^__ . (12)

Рассмотрим известное построение САР с параллельным соединением интегрального и пропорционального звеньев. При этом структурная схема САР будет иметь вид: (рис. 5).

К2 Р <

Кмост Кус К1 * \ К5 кам

Рис 5. Структурная схема САР

Передаточная функция разомкнутой системы имеет вид:

Кмост. Кус.Кб. Ккам . К2(1+К1Тр)

*Мр)=-

(15)

1

р(Ткам.р+1) '

где ■ Кмост - коэффициент передачи моста, Кус - коэффициент передачи

усилителя, Кэ - коэффициент передачи нагревателя, К2 - коэффициент передачи интегрального звена, К1 - коэффициент усиления усилителя.

Ко = Кмост. К ус . Кэ . К кам . К2 , (14)

где Ко - коэффициент усиления системы.

Для Ко = 10, Кмост = 10"3 В/град; К ус = 50; Кв= 0,5 Вт/В; Ккам =40 град/Вт, получим К2= 10 1/сек. К1

Для =5 имеем К1 =50.

Передаточная функция для замкнутой САР температуры калориметрических камер

1 + КчТр

ф(р)=;

Ткам г,"1 + К0К1Т

(15)

Ко

*

Ко

р+1

Переходная характеристика САР, т.е. реакция системы на входной сигнал типа "единичного скачка", находится обратным преобразованием Лапласа.

Решая

{ р } .

(16)

находим:

Ь(1) = 1 +0.5е-°-2Б5« И.бе"0-7554

(17)

Вид h(t) представлен на рис. 6.

Характеристика имеет перерегулирование а = 16% при одном колебании. Качество регулирования САР приемлемо для работы в системе сканирования камер по температуре.

Данная САР обеспечивает строгое соответствие температуры калориметрических камер заданному значению во всех режимах температурного сканиро-

Внедрение аппаратно-программных средств с использованием теплофизичес-ких параметров в контроле и управлении Процессами ферментации

В ИБП РАН создан на базе данного метода аппарат для непрерывного <ультивирования микроорганизмов (АНКУМ-3), превышающий мировой уровень благодаря возможности проведения в нем процессов выращивания микроорганизмов с точным соблюдением требуемого значения D.

Краткие технические характеристики АНКУМ-3 Емкость ферментера, л 3

Регулируемые и измеряемые параметры: частота вращения перемешивающего устройства, об/мин температура жидкости в ферментере,град.С рН, ед.рН р02, %

объемная подача питательного раствора, мл/мин измерение оптической плотности в спектральном диапазоне (750±100)нм, Б

поддержание массы культуральной жидкости, л компьютер IBM PC в составе аппарата , программная система ФермСервис для автоматизации и сервисного обеспечения работы пользователя, предусматривающая возможность разработки программного обеспечения по алгоритмам заказчика для управляемых процессов культивирования микроорганизмов. Децимальный номер прибора П52.935.179, заводской номер N001 95 г. .

Разработан и серийно выпускается дифференциальный сканирующий микрокалориметр ДСМ-2М (П52.825.010, NNo 1-112). Изготовлено 112 приборов ДСМ-2М.

сек

Рис.6 Переходная характеристика САР

зания: нагреве, охлаждении и изотермическом.

от 10 до 1400

OT(t воды+5) до 60±0,1

от 2 до 12±0,2

от 0 до 100±4

от 0 до 50

от 0 до 2

от 1.5 до 2.0 ±1.5%

Приборы ДСМ-2М широко используются в институтах Академии наук, в университетах и отраслевых институтах различных ведомств в пределах страны и за рубежом.

Прибор предназначен для измерения изменения энтальпии, теплоемкости при постоянном давлении, мощности тепловых процессов в жидких, твердых и порошкообразных образцах в сканирующем и изотермическом температурных режимах. Прибор нашел применение в работах биотехнологического профиля и широко используется в физико-химических исследованиях, в биологии, медицине, металлургии и др.).

Краткие технические характеристики ДСМ-2М:

Чувствительность, Вт

Сходимость результатов измерения теплоемкости, % Скорости температурного сканирования, град.С/мин Диапазон нагрева калориметрических камер,град.К Быстродействие системы измерения мощности тепловых процессов,сек..

Выводы:

• Впервые обоснован, разработан и исследован термодинамический метод контроля и поддержания массы культуральной жидкости в ' ферментере, обеспечивающий проведение непрерывных ферментационных процессов с соблюдением строгого значения величины разбавления. Приведенная погрешность метода не превышает 1.5%.

• Обосновано дальнейшее развитие термодинамического метода для решения задачи измерения теплопродукции микроорганизмов.

• Обоснована структурная схема дифференциального сканирующего микрокалориметра, обеспечивающая требуемую точность температурной шкалы прибора в изотермическом режиме и в режимах нагрева и охлаждения калориметрических камер.

• Предложено и экспериментально проверено новое техническое решение калориметрических камер дифференциального сканирующего микрокалориметра, которое позволяет в десятки раз повысить разрешающую способность современных дифференциальных сканирующих микрокалориметров по энергии регистрируемых тепловых процессов.

• На базе термодинамического метода в ИБП РАН разработан, изготовлен и подготовлен к промышленному выпуску аппарат для непрерывного культивирования микроорганизмов АНКУМ-3, превышающий мировой уровень, благодаря возможности проведения непрерывных ферментационных процессов с соблюдением строгого значения величины разбавления.

• Разработан и промышленно выпускается в ИБП РАН дифференциальный сканирующий микрокалориметр ДСМ-2М.

105

не более 1 от 0,5 до 64 от 123 до 773 не более 20

Список Опубликованных по теме диссертации работ.

. А. с. 549718 СССР, МКИ2 G 01 N 25/00. Способ выравнивания температур калориметрических камер / В.И.Горячев, Г.В.Котельников, Е.В.Межбурд.- Зс.: ил.

!. А. с. 574633 СССР, МКИ2 G 01 К 17/08. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр / Г.В.Котельников, Г.П.Крылов .- 2с.: ил.

J. А. с. 629457 СССР, МКИ2 G 01 К 17/08, Дифференциальный сканирующий микрокалориметр / В.И.Горячев, Г.В.Котельников, П.С.Макурин .- 2с.: ил. А. с. 673867 СССР, МКИ2 G 01 К 17/00. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр / В.И.Бахвалов, В.И.Горячев, Г.В.Котельников .- Зс.: ил.

5. А. с. 798511 СССР, МКИ3 G 01 К 17/08. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр! Г.В.Котельников, Г.П.Крылов .- Зс.: ил.

6. А. с. 821964 СССР, МКИ3 G 01 К 17/08. Дифференциальный микрокалориметр /

A.В.Сидорович, Г.В.Котельников, В.И.Горячев, Е.В.Межбурд, Ю.И.Матяшов .- 4с.: ил.

7. А. с. 1002854 СССР, МКИ3 G 01 К 17/08. Дифференциальный микрокалориметр /

B.И.Бахвалов, В.И.Горячев, Г.В.Котельников, Ю.И.Матяшов, Е.В.Межбурд.-4с.: ил.

8. А. с. 1321914 СССР, МКИ4 F 04 В 43/12, 13/00. Устройство дозирования жидкостей / В.С.Голиченков, Г.В.Котельников, Ю.Г.Меркулов .- Зс.: ил.

9. А. с. 1402348 СССР, МКИ4 А 61 L 2/06. Способ стерилизации пробоприемников с клапанами/ А.Ю.Баженов, Г.В.Котельников, Л.А.Лчтвиненко, Ю.В.Редикульцев.-2с.: ил.

10. А. с. 1472491 СССР, МКИ4 С 12 М 1/02. Привод мешалки ферментатора / Г.В.Котельников, Е.В.Межбурд, В.Г.Шаров.-Зс.: ил.

11. А. с. 1486510 СССР, МКИ4 С 12 М 1/04. Лабораторный ферментатор / Г.В.Котельников, Е.В.Межбурд, В.Г.Шаров Зс.: ил.

12. А. с. 1509722 СССР, МКИ4 G01 N 27/46. Датчик парциального давления кислорода / Г.В.Котельников, Е.В.Межбурд, В.Г.Шаров.-Зс.: ил.

13. А. с. 1597381, МКИ5 С 12 М 1/36 . Установка для измерения массы культуральной среды в процессе культивирования микроорганизмов / Г.В.Котельников, Л.А.Литвиненко, В.И.Сапрунов, Т.Н.Сивашева .-3 е.: ил.

14. А. с. 1782092 СССР, МКИ4 F 16 J 15/40. Магнитно-жидкостное уплотнение для ввода вала перемешивающего устройства в ферментер / Г.В.Котельников, Е.В.Межбурд, Д.В.Орлов, В.Г.Шаров.- Зс.: ил,

15. Аппараты культивирования микроорганизмов АК-203, АК-210 / Перекатова Т.И., Миронов В.А., Голиченков B.C., Максимов М.Г., Шкидченко А.И., Котельников Г.В. // Аппаратура для культивирования микроорганизмов.- Пущино: НЦБИ АН СССР, 1982.- С. 16-22.

16. Бобровник Е.А., Котельников Г.В., Кудряшов В.К. Лабораторный комплекс технических средств автоматизации ферментационных процессов с использованием супервизорно-

го управления //Приборное оснащение и автоматизация процессов ферментации в биотехнологических исследованиях: Сб.науч.тр.- Пущино:НЦБИ АН СССР, 1985.- С. 1112.

17. Голиченков B.C., Котельников Г.В., Меркулов Ю.Г. Устройство дозирования жидкости // Приборы и лабораторное оборудование для научных исследований по новым направлениям биологии и биотехнологии .- Пущино: НЦБИАНСССР, 1990.- С. 47-49.

18. Дифференцальный сканирующий микрокалориметр ДСМ-2 - прибор для определения калориметрического спектра веществ / Сидорович A.B., Стадник В.П., Котельников Г.В., Горячев В.И. II VII Всесоюзная конференция по калориметрии 31 января-3 февраля 1977 г.: Расш. тез. докл .-Черноголовка: ОИХФ АН СССР, 1977.-Т.2.- С. 458-461.

19. Дифференцальный сканирующий микрокалориметр ДСМ-2 / Сидорович A.B., Котельников Г.В., Крылов Г.П., Горячев В,И., Бахвалов В.И., Межбурд Е.В., Радванецкий Ю.П., Стадник В.П. II Метрологическое обеспечение измерений при низких температурах: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. сем. 14-16 октября 1976 г.- Хабаровск: ХФ ВНИИФТРИ, 1976,- С. 35-37.

20. Дифференциальный адиабатический сканирующий микрокалориметр ДАСМ-1 / П.Л.Привалов, П.С.Макурин, Г.В.Котельников, Г.П.Крылов, Г.П.Степанюк, В.В.Плотников,

B.В.Корягин, В.С.Полпудников // IV Международный биофизический конгресс, секция XVI-XXV, 7-14.08.1972: Тез. секц. докл.- С. 320-321.

21. Измерение парциального давления кислорода в ферментере / В.С.Голиченков, К.И.Ежова, Г.В.Котельников, Ю.Г.Меркулов II Приборное оснащение и автоматизация процессов ферментации в биотехнологических исследованиях,-Пущино: НЦБИ АН СССР, 1985,- С. 98-102.

22. КипперА.И., Котельников Г.В., Эскин В.Е. Метод определения теплоемкости макромолекул в растворе// Высокомол. соед.- 1976,-Т. XIX ,№ 5.-С.1173-1175.

23. Котельников Г.В., Межбурд Е.В. Измерение удельной теплоемкости твердых, сыпучих и жидких образцов на дифференциальном сканирующем микрокалориметре ДСМ-2 II Аппаратура для культивирования микроорганизмов.- Пущино: НЦБИ АН СССР,- 1974,-

C. 16-22.

24. Котельников Г.В., Межбурд Е.В. Использование эталона теплоемкости - синтетического лейкосапфира (Ф1203) при измерении теплоемкости на сканирующих микрокалориметрах //Метрологическое обеспечение теплофизических измерений при низких температурах: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. сем. 14-16 октября 1976 г.- Хабаровск: ХФ ВНИИФТРИ,- 1976.- С. 11-12.

26. КйГеЛьникбв Г.В., Canpynos В.П., Сивашеьа Т.Н. Ием*рение массы культуральной среды в ферментере II Приборы и оборудование для научных исследований в области физико-химической биологии и биотехнологии: Юбил. изд.- Пущино: НЦБИ АН СССР, 1990,- С. 63-65.

26. Котельников Г.В., Сидорович А.В. Микрокалориметр ДСМ-2М при исследовании полимеров II Высокомолек. соед,- 1983,- Т. XXV, № 12,- С. 2622-2626.

27. Кудряшов В.К., Котельников Г.В. Приборы для обеспечения процессов непрерывного культивирования микроорганизмов // Приборы и лабораторное оборудование для научных исследований по новым направлениям биологии и биотехнологии: Сб. науч. тр.- Пущино: НЦБИ АН СССР, 1990,- С. 9-14.

28. Микропроцессорная система управления пилотным ферментером / Голиченков B.C., Динеев Ю.Б., Котельников Г.В., Шумилин А.И. // Создание и производство пилотных установок для биотехнологических процессов: Тез. докл. Всесоюз. совещ. 28-29 сентября 1987 г., г.Пущино.-М.:НПО"Биотехника", 1987.-С.72.

29. Патент США 4,040,288, МКИ2 G 01 N 25/00. Дифференциальный микрокалориметр / Г.В.Котельников, Г.П.Крылов .- 9с.: ил.

30. Патент США 4,112,734, МКИ2 G 01 К 17/00. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр / В.И.Горячев, Г.В.Котельников, П.С.Макурин,- 6с.: ил.

31. Патент Франции 2,326,694, МКИ2 G 01 К 17/04; G 01 N 25/20. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр / В.И.Горячев, Г.В.Котельников, П.С.Макурин,- 12с.: ил.

32. Патент Франции 2,343,248, МКИ2 G 01 N 25/20; G 01 К 17/08. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр / Г.В.Котельников, Г.П.Крылов.- 18с.: ил.

33. Патент Швеции 7601505-6, МКИ2 G 01 К 17/04. Дифференциальный микрокалориметр / Г.В.Котельников, Г.П.Крылов.-16с.: ил.

34. Прибор стерильного отбора проб / Баженов А.Ю., Котельников Г.В., Литвиненко Л.А., Редикульцев Ю.В. II Процессы и аппараты для микробиологических производств БИОТЕХНИКА-86: Тез. докл. Всесоюз. конф.1-3 июля 1986 .г.Грозный.-М. :НПО" Биотехника", 1986 .-Ч. 11 .-С. 154.

35. Сидорович А.В., Котельников Г.В., Стадник В.П. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр ДСМ-2II Измерительная техника,- 1979,- N2 4,- С. 41.

Заказ 17. Тираж 100. ЯГТУ.