УСТРОЙСТВО ПОДДЕРЖАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ ДЛЯ СИНХРОННОГО КУЛЬТИВИРОВАНИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ

Область техники
Полезная модель относится к дополнительному оборудованию установок для термостатирования и может использоваться для поддержания и регулирования температуры при культивировании микроорганизмов.
Уровень техники
Из уровня техники известны различные конструкции устройств для культивирования микроорганизмов на базе элементов Пельтье, которые обычно используются в микробиологической промышленности.
Известно устройство для определения микробной обсемененности спецодежды (патент на изобретение RU 2495924). Устройство содержит модуль Пельтье, имеющий охлаждаемую и нагреваемую поверхности, блок питания со стабилизированным и регулируемым выходами, генератор, устройство регулировки температуры, регистрирующий прибор, электротермометр, термостат. В термостате размещены нагревательный элемент, пробирка с культуральной жидкостью и электродами в ней, подключенными к генератору. Модуль Пельтье выполнен с возможностью размещения на охлаждаемой поверхности его полоски фильтровальной бумаги и последующего прижатия к полоске фильтровальной бумаги загрязненной микробами части спецодежды, и размещения полоски фильтровальной бумаги с микробами из спецодежды в пробирке, расположенной в термостате. К стабилизированному выходу блока питания подключены термостат, устройство регулировки температуры, регистрирующий прибор, генератор, а к регулируемому выходу блока питания подключены электротермометр и модуль Пельтье. Изобретение обеспечивает упрощение конструкции устройства, сохранение жизнеспособности микроорганизмов, что позволит быстро оценить их накопление в материале спецодежды.
Основным недостатком описанной конструкции является то, что она приспособлена к проведению экспериментов в диапазоне одной температуры в рамках одного эксперимента. Устройство не является установкой для культивирования микроорганизмов с широким диапазоном температур в рамках одного эксперимента. Такая система ориентирована на решение преимущественно биотехнологических задач, и не позволяет проводить эксперименты с небольшим объемом инокулята. Также устройство является крупногабаритным, трудным для стерилизации и сложным по своей конструкции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство термостатирования (RU 72770 U1), содержащее теплоизоляционный корпус, внутри которого размещен объект термостатирования,  на днище которого расположена термоэлектрическая батарея, работающая от источника питания, одной поверхностью приведенная в тепловой контакт с внешним радиатором, отличающееся тем, что термоэлектрическая батарея другой поверхностью приведена в тепловой контакт с внутренним радиатором, омываемым термостабилизирующим веществом, и выполнена на элементах Пельтье, в устройство термостатирования дополнительно введен датчик, размещенный внутри термоизоляционного корпуса, модуль управления, содержащий измерительный узел, соединенный с датчиком, микропроцессор, соединенный с индикатором, фиксирующим значения температуры термостатируемого объекта, и с n-твердотельными реле, которые через LC-фильтр соединяют источник питания с элементами Пельтье, входящими в термоэлектрическую батарею, и узел коммутации, осуществляющий подключение термостатируемых объектов.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции. Также такая система ограничена в исследовании только одного объекта термостатирования в диапазоне одной температуры.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель является поддержание высокой стабильности требуемых параметров для культивирования микроорганизмов и расширение функциональных возможностей устройства.
Раскрытие полезной модели
Техническим результатом заявленной полезной модели является возможность задания и под держания нескольких температурных режимов при синхронном культивировании микроорганизмов.
Для достижения технического результата устройство поддержания температурных режимов для синхронного культивирования микроорганизмов включающее модули Пельтье, выполненные с возможностью подключения к источнику питания, модуль управления, содержащий измерительный узел, соединенный с датчиком, микропроцессор, соединенный с индикатором, фиксирующим значения температуры, при этом содержит алюминиевый радиаторный профиль, на котором сверху пайкой закреплены десять модулей Пельтье ТЕС-12706, выполненные с возможностью подключения к пяти блокам питания 12 В 5 А, а снизу пайкой закреплены три вентилятора, выполненные с возможностью подключения к блоку питания 12 В 6 А, при этом, управление модулями Пельтье осуществляют через закрепленные пайкой сверху на алюминиевом радиаторном профиле пять полевых транзисторов IRL3705Z платформой Arduino Nano, основой которой является микроконтроллер на базе ATmega328, при этом, к платформе Arduino Nano проводами подключены десять влагозащищенных цифровых датчиков температуры DS18B20, и пять LCD 1602 дисплеев через II2C/IIC переходник, закрепленные пайкой на верхней стороне алюминиевого радиаторного профиля.
Краткое описание чертежей
На фигуре показана схема заявленного устройства, где:
1 - Элементы Пельтье ТЕС-12706;
2 - Температурный датчик DS18 В20;
3 - Алюминиевый радиаторный профиль;
4 - Платформа Arduino Nano;
5 - Полевой транзистор IRL3705Z;
6 - Вентиляторы;
7 - Блоки питания 12 В 5А;
8 - LCD-дисплей 1602;
9 - Блок питания 12 В 6А.
Осуществление полезной модели
Элементы Пельтье ТЕС-12706 1 в количестве 10 шт. предназначены для поддержания определенных температурных режимов. Температурные датчики DS18B20 2 в количестве 10 шт. предназначены для измерения температуры в среде с микроорганизмами. Платформа Arduino Nano 4 предназначена для обработки информации, полученной от температурных датчиков DS18B20 2, а также для управления полевыми транзисторами IRL3705Z 5 в количестве 5 шт., которые предназначены для регулирования работы элементов Пельтье ТЕС-12706 1 и передачи информации LCD- дисплеям 1602 8 в количестве 5 шт., которые предназначены для отображения информации о температурах. Вентиляторы 6 в количестве 3 шт. предназначены для отвода тепла от алюминиевого радиаторного профиля 3. Блоки питания 12 В 5А в количестве 5 шт. предназначены для питания  элементов Пельтье ТЕС-12706 1. Блок питания 12 В 6А предназначен для питания вентиляторов 6.
Устройство поддержания температурных режимов для синхронного культивирования микроорганизмов схема которого показана на фигуре состоит из алюминиевого радиаторного профиля 3 к которому пайкой прикрепляются соединенные попарно (всего 5 пар) элементы Пельтье ТЕС-12706 1, один из выходов которых подключается к блокам питания 12 В 5А 7. Второй выход подключается к полевым транзисторам IRL3705Z 5 через сток. Истоки полевых транзисторов IRL3705Z 5 подключается к заземлению (на фигуре не показано). Стоки и истоки полевых транзисторов IRL3705Z 5 соединены между собой с помощь резисторов (на фигуре не показаны). Затворы полевых транзистоов IRL3705Z 5 подключены через резисторы (на фигуре не показаны) к цифровому пину (D3-D7) платформы Arduino Nano 4.
LCD-дисплей 1602 8 крепится пайкой к алюминиевому радиаторному профилю 3 и подключается через переходник II2C/IIC (на фигуре не показан) к платформе Arduino Nano 4. Выход GND LCD-дисплея 1602 8 подключается к заземлению, выход VVC подключается к пину 5V, выход SDA подключается к пину A4(SDA), выход SCL подключается к пину A4(SCL). Выход VVC температурных датчиков DS18 В20 2 подсоединяется к пину 5V, выход DATA подсоединяется к пину D2, выход GND подключается к заземлению, выходы GND и DATA соединены между собой резистором (на фигуре не показан).
Вентиляторы 6 закреплены пайкой на нижней стороне алюминиевого радиаторного профиля 3 и подключены параллельно к блоку питания 12 В 6А 9.
Устройство поддержания температурных режимов для синхронного культивирования микроорганизмов работает следующим образом.
Одна пара элементов Пельтье ТЕС-12706 1 поддерживает одну температуру, то есть всего поддерживается пять температурных режимов в двух повторностях. Для смены режима нагрева на режим охлаждения, и наоборот, изменяют полярность подключения пары элементов Пельтье ТЕС-12706 1.
Колбы со средой (на фигуре не показаны) в количестве 10 штук, в которых находятся изучаемые микроорганизмы, устанавливаются на соединенные попарно элементы Пельтье ТЕС-12706 1.
Влагозащищенные цифровые температурные датчики DS18B202 2 в количестве 10 шт. помещаются в колбы в среду с культурами для отслеживания и контроля температуры в них. Также устанавливается барботаж для перемешивания культур с увлажнителем, который выглядит как герметичная емкость с водой, через которую проходит поток воздуха с помощью компрессора (на фигуре не показан).
Далее скетч с программой, в которой установлены температуры для эксперимента, загружается на платформу Arduino Nano 4.
Arduino Nano 4 через USB-порт, блоки питания 12 В 5А 7 и блок питания 12 В 6А 9 подключаются к сети.
Температуры, измеряемые температурными датчиками DS18B202 2, и устанавливаемые для эксперимента температуры отображаются на LCD-дисплеях 1602 8.
Скетч с программой для Arduino Nano 4 разрабатывается в среде разработки для Arduino-проектов Arduino IDE. Для работы дисплеев используют библиотеку LiquidCrystal_I2C.h и стандартную библиотеку Wire.h, которая используется для связи микроконтроллера с устройствами и модулями через интерфейс I2C. Из первой библиотеки используют функции init() и backlight(), которые отвечают за инициализацию дисплеев и включение подсветки соответственно. Также используют функции setCursor() и print(), позволяющие перемещать курсор экрана для отображения символов на определенное место на экранах и печатать символы соответственно.
Для работы температурных датчиков DS18B20 используют библиотеки DallasTemperature.h и OneWire.h. Создается объект OneWire и объект DallasTemperature для работы с датчиками. С помощью функции requestTemperatures() запрашиваются температуры, которые определяют датчики. Функция getTempCByIndex() позволяет записать в переменную температуру, получаемую от датчиков, по его индексу.
Используют стандартную функцию pinMode(), которая устанавливает режим работы заданного вход/выхода как входа или как выхода, и функцию digitalWrite(), которая подает HIGH или LOW значение на цифровой вход/выход.
После написания скетча, программу компилируют и загружают через USB-порт на платформу Arduino Nano 4.
Температуры указываются как константы с типом float в скетче программы до обязательных функций setup() и 1оор() и отображаются на LCD-дисплеях 1602 8. Информация о температуре от температурных датчиков DS18B20 2 обрабатывается платформой Arduino Nano 4 для регулирования соединенные попарно элементов Пельтье ТЕС-127061 и отображается на LCD-дисплеях 1602 8. Если в случае нагревания задаваемая температура будет меньше температуры, которую измеряют температурные датчики DS18 В20 2, то платформа Arduino Nano 4 приостанавливает работу элементов Пельтье ТЕС-127061 1, то есть приостанавливает нагревание. В случае охлаждения, если задаваемая в скетче температура больше, чем температура, измеряемая температурными датчиками DS18B20 2, то охлаждение прекращается, и выключаются элементы Пельтье ТЕС-127061 1. Проверка этих условий циклично повторяется для поддержаний заданных температур.
Например, десять колб заполнялись средой для культивирования микроорганизмов (BG11). В среду вносили культуру микроорганизмов Synechocystis sp.Так как элементы Пельтье ТЕС-127061 1 соединены между собой попарно, то есть на одной паре достигается одна температура, то в скетче устанавливались пять температур для каждой пары элементов Пельтье ТЕС-127061 1:16°С, 20°С, 27°С, 33°С, 40°С, и корректировались условия включения/отключения элементов Пельтье ТЕС-12706 1. Для этого в скетче с программой задают условия для работы: при охлаждении среды с микроорганизмами элементы Пельтье ТЕС-12706 1 работают до тех пор, пока температура, устанавливаемая для эксперимента, меньше температуры, определяемой температурными датчиками DS18B20 2; при нагревании среды с микроорганизмами элементы Пельтье ТЕС-12706 1 работают до тех пор, пока температура, устанавливаемая для эксперимента, больше температуры, определяемой температурными датчиками DS18B20 2. При комнатной температуре 26°С для температур 16°С, 20°С элементы Пельтье ТЕС-12706 1 устанавливались в режиме охлаждения, для температур 27°С, 33°С, 40°С - в режим нагревания. Скетч загружали на платформу Arduino Nano 4, подключали блоки питания 12 В 5А 7 и 12 В 6А 9 к сети. Колбы со средой с микроорганизмами устанавливались на элементы Пельтье ТЕС-12706 1. Температурные датчики DS18B20 2 помещались в среду с микроорганизмами, и устанавливался барботаж для каждой колбы. Информация о температурах в среде и задаваемых температурах отображалась на LCD-дисплеях 1602 8. В течение нескольких часов происходила установка температур в колбах со средой до температур, установленных для эксперимента. Далее эти температуры поддерживались до отключения устройства. В конце эксперимента получаем колбы со средой с микроорганизмами, культивируемые при различных пяти температурах в двух повторностях.
Также устройство позволяет поддерживать температурные режимы для синхронного культивирования микроорганизмов двух видов. Например, 5 колб заполнялись средой для культивирования микроорганизмов (BG11). В среду вносили культуру микроорганизмов Synechocystis sp.Еще 5 колб заполнялись средой для культивирования микроорганизмов (BG11-N). В среду вносили культуру микроорганизмов Anabaena sp.Так как элементы Пельтье ТЕС-127061 1 соединены между собой попарно, то есть на одной паре достигается одна температура, то в скетче устанавливались пять температур для каждой пары элементов Пельтье ТЕС-127061 1:18°С, 22°С, 30°С, 37°С, 45°С, и корректировались условия включения/отключения элементов Пельтье ТЕС-12706 1. Для этого в скетче с программой задают условия для работы: при охлаждении среды с микроорганизмами элементы Пельтье ТЕС-12706 1 работают до тех пор, пока температура, устанавливаемая для эксперимента, меньше температуры, определяемой температурными датчиками DS18B20 2; при нагревании среды с микроорганизмами элементы Пельтье ТЕС-12706 1 работают до тех пор, пока температура, устанавливаемая для эксперимента, больше температуры, определяемой температурными датчиками DS18B20 2. При комнатной температуре 26°С для температур 18°С, 22°С элементы Пельтье ТЕС-12706 1 устанавливались в режиме охлаждения, для температур 30°С, 37°С, 45°С - в режим нагревания. Скетч загружали на платформу Arduino Nano 4, подключали блоки питания 12 В 5А 7 и 12 В 6А 9 к сети. На каждую пару соединенных элементов Пельтье ТЕС-12706 1 устанавливались колба со средой с микроорганизмами Synechocystis sp и колба со средой с микроорганизмами Anabaena sp.Температурные датчики DS18B20 2 помещались в среду с микроорганизмами, и устанавливался барботаж для каждой колбы. Информация о температурах в среде и задаваемых температурах отображалась на LCD-дисплеях 1602 8. В течение нескольких часов происходила установка температур в колбах со средой до температур, установленных для эксперимента. Далее эти температуры поддерживались до отключения устройства. В конце эксперимента получаем колбы со средой с микроорганизмами Synechocystis sp и колбы со средой с микроорганизмами Anabaena sp., при этом культивирование происходило для двух видов микроорганизмов в одинаковых температурных условиях в диапазоне пяти температур.
Преимуществами заявляемого устройства являются:
- способно задавать и поддерживать до 5-ти заданных определенных температур в рамках одного эксперимента;
- имеет небольшие размеры;
- имеет несложную конструкцию.
В зависимости от экспериментальных целей культивирование на устройстве можно проводить при различных условиях, например, можно изменять такие параметры, как состав среды для культивирования микроорганизмов, соотношение жидкой и газовой фазы, ее состав, уровень освещенности.
Таким образом, заявленное устройство может быть использовано для проведения экспериментов по культивированию микроорганизмов при различных температурах в рамках одного эксперимента, при этом значения температур лежат в широком диапазоне. Установка проста в конструировании и программировании, а также малогабаритна.