BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine sterilisierbare pH-Messkette gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Für die Überwachung mikrobiologischer Prozesse in der Biotechnologie werden in zunehmendem Masse elektrochemische Zellen für die Messung von Ionenaktivitäten, insbesondere der H-Ionenaktivität, eingesetzt. Derartige elektrochemische Zellen bestehen aus einer Messelektrode und aus einer Bezugselektrode, wobei diese getrennt ausgebildet und über eine Brücke verbunden sein oder in Form einer Einstabmesskette vorliegen können. Wesentliche Voraussetzung für eine einwandfreie Prozessüberwachung ist, dass die Bezugselektrode, die ein elektrochemisches Halbelement oder eine Halbzelle sein kann, eine stabile und reproduzierbare elektrische Spannung liefert.
Es sind zahlreiche Bezugselektroden in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Sie bestehen ganz allgemein aus einem Ableitelement in Form einer Elektrode zweiter Art, die in einen Bezugselektrolyten in der Regel eine konzentrierte Kaliumchloridlösung, eintaucht. Der Bezugselektrolyt befindet sich dabei in einem Behälter, der von einem Gehäuse aus elektrisch nicht leitendem Material, wie Glas oder Kunststoff, gebildet wird. Der elektrolytische Kontakt zwischen dem Ableitelement der Bezugselektrode und dem Messmedium, allgemein eine Lösung oder Suspension des zu untersuchenden Messgutes in Wasser, erfolgt durch ein in der Gehäusewand angeordnetes Diaphragma, z.B. ein poröser Keramikstift.
Durch eine Verschmutzung des Diaphragmas durch das Messmedium oder durch das Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten und dessen Verdünnung durch das Messmedium kann es zu einer unkontrollierbaren Spannungsänderung und damit zu einer Verfälschung der Messwerte kommen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn sich die Messungen über einen längeren Zeitraum erstrecken oder öfters wiederholt werden. Um das Eindringen von Messmedium durch das Diphragma in den Bezugselektrolyten zu verhindern, werden häufig Druckmessgeber eingesetzt, um zu erreichen, dass in dem Bezugselektrolyten ein Druck aufrecht erhalten wird, der höher ist als derjenige des Messmediums. Dabei wird meist mit einem Überdruck von 0,2 bis 0,5 bar gearbeitet. Dies kann erreicht werden, indem die Messkette in eine Druckkammer eingebaut und mit Druckluft beaufschlagt wird.
Da jedoch in der Biotechnologie strenge Anforderungen an die Sterilität gestellt werden, ist es erforderlich, dass alle in einen Bioreaktor einzubauenden Messketten den Bedingungen einer Dampfsterilisation, bei der Temperaturen bis zu 135"C und Drücke bis 2 bar auftreten, standhalten. Derartige Druckmessgeber erfordern eine gewisse Wartung, wie Nachfüllen von Bezugselektrolyt, Druckbeaufschlagung und Einfetten von Dichtungen, z.B. O-Ringen. Bei falscher oder unterlassener Wartung können Fehlmessungen auftreten, da die Stabilität der Bezugselektrode nicht mehr gewährleistet ist. Um diese Nachteile zu vermeiden, sind Messketten entwickelt worden, bei denen der Bezugselektrolyt, z.B. eine 3- oder 4-molare Kaliumchloridlösung, in Form eines Gels vorliegt oder mit einem Verdickungsmittel, wie hochdisperse Kieselsäure, verdickt ist.
In diesem Falle ist das zur Aufnahme des Bezugselektrolyten bestimmte Gehäuse vollständig mit dem Gel oder der verdickten Kaliumchloridlösung ausgefüllt und weist keine Nachfüllöffnung auf. Da das Gel oder die verdickte Kaliumchloridlösung einen verhältnismässig hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, ist Glas als Behältermaterial ungeeignet. Einen gelartigen Elektrolyten enthaltende Bezugselektroden weisen deshalb mehrheitlich ein Gehäuse aus Kunststoff auf. Kunststoffe enthalten aber organische Substanzen, z.B. Weichmacher, die insbesondere bei erhöhter Temperatur in die Messlösung diffundieren können. Diese Substanzen können das Wachstum von Zellen oder Mikroorganismen negativ beeinflussen, was insbesondere bei genetisch manipulierten Organismen kritisch ist.
Die Abgabe der genannten organischen Substanzen wirkt sich insbesondere bei kleinen Bioreaktoren, wie sie aufgrund des steigenden Kostenaufwandes für die Forschung in der Biotechnologie in zunehmendem Masse zum Einsatz kommen, nachteilig aus. Aus diesem Grunde wird Glas als Material für das Gehäuse bevorzugt. Bei Bezugselektroden oder Messketten, bei denen das Gehäuse aus Glas besteht, muss im Raum der Bezugselektrode immer ein Gaspolster vorhanden sein, welches die thermische Ausdehnung des gelartigen oder verdickten Elektrolyten ermöglicht. Stehen derartige Bezugselektroden oder Messketten unter Druck, z.B. während der Sterilisation, so wird Messmedium durch das Diaphragma in den Bezugselektrolyten gepresst und verändert dessen Beschaffenheit. Dies ist aus den oben erwähnten Gründen unerwünscht.
Das Eindringen von Messmedium durch das Diaphragma kann bei derartigen Bezugselektroden oder Messketten vermieden werden, wenn diese von oben in den Bioreaktor eingeführt werden und eine in das Luftpolster einmündende Einfüllöffnung für den Bezugselek trolyten aufweisen, da in diesem Fall ein Druckausgleich zwischen dem Messmedium und dem Bezugselektrolyten gewährleistet ist. Nachteilig wirkt sich dabei die Einfüllöffnung aus, da in den Bioreaktoren meist eine turbulente Strömung, die mit der Bildung von Schaum verbunden sein kann, herrscht. Dabei tritt das Messmedium in Form von Spritzern oder Schaum durch die Einfüllöffnung in den Raum der Bezugselektrode ein und führt in gleicher Weise wie das Eindringen durch das Diaphragma zu einer Veränderung, insbesondere Verdünnung, des Bezugselektrolyten und damit zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine sterilisierbare Messkette zu schaffen, deren Abmessung den Einbau in kleine Bioreaktoren gestatten und die zuverlässige Messwerte liefert. Dabei soll die Messkette frei von den oben erwähnten Nachteilen sein, wobei insbesondere das Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten, sei es durch das Diaphragma oder durch die Einfüllöffnung für den Bezugselektrolyten, ebenso ausgeschlossen sein soll, wie das Aussondern von organischen Substanzen aus dem Gehäusematerial in das Messmedium. Darüber hinaus soll die Messkette wartungsfrei über einen längeren Zeitraum oder zu wiederholten Malen eingesetzt werden können und den Bedingungen der Dampfsterilisation ohne Beeinträchtigung der Messgenauigkeit Stand halten.
Die gestellte Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definierte sterilisierbare pH-Messkette gelöst.
Die beschriebene Messkette wird allen Anforderungen, die bei der Überwachung mikrobiologischer Prozesse gestellt werden, gerecht, d.h. ein Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten wird durch den in der Bezugselektrode herrschenden Druck vollständig unterbunden. Ausserdem ist das rohrförmige Gehäuse allseitig fest verschlossen und weist keine Einfüllöffnung auf, so dass auch auf diesem Wege ein Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrodenraum ausgeschlossen ist. Schliesslich besteht das rohrförmige Gehäuse aus Glas, so dass auch bei hohen Temperaturen eine Verunreinigung des Messmediums durch aus dem Gehäusematerial diffundierende organische Substanzen ausgeschlossen ist. Die beschriebene pH-Messkette ist wartungsfrei und liefert auch bei häufiger Sterilisation und lang dauerndem Einsatz stabile und reproduzierbare Messwerte.
Besondere Ausbildungen der pH-Messkette sind in den Ansprüchen 2 bis 8 umschrieben.
Die in Anspruch 2 beschriebene Ausbildung der Messkette ist besonders vorteilhaft für den Einsatz in kleinen Bioreaktoren. Das im Einzelfall einzustellende Verhältnis dieser Volumina kann rechnerisch ermittelt werden und richtet sich nach den Abmessungen der Messkette, der Viskosität des gelartigen Bezugselektrolyten und der Porosität des Diaphragmas.
Die Ausbildung nach Anspruch 3 ist besonders kostengünstig und hat den Vorteil, dass Druckluft überall ohne Schwierigkeiten verfügbar ist. Es sind jedoch auch andere Gase verwendbar, sofern sie sich unter den bei der Sterilisation und der Messung herrschenden Bedingungen gegenüber dem Bezugselektrolyten inert verhalten.
Durch die Ausbildung gemäss Anspruch 4 wird gewährleistet, dass ein Eindringen von Messmedium durch das Diaphragma in den Bezugselektrolyten vollständig unterbunden wird, da der Druck des Messmediums im allgemeinen 0,5 bar nicht übersteigt.
Die Ausbildung nach Anspruch 5 stellt eine besonders einfache Lösung dar und erlaubt einen einfachen und dauerhaften Verschluss nach erfolgter Gaszuführung, da die Platinkapillare durch einfaches Abquetschen mit einer Zange gas dicht verschlossen werden kann. Überdies ist diese Kombination der Materialien Glas und Platin von Vorteil, da ein Einschmelzen der Platinkapillare in die Wandung des aus Glas bestehenden rohrförmigen Gehäuses gemäss Anspruch 6 ohne Schwierigkeiten durchzuführen ist und eine gasdichte Verbindung ergibt.
Die Ausbildung nach Anspruch 7 erlaubt einen risikolosen Transport der pH-Messkette ohne besondere Vorsichtsmassnahmen, da das Schaumstoffkissen ein Eindringen des Bezugselektrolyten in den das Gas enthaltenden Hohlraum unterbindet.
Die Ausbildung nach Anspruch 8 ermöglicht eine mehrmalige Dampfsterilisation der pH-Messkette, da die dabei zur Anwendung gelangenden Temperaturen keine Denaturierung des Bezugselektrolyten und insbesondere des Verdickungsmittels bewirken können. Die Wahl des im Einzelfall einzusetzenden Verdickungsmittels richtet sich insbesondere nach der Zusammensetzung des Elektrolyten und der geforderten Viskosität. -Da im allgemeinen als Bezugselektrolyt 3- bis 4-molare Kaliumchloridlösungen eingesetzt werden, eignen sich als Verdickungsmittel Acrylamide, Methacrylamide, Kieselsäure, hydroxylierte Cellulosen und Polysaccharide.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur beschrieben. Diese zeigt eine als Einstabmesskette ausgebildete pH-Messkette im Längsschnitt.
Die Figur zeigt eine sterilisierbare pH-Messkette 2 mit einem rohrförmigen Gehäuse 4 aus Glas, z.B. Jenaer Geräteglas. Das rohrförmige Gehäuse 4 weist zwei konzentrisch angeordnete Kammern auf, wobei eine innere Kammer 6 von einer konzentrisch angeordneten äusseren ringförmigen Kammer 8 umgeben ist. Die innere Kammer 6, die im oberen Bereich durch die Abschmelzung 10 verschlossen ist und im unteren, über die ringförmige Kammer 8 hinausragenden, Bereich eine Membran 12 aus ionenselektivem Glas aufweist, bildet die eigentliche Messelektrode und ist mit einem Ableitelement 14 für die Messelektrode ausgestattet. Das Ableitelement 14 ist mit einer durch die Abschmelzung 10 nach aussen führenden Leitung 16 verbunden.
Die ringförmige Kammer 8 bildet die eigentliche Bezugselektrode aus Bezugselektrolyt 18 und Ableitelement 20, wobei letzteres mit einer nach aussen führenden Leitung 22 verbunden ist. Im unteren Abschnitt 24 des rohrförmigen Gehäuses 4 befindet sich ein Diaphragma 26, in der Regel ein Keramikstift, über das der in der Kammer 8 befindliche Bezugselektrolyt 18 mit einem Messmedium 28, in das die Messkette 2 mindestens teilweise eintaucht, in Berührung gebracht werden kann. Im oberen Abschnitt 30 des Gehäuses 4 findet sich in der ringförmigen Kammer 8 ein Hohlraum 32 zur Aufnahme eines unter Druck stehenden Gases, z.B. Druckluft. In den Hohlraum 32 mündet eine Zuführung 34 für das Gas ein. Die Zuführung 34 ist vorteilhafterweise eine Platinkapillare mit einem Aussendurchmesser von 0,3 bis 0,5 mm.
Diese Platinkapillare ist durch Einschmelzen in die Wandung des Gehäuses 4 an der Schmelzstelle 36, gasdicht befestigt. Nach erfolgter Druckbeaufschlagung, d.h. dem Zuführen des unter Druck stehenden Gases, kann die als Zuführung dienende Platinkapillare durch einfaches Abquetschen mit einer Zange an der Quetschstelle 38 gasdicht verschlossen werden. In der ringförmigen Kammer 8 befindet sich zwischen dem Bezugselektrolyten 18 und dem Hohlraum 32 ein Schaumstoffkissen 40, das den Bezugselektrolyten 18 abdeckt und an die Wandungen der Kammer 8 anliegt, wodurch ein Ausfliessen des Bezugselektrolyten beim Transport der pH-Messkette 2 vermieden werden kann.
Zur Überprüfung der Druckstabilität wurde eine pH-Messkette einem Langzeitversuch, der sich über 18 Monate erstreckte, unterworfen. Dazu wurde eine sterilisierbare pH-Messkette 2 mit einem Aussendurchmesser von 12 mm und einer Länge von 120 mm verwendet. Als Bezugselektrolyt 18 wurde eine 3- bis 4-molare Kaliumchloridlösung verwendet, die als Verdickungsmittel ein Acrylamid enthielt und eine Viskosität von annähernd 10 Pascalsekunden aufwies. Anstelle des Acrylamids können auch andere Verdickungsmittel wie Methacrylamide, Kieselsäure, hydroxylierte Cellulosen und Polysaccharide verwendet werden. Bei der Auswahl der Verdickungsmittel ist allein darauf zu achten, dass sie mit dem Salz der Elektrolytlösung verträglich und bei den bei der Sterilisation auftretenden Temperaturen von bis zu 135 "C beständig sind.
Das Volumen des gelierten Bezugselektrolyten 18 betrug 4,6 ml. Der in der Kammer 8 befindliche Bezugselektrolyt 18 wurde mit einem Schaumstoffkissen 40 mit einer Dicke von annährend 2 mm abgedeckt. Durch das Schaumstoffkissen 40 sollte ein Eindringen des Bezugselektrolyten 18 in den Hohlraum 32 in der Kammer 8 beim Transport der Messkette vermieden werden. In den Hohlraum 32, dessen Volumen annährend 3,3 ml betrug, wurde über die in die Wandung des Gehäuses 4 eingeschmolzene Platinkapillare 34, mit einem Aussendurchmesser von 0,3 mm, Druckluft eingeführt, bis der Innendruck im Hohlraum 32 maximal 4 bar betrug. Dann wurde die Platinkapillare an der Quetschstelle 38 mit einer Zange abgequetscht und so gasdicht verschlossen.
Da stets ein kleiner aber von Null verschiedener Durchfluss des gelartigen Bezugselektrolyten 18 durch das Diaphragma 26 in das Messmedium 28 stattfindet, wurde als Diaphragma 26 ein Keramikstift mit einer mittleren Porengrösse von 1 um verwendet. Für die Wahl des Diaphragmas wurde die bekannte Abhängigkeit der Durchflussmenge des Bezugselektrolyten von seiner Viskosität und den geometrischen Parametern des Dia phragmas als Parameter verwendet, wobei vorgegeben wurde, dass der Durchfluss des gelartigen Bezugselektrolyten 18 durch das Diaphragma 0,2 ml pro Monat bei einem Überdruck von 1 bar in der Kammer 8 beträgt.
Auf diese Weise ist es im Einzelfall möglich die Parameter der Messkette, wie Abmessungen des Gehäuses, Viskosität des Bezugselektrolyten, Porosität des Diaphragmas, Volumenverhältnis von Bezugselektrolyt zu Gas rechnerisch zu ermitteln und auf den jeweiligen Verwendungszweck abzustimmen. Dabei gilt die Regel, dass für kleinere Messketten, wie sie für den Einsatz in sehr kleinen Bioreaktoren erforderlich sind, weniger poröse Diaphragma oder höherviskose Bezugselektrolyten einzusetzen sind.
Bei dem beschriebenen Langzeitversuch zeigte sich, dass die Messkette 2 auch nach mehrmaliger Sterilisation einen Innendruck in der Kammer 8 von mindestens 0,5 bar aufwies. Dadurch wurde das Eindringen von Messmedium in den Bezugselektrolyten 18 und damit seine Veränderung vollständig unterbunden. Dies zeigte sich im besonderen durch die Lieferung sta biler und reproduzierbarer Spannungswerte.
Bezugszeichenliste
2 pH-Messkette
4 Gehäuse
6 innere Kammer
8 ringförmige Kammer 10 Abschmelzung 12 Membran 14 Ableitelement für Messelektrode 16 Leitung 18 Bezugselektrolyt 20 Ableitelement für Bezugselektrode 22 Leitung 24 unterer Abschnitt 26 Diaphragma 28 Messmedium 30 oberer Abschnitt 32 Hohlraum 34 Zuführung 36 Schmelzstelle 38 Quetschstelle 40 Schaumstoffkissen