CN111344388A - 用于具有基本上液态的容器内容物的容器的浓度-测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于具有工艺接头(2)的容器(1)的测量装置(6)，用来确定在基本上液态的容器内容物(5)中的内容物质的浓度，带有浓度传感器(9)，其中，所述测量装置(6)包括过滤器(7)、采样管线(8)和泵(10)，其中，所述过滤器(7)设置在所述容器(1)中，而所述浓度传感器(9)设置在所述容器(1)外部，并且所述采样管线(8)从所述过滤器(7)起穿过所述工艺接头(2)伸展至所述浓度传感器(9)，其中，所述浓度传感器(9)与所述泵(10)连接，并且所述泵(10)把所述容器内容物(5)从所述容器(1)经由所述过滤器(7)沿着所述采样管线(8)输送至所述浓度传感器(9)，其中，所述采样管线(8)具有至少一个布置在所述过滤器(7)与所述工艺接头(2)之间的弯曲部(12)。
Description
技术领域
用于具有工艺接头的容器的测量装置，带有浓度传感器，用来确定在基本上液态的容器内容物中的内容物质的浓度。
本发明还涉及一种用于确定在容器的基本上液态的容器内容物中的内容物质的浓度的测量方法。
背景技术
用来容纳基本上液态的容器内容物的带有工艺接头的容器应用在很多工业领域中，比如食品工业或生物制药工业。通常，在该容器中发生生物过程，其中，在这种情况下把这种容器称为生物反应器。在生物反应器中要提供尽量最佳的生长条件，并且使得在其中培养的微生物以及植物的、动物的、昆虫的或人类的细胞形成产品。这些条件包括最佳的温度、pH环境、渗透性、养分供应(底物和氧气)、代谢物和CO2的排放和局部热源以及由于密度差异过大(例如沉淀)而导致的分层趋势低。这些均质条件是在生物反应器中通过适当的容器几何形状、其中含有的构件和带有用于混合容器内容物的搅拌机构的搅拌器以及最佳工艺参数例如搅拌器转速、最佳供气速率以及最佳气体排放和养分添加来实现的。用于描述生物反应器的性能和均匀性或混合质量的最重要的参数之一是气态/液态的物质转变，因为特别是在好氧的过程中，氧气大多是微生物生长的限制底物。在其他工业领域中在具有基本上液态的容器内容物的容器内，容器内容物的不同内容物质的浓度也是令人关注的。
氧气是生物过程中最重要的底物之一。此外，为了表征在生物反应器中发生的过程，借助于各种不同的计算方法，使用计算机确定从气相到液相的物质转变。这些考虑了搅拌器的搅拌活动和由此产生的容器内容物湍流、容器几何形状和与此相关的气泡尺寸以及气泡的上升高度、生物反应器中的气体进入和介质系统。
根据现有技术，用于确定生物反应器的容器内容物的内容物质浓度的测量是通过在生物反应器中的局部测量进行的。不同的在市面上可用的测量系统例如能够确定在容器内容物的液相中溶解的氧气含量。同样已知一些通过确定气体进入和气体排出来进行气体平衡的测量系统。
在大体积的生物反应器中，尤其存在容器内容物不均匀的问题。微生物通常对温度以及养分浓度、氧气浓度和代谢物浓度的小幅波动反应非常敏感。大型生物反应器中的这些不均匀性、浓度梯度、温度梯度和氧气梯度尤其通过供气单元、物质添加部的几何形状、工艺参数和通过搅拌器的搅拌过程而产生。通过各个条件的配合，在生物反应器中，大多在上部区域和地面附近，产生养分供应过量区和氧气含量显著减少区。特别是厌氧区不仅降低了生产率，而且还促进了不可逆地产生并非所愿的副产物。
根据现有技术的测量装置通过在焊接到容器中的接管上的标准传感器来确定容器中的内容物质的浓度。DE 11 2004 002 636 T5例如公开了一种生物反应器，其带有设置在容器壁上的氧气传感器。根据现有技术的这种测量装置具有如下缺点：它们并未提供以令人满意的精度产生关于容器内容物中的氧气分布的信息的可行性。尤其不利的是，市面上的用来确定气体含量和气体转变的全部测量方法都具有如下共同之处：在生物反应器或容器的内腔中的测量始终都是点式取样，其位置必须在规划工艺以及设计容器时就已经准确地确定。相反，借助输入值和输出值进行的测量仅仅得到关于容器总容积的平均的图像，而不允许推断出分布情况及由此导致的不均匀性。
市面上的测量装置包括具有不同响应时间的浓度传感器。响应时间较长的浓度传感器通常在上面的测量区域中提供更精确的值，接近最大饱和度，其中，响应时间较短的浓度传感器大多在较小浓度值的测量区域中更准确地工作。然而，市面上的用来确定容器内容物质浓度的全部测量装置都具有如下缺点：流过浓度传感器的气泡非常严重地影响相应的测量值，并且导致测量值的明显波动。由此需要采用反应时间较长(乃至一分钟)的浓度传感器，以便减缓这种效应。但由于浓度传感器的惯性使当前的测量值被平均，由此朝向较大浓度值的方向产生测量值偏移。此外，气泡透过浓度传感器的薄膜扩散到浓度传感器的测量腔中，这比从液相扩散快得多。另外，大多数测量装置对测量值进行数学上的求平均，以便进一步减弱这种测量值波动。可是，流过浓度传感器的气泡却显著地影响被求平均的测量值。
发明内容
本发明的目的是，提出一种用于确定在基本上液态的容器内容物中的内容物质的浓度的测量装置，其避免了现有技术的缺点。
根据本发明，该目的的实现方式为，测量装置包括过滤器、采样管线和泵，其中，过滤器设置在容器中，而浓度传感器设置在容器外部，并且采样管线从过滤器起穿过工艺接头伸展至浓度传感器，其中，浓度传感器与泵连接，并且泵把容器内容物从容器经由过滤器沿着采样管线输送至浓度传感器，其中，采样管线具有至少一个布置在过滤器与工艺接头之间的弯曲部。
根据本发明的测量装置可集成到带有工艺接头和搅拌器的容器中。
本发明的当前目的还通过一种用于利用根据本发明的测量装置来确定在容器的基本上液态的容器内容物中的内容物质的浓度的测量方法得以实现，其特征在于如下步骤：
a)利用泵把容器内容物从容器经由过滤器沿着采样管线输送至浓度传感器；
b)利用浓度传感器来确定在待输送至浓度传感器的容器内容物中的内容物质的浓度。
根据本发明的用于具有工艺接头的容器的测量装置，用来确定基本上液态的容器内容物的氧气含量，包括浓度传感器、过滤器、采样管线和泵。过滤器设置在容器中，而浓度传感器设置在容器外部。采样管线从过滤器起穿过容器的工艺接头伸展至浓度传感器。浓度传感器与泵连接。泵把容器内容物从容器经由过滤器沿着采样管线输送至浓度传感器。接下来，浓度传感器确定待输送至浓度传感器的容器内容物的氧气含量。为了确定容器内容物的氧气含量，根据本发明的测量装置借助采样管线从容器中获取少量容器内容物。在这种情况下，容器内容物被泵抽吸经过过滤器，其中，气态的氧气以气泡的形式在过滤器上离析出来。由此实现了如下优点：气泡对测量过程没有影响，并且不会影响测量结果。特别有利的是，由此无需对测量值进行数学上的求平均，如果这些测量值在具体的应用情况下在现有技术中已被考虑用于波动的测量值的平滑。此外由此实现了如下优点：可以采用各种不同的浓度传感器，这些浓度传感器例如由于其机械承载性小而不适合于应用在容器内部，或者在容器内容物中存在气泡时会产生较大的测量误差。这能实现使用反应时间小于一秒钟的浓度传感器，由此可以有利地提供氧气含量测量的高的时间精度。根据本发明的测量装置的另一优点在于，无论新的还是已有的容器或生物反应器，都配备有无菌地工作的可清洁的且可消毒的根据本发明的测量装置。
附图说明
根据本发明的装置和根据本发明的方法的有利设计以及替代的设计变型将在下面借助附图予以详述。
图1以示意性的横剖视图示出具有根据本发明的测量装置的容器；
图2示出图1的根据本发明的测量装置，其被容器的工艺接头穿过。
具体实施方式
图1以示意图示出具有工艺接头2和搅拌器3的容器1，该搅拌器布置在容器1的内腔4中。在容器3的内腔4中容纳着基本上液态的容器内容物5。搅拌器3在容器1外部被驱动，并且进行旋转运动，由此引起容器内容物5的混合。容器1还具有测量装置6，用于确定容器内容物5的内容物质的浓度。测量装置6包括图2中所示的过滤器7、采样管线8、浓度传感器9以及泵10。过滤器7设置在容器1的内腔4中，而浓度传感器9设置在容器1外部。采样管线8从过滤器7，经过容器1的工艺接头2伸展至浓度传感器9。采样管线8穿过工艺接头2，并且在该工艺接头中穿过容器1的壁11。采样管线8在工艺接头2中通过夹紧拧紧而密封。浓度传感器9与泵10连接，其中，泵10在测量过程中把容器内容物5从容器1的内腔4经由过滤器7和采样管线8输送至浓度传感器9。浓度传感器9确定出容器内容物5的内容物质的浓度。以位于容器内容物5中的气泡的形式在气态状态下存在的内容物质比如氧气或CO2，在容器1的内腔4中在过滤器7上离析出来。由此实现了如下优点：没有气态的内容物质经由采样管线8到达容器1外部的浓度传感器9。特别有利的是，由此相比于根据现有技术的测量装置实现了更高的测量精度。另一优点在于，由此可以实现在根据本发明的测量装置6中采用具有例如一秒钟以下的短暂响应时间的浓度传感器9，从而利用根据本发明的测量装置6可检测出微小的浓度差异和浓度变化。此外，根据本发明的测量装置6不需要对测量值进行数学上的平滑处理。根据测量装置6的优选的实施方式，泵10设计成夹管泵。由此实现了如下优点：容器内容物5在采样管线8中连续地且基本上无压力波动地被输送至浓度传感器9。
图2在一种优选的实施方式中以剖视图示出图1中所示的测量装置6，其带有过滤器7、采样管线8和浓度传感器9。泵10在图2中未示出。此外示出了容器1的工艺接头2以及容器1的壁11的一个区段，该容器带有穿过工艺接头的采样管线8。采样管线8具有两个布置在过滤器7与工艺接头2之间的弯曲部12。在测量装置6的一种替代的设计变型中，采样管线8具有至少一个弯曲部12。通过弯曲部12实现了如下优点：采样管线8可适配于容器1的内腔4的几何形状和适配于图1中示范性地示出的搅拌器3的几何形状。特别有利的是，由此可以在使用标准工艺接头2的情况下，在容器1的内腔4中针对图2中未示出的容器内容物5实现不同的采样位置。另一优点在于，与现有技术的测量装置相反，只借助一个浓度传感器9就能在容器1的内腔4中在不同的可自由选择的测量位置确定容器内容物中的内容物质的浓度。
根据测量装置6的优选的实施方式，采样管线8可转动地安置在工艺接头2中。由此实现了如下优点：可以与弯曲的采样管线8相组合地实现多个不同的采样位置。特别有利的是，由此通过采样管线8的转动例如可以利用根据本发明的测量装置6沿着容器1的高度检测容器内容物中的浓度曲线。此外根据测量装置6的优选实施方式，采样管线8可移动地安置在工艺接头2中。由此实现了如下优点：同样可以沿容器1的径向方向或者在容器高度上改变采样位置。由此产生了用来调节浓度曲线的其它可行性。通过相应地调整采样管线8的一个弯曲部12或多个弯曲部12，避免了采样管线8与容器内腔4中的搅拌器3碰撞。由此实现了如下优点：即使在一个或多个搅拌器3的工作期间也能利用根据本发明的测量装置6进行测量。
根据本发明的测量装置6的优选实施方式，浓度传感器9是流量传感器。由此实现了如下优点：可以提供连续的浓度测量，并且在由各个测量点产生容器内容物5的内容物质的浓度曲线时避免数学上的插值计算。浓度传感器9优选具有一秒钟以下的反应时间。由此实现了如下优点：也可靠地探测出微小的浓度波动。流量传感器使得容器内容物5处于湍流流动中。湍流流动例如利用在流量传感器的流动路径上的一系列凸起来产生。对于本领域技术人员来说，由该示范性的参考文献得到用于产生湍流流动的其它可行方案。由此实现了如下优点：避免了流量传感器中溶解在容器内容物5内的气态内容物质从液相分离成气相。此外根据优选的实施方式，测量装置6具有附图中未示出的反馈管线。该反馈管线与泵10和容器1连接。内置反馈管线具有如下优点：从容器1得到的容器内容物5又反馈到容器1中。特别有利的是，利用根据本发明的测量装置6进行的浓度测量因而不会导致容器内容物5的减损。
根据本发明的测量装置6的优选的设计变型，过滤器7是编织滤网。过滤器7尤其是金属的编织滤网。由此实现了如下优点：过滤器7的表面相对于液体具有较小的流动阻力，且同时对于气泡来说不可透过。金属的编织滤网优选由特种钢材料构成，该特种钢材料具有与容器1的材料品质相对应的材料品质。此外，编织滤网可清洁、可消毒或者可压煮。
根据本发明的测量装置6的一种设计变型，浓度传感器9是气体含量传感器，比如氧气含量传感器或CO2-含量传感器，或者是pH-值传感器。由此实现了如下优点：可利用根据本发明的装置来检测容器内容物的不同的参数。
根据本发明的测量装置6可直接集成到如参照图1所述的容器1中，该容器具有工艺接头2和搅拌器3。工艺接头2优选是TC接头或Ingold接头。对于本领域技术人员来说，由该示范性的参考文献得到其它的工艺接头2。由此实现了如下优点：根据本发明的测量装置6可集成在具有在市面上常见的工艺接头2的容器1中。
采用根据本发明的测量装置6，实施用于确定在配备有根据本发明的测量装置6的容器1的基本上液态的容器内容物5中的内容物质的浓度的方法。为了确定浓度，在第一方法步骤中借助泵10把容器内容物5从容器1经过过滤器7沿着采样管线8输送至浓度传感器9。接下来，借助浓度传感器9确定在待输送至浓度传感器9的容器内容物5中的内容物质的浓度。由此实现了如下优点：可能位于容器内容物5中的气泡在过滤器7上离析出来，而不会被输送至浓度传感器9。
根据本发明的方法的优选的实施方式，在把容器内容物5从容器1经过过滤器7沿着采样管线8输送至浓度传感器9期间，采样管线8在工艺接头2中转动和/或移动。由此实现了如下优点：沿着容器1的不同的高度层和/或在容器中心的方向上产生容器内容物5中的内容物质的浓度曲线。
用于确定在基本上液态的容器内容物5中的内容物质的浓度的根据本发明的装置和根据本发明的方法同样适合于确定容器内容物5的其它的物理的和/或化学的参数。在这种情况下，使用对于待确定的参数灵敏的传感器来代替浓度传感器9。
特别有利的是，采样管线8的几何形状和可移动性及可转动性经过设计，从而可靠地防止与转动的搅拌器3碰撞。进行测量的人员因此不必担心损坏过滤器7或搅拌器3，如果在搅拌器3将液态容器内容物5混合期间要测量氧气含量。
可以提及，液态的容器内容物可以从稀薄到粘性和糊状地设计。
Claims (16)
1.一种用于具有工艺接头(2)的容器(1)的测量装置(6)，用来确定在基本上液态的容器内容物(5)中的内容物质的浓度，带有浓度传感器(9)，其特征在于，所述测量装置(6)包括过滤器(7)、采样管线(8)和泵(10)，其中，所述过滤器(7)设置在所述容器(1)中，而所述浓度传感器(9)设置在所述容器(1)外部，并且所述采样管线(8)从所述过滤器(7)起穿过所述工艺接头(2)伸展至所述浓度传感器(9)，其中，所述浓度传感器(9)与所述泵(10)连接，并且所述泵(10)把所述容器内容物(5)从所述容器(1)经由所述过滤器(7)沿着所述采样管线(8)输送至所述浓度传感器(9)，其中，所述采样管线(8)具有至少一个布置在所述过滤器(7)与所述工艺接头(2)之间的弯曲部(12)。
2.如权利要求1所述的测量装置(6)，其特征在于，所述采样管线(8)可转动地安置在所述工艺接头(2)中。
3.如权利要求1～2中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述采样管线(8)可移动地安置在所述工艺接头(2)中。
4.如权利要求1～3中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述浓度传感器(9)是流量传感器。
5.如权利要求4所述的测量装置(6)，其特征在于，所述流量传感器被设计用于使得所述容器内容物(5)处于湍流流动中。
6.如权利要求1～5中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述泵(10)是夹管泵。
7.如权利要求1～6中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述测量装置(6)具有反馈管线，其中，所述反馈管线与所述泵(10)和所述容器(1)连接。
8.如权利要求1～7中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述过滤器(7)是编织滤网。
9.如权利要求8所述的测量装置(6)，其特征在于，所述编织滤网是金属的编织滤网。
10.如权利要求1～9中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述浓度传感器(9)具有一秒钟以下的反应时间。
11.如权利要求1～10中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述浓度传感器(9)是气体含量传感器或pH-值传感器。
12.如权利要求1～10中任一项所述的测量装置(6)，其特征在于，所述浓度传感器(9)是氧气含量传感器或CO2-含量传感器。
13.一种容器(1)，带有根据权利要求1～10中任一项所述的测量装置(6)，其中，所述容器(1)具有工艺接头(2)和搅拌器(3)。
14.如权利要求13所述的容器(1)，其特征在于，所述工艺接头(2)是TC-接头或Ingold-接头。
15.一种用于利用根据权利要求1～12中任一项所述的测量装置(6)来确定在容器(1)的基本上液态的容器内容物(5)中的内容物质的浓度的测量方法，其特征在于如下步骤：
a)利用泵(10)把容器内容物(5)从所述容器(1)经由过滤器(7)沿着采样管线(8)输送至浓度传感器(9)；
b)利用所述浓度传感器(9)来确定在待输送至所述浓度传感器(9)的容器内容物(5)中的内容物质的浓度。
16.如权利要求15所述的测量方法，其特征在于如下步骤：
c)在步骤a)期间使得所述采样管线(8)在工艺接头(2)中转动；和/或，
d)在步骤a)期间使得所述采样管线(8)在工艺接头(2)中移动。
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