DE102009007060A1

DE102009007060A1 - Statistisches Verfahren zur resistiven Bestimmung der Partikeldichte und Partikelgröße in Flüssigkeiten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102009007060A1
Application number: DE200910007060
Authority: DE
Inventors: Norman Werner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-08-12
Anticipated expiration: 2029-02-03
Also published as: DE102009007060B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelkonzentration, insbesondere einer Zellkonzentration, von elektrisch isolierenden Partikeln (P), insbesondere Zellen, in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die mit den Partikeln eine Suspension bildet, umfassend: ein Messvolumen (M), das zumindest einen Teil der Supsension (S) enthält oder in das zumindest ein Teil der Suspension einbringbar ist sowie eine zur Durchführung einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit im Messvolumen ausgebildete Leitfähigkeitsmesseinrichtung (1, 2, 3), gekennzeichnet durch eine mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung (1, 2, 3) verbundene oder integriert mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung ausgebildete Auswertevorrichtung (4), mit der aus einer Vielzahl V von mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung bestimmten Leitfähigkeitsmesswerten eine Häufigkeitsverteilung ermittelbar ist und aus der Häufigkeitsverteilung die Partikelkonzentration Cder Partikel in der Suspension berechenbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur resistiven Bestimmung der Partikeldichte und der Partikelgröße, insbesondere der Zelldichte und Zellgröße, in Flüssigkeiten und auf eine Vorrichtung, mit der selbiges Verfahren durchführbar ist.
Die Bestimmung von Volumenanteilen und somit der Konzentration von partikularen Stoffen, insbesondere auch von lebenden Zellen in einer Flüssigkeit spielt in vielen Anwendungsbereichen eine Rolle. Beispiele sind die Bestimmung von Algenbelastungen in Gewässern, die Bestimmung von Farbpartikelkonzentrationen in Farben, insbesondere Wandfarben oder die Bestimmung von Zellkonzentrationen in Bioreaktoren oder Fermentern. Bei letzterem Beispiel ist insbesondere die Stoffumwandlung in solchen Reaktoren von der An zahl lebender Zellen abhängig, so dass es von besonderem Interesse ist, die Zellkonzentration in den entsprechenden Suspensionen zu messen. Neben den bereits genannten sind weitere Anwendungsgebiete der Erfindung die Bestimmung des Zelluloseanteils des Pulps während der Papierherstellung sowie die Bestimmung von auftretenden Partikelkonzentrationen in Suspensionen, die in Brauereien während der Bierherstellung auftreten. Auch im Bereich von Klärwerken lässt sich die vorliegende Erfindung einsetzen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Bestimmung der Partikelkonzentration, insbesondere auch der Zellkonzentration in Suspensionen bekannt. So vermindern vorhandene Zellen in einer Suspension die Transparenz der Suspension für elektromagnetische Strahlung in Form von Licht. Diese Transparenzverminderung kann gemessen werden und anschließend auf eine Referenzmessung kalibriert werden. Diese Methode ist die am häufigsten genutzte Methode zur Bestimmung von Zellkonzentrationen.
Desweiteren sind aus dem Stand der Technik elektrische Leitfähigkeitsmessungen von Medien bekannt, um die Konzentration gelöster Ionen zu bestimmen. Diese Verfahren können, wie die GB 2 355 072 zeigt, auch mit optischen Dichtemessungen kombiniert werden.
Weitere bekannte Verfahren sind die Impedanzspektroskopie, die darauf beruht, dass Zellsuspensionen unterschiedliche Impedanzen bzw. Wechselstromwiderstände bei unterschiedlichen Messfrequenzen zeigen: Bei geringen Frequenzen wirken die Zellen als Isolatoren, bei sehr hohen Frequenzen bewirken sie einen Kurzschluss. Aus dem entsprechenden Spektrum kann nach erfolgter Kalibrierung die Zelldichte berechnet wer den.
Sogenannte Coulter Counter beruhen ebenfalls auf dem hohen elektrischen Widerstand der Zellen (siehe z. B. US 2,656,508 ) und dienen zur Vermessung der Partikelgröße und der Partikelanzahl. Weitere Verfahren beruhen auf der Erfassung der Lichtstreuung durch die Partikel, auf der Bestimmung der Trockenmasse von Zellen (die flüssige Probe wird gewaschen, getrocknet und gewogen) oder basieren auf Ultraschallmessungen in Form einer Erfassung der Absorption und/oder der Streuung von Ultraschallwellen.
Die meisten Verfahren nach dem Stand der Technik sind sehr aufwendig (insbesondere sehr aufwendige Geräte) und daher entsprechend teuer. Dies gilt insbesondere für die Partikelzähler und für die Impedanzspektroskopie. Manche der Geräte, beispielsweise die Geräte zur Messung der Änderung der optischen Dichte oder die Partikelzähler, lassen sich nicht bei hohen Zelldichten einsetzen und erfordern dementsprechend ggf. eine Verdünnung der Probe. Bei vielen Verfahren führen Änderungen in Temperatur oder Zusammensetzung des Mediums zu schwer handhabbaren Messfehlern. Oft sind auch Filter oder ähnliche Verschleißteile notwendig, die mechanisch oder chemisch zerstört werden können (so können beispielsweise Filterporen mit der Zeit verstopfen, so dass ein entsprechender Austausch notwendig ist). Die Applikation solcher Verschleißteile, insbesondere von Filtern, in konkreten Anwendungen ist oftmals sehr aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, in Weiterbildung des Standes der Technik, eine Vorrichtung (und ein entsprechendes Verfahren) zur Bestimmung von Partikelkonzentrationen, insbesondere von Zellkonzentrationen, in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten, die mit den Partikeln eine Suspension bilden, zur Verfügung zu stellen, mit der auf zuverlässige Art und Weise mit einem einfachen und robusten Messprinzip die Konzentration von Partikeln in der Suspension bestimmbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie durch das entsprechende Verfahren nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens lassen sich den jeweiligen abhängigen Ansprüchen entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen sind in Anspruch 17 beschrieben.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung zunächst allgemein und dann in Form von speziellen Ausführungsbeispielen beschrieben. Die bei dieser Beschreibung gezeigten speziellen Kombinationen von Merkmalen der vorliegenden Erfindung müssen nicht in dieser Form verwirklicht sein, sondern können im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Grenzen auch in anderen Merkmalskombinationen realisiert sein oder verwendet werden.
Nachfolgend wird unter einer Partikelkonzentration (alternativ auch als Partikeldichte, im Fall von Zellen als Partikeln als Zellkonzentration oder Zelldichte bezeichnet) das Verhältnis des Volumens der in einem Gesamtvolumen enthaltenen Partikel zu diesem Gesamtvolumen verstanden. Ebenso kann jedoch anstelle des Volumenverhältnisses mit der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Massenverhältnis bestimmt werden.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung basiert auf einer resistiven Zellmessung: Zellen wirken aufgrund der isolierenden Zellmembran bzw. Zellwand als elektrische Isolatoren. Je höher ihr Anteil in einer Suspension (also in einer Flüssigkeit, in der die Zellen verteilt sind) ist, desto geringer ist deshalb deren elektrische Leitfähigkeit. Andere Faktoren, welche die elektrische Leitfähigkeit einer Suspension beeinflussen, sind die Temperatur und die Zusammensetzung (Innenkonzentration) der Flüssigkeit.
Bei gleichzeitiger Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit der zu vermessenden Zellsuspension (nachfolgend als κ bezeichnet) und des gefilterten, zellfreien Mediums (nachfolgend als κ_ref bezeichnet) lässt sich die Zellkonzentration c_p entsprechend der folgenden Gleichung berechnen:
Typischerweise wird ein Leitwert G bestimmt, der durch eine Geometriekonstante C die Leitfähigkeit κ liefert: κ = G/C. Die Bestimmung der beiden elektrischen Leitfähigkeiten κ und κ_ref geschieht hierbei typischerweise mittels zweier Paare von Elektroden, bei denen ein Elektrodenpaar von einem Filter umgeben ist, so dass die elektrische Leitfähigkeit des gefilterten, zellfreien Mediums bestimmt werden kann. Der grundlegende Aufbau eines solchen resistiven Verfahrens ist dabei dem Fachmann bekannt: Zwischen den Elektroden eines Elektrodenpaares befindet sich das elektrisch leitfähige Medium (die Zellsuspension) beim einen Elektrodenpaar und die gefilterte, zellfreie Flüssigkeit beim anderen Elektrodenpaar, bei einer an ein Elektrodenpaar angelegten Spannung U fließt ein Strom I, der gemessen wird und aus dem sich der Leitwert durch G = I/U berechnen lässt. Der Leitwert G ist dabei umso geringer, je mehr Zellen sich in dem Messvolumen (Raum zwischen den beiden Elektroden eines Elektrodenpaares) befinden, vgl. dazu die obigen Gleichungen.
Grundlegende Idee ist nun die erfindungsgemäße Weiterbildung einer solchen resistiven Partikelkonzentrationsmessvorrichtung dahingehend, dass eine zur Durchführung einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit im Messvolumen ausgebildete Leitfähigkeitsmesseinrichtung vorgesehen ist, mit der dann eine Auswertevorrichtung verbunden ist, wobei mit der Auswertevorrichtung aus einer Vielzahl von mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung bestimmten Leitfähigkeitsmesswerten durch statistische Auswertung eine Häufigkeitsverteilung ermittelt wird. Aus der Häufigkeitsverteilung wird dann die Partikelkonzentration der Partikel in der Suspension berechnet.
Bei der Leitfähigkeitsmesseinrichtung kann es sich insbesondere um eine Strommessvorrichtung handeln.
So kann in einer vorteilhaften Ausführungsform eine statistische Auswertung einer Vielzahl von Strommesswerten I_i (mit i = 1, ... n) vorgenommen werden, indem aus der Vielzahl von Strommesswerten eine Häufigkeitsverteilung ermittelt wird, ein Mittelwert und ein Maximalwert dieser Häufigkeitsverteilung bestimmt werden und auf Basis dieses Mittelwerts und dieses Maximalwertes die Partikelkonzentration bzw. Zellkonzentration in der Suspension berechnet wird. Unter einem Mittelwert der Häufigkeitsverteilung wird dabei das arithmetische Mittel all derjenigen Strommesswerte, die in die Häufigkeitsverteilung eingehen, verstanden (alternativ dazu könnte aber ebenso auch das geometrische Mittel der einzelnen Werte bestimmt werden). Unter einem Maximalwert der Häufigkeitsvertei lung wird im einfachsten Fall der größte Einzelwert der Vielzahl von Strommesswerte verstanden. Alternativ dazu kann der Maximalwert der Häufigkeitsverteilung jedoch auch dadurch bestimmt werden, dass die m größten Werte (m << n) der Häufigkeitsverteilung Bemittelt werden (arithmetisches Mittel). Schließlich wird unter der vollen Breite der Häufigkeitsverteilung bei halbem Maximalwert der Häufigkeitsverteilung die Breite der Häufigkeitsverteilung bei 50% der Häufigkeit des am häufigsten gemessenen Strommesswerts, der in die Häufigkeitsverteilung eingeht, verstanden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelkonzentration bzw. Zellkonzentration umfasst daher zwei voneinander beabstandete Elektroden, zwischen denen ein Messvolumen ausgebildet ist, das die entsprechende Suspension enthält. Alternativ dazu kann die Suspension auch durch das Messvolumen hindurchgeleitet werden (Durchflussvorrichtung). Die beiden Elektroden sind vorteilhafterweise als flächenhafte Elektroden ausgestaltet. Eine elektrische Spannungsquelle ist mit den beiden Elektroden verbunden, so dass durch sie eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden erzeugt werden kann. Der aus Spannungsquelle, Elektroden und dem suspensionsgefüllten Messvolumen ausgebildete Stromkreis weist desweiteren eine Strommessvorrichtung zur Bestimmung des in dem Stromkreis fließenden Stromes auf. Weiterhin ist mit der Strommessvorrichtung eine Auswertevorrichtung verbunden (die Auswertevorrichtung und die Strommessvorrichtung können aber auch integriert ausgebildet sein). Mit dieser Auswertevorrichtung kann vorteilhafterweise die Strommessvorrichtung so gesteuert werden, dass bei geeigneter Messfrequenz eine Vielzahl einzelner Strommesswerte des Stromflusses im Stromkreis bestimmt wird. In jedem Fall ist die Auswertevorrichtung so ausgebildet, dass aus einer Vielzahl von mit der Strommessvorrichtung bestimmten Strommesswerten (typischerweise einige 100 oder einige 1000 Strommesswerte) eine Häufigkeitsverteilung ermittelt werden kann, der Mittelwert und der Maximalwert der Häufigkeitsverteilung wie vorbeschrieben bestimmt werden kann und aus dem bestimmten Mittelwert und dem bestimmten Maximalwert die Partikelkonzentration c_p der Partikel in der Suspension berechnet werden kann, wie es nachfolgend noch näher beschrieben wird.
Bei wiederholten Strommessungen kann es zu kleinen Änderungen des gemessenen Stromes (und des daraus gemessenen Leitwertes) kommen, da die Partikel bzw. Zellen sich durch verschiedene Prozesse relativ zum Medium bzw. zur Flüssigkeit der Suspension bewegen (zufällige Fluktuation der Zellkonzentration im Messvolumen).
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist nun das Messvolumen sehr groß gegenüber dem Zellvolumen (also dem Volumen eines einzelnen Partikels bzw. einer einzelnen Zelle), so dass der gemessene Stromwert bzw. der bestimmte Leitwert nur unmerklich schwanken würde und annähernd konstant ist. Daher werden hier typischerweise nur einige wenige Messwerte erfasst.
Würde man hier jedoch den Stromwert (bzw. den Leitwert) vielfach hintereinander messen, so erhielte man idealisiert eine Häufigkeitsverteilung, wie sie in 2a dargestellt ist (bei dieser Darstellung wurden die aus den gemessenen Strommesswerten berechneten Leitwerte G der Einfachheit halber auf den theo retisch maximal erreichbaren Leitwert G_max, der erreicht wird, wenn sich keine Zellen, sondern nur die leitfähige Flüssigkeit im Messvolumen befindet, normiert). In dem in 2a zur Illustration dargestellten Fall betrug die Zellkonzentration 20%. Wie klar zu sehen ist, ergibt sich eine Häufigkeitsverteilung mit einem relativ schmalen, praktisch symmetrischen Peak, um eine normierte Leitfähigkeit von 0,8 entsprechend der 20%igen Zellkonzentration.
Verkleinert man nun jedoch erfindungsgemäß das Messvolumen gegenüber dem Partikelvolumen und/oder wird die Zelldichte in der Suspension sehr gering (was beispielsweise durch entsprechende Verdünnung der Zellsuspension erreicht werden kann), so nimmt die Häufigkeitsverteilung der 2a eine abweichende Gestalt an, die in 2b gezeigt ist. Die Häufigkeitsverteilung wird zum einen breiter (größerer Halbwertsbreite bzw. volle Breite der Häufigkeitsverteilung bei halbem Maximalwert), d. h. die Streuung nimmt zu, zum anderen wird die Verteilung auch zunehmend unsymmetrischer. Dies liegt daran, dass die Anzahl der Zellen im Messvolumen eine Zufallsgröße ist, die einer Binomialverteilung unterworfen ist (siehe auch nachfolgend).
Insbesondere treten bei verkleinertem Messvolumen-zu-Partikelvolumen-Verhältnis keine Strommesswerte bzw. daraus bestimmten Leitwerte auf, die zu einer Überschreitung von G_max (maximaler Leitwert, siehe oben) führen (in der auf G_max normierten Darstellung, siehe 2a und 2b, treten also keine Werte größer als 1 auf).
Erfindungsgemäß ist es daher möglich, die Referenzleitfähigkeit κ_ref ohne eine Filterung der Zellsuspension zu bestimmen, indem alleine die Häufigkeitsver teilung zur Ermittlung dieses Wertes verwendet wird.
Die gesuchte Partikelkonzentration kann dann nach der oben für c_p aufgeführten Gleichung bestimmt werden, wobei κ dem Mittelwert der Vielzahl von mit der Strommessvorrichtung bestimmten Strommesswerten in der Häufigkeitsverteilung entspricht und κ_ref dem wie vorbeschrieben bestimmten Maximalwert der erfassten Strommesswerte entspricht. Alternativ dazu können natürlich auch die aus den entsprechenden Stromwerten bestimmten Leitwerte in die Berechnung eingehen. Vorteilhafterweise werden dabei mindestens 500, besser mindestens 1000 einzelne Strommesswerte bei einer Messfrequenz im kHz-Bereich erfasst. Das Verhältnis von Messvolumen M zu mittlerem Volumen Vol_p eines Partikels sollte dabei kleiner als 10000, bevorzugt kleiner als 1000 sein.
Die Auswertung der ermittelten Häufigkeitsverteilung, insbesondere die Ermittlung des für die Berechnung der Partikeldichte notwendigen Maximalwertes beruht dabei auf den folgenden Überlegungen:
Die tatsächliche Anzahl der Partikel bzw. Zellen im Messvolumen ist zeitlich veränderlich und schwankt je nach Bewegung der Zellen im Medium, also z. B. bei Eigenbewegung der Zellen oder bei Vorhandensein einer Strömung. Die Anzahl der Zellen im Messvolumen (diese Anzahl wird nachfolgend auch mit k bezeichnet) ist also eine Zufallsgröße, die durch eine Binomialverteilung modellierbar ist.
Deren Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion ist demnach
wobei c_p = p die Zellkonzentration, Vm = M das Messvolumen und Vz das durchschnittliche Zellvolumen ist (dies gilt streng genommen nur, wenn der zeitliche Abstand zwischen zwei Messungen groß genug ist, damit zwei aufeinander folgende Messungen nicht mehr korreliert sind. In einer strömenden Flüssigkeit wäre dies z. B. der Fall wenn das Messvolumen durch die Strömung „ausgetauscht” worden ist).
Bei der Messung wird ein gewisser Messfehler (nachfolgend: a) toleriert. Dieser Messfehler beschreibt, um wie viele Zellen im Messvolumen das Ergebnis vom wahren Wert abweicht. Typischerweise – aber nicht zwingend – gilt: a = 0
Zahlenbeispiel: Es handele sich um kugelförmige Zellen mit einem Radius von 5 μm. Für das mittlere Volumen einer Zelle gilt dann Vz = 43 π(5 μm)3 = 523,599·10–18 m3
Das Messvolumen Vm bestehe aus einem würfelförmigen Fluidvolumen mit einer Kantenlänge von 75 μm Vm = (75 μm)3 = 421,875·10–15 m3
Daraus folgt (Vm/Vz) = 805,722
sDa die Verteilung als Binomialverteilung modelliert ist, diese jedoch nur für natürliche Zahlen definiert ist, ergibt sich gerundet: (Vm/Vz) = 806
Die wahre Zelldichte p sei 1%, die Zulässige Messabweichung sei zwei. Es ergibt sich
Die Wahrscheinlichkeit, dass eine Einzelmessung innerhalb der zulässigen Messabweichung von zwei liegt lautet also: B(0) + B(1) + B(2) = 0,0128
Wenn eine Einzelmessung 500 ms dauert und insgesamt 5 min gemessen wird, so ist die Wahrscheinlichkeit, dass innerhalb dieser Zeit mindestens eine Messung innerhalb des zulässigen Messabweichung liegt: 1 – ((1 – 0,0128)5·60·2) = 1 – (0,9872600) = 0,99956
Da der gesuchte Leitwert κ_ref letztendlich dem Fall B(0) entspricht (d. h. es ist lediglich Flüssigkeit vorhanden, in der keine Zelle bzw. kein Partikel verteilt ist), ist somit bei den gegebenen Messbedingungen die Wahrscheinlichkeit, dass tatsächlich ein den Wert κ_ref korrekt wiedergebender Maximalwert gemessen wird, praktisch gleich 1.
Die Auswertung der Breite der vorbeschriebenen Häufigkeitsverteilung erlaubt auch Rückschlüsse auf die Größe der Partikel bzw. Zellen und deren Mobilität: Die Breite der erhaltenen Häufigkeitsverteilung ist abhängig von der Zellkonzentration p sowie Vm/Vz. Somit erlaubt diese Breite bei bekanntem Messvolumen Rückschlüsse auf die charakteristische Partikel- bzw. Zellgröße. Die Breite der Verteilung kann durch die Varianz beschrieben werden. Diese ist für eine Binomialverteilung durch σ2 = (Vm/Vz)·p(1 – p)gegeben. p ist hierbei die gemessene Zellkonzentrati on.
Wird also in obigem Beispiel aus der Häufigkeitsverteilung eine Varianz von 2,5 ermittelt, so ergibt sich ein charakteristisches Zellvolumen von:
Dies entspricht bei kugelförmigen Zellen einem Radius von etwa 3,3 μm.
Darüberhinaus kann im Rahmen der Erfindung auch durch eine spektrale Auswertung (beispielsweise durch Fourier-Transformation, insbesondere durch die dem Fachmann bekannte Fast-Fourier-Transformation FFT) des zeitlichen Verlaufs des Messsignals der Strommessung ein Rauschspektrum bestimmt und dieses ausgewertet werden (dabei wird die zufällige Schwankung der Messwerte durch die Leistungsspektraldichte des Rauschens dargestellt).
Im zellfreien Medium ist die Leitfähigkeit stets identisch. Die gemessene Leitfähigkeit wird aufgrund von elektronischen Rauschquellen trotzdem eine gewisse Streuung aufweisen. Das entsprechende Rauschspektrum ist idealerweise ein bandpassbegrenztes weißes Rauschen. Im Medium mit suspendierten Zellen entsteht durch die Eigenbewegung der Zellen ein zusätzlicher Rauscheinfluss, der sich vor allem im niederfrequenten Bereich des Rauschspektrums bemerkbar macht. Durch Auswerten des Rauschspektrums sind daher Rückschlüsse auf die Zellkonzentration möglich: Hierzu kann beispielsweise die Fläche unterhalb des niederfrequenten Rauschens (abzüglich des weißen Rauschens und des normalen niederfrequenten Rauschens der Messanordnung) herangezogen werden (siehe Figur 5: die durchgezogene Linie entspricht dem gesamten Rauschspektrum, bei welchem im niederfrequenten Bereich dem weißen Rauschen ein niederfrequenter Rauschanteil durch die Messanordnung und ein zusätzlicher niederfrequenter Rauschanteil durch die erläuterte Zelleigenbewegung überlagert ist).
Nachfolgend wird im Rahmen zweier Ausführungsbeispiele ein konkreter Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelkonzentration erläutert.
Die Ausführungsbeispiele unterscheiden sich dabei insbesondere in der Ausführung der Elektroden. Grundsätzlich ist dabei von Vorteil, wenn das Messvolumen möglichst gering ist, wenn möglichst keine Verschmutzung der Elektroden oder des Messvolumens möglich ist und wenn das Messvolumen möglichst exemplarisch für die Suspension ist.
1 zeigt den grundlegenden Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Partikelkonzentration. Zwei plattenförmige, beabstandet voneinander angeordnete Elektroden 1a und 1b bilden zwischen sich das Messvolumen M aus, in dem eine Suspension S mit Partikeln P in Form von Zellen angeordnet ist. Die beiden Elektroden sind über elektrische Leitungen L mit einer Spannungsquelle 2 verbunden. In einem Leitungsabschnitt zwischen der Spannungsquelle 2 und der einen Elektrode 1a ist eine Strommessvorrichtung 3 angeordnet. Mit dieser Strommessvorrichtung ist in Abhängigkeit von der angelegten Spannung U derjenige Strom messbar, der im aus der Leitung L, den Elektroden 1a und 1b und der Suspension S mit den Partikeln P im Messvolumen M gebildeten Stromkreis fließt.
Die Strommessvorrichtung 3 ist mit einer Auswertevorrichtung 4 verbunden. Diese Verbindung ist in zwei Richtungen ausgeführt, so dass hier die Auswertevorrichtung 4 zur Ansteuerung der Strommessvorrichtung 3 (Festlegung der Messfrequenz und anderer Messparameter) verwendet werden kann. Umgekehrt werden die von der Strommessvorrichtung 3 erfassten Strommesswerte an die Auswertevorrichtung 4 übermittelt, so dass diese dann wie vorbeschrieben die entsprechende Häufigkeitsverteilung erstellen und auswerten kann. Die Auswertevorrichtung 4 kann hierbei z. B. in Form eines handelsüblichen Personal Computers mit entsprechender Soft- und/oder Hardware ausgebildet sein.
3 zeigt ein im Rahmen der Grundkonfiguration einsetzbares spezielles Ausführungsbeispiel, bei dem das Messvolumen M in Form des Inneren eines Kapillarröhrchens K, in dessen Wandung die beiden Elektroden 1a und 1b gegenüberliegend ausgebildet sind, realisiert ist. Die Vorrichtung ist dann als Durchströmvorrichtung ausgebildet, wobei die Suspension durch eine Kapillare strömt, in welche die leitfähigen Elektroden 1a und 1b integriert sind.
4 zeigt ein weiteres spezielles Ausführungsbeispiel, das im Rahmen der Grundkonfiguration der 1 eingesetzt werden kann: Die beiden Elektroden 1a, 1b sind hier als flächige Elektroden beabstandet voneinander und parallel zueinander auf der Oberfläche eines Substrates (beispielsweise einer Leiterplatte oder eines Halbleitersubstrates) angeordnet. Diese Oberfläche mit den Elektroden 1a, 1b ist (bis auf ein nachbeschriebenes Fenster) vollständig von einer Isolationsschicht 6 abgedeckt, so dass der größte Teil der beiden Elektroden 1a, 1b zwischen dieser Isolati onsschicht 6 und der Oberfläche des Substrates 5 eingeschlossen ist. Im Bereich einer Stirnseite der hier als langgestreckte Rechtecke ausgebildeten Elektroden 1a, 1b ist eine ebenfalls rechteckförmige Fensteröffnung F eingebracht, deren Längsachse senkrecht zur Längsachse der beiden Elektroden angeordnet ist. Durch diese Fensteröffnung F werden die beiden Elektroden 1a und 1b in einem schmalen Bereich bezüglich der Isolationsschicht 6 geöffnet, so dass die beiden Elektroden 1a, 1b in dem schmalbandigen Fensterbereich bereichsweise b2 freiliegen, wohingegen ihre restliche Oberfläche (Bereich b1) durch die Isolationsschicht überdeckt ist. Durch die lokale Öffnung F in der Isolationsschicht 6 wird somit bei Überströmen der gezeigten Anordnung mit der Suspension S (nicht gezeigt) zwischen den beiden geöffneten Abschnitten der Elektroden 1a und 1b ein Messvolumen M ausgebildet, mit dem die vorbeschriebene Messung möglich ist.
Die gezeigte planare Struktur kann vorteilhafterweise durch Technologien der Leiterplattenfertigung oder der Halbleiterfertigung hergestellt werden.
Anstelle der vorbeschriebenen Elektrodenkonfigurationen können auch andere Elektrodenkonfigurationen, wie sie beispielsweise in „Micromachined Silicon Electrolytic Conductivity Probes with Integrated Temperature Sensor" von Dongming He, Mark Shannon und Norman Miller (IEEE Sensors Journal, Vol. 5, No. 6, December 2005) beschrieben sind, verwendet werden. Dabei ist darauf zu achten, dass das Messvolumen M gegenüber dem Zellvolumen (also Vm/Vz) nicht zu groß wird.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere zur Messung hoher Zellkonzentrationen bei sich ändernder Temperatur und bei sich ändernder Medienzu sammensetzung. Es wird nur ein sehr geringer Bauraum benötigt und es ist keine zusätzliche Filterung notwendig, wodurch die Vorrichtung wartungsärmer und leichter zu integrieren ist. Mit der vorbeschriebenen Vorrichtung lässt sich insbesondere auch die Partikelgröße bestimmen. Zudem ist keinerlei Aktorik, Ansaugvorrichtung oder ähnliches notwendig. Die zu vermessende Suspension muss nicht verdünnt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- GB 2355072 [0004]
- US 2656508 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- „Micromachined Silicon Electrolytic Conductivity Probes with Integrated Temperature Sensor” von Dongming He, Mark Shannon und Norman Miller (IEEE Sensors Journal, Vol. 5, No. 6, December 2005) [0049]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung einer Partikelkonzentration, insbesondere einer Zellkonzentration, von elektrisch isolierenden Partikeln (P), insbesondere Zellen, in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die mit den Partikeln eine Suspension bildet, umfassend: ein Messvolumen (M), das zumindest einen Teil der Suspension (S) enthält oder in das zumindest ein Teil der Suspension einbringbar ist sowie eine zur Durchführung einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit im Messvolumen ausgebildete Leitfähigkeitsmesseinrichtung (1, 2, 3), gekennzeichnet durch eine mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung (1, 2, 3) verbundene oder integriert mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung ausgebildete Auswertevorrichtung (4), mit der aus einer Vielzahl V von mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung bestimmten Leitfähigkeitsmesswerten eine Häufigkeitsverteilung ermittelbar ist und aus der Häufigkeitsverteilung die Partikelkonzentration c_p der Partikel in der Suspension berechenbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswertevorrichtung (4) die Häufigkeitsverteilung ermittelbar ist, ein Mittelwert m und ein Maximalwert Max der Häufigkeitsverteilung bestimmbar sind und aus dem bestimmten Mittelwert und dem bestimmten Maximalwert die Partikelkonzentration c_p der Partikel in der Suspension berechenbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeitsmesseinrichtung eine Strommessvorrichtung ist, wobei letztere bevorzugt umfasst: zwei voneinander beabstandete Elektroden (1), zwischen denen das Messvolumen (M) ausgebildet ist, das zumindest einen Teil der Suspension (S) enthält oder in das zumindest ein Teil der Suspension einbringbar ist, eine elektrische Spannungsquelle (2), mit der eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden erzeugbar ist und eine in dem aus Spannungsquelle, Elektroden und Messvolumen ausgebildeten und/oder ausbildbaren Stromkreis angeordnete Strommessvorrichtung (3) zur Bestimmung eines in diesem Stromkreis fließenden Stromes.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeitsverteilung eine Häufigkeitsverteilung von mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung gemessenen Strom- Leitfähigkeitsmesseinrichtung gemessenen Strommesswerten ist und/oder dass die Häufigkeitsverteilung eine Häufigkeitsverteilung einer physikalischen Kenngröße der Suspension ist, die eine aus einem durch die Suspension fließenden elektrischen Strom ableitbare Kenngröße darstellt.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kenngröße die elektrische Leitfähigkeit der Suspension ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert der Häufigkeitsverteilung das arithmetische oder das geometrische Mittel einzelner, bevorzugt aller Leitfähigkeitsmesswerte oder einzelner, bevorzugt aller Werte der physikalischen Kenngröße in der Häufigkeitsverteilung ist und/oder dass der Maximalwert der größte Wert einzelner, bevorzugt aller Leitfähigkeitsmesswerte oder einzelner, bevorzugt aller Werte der physikalischen Kenngröße in der Häufigkeitsverteilung oder ein Mittelwert aus mehreren der größten Werte einzelner, bevorzugt aller Leitfähigkeitsmesswerte oder einzelner, bevorzugt aller Werte der physikalischen Kenngröße in der Häufigkeitsverteilung ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelkonzentration c_p gemäß
berechenbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Vielzahl von Leitfähigkeitsmesswerten V ≥ 100, bevorzugt V ≥ 500, bevorzugt V ≥ 1000 gilt und/oder dass als Messzeit für die Bestimmung der V Leitfähigkeitsmesswerte maximal 15 min., bevorzugt maximal 5 min. bevorzugt maximal 2 min. einstellbar ist und/oder dass als Messfrequenz, definiert als Anzahl der Leitfähigkeitsmessungen pro Zeiteinheit, bei der Bestimmung der V Leitfähigkeitsmesswerte eine Frequenz größer gleich 100 Hz, bevorzugt größer gleich 1 kHz einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Messvolumen M zu mittlerem Volumen Vol_p eines Partikels kleiner als 100000, bevorzugt kleiner als 10000, bevorzugt kleiner als 1000 ist und/oder dass die Anzahl der Partikel im Messvolumen kleiner als 10000, bevorzugt kleiner als 1000 ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswertevorrichtung ein Maß für die Breite der Häufigkeitsverteilung, insbesondere ein der vollen Breite der Häufigkeitsverteilung bei halbem Maximalwert der Häufigkeitsverteilung, der Varianz der Häufigkeitsverteilung oder der Standardabweichung σ der Häufigkeitsverteilung entsprechendes Maß, bestimmbar und daraus und aus der berechneten Partikelkonzentration c_p ein Maß für das mittlere Volumen Vol_p eines Partikels ableitbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Vol_p ableitbar ist gemäß
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der V Einzelwerte mit einer Messfrequenz f_m von größer als 100 Hz, bevorzugt von größer als 1 kHz, durchführbar ist und dass durch die Auswertevorrichtung, bevorzugt mittels einer Fouriertransformation, insbesondere mittels der FFT, ein Rauschspektrum der Einzelwerterfassung berechenbar und hinsichtlich der Anteile des Rauschens im Bereich von 0 bis 0.2 f_m, bevorzugt von 0 bis 0.1 f_m auswertbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden beidseits einer Kapillare (K), in der das Messvolumen als ein von der Suspension durchströmbarer Bereich ausgebildet ist, angeordnet sind oder an zwei gegenüberliegenden Seiten des Messvolumens in die Kapillarwandung integrieret sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden auf einem ebenen Substrat (5), insbesondere einer Leiterplatte, angeordnet sind, wobei die Elektroden bereichsweise (b1) von einer isolierenden Schicht (6) überdeckt sind und bereichsweise (b2) aufgrund eines Fensters (F) in dieser Schicht zum Messvolumen hin freiliegend angeordnet sind.
Verfahren zur Bestimmung einer Partikelkonzentration, insbesondere einer Zellkonzentration, von elektrisch isolierenden Partikeln (P), insbesondere Zellen, in einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die mit den Partikeln eine Suspension bildet, wobei ein Messvolumen (M) ausgebildet wird, in das Messvolumen zumindest ein Teil der Suspension eingebracht wird und wobei eine zur Durchführung einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit im Messvolumen (M) geeignete Leitfähigkeitsmesseinrichtung (1, 2, 3) ausgebildet und am Messvolumen angeordnet wird, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung eine Auswertevorrichtung (4) verbunden wird oder dass integriert mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung eine Auswertevorrichtung (4) ausgebildet wird, dass mit der Leitfähigkeitsmesseinrichtung eine Vielzahl V von Strommesswerten bestimmt wird, dass mit der Auswertevorrichtung aus der Vielzahl V von bestimmten Leitfähigkeitsmesswerten eine Häufigkeitsverteilung ermittelt wird und dass aus der Häufigkeitsverteilung die Partikelkonzentration c_p der Partikel in der Suspension berechnet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche zur Bestimmung der Partikelkonzentration eingesetzt wird.
Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Bestimmung einer Partikelkonzentration in einem Bioreaktor oder in einem Fermenter, zur Bestimmung der Algenbelastung oder des Planktongehaltes in einem Gewässer, zur Bestimmung einer Farbpartikelkonzentration in einer Farbsuspension, zur Bestimmung des Zelluloseanteils des Pulps bei der Papierherstellung oder zur Bestimmung von Partikelkonzentrationen in in Brauereien oder Klärwerken auftretenden Suspensionen.