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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidfilter, Filtervorrichtungen
und Filterverfahren, wie z. B. zur Entkeimung, Sterilfiltration
oder Partikelfiltration.
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Mikro-
und Sterilfilter sind ein viel genutztes Instrument der Entkeimung
von Trinkwasser und Nahrungsmitteln zur Sterilfiltration in der
Medizin und Gesundheitsfürsorge und allgemein zum Zurückhalten
von unerwünschten Schwebstoffen und Partikeln aus der Luft
und aus Flüssigkeiten.
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Eine
Möglichkeit zum Filtern besteht beispielsweise in der Verwendung
feinmaschiger Gewebe. In dem feinmaschigen Gewebe bleiben Inhaltsstoffe
eines durchströmenden Mediums hängen. Eine Detektion
des aktuellen Filterzustandes ist dabei allerdings nicht möglich.
Aus diesem Grund wird ein solcher Filter aus feinmaschigem Gewebe
erst ausgetauscht werden, wenn derselbe verstopft und der Durchfluss
stark reduziert ist, oder solche Filter werden aus Sicherheitsgründen
in kurzen Zeitabständen ausgetauscht, die so gewählt
sind, dass mit einer gewissen Sicherheit der Filterzustand noch ausreichend
gut ist bzw. bleibt, was allerdings dazu führen wird, dass
der Austausch in der Regel stattfindet, obwohl die Funktionalität
des Filters eigentlich noch nicht beeinträchtigt ist. Wird
andererseits der Filter zu spät ausgetauscht und es sind
bereits viele Keime in der Filterschicht fixiert, so können
sich potenzielle Krankheitserreger dort unbemerkt vermehren und
möglicherweise weitere Probleme verursachen.
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Der
Verstopfungsgrad des Filters kann über den damit verbundenen
Druckabfall vor und nach dem Filter detektiert werden, wozu allerdings
zwei Drucksensoren notwendig sind, die sonst vielleicht nicht notwendig
wären und somit den Gesamtaufwand erhöhen.
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Eine
weitere Möglichkeit zur Filterung ist die Verwendung von
Filtern mit offenen Poren. Diese haben den Vorteil, dass ein großer
Durchfluss möglich ist. Ein solcher Filtertyp wird beispielsweise
in der
EP 1 194 216
B1 beschrieben. Insbesondere wird dort eine polymere mikroporöse
Filtermembran mit einer zusätzlichen Stützschicht
und ihre Herstellung beschrieben. Die
WO 2007/140752 A1 beschreibt
einen mikromechanischen Filter, bei dem die Filtermembran aus Silizium
besteht, und bei der eine zusätzliche Einrichtung zum Heizen
der Membran vorgesehen ist, um das ausgefilterte Material durch
Verbrennen zu entfernen. In der
WO 91/03312 A1 wird wiederum ein Verfahren
zur Herstellung einer Mikrofiltermembran aus Polysulfonamid beschrieben.
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Die
oben skizzierten Möglichkeiten der Filtration sind insbesondere
dann nachteilhaft, wenn eine sehr niedrige Konzentration von schädlichen
Keimen schnell erkannt werden muss, da in Ermangelung einer Möglichkeit
zur kontinuierlichen Detektion des Filterzustandes der Filter zur
Filterzustandsüberwachung ausgebaut werden muss. Bei der
Trinkwasserüberwachung wird beispielsweise regelmäßig
das ausgefilterte Material analysiert, ob sich dort Keime befinden.
Die Analyse erfolgt dann aber über biologische Methoden
auf Zellkultursubstraten. Das bedeutet, es vergehen unter Umständen
Tage, bis eine Keimkolonie nachgewiesen werden kann. Notwendig und
wünschenswert wäre aber ein schnelles Erkennen
von Keimen, eine automatische Analyse der Filterbedeckung ohne zusätzlichen
Arbeitsaufwand und nicht zuletzt auch ein Detektionsmechanismus über einen
notwendigen Filtertausch erst dann, wenn es tatsächlich
auch nötig ist.
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Neben
den obigen Methoden zur Filtration, die die Filtration von größeren
Durchflussraten ermöglichen, bildet beispielsweise die
Durchflusszytometrie eine Möglichkeit, einzelne Zellen
zu sortieren. Bei der Durchflusszytometrie werden in sogenannten FACS
(fluorescence activated cell sorting) Geräten einzelne
Zellen sortiert und analysiert. Dabei wird ein flüssiges
Medium, das die Zellen enthält, durch eine enge Glaskanüle
mit hohem Druck gepresst. Über ein optisches Erkennungssystem
werden Zelltypen unterschieden und können einzeln selektiert
werden. Die Methode ist gut geeignet für kleine Mengen
von zu analysierenden Medien, wobei die möglichen Inhaltsstoffe
schon vorher bekannt sein müssen.
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Es
besteht also ein Bedarf nach einem Filtrationskonzept, das einerseits
für die Filtration mit größeren Durchfluss-
bzw. Strömungs-Raten geeignet ist und andererseits eine
längere Einsatzzeitdauer und/oder eine kürzere
Zeitdauer bis zum Erkennen eines ungewünschten Filterzustandes
oder einer herausgefilterten Substanz ermöglicht.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Fluidfilter,
eine Filtervorrichtung und ein Filterverfahren zu schaffen, das
trotz Eignung für auch größere Durchfluss-
und Strömungs-Raten eine längere Einsatzdauer
und/oder eine kürzere Zeitdauer bis zum Erkennen eines
ungewünschten Filterzustandes und/oder zum Bestimmen einer
herausgefilterten Substanz ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Fluidfilter gemäß Anspruch
1, eine Filtervorrichtung gemäß Anspruch 9 oder
10 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 13 gelöst.
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Eine
Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass eine Kombination
aus einer Filtermembran mit einer Vielzahl von Mikroporen und einer Elektrodenstruktur,
die die Filtermembran bis auf zumindest einen Abschnitt einer Hauptseite
derselben bedeckt und die Erzeugung eines elektrischen Feldes mit
Feldlinien ermöglicht, die einen Raum, der an den zumindest
einen Abschnitt angrenzt, durchdringen, einerseits die Filtration
von höheren Durchflussraten bzw. Durchströmungsraten
ermöglicht, und damit aber auch andererseits eine Erfassung
des Filterzustands während der Filtration und/oder eine
Bestimmung des herausgefilterten Materials möglich ist.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst
ein Fluidfilter eine Filtermembran mit einer ersten Hauptseite und
einer der ersten Hauptseite gegenüber liegenden zweiten Hauptseite
und einer Vielzahl von Mikroporen, die sich zwischen den beiden
Hauptseiten erstrecken, sowie eine Elektrodenstruktur, die die Filtermembran an
einer der Hauptseiten teilweise bedeckt, so dass ein Abschnitt dieser
Hauptseite mit zumindest einem Teil der Mikroporen freilegt, zum
Erzeugen eines elektrischen Feldes mit Feldlinien, die einen Raum, der
an den Abschnitt angrenzt, durchdringen.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist die Elektrodenstruktur
so ausgebildet, dass mehrere Abschnitte freiliegen, wobei die Elektrodenstruktur
eine Elektrodenschicht aufweist, die zu den Abschnitten in lateraler
Ausdehnungsrichtung so benachbart ist, dass vermittels der Elektrodenschicht für
jeden Abschnitt ein eigenes elektrisches Feld mit Feldlinien erzeugbar
ist, die einen Raum, der an den jeweiligen Abschnitt angrenzt, durchdringen.
Auf diese Weise wird es erleichtert, dass die Streufelder, die durch
die Elektroden erzeugbar sind, gezielt die Räume vor den
freiliegenden Abschnitten mit den Mikroporen durchdringen, wodurch
anhand einer Veränderung einer elektrischen Eigenschaft
des Mediums in diesem Raum auf einen aktuellen Filterzustand geschlossen
werden kann.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel umfasst die Elektrodenstruktur
auch ein Stabilisierungselement, wie z. B. eine Folie, die zwischen
der Elektrodenschicht und der entsprechenden Hauptseite der Filtermembran
angeordnet ist, um die Filtermembran mechanisch zu stabilisieren.
Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass die Filtermembran Mikroporen
mit einem kleineren Querschnitt aufweisen kann und dabei trotzdem
ein maximales Aspektverhältnis, d. h. ein maximales Verhältnis
zwischen Filtermembrandicke und Mikroporenbreite bzw. -durchmesser,
eingehalten werden kann, wodurch die Herstellung von Mikroporen
mit hohen Aspektverhältnissen, die in der Regel schwieriger
herzustellen sind, vermieden werden kann. Umgekehrt wird durch das
Stabilisierungselement der Fluss- bzw. Strömungswiderstand
nicht oder nur wenig gegenüber einer Situation eingeschränkt,
da nur die Elektroden auf der Filtermembran aufgebracht wären.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel ist eine Elektrodenstruktur
auf beiden Hauptseiten der Filtermembran vorgesehen, und zwar in
einer symmetrischen Art und Weise, so dass beispielsweise elektrische
Felder mit Feldlinien mittels der beiden Elektrodenstrukturen erzeugbar
sind, die die an die einander gegenüber liegenden Abschnitte
der beiden Hauptseite angrenzenden Räume auf kongruente Weise
durchdringen. Auf diese Weise ist es möglich, die elektrischen
Messungen auf der stromabwärts gelegenen Hauptseite mit
denen der stromaufwärts gelegenen Hauptseite der Filtermembran
zu vergleichen, um somit Abhängigkeit in den elektrischen Messungen
von Temperatur, Lösungsmedium usw. zu kompensieren.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend
und Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Seitenschnittansicht eines Fluidfilters gemäß einem
Ausführungsbeispiel;
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2 eine
Draufsicht eines Fluidfilters gemäß einem Ausführungsbeispiel
sowie eine schematische Kombination des Fluidfilters mit einer Messeinrichtung
zu einer Fluidvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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3 eine
Seitenschnittansicht eines Filterelements gemäß einem
Ausführungsbeispiel mit einer Darstellung der erzeugten
elektrischen Felder während der elektrischen Messung zur
Erfassung des Filterzustands;
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4 eine
Seitenschnittansicht eines Fluidfilters gemäß noch
einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer Darstellung
der erzeugten elektrischen Felder während der elektrischen
Messung zur Erfassung des Filterzustands;
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5 eine
Schnittansicht einer durchströmten Fluidleitung, in das
stellvertretend für die Ausführungsbeispiele der
vorliegenden Erfindung ein Filterelement gemäß 3 eingebaut
ist; und
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6 eine
schematische Darstellung einer Zellwachstumsvorrichtung mit einem
Filterelement gemäß 3, gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
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In
den nachfolgenden Figuren werden für gleiche oder ähnliche
Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet,
und die Beschreibung dieser Elemente Bezug nehmend auf eine Figur soll – soweit
nicht widersprüchlich – auch für die
anderen Figuren gelten, um eine wiederholte Beschreibung zu vermeiden.
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1 zeigt
ein Filterelement gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das Filterelement von 1,
das allgemein mit 10 angezeigt ist, umfasst eine Filtermembran 12 mit zwei
Hauptseiten 12a und 12b und eine Vielzahl von Mikroporen 14,
die sich zwischen den beiden Hauptseiten 12a und 12b erstrecken.
Ein Durchmesser d der Mikroporen 14 kann beispielsweise
zwischen 0,1 μm bis 50 μm liegen. Die Filtermembran 12 kann dünn
sein. Insbesondere kann eine Dicke D der Filtermembran 12 beispielsweise
zwischen 10 μm und 1 mm liegen. Das Material der Filtermembran 14 ist beispielsweise
Silizium oder polymerbasiert. Insbesondere kann die Filtermembran 14 beispielsweise ein
Siliziumfilm 12 sein, der viele kleine Löcher 14 aufweist.
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An
beiden Hauptseiten 12a und 12b wird die Filtermembran 12 durch
eine Elektrodenstruktur 16a und 16b teilweise
bedeckt, die dort befestigt der Filtermembran geeignet befestigt
sind. Jede Elektrodenstruktur 16a und 16b umfasst
eine Elektrodenschicht 18a bzw. 18b sowie ein
Stabilisierungselement 20a bzw. 20b. Die Stabilisierungselemente 20a und 20b sind
beispielsweise Folien, die zur mechanischen Stabilisierung beidseits
der Filtermembran 12 angebracht, wie z. B. laminiert oder
verklebt, sind. Die Stabilisierungselemente bzw. -schichten 20a und 20b weisen
Aussparungen bzw. offene Bereiche 22a bzw. 22b auf,
die einander über die Filtermembran 12 gegenüber
liegen, um gegenüber liegende Abschnitte 24a bzw. 24b der
beiden Hauptseiten 12a und 12b freilegen. Die
Abschnitte 24a und 24b weisen beispielsweise eine
maximale Ausdehnung in lateraler Richtung von 10 μm bis
1 mm auf.
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Die
auf der Außenseite 26a bzw. 26b der Stützfolien 20a bzw. 20b aufgebrachten
Elektrodenschichten 18a und 18b bilden Elektroden,
die die Erzeugung von elektrischen Feldern mit Feldlinien ermöglichen,
die die Räume 22a bzw. 22b durchdringen,
die an die Abschnitte 24a bzw. 24b angrenzen. Hierdurch
ist es möglich, Veränderungen der elektrischen
Eigenschaft des Mediums in diesen Räumen 22a bzw. 22b und
damit einen Filterzustand, d. h. Verstopfungsgrad, des Fluidfilters 10 zu
erfassen und/oder ein herausgefiltertes Material zu bestimmen. Insbesondere
wird im Einsatz der Fluidfilter 10 von einem Medienstrom,
z. B. einem Gas oder einer Flüssigkeit, in einer vorbestimmten
Richtung durchströmt, die in 1 exemplarisch
mit einem Pfeil 28 als von oben nach unten verweisend angegeben
ist. Inhaltsstoffe des Mediums, deren Ausmaße größer als
der Querschnitt der Mikroporen 24 sind, bleiben somit an
der angeströmten Filterseite 12a hängen. Diese
Inhaltsstoffe, deren Durchmesser größer als die
Porengröße ist, verändern die zuvor erwähnte elektrische
Eigenschaft des von den Feldlinien durchströmten Raumes 22a.
Die gegenüber liegenden Räume 22b bleiben
jedoch frei, da sie stromabwärts gelegen sind. Die Elektrodenstrukturen,
die durch die Elektrodenschichten 18a und 18b gebildet sind,
können deshalb vorzugsweise so ausgebildet sein, dass durch
sie elektrische Felder mit Feldlinien erzeugbar sind, die bezogen
auf zueinander ausgerichtete Räume 22a und 22b bzw.
Abschnitte 24a und 24b zueinander kongruent sind,
so dass eine Veränderung der elektrischen Eigenschaft des
Mediums in den Räumen 22a aufgrund der herausgefilterten
Inhaltsstoffe durch Auswertung einer Abweichung bzw. einen Vergleich
von elektrischen Messungen an den beiden Elektrodenstrukturen erfasst
werden kann, wie es im Folgenden in Bezug auf 3 und 4 noch
einmal erwähnt werden wird.
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Die
an der Ober- bzw. Unterseite 26a und 26b der Stützfolien 20a und 20b vorgesehenen
Elektrodenstrukturen können zudem so strukturiert sein, dass über
jeden Raum 22a, b bzw. Abschnitt 24a, b hinweg
eine Potenzialdifferenz in lateraler Richtung anlegbar ist, so dass
sich in jedem der Abschnitte 24a bzw. 24b ein
elektrisches Streufeld ergibt, das hauptsächlich in der
Ebene der Elektrodenschichten 18a und 18b aber
durch seine Streueigenschaften eben auch in den Räumen 22a bzw. 22b zwischen denselben
und der Filtermembran 12 verläuft. Diese Fallgestaltung
wird auch Bezug nehmend auf die 2 und 3 beschrieben.
Hierbei ist es insbesondere möglich, dass die Elektrodenschichten 18a und 18b so
strukturiert sind, dass sich über die Räume 22a,
b bzw. Abschnitte 24a, b immer eine Elektrode mit einem
ersten Potenzial und eine Elektrode mit einem zweiten, zu dem ersten
unterschiedlichen Potenzial gegenüber liegen, wobei das
erste und das zweite Potenzial für die Abschnitte 24a,
b bzw. Räume 22a, b gleich bzw. gemeinsam sind.
In diesem Fall liegen sich also über die elektrischen kapazitiven bzw.
induktiven Messpfade bzw. über die Abschnitte 24a,
b bzw. Räume 22a, b hinweg ein und dasselbe Paar
von unterschiedlichen Potentialen gegenüber und es ist
nur eine Spannungsquelle bzw. Messanordnung notwendig, um die Erfassung
des Filterzustandes vorzunehmen, so dass auch nur zwei Anschlüsse
für die zwei Potenziale vorzusehen sind. Ein Beispiel hierfür
ist in 2 gezeigt.
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Alternativ
ist es natürlich auch möglich, dass die Filtermembran 12 leitfähig
ist und als eine Elektrode dient, die in Kombination mit den Elektrodenschichten 18a und 18b die
Erzeugung von elektrischen Feldern mit Feldlinien ermöglicht,
die die Räume 22a, b durchdringen. Ein Beispiel
hierfür wird später Bezug nehmend auf 4 beschrieben.
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Schließlich
wird darauf hingewiesen, dass bei dem Ausführungsbeispiel
von 1 die Verteilung der Mikroporen auf die Abschnitte 24a,
b beschränkt ist. Es wäre aber natürlich
auch möglich, dass die Mikroporen durchweg in der Filtermembran gebildet
sind, d. h. also auch dort, wo die Membran von den Stützfolien 20a,
b bedeckt wird, in welchem Fall diese Mikroporen allerdings nicht
zur Filtration beitragen würden.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf einen Fluidfilter gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel. Zu sehen ist die Hauptseite 12a der
Filtermembran mit den Mikroporen 14 und die darüber
befindliche Elektrodenstruktur mit der Stützfolie 20a und
den darin gebildeten Aussparungen, in denen die Abschnitte 24a der
Hauptseite 12a der Filtermembran freiliegen, und die strukturierte
Elektrodenschicht 18a, die in diesem Fall in Form von Linienelektroden 18a1 und 18a2,
und zwar insbesondere als ineinander greifende Elektrodenfingerstrukturen
bzw. Kammelektroden, gebildet sind, um interdigitale Elektrodenpaare zu
bilden. Insbesondere sind in 2 die Abschnitte 24a in
einem regelmäßigen Gitter mit Achsrichtungen,
die hier Zeilenrichtung 30 und Spaltenrichtung 32 umfassen,
angeordnet. In anderen Worten ausgedrückt, bildet das regelmäßige
Gitter von Abschnitten 24a Reihen von Abschnitten 24a in
Richtung 30 sowie Reihen von Abschnitten 24a in
Richtung 32. Entlang der Richtung 30 erstrecken
sich durchgehende Abschnitte der Elektroden 18a1 sowie 18a2 bis
zu einem Rand 34 des Fluidfilters bzw. der Stützfolie 20a, wobei
diese Abschnitte so angeordnet und am Rand elektrisch verbunden
sind, dass sie entlang der Richtung 32 abwechselnd polarisiert
sind, wobei sich zwischen zwei benachbarten Elektrodenabschnitten,
die sich in Richtung 30 erstrecken, stets eine Reihe der Abschnitte 24a angeordnet
ist. In eine solche Reihe von Abschnitten 24a erstrecken
sich abwechselnd Elektrodenfinger in der Richtung 32, du
zwar abwechselnd von dem einen und dem anderen vorbeiführenden,
sich in Richtung 30 erstreckenden Abschnitt aus. Die so
gebildeten Elektroden 18a1 und 18a2 können
beispielsweise mit Kontaktflächen 36 und 38 gekoppelt
sein, so dass an dieselben unterschiedliches Potenzial anlegbar
ist, wie es mit „+” und „–„ in 2 angedeutet
ist. Bei angelegter Spannung an den Elektroden 18a1 und 18a2 bzw.
Kontaktflächen 36 und 38 liegen sich über
jedem Abschnitt 24a die Elektroden 18a1 und 18a2 innerhalb
der Ebene der Elektrodenschicht 18a gegenüber,
an denen ja eine unterschiedliche Polarität der elektrischen Spannung
anliegt, so dass sich in dem Raum oberhalb des von dem Medium durchströmten
Abschnitt 24a der Stützfolie ein im wesentlichen
lateral in der Ebene der Elektrodenschicht 18a verlaufendes
elektrisches Feld ergibt, dessen Streuanteile aber auch den Raum
zwischen Elektrodenschicht 18a und Hauptseite 12a der
Filtermembran durchdringen.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass, obwohl es in 2 nicht
gezeigt ist, auch die in 2 nicht sichtbare Rückseite
der Filtermembran mit einer Elektrodenstruktur bedeckt sein kann,
die der sichtbaren Struktur aus Elektrodenschicht 18a und
Stützfolie 20a entspricht, wie es auch in 1 gezeigt
war. Dabei kann insbesondere die laterale Strukturierung der nicht
sichtbaren Elektrodenstruktur 16b spiegelsymmetrisch zur
Elektrodenstruktur 16a sein, die in 2 sichtbar
ist, und zwar mit der Folienmembran als Spiegelebene. In einer Erweiterung
dieses Beispieles wäre es ferner möglich, dass
die Stützfolien unterschiedliche Dicke aufweisen. Die Potentiale,
die an die Kammelektroden der gegenüberliegenden Elektrodenstruktur
angelegt werden würden, wären beispielsweise gleich
zu den Potentialen an den Kontakten 36 und 38,
oder er wäre zumindest die Differenz gleich zu der Potentialdifferenz
an den Kontakten 36 und 38.
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Insbesondere
kann auch Wechselspannung an die Elektrodenschicht(en) angelegt
werden, wie es im folgenden auch kurz erläutert wird, um
eine entsprechende Impedanzmessung durchzuführen.
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In 2 ist
ferner exemplarisch gezeigt, dass eine Messeinrichtung 40 mit
den Kontakten 36 und 38 bzw. den Elektroden 18a1 und 18a2 gekoppelt
sein kann, um eine elektrische Messung an der Elektrodenstruktur 18a durchzuführen,
um daraus auf den Filterzustand und/oder das herausgefilterte Material
zu schließen. Darauf wird später noch detaillierter
eingegangen werden. Es wird aber darauf hingewiesen, dass die Messeinrichtung 40 zwar
nur in 2 in Verbindung mit einem Fluidfilter gezeigt
ist, um eine entsprechende Filtervorrichtung zu ergeben, aber dass
auch Bezug nehmend auf die anderen Ausführungsbeispiele
der anderen Figuren eine solche Messeinrichtung verwendet werden
kann, um eine entsprechende Filtervorrichtung zu ergeben, und um
insbesondere die elektrischen Messungen an den Elektrodenstrukturen
durchzuführen, wie es im Folgenden noch detaillierter beschrieben
wird.
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3 zeigt
einen Seitenquerschnitt eines Fluidfilters, der der Seitenschnittansicht
von 1 entspricht. Bei dem Fluidfilter von 3 wird
davon ausgegangen, dass die Elektrodenschichten 18a und 18b so
strukturiert sind, dass sich über die Abschnitte 24a,
b hinweg Teile von Elektroden, die in den Schichten 18a und 18b gebildet
sind, gegenüber liegen, die unterschiedlich polarisiert
sind, wie es beispielsweise bei den Elektrodenfingern in 2 der Fall
war. In 3 sind exemplarisch zwei einander gegenüber
liegende Abschnitte 24a, b dargestellt, zwischen denen
sich ein Elektrodenfinger 50a bzw. 50b erstreckt,
um über die Abschnitte 24a, b unterschiedlich
polarisierten Elektrodenfingern 52a bzw. b und 54a bzw.
b gegenüber zu liegen.
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3 zeigt
nun schematisch für die linken Abschnitte in 3 die
elektrischen Feldlinien 56a bzw. 56b, die sich
ergeben, wenn zwischen den Elektrodenfingern 50a, b und 52a,
b eine Spannung angelegt wird. Die Feldlinien 56a, b durchdringen
den durchströmten Raum 22a, 22b in der
direkten Umgebung der Filtermembran 12. Wie es später
noch Bezug nehmend auf 5 veranschaulicht wird, werden
angesammelte Partikel aus dem zu filternden Medienstrom die dielektrischen
Eigenschaften des Mediums in den Räumen 22a, b
verändern, so dass mit einem geeigneten elektrischen Messverfahren mittels
der Elektrodenfinger 50a, b und 52a, b eine Verstopfung
und damit ein Filterzustand der Filtermembran 12 detektiert
werden kann, wobei auf geeignete elektrische Messverfahren im Folgenden auch
näher eingegangen werden wird.
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Vorteilhaft
ist eine symmetrische Ausführung der Elektrodenstrukturen 16a,
b auf beiden Seiten der Filtermembran 12, wie es in 3 gezeigt
ist, denn in diesem Fall kann die elektrische Messung an der Unterseite
der Filtermembran 12 bzw. an der Elektrodenstruktur 16b jederzeit
als Referenzmessung gegenüber der Messung an der angeströmten Seite
der Filtermembran 12 bzw. an der Elektrodenstruktur 16a verwendet
werden. Dadurch wird die elektrische Messung zur Detektion des Filterzustands
unabhängig von der Temperatur bzw. deren Schwankung während
des Verlaufs der Filteranwendung. Da außerdem jederzeit
eine Messung an dem Medium mit und ohne einer bestimmten, nämlich
der ausgefilterten, Komponente des Mediums erfolgen kann, wird kein
Wissen über die dielektrischen Eigenschaften des Mediums
selbst benötigt. Es genügt die Unterscheidung
der Messung vor und nach dem Filterelement.
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In 3 würde
das elektrische Potenzialgefälle in lateraler Richtung
erzeugt. Andere Möglichkeiten bestehen aber natürlich
auch, um die Räume 22a, b durch elektrische Feldlinien
durchdringen zu lassen, um festzustellen, ob sich dort herausgefilterte Partikel
angesammelt haben. Beispielsweise wäre es möglich,
dass das elektrische Potenzial zwischen den Elektroden 18a und 18b an
Ober- und Unterseite der Filtermembran 12 angelegt wird,
wobei die Elektrodenschichten 18a und 18b dann
vorteilhafter Weise so strukturiert sind und eine Spannung an diese strukturierten
Elektrodenschichten so anlegbar ist bzw. angelegt wird, dass die
entstehenden elektrischen Felder, die sich zwischen der oberen Elektrodenschicht 18a und
der unteren Elektrodenschicht 18b erstrecken, Feldlinien
aufweisen, die die Räume 22a, b im wesentlichen
diagonal bzw. quer zur Flächennormalen der Filtermembran 12 durchlaufen bzw.
den durchströmten Porenbereich diagonal durchkreuzen.
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4 zeigt
exemplarisch ein Ausführungsbeispiel eines Fluidfilters,
bei dem die Filtermembran 12 leitfähig ausgestaltet
ist und selbst als eine Elektrode dient. Der in 4 sichtbare
Seitenquerschnitt des Fluidfilters entspricht wiederum demjenigen
aus 1 und 3. Allerdings ist die Filtermembran 12 leitfähig
und die Elektrodenschichten 18a und 18b können
jeweils einstückig gebildet sein, um jeweils eine Elektrode
zu bilden, so dass lateral über die Abschnitte 24a,
b hinweg keine Potenzialunterschiede mehr auftreten können,
sondern in lateraler Richtung immer das gleiche Potenzial anliegt.
Effektiv bildet dadurch die Elektrodenschicht 18a eine
Elektrode, die Filtermembran 12 eine weitere Elektrode
und die Elektrodenschicht 18b eine noch weitere Elektrode.
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In 4 wird
exemplarisch davon ausgegangen, dass die Elektroden 18a und 18b elektrisch miteinander
verbunden sind bzw. auf gleichem Potenzial liegen, so dass sich
bei Anlegen einer Spannung zwischen den Elektroden 18a,
b einer seits und Filtermembran andererseits ein elektrisches Feld zwischen
diesen Elektroden ausbildet, das symmetrisch zur Filtermembran 12 ist.
Wie es in 4 gezeigt ist, bildet sich auch
ein Streufeld 60a bzw. 60b zwischen den Elektroden 18a und
Filtermembran 12 bzw. Elektrode 18b und Filtermembran 12 aus,
dessen Feldlinien die Räume 22a, b an den Abschnitten 24a,
b durchdringen, wodurch wieder auf Änderungen der elektrischen
Dielektrizitätseigenschaft des Mediums und damit auf eine Änderung
des Filterzustands der Filtermembran 12 geschlossen werden kann.
Aufgrund der Spiegelsymmetrie und der damit verbundenen Kongruenz
der Felder 60a und 60b können die Messungen,
die zwischen der Elektrode 80a und der Filtermembran 12 einerseits
und der Elektrode 18b und der Filtermembran 12 andererseits
gewonnen werden, wieder miteinander verrechnet werden, um Temperaturschwankungen
oder Änderungen des zu filternden Mediums herauszurechnen,
um auf den Filterzustand und/oder das herausgefilterte Material
zu schließen. Allerdings ist es natürlich auch
möglich, dass die Elektroden 18a, die Filtermembran 12 und
die Elektrode 18b auf unterschiedliches Potenzial gelegt
werden, und auch dann sind die Vorteile der kongruenten Streufelder 60a und 60b nutzbar,
wenn der Potenzialunterschied jeweils der gleiche ist, d. h. der
Potenzialunterschied zwischen den Elektroden 18a und 18b doppelt
so groß ist wie der Potenzialunterschied zwischen den Elektroden 18a,
b einerseits und der Filtermembran 12 andererseits.
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In
dem Fall von 4 kann die Filtermembran 12 beispielsweise
eine Silizium-Membran sein. Beispielsweise kann die Filtermembran
ein hochdotiertes und somit elektrisch leitfähiges Siliziummaterial
aufweisen. Alternativ allerdings wäre es ebenfalls denkbar,
dass eine dünne Metallisierungsschicht auf die Filtermembran 12 aufgebracht
werden kann, die in diesem Fall nicht auf ein Silizium-Material
beschränkt wäre, sondern auch aus einem anderen
Material bestehen könnte, wie z. B. einem nicht-leitfähigen
Material. Auch kann vorteilhafter Weise die dünne Metallisierungs schickt
auf dem Silizium-Film oder auf der elektrisch isolierenden Filtermembran 12 so aufgebracht
werden, dass die Elektroden an der Hauptseite 12a und der
Hauptseite 12b miteinander elektrisch verbunden sind bzw.
die Metallisierung kann als vollflächige Metallisierung
mit nur einer Polarität ausgeführt werden, wodurch
die Herstellung einer solchen metallisierten Filtermembran 12 vereinfacht
wäre.
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Im
Vergleich zwischen den beiden Ausführungsbeispielen 3 und 4 bleibt
festzuhalten, dass die Feldlinien von 4 nur mit
schwächeren Streufeld 60a und 60b den
interessierenden Bereich 22a, 22b vor und hinter
den Filterporen 14 durchdringen. Das Messsignal wird insofern
weniger stark ausgeprägt sein als in dem Ausführungsbeispiel
nach 3.
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5 zeigt
einen Fluidfilter gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, hier exemplarisch den Fluidfilter von 3,
in einem eingebauten Zustand, in welchem der Fluidfilter quer in einen
Fluidkanal 70, wie z. B. ein Rohr oder ein Schlauch, eingebaut
ist. Mit anderen Worten ausgedrückt, erstreckt sich der
Fluidfilter 10 über den gesamten Querschnitt des
Fluidkanals 70, um an die Wand 72 des Fluidkanals 70 anzugrenzen.
Wie es mit Pfeilen 74 angedeutet ist, wird der Fluidkanal 70 von
einem zu filternden Medium durchströmt, nämlich
in einer Richtung des Pfeiles 74. Das Medium enthält
Inhaltsstoffe 76, die durch den Fluidfilter 10 ausgefiltert
werden sollen. Die Inhaltsstoffe können beispielsweise
biologische Zellen sein. Die Inhaltsstoffe 76 bleiben in
Durchströmungsrichtung 74 vor dem Fluidfilter 10 hängen
und werden dort von den Feldlinien 56a erfasst, wie es
bei 82 zu sehen ist. Die kongruenten Feldlinien 56b auf
der stromabwärts gelegenen Seite sind frei von Inhaltsstoffen
und durchdringen somit nur das durchströmende Medium exklusive
der Inhaltsstoffe.
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Nachdem
im Vorhergehenden einige Ausführungsbeispiele für
ein Fluidfilter beschrieben worden sind, wird im Folgenden ausgeführt,
wie die elektrische Messung aussehen könnte, die von einer Messeinrichtung,
wie sie in 2 stellvertretend für alle
anderen Ausführungsbeispiele gezeigt ist, an den Elektrodenstrukturen
durchgeführt wird, um auf den Filterzustand des Fluidfilters
zu schließen und/oder das herausgefilterte Material zu
bestimmen. Eine erste Möglichkeit besteht darin, dass die Messeinrichtung
zwischen den Elektroden, d. h. den sich über die Abschnitte
gegenüber liegenden Elektroden in dem Fall von 3 oder
den über die Stützfolie einander gegenüberliegenden
Elektroden 18a, 12 und 18b in dem Fall
von 4 oder den Elektroden 18a1 und 18a2 in
dem Beispiel von 2, eine Messung der elektrischen
Leitfähigkeit bzw. des elektrischen Widerstands des Mediums,
wie z. B. der Flüssigkeit, mit einer Gleichspannung ausführt.
Angesammeltes Material 82 vor dem Filterelement bzw. dem
Fluidfilter würde die elektrischen Eigenschaften des Mediums
im Vergleich zum Medium stromabwärts des Fluidfilters 10 verändern,
so dass die Messeinrichtung durch einen Vergleich oder eine Auswertung
der Abweichung der Messergebnisse auf einen Filterzustand des Fluidfilters
schließen könnte.
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Eine
weitere Möglichkeit besteht darin, dass die Messeinrichtung
eine Messung der elektrischen Kapazität des Mediums zwischen
den Elektroden durchführte. Hierbei wird der Unterschied
in der Dielektrizitätszahl ε* des Mediums in Strömungsrichtung vor
und hinter dem Filter ermittelt. Die Messeinrichtung könnte
die Kapazitätsmessung sowohl unter Gleichspannung als auch
mittels Wechselspannung durchführen.
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Zusätzlich
zu der oben erwähnten Leitfähigkeits- bzw. Widerstandsmessung
könnte die Messeinrichtung eine elektrochemische, spektroskopische Untersuchung
des herausgefilterten Materials durchführen, um das Material
beispielsweise zu klassifizieren. Beispielsweise könnte
ein Cyclovoltagramm vermittels der Elektroden eingemessen werden.
Das heißt, die Messeinrichtung würde an den zuvor
erwähnten E lektrodenpaaren eine Spannung anlegen, die eine
Spannungsrampe durchläuft, vorzugsweise hin und zurück,
um einen entsprechenden Stromverlauf zu erhalten, der für
das Material charakteristisch ist, dass sich zwischen den Elektrodenpaaren
befindet. Die Stromverläufe bilden die Cyclovoltagramme. In
anderen Worten ausgedrückt, würde die Messeinrichtung
die angelegte Spannung über einen definierten Bereich kontrolliert
verändern, um den sich jeweils einstellenden Strom zu messen,
wobei diese Messung beispielsweise als vollständige Schleife bzw.
Zyklus ausgeführt werden würde. Die Cyclovoltagramme
könnten, wie bereits erwähnt, zur Klassifizierung
des herausgefilterten Materials oder aber lediglich zur Bestimmung
des Filterzustands, d. h. der Menge jedweden gefilterten Materials,
verwendet werden, und zwar, wie vorher erwähnt, zusätzlich
zur Leitfähigkeits- bzw. Widerstandsmessung oder alternativ
dazu. Natürlich kommen als Messmethode auch andere spektroskopische
Verfahren in Betracht, wie z. B. die Differential-Puls-Methode.
Wie gesagt, könnten diese elektrochemischen Methoden durch die
Messeinrichtung bei geeigneter Auslegung der Elektroden auch genutzt
werden, um unterschiedliche Inhaltsstoffe in einem Medium zu identifizieren.
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Ähnlich
wie im vorhergehenden bezüglich der Leitfähigkeits-
bzw. Widerstandsmessung in Verbindung mit der elektrochemischen,
spektroskopischen Methode erwähnt, ist es möglich,
zusätzlich oder alternativ zu der oben erwähnten
Kapazitätsmessung eine elektrochemische Impedanzspektroskopie
durchzuführen. Die Messeinrichtung würde die elektrochemische
Impedanzspektroskopie an den zuvor erwähnten Elektrodenpaaren
durchführen, um beispielsweise die Erkennung des Filterzustands
vorzunehmen, und um eventuell sogar das Material des herausgefilterten
Stoffs zu klassifizieren.
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Bezüglich
der vorher erwähnten Leitfähigkeits- bzw. Widerstandmessung
und der Möglichkeit der elektrochemischen Vermessung sei
angemerkt, dass diese Vermessungsmöglichkeiten die zu filternden
Medien natürlich auf solche mit bestimm ter Grundleitfähigkeit
beschränken, d. h. vorzugsweise bei Flüssigkeiten
angewendet werden.
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Wie
bereits erwähnt, kann die Messeinrichtung eine Abweichung
der Messwerte an den beiden Seiten der Filtermembran bestimmen,
wie z. B. eine Differenz oder ein Verhältnis der beiden
Messwerte, um auf den Filterzustand, d. h. den Verstopfungsgrad und/oder
die Klasse bzw. den Typ des herausgefilterten Materials zu schließen.
Möglich ist aber auch die Aufnahme einer Zeitreihe und
deren multivariate Auswertung. Zusammenfassend sind sämtliche Kombinationen
der Messverfahren, deren Modell-gestützte oder multivariate
Auswertung denkbar.
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Im
Folgenden soll kurz auf die Möglichkeit einer Herstellung
eines Fluidfilters gemäß einem der vorhergehenden
Ausführungsbeispiele eingegangen werden. Die Filtermembran 12 kann
beispielsweise aus Silizium hergestellt werden. Halbleitertechnologische
Verfahren können genutzt werden, um im Ausgangsmaterial,
wie z. B. einem Silizium-Wafer, mittels lithographischer Strukturierung
und Anwendung von Plasmaätztechniken mit Fluor-haltigen
Gasen, wie z. B. SF6, CF4 usw. sehr kleine Löcher mit geraden
Seitenwänden herzustellen, d. h. die Mikroporen 14.
Auf dem Wafer wird das Loch-Muster erzeugt, das später
eine Filtermembran ergibt. Insbesondere werden an den Si-Wafer von
der Vorderseite her Löcher geätzt. Tiefe und Durchmesser
der Löcher werden in technologisch sinnvoller Weise korreliert.
Typischerweise können Aspektverhältnisse, d. h.
Durchmesser:Tiefe, von 1:5 bis 1:20 gut realisiert werden. Um einen
erwünschten Lochdurchmesser von 0,4 μm zu erhalten,
was beispielsweise für die Sterilfiltration erforderlich
ist, wird man beispielsweise eine Lochtiefe von etwa 5 μm
bis 10 μm wählen. Der Siliziumwafer mit den Löchern
wird anschließend von der Rückseite her abgedünnt,
bis die Vorderseitenlöcher von unten freigelegt werden.
Der ganze Wafer ist dann nur noch so dünn wie die Löcher
anfangs tief waren oder noch ein wenig dünner. Zur Stabilisierung
des Wafers bei den Dünnungspro zessen, wie z. B. dem Schleifen,
Nass-Ätzen oder Polieren, wird dieser bevorzugt auf ein
Träger-Substrat reversibel aufgeklebt. Nach dem Rückseiten-Dünnen
wird die erste Stützfolie, z. B. 20a, mit den
bereits darauf hergestellten Elektroden 18a und den strukturierten,
offenen Bereichen 22a in passender Weise angebracht, wie
z. B. aufgeklebt oder auflaminiert. Dann wird diese Folie samt der
porig geätzten Silizium-Folie vom Trägersubstrat
abgelöst und die so freigelegte Seite 12b der Filtermembran 12 mit
der zweiten Elektrodenstruktur bzw. mit der zweiten Stützfolie 20b versehen,
wie z. B. durch Kleben oder Laminieren, wobei die zweite Stützfolie 20b wiederum
bereits mit der darauf hergestellten Elektrodenschicht 18b versehen
sein kann. Die dünne Silizium-Filtermembran ist danach
beidseitig mit einer Stützfolie versehen und somit ausreichend
robust, um einer Montage und dem Betrieb in einem durchgeströmten
Rohr oder Schlauch, wie z. B. 70 in 5, widerstehen
zu können.
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Alternativ
wäre es natürlich auch denkbar, dass die strukturierten
Elektrodenschichten 18a und 18b zumindest teilweise
auch direkt auf der Silizium-Membran aufgebracht sind. Insbesondere
könnte eine der beiden Stützfolien 20a und 20b fehlen.
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Ferner
wäre es möglich, dass die Filtermembran 12 eine
polymere Filtermembran ist. Mögliche Materialien für
die Filtermembran 12 wären dann Polyamid, Polyethylen,
Polyimid, Polysulfonamid, Polypropylen usw. In diesem Fall würde
die Polymermembran 12 zwischen eine obere und eine untere
Folie 20a, 20b mit den Elektrodenschichten 18a und 18b einlaminiert
werden können.
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Die
obigen Ausführungsbeispiele zeigten folglich eine Kombination
eines Mikrofilters mit einer elektrischen Messung zur Detektion
des Filterzustands. Gemäß Ausführungsbeispielen
würde eine Messung der elektrischen Eigenschaft eines Mediums
direkt vor und/oder nach einer Filtermembran durch geführt
und vorzugsweise die Messwerte miteinander verglichen werden. Die
Ausführungsbeispiele besitzen dabei verschiedene Vorteile,
zu denen u. a. die folgenden gehören. Mittels der elektrischen
Messung kann der Filterzustand kontinuierlich überwacht
werden. Sehr kleine Mengen an Inhaltsstoffen werden von dem Filter
angesammelt und sind dann messtechnisch erfassbar. Ein erforderlicher Austausch
des Filters kann also im eingebauten Zustand bzw. selbst erkannt
werden. Ein unnötiges Austauschen wird somit vermieden.
Die insbesondere Bezug nehmend auf 3 und 4 beschriebene Möglichkeit
der parallelen Messung an dem Medium vor und hinter den Fluidfiltern
eliminiert viele mögliche Messfehler, wie z. B. eine Veränderung
des Messsignals aufgrund von Temperaturänderung oder einer Änderung
der Zusammensetzung des Mediums. Vorteilhaft ist auch, dass die
Filtermembran kostengünstig in Folientechnik realisierbar
ist. Da das Material der Filtermembran zudem grundsätzlich
frei wählbar ist, kann sie auch aus Silizium hergestellt werden,
was wiederum biologisch neutral ist, d. h. den Zustand von lebenden
Zellen nicht zerstört. Somit sind die oben beschriebenen
Ausführungsbeispiele auch für den Einsatz in dem
Zusammenhang mit der Filterung lebender Zellen geeignet. Das Hintereinanderschalten
mehrerer solcher Filterelemente bzw. Fluidfilter mit jeweils abnehmender
Porengröße d (vgl. 1) in Fließrichtung 74 (vgl. 5)
von Filter zu Filter ermöglicht zudem das Sortieren von
Inhaltsstoffen eines Mediums in Abhängigkeit von der Teilchengröße.
Auf diese Weise könnte auch eine Sortierung von Zellen
erzielt werden, wobei die abschnittsweise gefilterten Zellen weiterhin
nutzbar bleiben würden. Die elektrische Messung könnte auch
dazu genutzt werden, um unterschiedliche Inhaltsstoffe zu detektieren
bzw. unterschiedliche Zelltypen zu unterscheiden und zu erkennen,
wie es im Vorhergehenden bereits erwähnt wurde.
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Die
obigen Ausführungsbeispiele sind somit insbesondere anwendbar
bei der Sterilfiltration, beim Sortieren von Zellen in Flüssigkeiten,
zum Nachweis von Keimen in Luftversor gungseinrichtungen, in der Trinkwasserkontrolle,
der Produktionsüberwachung bei der Herstellung von Milch,
Wein, Bier, Säften oder anderen flüssigen oder
fließfähigen Nahrungsmitteln usw.
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In
anderen Worten ausgedrückt, beschreiben obige Ausführungsbeispiele
u. a. eine Vorrichtung zum Selektieren und Detektieren von organischen
oder anorganischen Teilchen oder Organismen aus einer Flüssigkeits-
oder Gasströmung, wobei in unmittelbarer Nähe
vor und wahlweise auch hinter einem Filterelement eine elektrische
Messung ausgeführt wird, die eine Änderung der
dielektrischen Eigenschaften des durchströmenden Mediums
nachweist. Optional kann auf beiden Seiten der Filtermembran eine
Elektrodenstruktur aufgebracht sein, an der ein elektrisches Potenzial
angelegt werden kann. Das an den Elektroden angelegte Potenzial kann
elektrische Feldlinien erzeugen, die den Bereich oberhalb und unterhalb
der Filtermembran durchdringen. Das elektrische Potenzial kann allerdings
auch zwischen einer Elektrode vor dem Filter und der leitfähigen
Filtermembran selbst angelegt werden. Die elektrische Messung an
den Elektroden kann eine Impedanzmessung bei einer vorbestimmten
Frequenz umfassen. Die elektrische Messung an den Elektroden kann
zusätzlich oder alternativ eine ohmsche Leitfähigkeitsmessung
umfassen. Wiederum zusätzlich oder alternativ kann eine
elektrochemische Messmethode zur elektrischen Messung an den Elektroden
eingesetzt werden, wie z. B. die Erfassung eines Cyclovoltagramms,
das Durchführen eines Differentialprüfverfahrens,
das Durchführen einer elektrochemischen Impedanzmessung
usw. Die elektrische Messung könnte aber zusätzlich
oder alternativ eine Kapazitätsmessung umfassen. Die elektrischen
Messungen können dabei insbesondere als Zeitreihe ausgeführt
werden, wobei eine Auswertung mit multivariaten Verfahren möglich
ist. Die elektrische Messung wird dann genutzt, um einen Belag oder
eine Verstopfung vor dem Filter zu detektieren. Die elektrische
Messung kann auch genutzt werden, um Krankheitserreger, biologische
Zellen oder Keime in einem strömenden Medium zu detektieren.
Die elektrische Messung kann insbesondere auch dazu genutzt werden,
um Zellen zu unterscheiden. Die zuvor erwähnten offenen
Poren des Filterelements können einen Durchmesser von 0,1 μm
bis 100 μm aufweisen. Die Filtermembran kann, wie es beschrieben worden
ist, aus einem dünnen Siliziumfilm bestehen, der geätzte
Poren aufweist. Dabei kann die Filtermembran durch ein oder mehrere
Stützfolien mit Öffnungen stabilisiert werden.
Das Siliziummaterial der Filtermembran kann hochdotiert sein, so
dass die Filtermembran auch als Elektrode dienen kann. Alternativ
kann die Filtermembran mit einer Metallisierungsschicht versehen
sein, wie z. B. ein mit einer Metallisierungsschicht versehener
Siliziumfilm. Die Filtermembran kann allerdings auch aus einem isolierenden
Material bestehen, wie z. B. ein Polymerfilm sein.
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Insbesondere
wird darauf hingewiesen, dass alternativ zu den oben dargestellten
Ausführungsbeispielen auch die Möglichkeit besteht,
dass nur eine der Hauptseiten der Filtermembran mit einer Elektrodenstruktur
versehen ist und die zuvor erwähnte Messung somit auch
nur auf einer Seite ausgeführt wird, nämlich vorzugsweise
der angeströmten Seite.
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Wie
es im Vorhergehenden erwähnt worden ist, kann die Hintereinanderschaltung
von mehreren zuvor beschriebenen Filterelementen bzw. Fluidfiltern
unterschiedlicher Porengröße dazu genutzt werden,
um Inhaltsstoffe des Mediums zu selektieren. Die Hintereinanderschaltung
von mehreren Filterelementen bzw. Fluidfiltern unterschiedlicher
Porengröße kann dabei ebenfalls genutzt werden,
um biologische Zellen zu selektieren. Die elektrische Messung kann
dazu genutzt werden, unterschiedliche Zelltypen zu erkennen. Durch
Durchleiten von Medien mit speziellen Eigenschaften durch die zuvor
beschriebenen Fluidfilter kann eine Differenzierung des Belags auf
dem Filter durchgeführt werden. Dies könnten z.
B. Chemikalien sein, auf die bestimmte Zelltypen spezifisch reagieren
oder mit bestimmten Belägen eine chemische Reaktion durchführen.
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Ein
weitere mögliche Anwendung einer der oben beschriebenen
Fluidfilter ist in 6 gezeigt. Insbesondere zeigt 6 eine
Zellwachstumsvorrichtung, wobei hier wieder der Fluidfilter von 3 stellvertretend
für alle im Vorhergehenden beschriebenen Fluidfilter gezeigt
ist. Der Fluidfilter ist in einem Fluidkanal 70. der Biowachstumsvorrichtung
eingebaut bzw. angeordnet. Der Kanal 70 ist an einem ersten
Ende mit einem Volumen 90 gekoppelt, das mit einer Flüssigkeit 92 gefüllt
ist, in der sich Zellen 76 befinden. Die Zellen schweben
in der Flüssigkeit 92. Der Kanal 70 bildet
einen Abfluss oder einen Ab- und Zufluss für die Flüssigkeit 90.
Zum Bewirken des Abflusses umfasst die Zellwachstumsvorrichtung
eine Pumpe, wie z. B. eine Mikropumpe, 94 und eine Steuereinrichtung 96,
die nicht nur mit der Mikropumpe 94 zur Ansteuerung der
Mikropumpe 94 gekoppelt ist, sondern auch mit den Elektroden
des Fluidfilters, um als die im Vorhergehenden erwähnte
Steuereinrichtung zu fungieren, um die elektrischen Messungen und
die Auswertung derselben durchzuführen, um den Verstopfungsgrad
und/oder die Bestimmung des Vitalzustands der in dem Fluidfilter
hängen gebliebenen Zellen 76 durchzuführen.
Ggf. weist die Zellwachstumsvorrichtung ferner eine Nachströmungsöffnung 98 auf,
durch die beim Abfließen der Flüssigkeit 92 entweder
die gleiche oder eine Ersatzflüssigkeit 100 nachströmen
kann. Die Steuereinrichtung 96 steuert nun die Pumpe 94 und
die Elektroden des Fluidfilters folgendermaßen an. Die
Zellen 76 schweben in dem Volumen 92 in der Flüssigkeit 92, um
dort zu wachsen. Die Steuereinrichtung 96 steuert nun die
Pumpe 94 intermittierend so an, dass die Flüssigkeit 92 durch
den Kanal 70 abfließt und dabei durch den Fluidfilter
strömt, der sich vorzugsweise zusammen mit der Pumpe 94 in
dem Kanal 70 befindet, und zwar vorzugsweise – aber
nicht zwingend – zwischen Pumpe 94 und Volumen 92.
Um nun die Menge oder die Vitalfunktionen der Zellen elektrisch zu
erkennen, veranlasst die Steuereinrichtung intermittierend, dass
die Flüssigkeit 92 aus dem Volumen bzw. der Kammer 92 gepumpt
wird, so dass die Zellen von dem Fluidfilter her ausgefiltert werden
und einer der oben genannten elektrischen Messungen mit einer der
oben genannten Auswertungen unterzogen werden können, so
dass die Steuereinrichtung 96 beispielsweise anhand der
elektrischen Messungen feststellen kann, wie viel Zellen gewachsen
sind und wie die Vitalfunktion derselben ist. Die Steuereinrichtung 96 schaltet
dann den Durchströmungsvorgang bzw. die Pumpe 94 wieder
ab und beendet die elektrische Messung, so dass die Zellen 76 wieder
gemütlich in der Kammer 90 weiterwachsen können. Optional
kann die Pumpe 94 nicht nur unidirektional, sondern auch
bidirektional arbeiten, so dass anstelle des Ausschaltens die Steuereinrichtung 96 auch kurzzeitig
ein Zurückströmen durch den Kanal 70 in die
Kammer 90 veranlassen könnte, so dass die herausgefilterten
Zellen 76 leichter wieder in die Kammer 90 zurückkehren
können. In anderen Worten ausgedrückt, ermöglicht
die Zellwachstumsvorrichtung von 6 ein gesteuertes
Ein- und Ausschalten eines Mediumstromes zur Messung mit einem Fluidfilter,
um einen Wachstumsvorgang von Zellen 76 in einer Kammer 90 zu
ermöglichen. Die Kammer 90, der Kanal 70 und
die Öffnung 98 können auch durch Teile
ein und desselben Kanals gebildet sein. Ferner ist kann die in 6 eingezeichnete
Grenzfläche zwischen Flüssigkeit 92 und
Ausgleichsfluid fehlen, wenn beispielsweise ein und dieselbe Flüssigkeit
immer in einer Richtung durch die Kammer 90 geleitet wird.
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Ferner
wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die vorhergehenden Ausführungsbeispiele
jeweils eine Filtermembran aus Silizium oder Polymer zeigten, die
oben oder oben und unten mit jeweils einer polymeren Deckfolie versehen
war, die eine strukturierte Elektrodenschicht trägt, können
verschiedene Variationen durchgeführt werden, die im Vorhergehenden
nicht explizit beschrieben worden sind. Beispielsweise ist es möglich,
dass nur ein Abschnitt 24a vorgesehen ist bzw. nur ein
Paar von einander gegenüber liegenden Abschnitten 24a,
b.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1194216
B1 [0005]
- - WO 2007/140752 A1 [0005]
- - WO 91/03312 A1 [0005]