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Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Verhinderung von biologischen Kulturen auf mechanischen Prozess-Verbindungen, Dichtungen, Messsensoren und deren direkten Umgebungen (um).
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Stand der Technik
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Sensoren in der industriellen Meßtechnik unterliegen chemischen und biologischen Verschmutzungen. Diese haben direkte und indirekte Auswirkungen auf die Hygiene im speziellen der Pharma-, der Wasser- und der Lebensmittelindustrie. Die Sensorik muss aufwendig manuell oder automatisch, chemisch oder thermisch gereinigt und sterilisiert werden um den Hygieneanforderungen gerecht zu werden. Weiterhin können Produktionsprozesse, speziell in der Lebensmittelindustrie, durch unerwünschte Bakterienaktivitäten gestört werden. Dies kann zur Unverkäuflichkeit eines Produktes führen. Hierzu zählen die Flansche, deren Dichtungen und andere mechanische Prozess-Verbindungen die die Sensoren an die Prozessströme koppeln.
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UV Strahlung behindert Bakterien, Pilze, Hefen und Viren in Ausbildung von Biotopen, in ihrer Reproduzierbarkeit und Siedlungsfähigkeit. Diese Biotope werden ursächlich meistens von Bakterien begründet, weil sich diese über Bakterienkleber an Festkörpern andocken können. Die Reaktion vieler Bakterien, auf UV Licht, ist ein Wegbewegen von der Lichtquelle, die sogenannte negative Phototaxis.
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Phototaxis ist eine entscheidende Fähigkeit der Bakterien sich gezielt habitären Bereichen ihres Biotops zu nähern. Bakterien reagieren genau wie andere Organismen auf Reizsignale. Sie orientieren sich durch Photorezeptoren, unter anderen, in ihrem Biotop. Lebenswerte Regionen zeichnen sich durch grün/gelb Farben aus. Sie sind demzufolge auch nährstoffreicher. Sie „schwimmen/taumeln usw.” in diese Richtung. Deshalb ist es auch wichtig empfindliche Lebensmittel vor Lichteinwirkungen zu schützen, um ihre Haltbarkeit zu gewährleisten.
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Blaues Licht und hohe Lichtintensitäten führen dagegen zu (fluchtartigen) Ausweichbewegungen und/oder zu Sporulierung der Zellen = (Inaktivierung-Überlebenstaktik).
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Hohe Leuchtdichten verstimmen die chemisch-biologischen Stoffwechselfunktionen der Zellen.
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Für die Mikroorganismen bedeutet dieses in Bezug zu einer blau erleuchteten Analysen-Sensorik: Hier ist es giftig, für meine DNS/Plasma/Zellwände und Stoffwechselfunktionen schädlich.
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Hohe Lichtdichten behindern biologische Kulturen in ihrem Bestreben „Lebensgemeinschaften” zu bilden.
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Kurze Einschaltdauer/Impulse führen bei LEDs/SMDs zur erhöhten Energieausbeute ohne die Lebensdauer wesentlich zu verkürzen.
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LEDs/SMDs emittieren, in Abhängigkeit ihres Herstellungsprozesses und Daten, ein unterschiedliches Wellenspektrum. Das Spektrum einer LED weißt eine bestimmte Peak-Wellenlänge auf, wobei die Halbwerts-Breite typischerweise einige 10 Nanometer beträgt.
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Die Peak-Wellenlänge ist eine Kenngröße, die sich in den Datenblättern von LEDs finden lässt. Für den praktischen Einsatz hat die Peak-Wellenlänge generell jedoch eine geringe Bedeutung, da beispielsweise LEDs eine gleiche Peak-Wellenlänge, jedoch unterschiedliche Farbwirkung aufweisen können. Deshalb werden SMDs in sogenannte „bins” eingeteilt, die den unterschiedlichen Peak-Wellenlängen und deren Farbmischung gerecht werden.
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Optisches PTFE besteht aus reinem Polytetrafluorethylen (PTFE). Durch dessen unvergleichliches Weiß und die Reinheit erreicht das optische PTFE ein nahezu ideales Lambert'sches Reflexionsverhalten bei einem Reflexionsgrad von bis zu 98% in dem erfindungsgemäßen breiten Wellenlängenbereich von 350 bis 500 nm. Das spezielle Herstellungsverfahren, das isostatische Verdichten des Ausgangsmaterials, gewährleistet dabei eine absolut diffuse Reflexion über die gesamte Bauteiloberfläche hinweg. Daneben verleihen die ausgezeichneten Eigenschaften des PTFE, wie die hohe thermische Stabilität von –200°C bis +260°C und die UV-Beständigkeit, den Bauteilen Schutz vor Verfärbung und Versprödung. Dies garantiert eine dauerhafte Formstabilität und Funktionalität über eine lange Lebensdauer. Damit ist weißes PTFE oder auch optisches PTFE, als ein diffuser Werkstoff, ideal für die erfindungsgemäße Lichtwellenleitung. Das eingespeiste UV-Licht ist dadurch, dass es meistens in absolut dunklen Prozessabläufen wie Behälter und Rohrleitungen hineinscheint, noch effektiver, da beim Durchscheinen der Bakterienzelle deren Stoffwechselaktivitäten gestört wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Die technische Umsetzung, einer den Messsensor umfassenden Bestrahlungseinrichtung, zum Zwecke der „sanften” Preventation, über angeregte negative Phototaxis und Photonensteuerung (Lichtintensität).
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Es handelt sich um ein (biozides) „Abwehrsystem” ähnlich einem „Elektroweidezaun”. Dieses dient, die vitalen Sensoroberflächen und deren Anschlusselemente, wie Gewinde, Flansche und Dichtungen frei von Bakterien, deren Kleber und in Folge ihrer Reproduzierbarkeit und ihren Ausscheidungen zu halten. Die Bakterien werden dabei nicht zerstört oder geschädigt. Vielmehr signalisieren die illuminierten Oberflächen „schlechtere Lebensbedingungen” an vorhandene Biologie.
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Durch die Lichteinwirkungen können z. Bsp. Druck-, Temperatur-, Niveau-, Durchfluss-, und analytische Sensoren bei denen es zu „biofouling” Einflüssen kommt, durch die Lichteinwirkung, frei von biologischer Besiedlung gehalten werden. Damit kommt es zu einer erheblichen Reduzierung der biologischen Aktivitäten wodurch sich eine erheblich verbesserte Prozesshygiene einstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes Gerät zur Verhinderung von Biotopen auf industriellen analytischen und auch anderen messtechnischen Sensoren zu entwickeln, das vorhandener Biologie vortäuscht, diese Messtechnik, diese Dichtung oder dieser Siedlungsbereich ist „lebensfeindlich” und eignet sich nicht eine Lebensgemeinschaft auszubilden.
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Ein nicht Besiedeln, der oben genannten Art, führt zu besseren sanitären Verhältnissen im Prozessanschlussbereich und den Oberflächen dieser Sensoren. Rücksprünge, Tot-Zonen und Dichtungen werden effektiv, durch sichtbares UV-Licht, ausgeleuchtet.
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Konzentriertes UV-Blaulicht/„Schwarzlicht” und Weißlicht löst negative Phototaxis bei Bakterien aus.
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Hohe Lichtintensitäten lösen negative Phototaxis und Stoffwechselstörungen bei Bakterien aus.
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Die erfinderische Leistung wird wie folgt, begründet:
Das Andocken der Bakterien über Pili(-Protein)/Fimbrien) an die Oberflächenstrukturen der industriellen Sensoren, über Bakterienkleber (Glukose-ketten, Polysaccharide), in Folge Verkleben derselben, zu erkennen. Die konventionelle, praktizierte chemische- und thermische Reinigung (CIP = cleaning in process) als weiteren Verursacher mit anschließenden, verbesserten Bakterienbewuchs, „Mikro-Karamellisieren” (thermisch) des Klebers und dadurch deutlich verschlechterte Hygienebedingungen, auszumachen.
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Blaues, sichtbares UV und „Weiß” Licht sowie gepulstes Licht der vorgenannten Art, zur umfassenden Lösung dieses „Bakterien-Problems” vorzuschlagen. Kontaktloses Einleiten der Lichtenergie durch weiße oder optische PTFE Adapter sowie eines PTFE Lichtträgers, vorzuschlagen.
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Durch ein gepulste „LED/SMD-Licht” ergeben sich „Energiespitzen” die um ein vielfaches höher liegen, als dem einer dauerhaft eingeschalteten LED. Auch dadurch wird die Andockfähigkeit (Adhäsine) der Bakterien im Bereich der Strahlung, also z. Bsp. der Gewindegänge, der Dichtungen, der Flansche und der Schraubdurchführungen, erheblich reduziert.
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Lösung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird bei dem Gerät zur Verhinderung von biologischem Bewuchs auf messtechnischen Sensoren – Lichtflansch – zur „Signalisierung” der Lebensfeindlichkeit an biologische Zellkulturen, der eingangs genannten Art, erfindungsgemäß dadurch gelöst, das LEDs oder SMDs, die in optisches oder virginales, weißes PTFE eingebaut sind, welches die Sensoren Adapter (12) umfasst, mit mindestens 4 unterschiedlichen Wellenlängen und Weiß-Licht, hoher Lichtdichte, vorzuschlagen um möglichst viele biologische Arten mit dem zur Verfügung stehenden Lichtspektrum von 380 nm bis 500 nm zur negativen Phototaxis zu bewegen. Dies geschieht durch Photonenenergie-verstärkung der getakteten Lichtquelle (Impulsspitzen) und Breitbanderzeugung (mehrere Peak-Wellenlängen und deren Nebenwellenlängen) zur Abschreckung unterschiedlichster Bakterienkulturen.
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Weiterhin sorgt die erfindungsgemäße PTFE Abdichtung des Lichtflansches (8) dafür, dass sich keine Verschmutzungen zwischen Einschweißadapter (13) und Lichtflansch (0) ausbilden können.
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Die gepulste Blau-Weiß-Lichtbestrahlung kann kontinuierlich im Einsatz bleiben, da die Biologie nicht abgetötet oder geschädigt wird. Dies ist besonders wichtig für biologisch sensitive Prozesse (z. Bsp. Käseherstellung). Auch ein kontinuierliches Rauf- und Runterfahren (Dimmen) der Lichtenergie ist genauso denkbar wie Zeiten des Abschaltens der Lichtenergie, gefolgt von einem gepulsten Verlauf. Dieses hätte den Vorteil die technische Lebensdauer der Lichtquellen zu erhöhen. Diese liegt bei Hochleistungs-SMDs bei ca. 50.000 Stunden, ließe sich aber über die eingangs erwähnte Maßnahme mindestens verdoppeln.
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Die Technik ist mit z. Bsp. allen Sensoren mit Schraubgewinde anwendbar, da die eigentliche Messung und die Sensorik nicht gestört wird.
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Hierzu sollen LED Module (SMDs) verwendet werden, da diese über ein exzellentes Energie/Leistungsverhältnis verfügen. Zudem verfügen sie über hohe technische Standzeiten, Leuchtdichten und bauen sehr klein. Mit sehr kurzen Schaltspitzen (Impulsen) lassen sich Leistungserhöhungen der Lichtdichte erzielen. Die mindestens fünf Leucht-Pads werden über eine Impulselektronik, einer nach dem anderen, angesteuert. Die Impulsdauer wird ca. 25 ms/SMD betragen. Die Wartezeit ebenfalls 25 ms. Dadurch ergeben sich 5 Umläufe/Sekunde. Durch dieses „Lauflicht” kommt es zu keinen Frequenzüberschneidungen. Jedoch können, durch eine zufällige Ansteuerung der SMDs, sich ändernde Lichtmuster abgestrahlt werden, um damit die Effektivität des Bauteils zu erhöhen und möglichst viele Bakterienarten vom Besiedeln abzuhalten.
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Die Lichtimpulse können auch nach dem Zufallsprinzip generiert werden, sodass sich keine angepasste Biologie ausbilden kann. Die korrekte Funktion der SMDs kann durch lichtempfindliche Dioden (9) überwacht werden um die Anlagensicherheit zu erhöhen. Im Störfall kann also ein Störmeldesignal erzeugt werden.
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Erfindungsgemäß kann der Lichtdeckflansch laut 1 erstellt werden. Es nutzt die mindestens fünf SMD-Lichtquellen (3, 4, 5, 6, 7), in Form eines Lauflichtes/Zufallsgenerators (2) nacheinander zur Generierung von vier unterschiedlichen Wellenlängen und Weiß-Licht(-Mischwellenlänge), um ein Breitbandspektrum zu erzeugen das möglichst viele biologische Arten von der Besiedelung, der Messtechnik und dessen Umgebung, abhält.
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Erfindungsgemäß hat man mit nur einer Impulselektronik (2) ein 5-stufiges Lichtmodul erstellt. Die unterschiedlichen Wellenlängen und hohen Leuchtdichte regen unterschiedliche Bakterien zur negativen Phototaxis an. Das durchdringende Weißlicht führt zu biochemischen Reaktionen in den Zellmembranen, und reduziert die Andockfähigkeit, und Bereitschaft zur Reproduktion, der Bakterien, erheblich.
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Die fünf Leuchtpads (3, 4, 5, 6, 7) sind in optisches oder weißes PTFE eingebaut. Idealerweise wird die Impulselektronik (2) miniaturisiert und mit in den Lichtdeckflansch implementiert, jedoch könnte sie auch extern betrieben werden. So zum Beispiel als Teil des Anschlusskabels (1), Teil eines Transmitters oder aber komplett autark, eingebaut in ein separates Feldgehäuse. Es besteht die Möglichkeit über einen RF Wireless Controller-Einheit unterschiedlichste Beleuchtungsprogramme abzufragen. Damit kann der Nutzer die Beleuchtungssequenz sowie die Lichtintensität seinen Anforderungen gemäß, anpassen.
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Beispielhaft, nach 1, wird der Lichtdeckflansch nach dem Stand der Technik den Maßen auf DN65/DRD Flanschkonzept angepasst. In dem oberen metallischen Deck-Flanschmodul (0), welches vorzugsweise aus hochwertigem Edelstahl ausgeführt wird, sind auch der Kabelanschluss (1), für die 24 V Spannungsversorgung und das Störmeldesignal der integralen Steuerelektronik (2) vorgesehen. Das Kabel (1) wird als freies Kabelende ausgeführt, um den Lichtflansch (3) flexibel und störungsfrei einbauen zu können. Das Kabel (1) wird mit einem mechanischen Schutz (1a) und Knickschutz (1b) vor Beschädigungen geschützt.
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Der zweite, untere Teil des Deckflansches, (2) wird aus optischem oder weißem PTFE gefertigt und deckt die SMDs (3, 4, 5, 6, 7) ab. Die Impulselektronik (2) kann ebenfalls in den Deckflansch (0) eingebaut werden und durch das PTFE Untermodul (8) abgedeckt werden. Weiterhin dient dieses Modul (2) der Abdichtung des Deckflansches gegen den Schweißflansch (3). Das optische PTFE vergleichmäßigt die punktuell eingespeiste Lichtenergie der SMDs und leitet diese kontaktlos über die PTFE Unterflansch (8) über die PTFE Adapter (12) um die messtechnischen Sensorgewinde herum, da diese ihrerseits in PTFE Adaptermodule (12) eingebaut sind. Dies ist wichtig, da nunmehr alle vorhandenen Tot-Räume mit dem gepulsten UV/Blaulicht sowie Weißlicht, schattenfrei ausgeleuchtet werden. Aus diesem Grund werden die Bakterien daran gehindert, sich in diesen Nischen festzusetzen. Wenn sich keine Bakterien festsetzen können, wird sich auch kein Biotop ausgebildet werden können.
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Mit mindestens vier Innensechskantschrauben (14), sowie Unterlegscheiben, wird der zusammengebaute Lichtflansch (3) auf das Schweißmodul (13) festgeschraubt. Sobald der Lichtflansch (3) auf dem Schweißflansch (13) mechanisch aufsetzt, ist der benetzte und nicht benetzte Abdichtvorgang abgeschlossen. Es gibt zwischen Lichtflansch (0, 8) und Schweißflansch (13), im Gegensatz zu anderen Flanschsystemen, keinen Tot-Raum mehr, der sich mit Staub, Produkt-Rückständen oder ähnlichem füllen kann. Sogar die Schraubendurchführungen und der Dichtflansch (8) werden über die SMDs zuverlässig mit ausgeleuchtet. Dieses führt dazu, dass sich das System, auch im nicht benetzten Außenbereich hygienischer und sanitärer darstellt. Die Lichtstrahlung welche sich im Dichtungsbereich der Adaptergewinde (12) in Richtung Sensor einstellt, hält diesen Bereich ebenfalls keimreduziert bzw. keimfrei. Das gesamte System ist unabhängig von Sensorherstellern, da diese regelmäßig standardisierte Schraubgewinde anbieten, und diese in das Lichtmodul (12) eingebaut werden können.
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Die Hersteller liefern ½'', ¾'', 1'', 1¼'' sowie 1½'' Gewindeanschlüsse, welche in den Lichtflansch eingebaut werden können. Spezielle Gewinde wie zum Beispiel PG-Gewinde lassen sich ebenfalls einbauen. Der Nutzer hat damit einen hohen Freiheitsgrad und kann den Lichtflansch (3) an seine technischen Erfordernisse anpassen.
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Damit kann ein Anwender seine Sensorik sehr gut standardisieren und mit dem „Lichtflansch” (3) optimal vor inneren und äußeren Biotopen schützen. Dieses verbessert die Hygiene in zum Beispiel pharmazeutischen Anlagen, Lebensmittelanlagen und Wasseranlagen erheblich.
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Erfindungsgemäß dient also das gepulste DV Licht, welches durch das Ausnutzen des idealen Lambert'schen Reflexionsverhaltens des optische PTFEs, an den Sensor übertragen wird, der Hygiene in Pharmazeutischen-, Lebensmittel- und Wasseranlagen. Die von dem Lichtflansch (0, 8) als „Lichtleiter” genutzten PTFE Adaptern (12) führt somit den messtechnisch relevanten Teilen die unterschiedlichen Lichtenergien/Wellenlängen, in schneller Folge, zu. Hierbei ist es von Vorteil, dass jede Kante, jede Änderung der Geometrie des diffusen PTFE's zur Lichtstreuungen beitragen kann und auf dem Sensor zu entsprechenden Reflexionen führt. Damit ist gewährleistet, dass im direkten Sensorumfeld und dessen Dichtungssystems, eine Siedlung von Bakterien sicher verhindert wird.
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Auch Sensoren und Ventile, die über PTFE-Liner verfügen, könnten mit dieser Methode hinterleuchtet werden und würden damit hygienischer. Beispielhaft dafür stehen magnetische Durchflussmessgeräte, Leitfähigkeitssensoren, 02 Sensoren sowie Klappen- und Membranventile. Hierbei kann der Lichtflansch als Zwischenbauteil in Rohrleitungen eingebaut werden.
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Damit wird der Sensor auf der benetzten wie auch nicht benetzten Seite kontinuierlich und/oder verschiedenen Impulsmustern folgend, ausgeleuchtet werden. Der Lichtflansch (0, 8) umschließt erfindungsgemäß messtechnische Geräte, deren Gewinde und vorhandene prozesstechnische „Tot-Räume” werden ausgeleuchtet. Als Zwischenbauteil in Rohrleitungen werden ebenfalls vorhandene prozesstechnische „Tot-Räume” ausgeleuchtet und keimreduziert gehalten.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Ausführungsbeispiel – Fig. 1 –:
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Mehrere, flache (0,25 mm) UV-LED–+ (weißen) „Power-SMDs” (3, 4, 5, 6), die Betriebstemperaturen bis 130°C zulassen können, verbunden über eine integrale oder externe Impulseinheit (2), stellen eine steuerbare Lichtquelle/Lauflicht dar. Diese hohen Temperaturen werden allerdings für den Einsatz des Lichtflansches nicht in Frage kommen, da bei Temperaturen über 100°C kaum mit nennenswerten Biotopen zu rechnen ist. Lediglich die Robustheit soll so gesteigert werden, da biologische Produktionsanlagen teilweise thermisch mit Dampf sterilisiert und gereinigt werden.
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Folgende Hauptwellenlängen (+/–10 nm) werden vorgeschlagen:
- (3) ~ 390 nm (Schwarzlicht)
- (4) ~ 420 nm
- (5) ~ 450 nm
- (6) ~ 475 nm
- (7) Weiss (~ > 7500 K)
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Die Hochleistungs-SMDs (3, 4, 5, 6, 7) und optional kann die Steuerelektronik (2) sowie die Photodioden (9) in dem Lichtflansch eingebaut werden. Das metallische Oberteil kann zur Abführung von entstehender Wärme genutzt werden.
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Der Elektro-Anschluss (1) wird über eine direkte Kabel-Steckverbindung hergestellt werden, wobei das Kabel durch einen metallischen Schutzmantel verfügt, welches sicher mit dem Flansch verklebt wurde. Die Spannungsversorgung liegt zwischen 12 bis 30 VDC.
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Auf Grund der unterschiedlichen Wellenlängen – sichtbares UV Licht (blau) – und Weißlicht, der Einschalthäufigkeit und der Lichtdichte führt dies zu einer negativen Phototaxis von Bakterien, also weg von der Strahlenquelle. Wichtig ist das die Lichtenergie zu niedrig ist, um die Mikrolebewesen zu zerstören oder zu schädigen. Es ist lediglich die Signalwirkung des Lichtes, die die Bakterien davon abhält, auf der Meßsensorik oder deren Umgebung zu siedeln, um ein Biotop zu bilden. Auch Glas- wie auch ISFET-Elektroden, und andere industrielle Sensoren können über dieses Modul von bakteriellen Verunreinigungen freigehalten werden. Die eingebrachten Wellenlängen und Lichtdichten sind ähnlich eines „elektrischen Weidezaun”. Sie zerstören die Biologie nicht. Sie schrecken lediglich ab.
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Vorteile der Erfindung:
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Durch diese Art des Lichtflansches (3) lässt sich, ohne Einsatz von Chemikalien und manueller Reinigung, wie sie z. Bsp. in Brauereien praktiziert werden muss, eine hocheffektive und kontinuierliche „Abschreckung” von biologischen Aktivitäten an industriellen Sensoren, Prozess-Verbindungen und Dichtungen erreichen. Diese Abschreckung schädigt die vorhandene Biologie nicht. Dadurch kommt es zu einer Verbesserung der Hygiene und ggf. Lebenszeitverlängerung der Sensoren, da weniger oft manuell und mechanisch gereinigt werden muss.
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Reinigungen werden weniger oft nötig werden. Vorhandene Tot-Räume werden frei von Bakterien und deren Biotopen gehalten. Pilze, Hefen und Viren haben kaum Chancen in dem Bereich der Lichtquelle zu siedeln, wenn sich keine Bakterien ansetzen konnten.
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Flansch und Dichtungssysteme können von Bakterienwachstum frei gehalten werden und der Lichtflansch (3) leistet damit einen Beitrag zu sanitäreren Produktionsbedingungen.
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In 3 wird in schematischer Darstellung der prinzipielle Auf- und Zusammenbau eines erfindungsgemäßen Lichtflansches dargestellt.
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Die Bedeutung der Bezugszahlen ergibt sich aus der nachfolgenden Bezugszeichenliste.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Metallischer Deckflansch (SMD-Träger) Darstellung von unten *
- 1
- Anschlusskabel *
- 1a
- Kabelanschlussschutz *
- 1b
- Knickschutz *
- 2
- Impulselektronik (Lauflicht ggf. RF-chip) *
- 3
- SMD Pad 1, Wellenlänge 1 *
- 4
- SMD Pad 2, Wellenlänge 2 *
- 5
- SMD Pad 3, Wellenlänge 3 *
- 6
- SMD Pad 4, Wellenlänge 4 *
- 7
- SMD Pad 5, Weißlicht (Mischwellenlänge)*
- 8
- Unterflansch PTFE weiß (virgin/optisch-Lichtwellenleiter) *
- 9
- Photodiode *
- 10
- Metallischer Deckflansch und PTFE Unterflansch zusammengebaut *
- 11
- Flanschdarstellung PTFE Unterflansch *
- 12
- PTFE Adaptermodul
- 13
- Schweißmodul
- 14
- Innensechskantschrauben *
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- * Die Teile die der Erfindung zuzuordnen sind.
