CZ305687B6 - Analytický fotobioreaktor - Google Patents

Abstract

Analytický fotobioreaktor, který obsahuje reakční nádobu (1), která je zasunuta do bloku (2) termostatu, přičemž na jedné stěně bloku (2) termostatu je první stranou umístěn Peltierův článek (3), jehož druhá strana je umístěna na chladiči (4), který je spojen s ventilátorem (5), přičemž blok (2) termostatu, Peltierův článek (3), chladič (4) a ventilátor (5) jsou spojeny s řídicí jednotkou (6), a přičemž reakční nádoba (1) je opatřena víkem (1.3) se středovým otvorem (1.7) víka, jímž je do nádoby zasunuté míchadlo (8), a s alespoň jedním dalším otvorem (1.6), jímž je zasunut další nástroj vybraný ze skupiny zahrnující alespoň jeden zdroj světla, alespoň jeden detekční prvek vybraný ze skupiny zahrnující senzor kyslíku, pH senzor, iontově selektivní elektrodu, a popřípadě teploměr, přívod inertního plynu a/nebo detektor světla.

Description

Analytický fotobioreaktor

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká konstrukce přístroje, který umožňuje detekci škodlivých látek sledováním změny produkce kyslíku fotosyntetizujícími organismy.

Dosavadní stav techniky

Přítomnost škodlivých látek lze sledovat mimo jiné vhodnými biotesty, například sledováním růstové rychlosti zelených řas. Metoda včetně popisu přístrojů pro provedení měření je uvedena v normě ISO 8692. Metoda a její technická realizace umožňuje kvalitativně stanovit přítomnost toxických a škodlivých látek. Její hlavní nevýhodou je nutnost kultivace řas alespoň 72 hodin. Podobně kritické hodnocení je v publikaci Kubín, Š., Test toxicity založený na inhibici růstu řasových populací, AV ČR - Mikrobiologický ústav, pracoviště Třeboň, Státní fond životního prostředí, Praha; 1994; CEP/1994/AV0/AV04IA/V/1-.1.

Další metoda je realizována v měřicím systému, v němž je fotosystém 2 (PSU) izolován ze zelených řas a imobilizován na pracovní elektrodu elektrochemického senzoru. Tento senzor je vložen do průtokové komůrky a osvětlován. Technické řešení zajišťuje vysokou odezvu, limit detekce až 10 ⁹ M pro herbicid Diuron. Nevýhodou systému je však velmi nízká stabilita systému PSU, který po vytržení ze struktury buňky velmi snadno ztrácí svou aktivitu. Zařízení s těmito senzory nelze používat s dostatečnou spolehlivostí v praxi (J. Masojídek, P. Souček, J. Máchová, J. Frolík, K. Klem, J. Malý; Detection of photosynthetic herbicides: Algal growth inhibition test vs. electrochemical photosystem II biosensor; Ecotoxicology and Environmental Safety; (2011), 74 (1), 117-122).

Podstata vynálezu

Nevýhody dosavadního stavu techniky odstraňuje analytický fotobioreaktor podle předkládaného vynálezu, který obsahuje reakční nádobu, která je zasunuta do bloku termostatu, přičemž na jedné stěně bloku termostatu je první stranou umístěn Peltierův článek, jehož druhá strana je umístěna na chladiči, který je spojen s ventilátorem. Blok termostatu, Peltierův článek, chladič a ventilátor jsou spojeny s řídicí jednotkou, která dále s výhodou obsahuje vstup pro externí teploměr. Reakční nádoba je opatřena víkem s jedním středovým otvorem a alespoň jedním dalším otvorem. Středovým otvorem víka je do nádoby zasunuto míchadlo, dalším otvorem nebo více otvory je zasunut alespoň jeden zdroj světla, alespoň jeden detekční prvek vybraný ze skupiny zahrnující senzor kyslíku, pH senzor, iontově selektivní elektrodu, a popřípadě teploměr, přívod inertního plynu a/nebo detektor světla.

Reakční nádoba je s výhodou ze skla nebo z plastu a má tvar komolého kužele.

Senzorem kyslíku je s výhodou polarografický senzor kyslíku.

Zdrojem světla může být s výhodou dioda nebo světlovod, jako je například optické vlákno. Konec světlovodu může být ve tvaru kužele, kulové plochy nebo opticky rozptylujícího povrchu, čímž zajišťuje vhodné osvětlení vzorku. Zdroj světla může zavádět světlo nad hladinu kapalného vzorku nebo přímo do objemu kapalného vzorku v nádobě.

Řídicí jednotka vyhodnocuje teploty bloku termostatu a popřípadě externího teploměru, a teploty obou povrchů Peltierova Článku. Externí teploměr je s výhodou vložen do roztoku uvnitř reakční nádoby. Vyhodnocením je stanoven proud, kterým je napájen Peltierův článek tak, aby byla udr žována teplota bloku termostatu nebo teplota externího teploměru umístěného v temperovaném roztoku uvnitř reakční nádoby. Pokud je řídicí jednotka vybavena i měřením teploty chladiče, je tato teplota využita pro řízení otáček ventilátoru.

Řídicí jednotka kromě řízení termostatování fotobioreaktoru zajišťuje i komunikaci s uživatelem nebo řídicím softwarem, sběr dat a případně i jejich zpracování. Řídicí jednotka může být také vybavena vlastním softwarem.

Kvalita měření závisí podstatně na přenosu hmoty mezi detektorem a objemem vzorku a dále na celkové homogenitě vzorku roztoku v přístroji. Homogenita roztoku a její vytváření po přidání vzorku je zajištěno míchadlem. Míchadlo ve výhodném provedení obsahuje kuželový míchací prvek opatřený alespoň jedním otvorem.

Ve výhodném provedení svírá osa středového otvoru s osou alespoň jednoho dalšího otvoru úhel v rozmezí 1 až 45°. S výhodou mají stěny otvorů kuželovitý tvar.

Ve výhodném provedení je mezi kuželovou plochou míchadla a detekčním prvkem mezera o velikosti 0,1 až 2 mm. S výhodou je usazení míchadla a detekčního prvku v příslušném otvoru nastavitelné (např. pomocí nastavitelné matice), takže umožňuje nastavení požadované velikosti mezery.

Objasnění výkresů

Obr. 1: Schéma fotoanalytického fotobioreaktoru

Obr. 2: Reakční nádoba analytického fotobioreaktoru

Obr. 3: Zdroj světla

Obr. 4: Zdroj světla s chlazením LED diody

Obr. 5: Zdroj světla s optickým kabelem

Obr. 6: Úprava konce optického kabelu nebo světlovodu zajišťující různé osvětlení vzorku

Obr. 7: Detektor intenzity světla v reakční nádobě

Obr. 8: Zátka se vstupem a výstupem pracovního plynu

Obr. 9: Míchadlo, jeho uspořádání a schematické značení jeho funkce

Obr. 10: Detail uchycení míchadla z obr. 9

Obr. 11: Schematické znázornění vzájemné polohy senzoru a míchadla, které zajišťuje optimální přenos hmoty

Obr. 12: panel A - Srovnání odezvy kyslíkového čidla v případě rotace disku a bez jeho rotace panel B - Zobrazení šumu a stability signálu

Příklady uskutečnění vynálezu

Analytický fotobioreaktor je schematicky znázorněn na obr. 1. Zařízení se skládá z reakční nádoby 1, a bloku 2 termostatu, v němž je vložena (zasunuta) reakční nádoba 1. Teplota bloku 2 termostatu je udržována na zvolené teplotě Peltierovým článkem 3, který je umístěn na spodní straně bloku 2 termostatu. Druhá strana Peltierova článku 3 je umístěna na chladiči 4, který je spojen s ventilátorem 5. Funkce zařízení je řízena elektronickou řídicí jednotkou 6, která měří teplotu bloku 2 termostatu, teplotu plochy Peltierova článku 3, která je ve spojení s blokem 2 termostatu, a teplotu plochy Peltierova článku 3, která je ve spojení s chladičem 4. Řídicí elektronika 6 dále obsahuje vstup pro externí teploměr 7. Řídicí elektronika 6 může obsahovat i vstup pro měření teploty chladiče 4.

Řídicí elektronika 6 vyhodnocuje teploty bloku 2 termostatu, externího teploměru 7, a teploty obou povrchů Peitierova článku 3. Vyhodnocením je stanoven proud, kterým je napájen Peltierův článek 3 tak, aby byla udržována teplota bloku 2 termostatu nebo teplota externího teploměru 7 umístěného v temperovaném roztoku uvnitř reakční nádoby L Pokud je řídicí elektronika vybavena i měřením teploty chladiče 4, je tato teplota využita pro řízení otáček ventilátoru 5.

Mimo řízení termostatování analytického fotobioreaktoru zajišťuje řídicí elektronika 6 i komunikaci s uživatelem prostřednictvím klávesnice nebo komunikací s PC, zobrazení nastavení teplot a režimů jejího měření. Řídicí jednotka 6 také umožňuje zobrazení všech naměřených teplot. Řídicí jednotka 6 může být vybavena i vlastním programem, který umožňuje provádění programových teplotních změn. Program může být implementován v PC a jeho provádění je řešeno komunikací řídicí elektroniky 6 s PC.

Reakční nádoba 1, znázorněná v detailu na obr. 2, se skládá ze skleněné nádoby 1.1 kuželovitého tvaru opatřené zesíleným okrajem 1.2, který umožňuje její upevnění do víka 1.3 analytického bioreaktoru využitím matice 1.4. Mezi víkem 1.3 a zesíleným okrajem 1.2 je umístěno těsnění 1.5. V případě, že jsou všechny otvory ve víku uzavřeny, je celý systém uzavřený a je oddělený od okolního prostředí. Víko 1.3 obsahuje alespoň dva otvory 1.6 s vnitřním kuželem, do nichž lze vkládat různé detektory nebo zdroje záření. Lze je využívat pro přidání vzorku nebo pro vložení zátek s přívody vhodné atmosféry (např. CO₂). Víko 1.3 dále obsahuje střední otvor 1,7 s vnitřním kuželem, do nějž je možno vložit míchadlo 8. Do otvorů 1,6 lze vložit zdroje 9 světla (detail na obr. 3), které se skládají z držáku 9.1 opatřeného kuželovitou plochou, která umožňuje jeho pevné, ale rozebíratelné spojení s víkem L3, a světlovodu 9.2, který je na čele opatřen rovnou plochou 9.3, která ozařuje hladinu vzorku. V případě hustých vzorků lze nastavit délku světlovodu 9.2 tak, že jeho konec je umístěn v analyzovaném roztoku. Vlastní zdroj světla je např. LED dioda 9.4 umístěná v hlavici 9.5 zdroje 9 světla. Zdroje světla mohou být i vysoce výkonné LED diody 9.4, které jsou opatřeny chladičem 9.6 (viz obr. 4). Světlo do fotobioreaktoru lze přivést i optickým kabelem 9.7. který je opatřen držákem s kuželovitým zakončením 9.1 popsaným výše (obr. 5). Vhodnou úpravou konce optického kabelu 9.7 nebo světlovodu 9.2 lze zabezpečit, že světlo je rozptylováno nad povrchem kapaliny neboje rozptylováno do kapaliny. Lze to zajistit například kuželovitým nebo půlkulovitým uspořádáním konce světlovodu (obr. 6).

Výhodou tohoto uspořádání popsaného výše je snadná vyměnitelnost zdrojů světla při zachování geometrického uspořádání celého experimentu.

Do otvoru 1.6 lze vložit vhodný detektor 10 intensity světla, např. fotodiodu. Schematické znázornění fotodetektoru je na obr. 7.

Upevnění fotodetektoru je stejné jako u zdroje světla (9.5, 9.1). Fotodioda 10 je umístěna na kovovém držáku 10.1 a je umístěna v ochranném obalu 10.2 vyrobeném z průhledného plastu nebo skla.

Délkou dříku f lze zajistit, že měření intenzity světla je prováděno těsně nad hladinou vzorku nebo i uvnitř vzorku. Výhodou uspořádání je snadná vyměnitelnost detektorů při zachování geometrického uspořádání experimentu.

Do otvorů 1.6 lze vložit i další typy detekčních prvků 12. Jsou to např. teploměr, pH elektroda, případně další pomocné detektory. Výhodou uspořádání je velká variabilita detektorů a jejich snadná vyměnitelnost. Do otvorů 1.6 lze pomocí kuželového spojení pevně ale rozebíratelně umístit další pomocné prvky, z nichž nejdůležitější je zátka s přívodem 11.1 a odvodem 11.2 interního nebo pracovního plynu při práci v ochranné atmosféře (obr. 8).

Kvalita měření závisí podstatně na přenosu hmoty mezi detektorem a objemem vzorku a dále na celkové homogenitě vzorku roztoku v přístroji. Homogenita roztoku a její vytváření po přidání vzorkuje zajištěno míchadlem 8.

Míchadlo 8 (obr. 9, 10) je opatřeno maticí 8.1, jejím obtáčením je možno nastavit výšku míchadla nade dnem reakční nádobky. Vlastní prvek 8.2 zajišťující míchání se skládá z kužele 8.3, který umožňuje jeho uchycení v jeho držáku 8.4, který je spojen s motorem. Pod kuželem je odstřikovací kroužek 8.5, který zabraňuje proniknutí kapaliny do spoje 8.3 - 8.4 a případně do motoru. Vlastní míchání je zajištěno kuželovým diskem 8.6, který je opatřen alespoň jedním otvorem 8.7. Rotací disku vznikají odstředivé síly, které nutí kapalinu k pohybu označenému šipkami 8.8. Tím je zajištěno intenzivní míchání roztoku, aniž vznikají mrtvé prostory.

Dalším důležitým jevem, který ovlivňuje kvalitu měření, je přenos hmoty mezi aktivním povrchem senzoru a objemem vzorku. Technické uspořádání tohoto zařízení je přednostně určeno pro přesné měření klasickými polarografickými senzory kyslíku. Optimální přenos hmoty je zajištěn uspořádáním na obr. 11.

Úhel 12.1 a mezi osou senzoru 12.2 kyslíku (a tím i osou otvoru 1.6) a osou míchadla 8.2 je takový, aby mezi aktivním povrchem 12.3 čidla a rotujícím diskem 8.6 vznikla mezera 12.4 o šířce x. Tato mezera je nastavitelná maticí 8.1. Nastavením vhodné úhlové rychlosti rotace míchadla od ω = 2 až 500 minuta¹ a velikosti mezery x = 0,1 až 2 mm lze dosáhnout homogenního proudění přes otvory 8.7 a v mezeře 12.4. Tím je zajištěn intenzivní přestup hmoty. Srovnání odezvy kyslíkového čidla v případě rotace disku a bez jeho rotace je na obr. 12. (panel A). Šum a stabilita signálu je zobrazena na obr. 12 (panel B). Bez míchání signál samovolně poklesne z-1500 nA na -700 nA, tj. o 800 nA. Míchadlo způsob, že samovolný pokles je 0,6 nA a šum 0,2 nA. To odpovídá zlepšení lOOOx. Citlivost systému se z cca 3 až 10 % změní na cca 0,01 % a stabilita z 20 na 0,05 %. To umožňuje detekovat metabolické procesy v mikroorganismech a mnoho dalších jevů, které byly dříve skryty v šumu.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Analytický fotobioreaktor, vyznačující se tím, že obsahuje reakční nádobu (1), která je zasunuta do bloku (2) termostatu, přičemž na jedné stěně bloku (2) termostatu je první stranou umístěn Peltierův článek (3), jehož druhá strana je umístěna na chladiči (4), který je spojen s ventilátorem (5), přičemž blok (2) termostatu, Peltierův článek (3), chladič (4) a ventilátor (5) jsou spojeny s řídicí jednotkou (6), a přičemž reakční nádoba (1) je opatřena víkem (1.3) se středovým otvorem (1.7) víka, jímž je do nádoby zasunuté míchadlo (8), a s alespoň jedním dalším otvorem (1.6), jímž je zasunut další nástroj vybraný ze skupiny zahrnující alespoň jeden zdroj světla, alespoň jeden detekční prvek (12) vybraný ze skupiny zahrnující senzor kyslíku, pH senzor, iontově selektivní elektrodu, a popřípadě teploměr, přívod inertního plynu a/nebo detektor světla.
2. 2. Analytický fotobioreaktor podle nároku 1, vyznačující se tím, že řídicí jednotka (6) dále obsahuje vstup pro externí teploměr (7).
3. 3. Analytický fotobioreaktor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že reakční nádoba (1) je ze skla nebo z plastu a má tvar komolého kužele.
4. 4. Analytický fotobioreaktor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že zdrojem světla je světlovod (9.2) nebo dioda.
5. 5. Analytický fotobioreaktor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že konec světlovodu (9.2) je ve tvaru kužele, kulové plochy nebo opticky rozptylujícího povrchu.
6. 6. Analytický fotobioreaktor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že osa středového otvoru (1.7) svírá s osou alespoň jednoho dalšího otvoru (1.6) úhel v rozmezí 1 až 45°.
7. 7. Analytický fotobioreaktor podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že míchadlo (8) obsahuje kuželový míchací prvek (8.6) opatřený alespoň jedním otvorem (8.7).
8. 8. Analytický fotobioreaktor podle nároku 7, vyznačující se tím, že mezi kuželovou plochou míchadla a detekčním prvkem je mezera o velikosti 0,1 až 2 mm.