DE102014217342A1 - Mobiles Sensorsystem sowie seine Verwendung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mobiles Sensorsystem, bei dem in einem fluiddicht verschlossenen oder verschließbaren Gehäuse mindestens ein Sensor, ein Elektroenergiespeicher oder ein Energiewandler und ein Element, das zur drahtlosen Übertragung von Messsignalen des mindestens einen Sensors ausgebildet ist, und eine elektronische Schaltung aufgenommen sind. Das Gehäuse weist äußere Abmessungen kleiner 6 mm in alle Richtungen und/oder das Sensorsystem insgesamt eine physikalische Dichte auf, die maximal 5% vom jeweiligen Messmedium abweicht, in dem das Sensorsystem eingesetzt ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein mobiles Sensorsystem und mögliche Verwendungen. Bei der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe oder von Enzymen werden häufig biologische, biotechnologische oder biochemische Prozesse genutzt. Zur Schonung natürlicher Ressourcen und zur Reduzierung des Aufwandes werden dabei auch nachwachsende Rohstoffe genutzt.
  • Dabei genutzte Reaktoren sind häufig nicht als einfache großvolumige Gefäße ausgebildet. Vielmehr handelt es sich um komplexe Gebilde, die in den unterschiedlichsten Formen und Größen genutzt werden. So werden parallelisierte Mikroreaktoren genauso genutzt, wie Röhrenreaktoren, in denen einzelne Röhren, durch die ein Medium strömt, mehrere Meter bis hin zu Kilometern lang sein können.
  • Für die Überwachung und ggf. eine erforderliche Beeinflussung der Prozesse ist es erforderlich, bestimmte Messgrößen zu erfassen. Dafür werden Sonden stationär in einem Reaktor eingebracht und entweder als Stabsonde ausgeführt, die mittels Zugang (Port) in einen Reaktor eingeführt werden, oder als optisch auswertbarer Messsignalaufnehmer an der Gefäßwand fixiert werden. In beiden Fällen ist es nachteilig, dass lediglich eine lokal begrenzte Erfassung von Messwerten erfolgen kann. Da aber innerhalb eines Volumens an verschiedenen Positionen reaktions- oder strömungsbedingt unterschiedliche Verhältnisse gleichzeitig auftreten können, kann diese Art der Messwerterfassung zu Fehlern führen. Außerdem können bestimmte Bereiche innerhalb eines Reaktors, in dem ein Medium (Messmedium) enthalten ist, gar nicht berücksichtigt werden, da dort kein Sensor installiert werden kann oder ist bzw. das Einführen einer Stabsonde dort nicht möglich ist.
  • Für das Einführen von Sonden mit Sensor ist außerdem ein Zugang (Port) erforderlich, der einen erhöhten Aufwand für die Herstellung und Wartung eines Reaktors hervorrufen und ggf. beispielsweise wegen möglicher Undichtheiten ein Sicherheitsrisiko darstellen kann.
  • Ausgehend davon, ist es Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten für eine verbesserte, sicherere Prozessüberwachung in Reaktoren, die insbesondere zur Gewinnung von Wirkstoffen oder Enzymen oder Feinchemikalien genutzt werden, anzugeben.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem mobilen Sensorsystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen mobilen Sensorsystem sind in einem fluiddicht verschlossenen oder verschließbaren Gehäuse mindestens ein Sensor, ein Elektroenergiespeicher oder ein Energiewandler und ein Element, das zur drahtlosen Übertragung von Messsignalen des mindestens einen Sensors ausgebildet ist, und eine elektronische Schaltung aufgenommen. Das Gehäuse weist dabei äußere Abmessungen kleiner 6 mm in alle Richtungen auf. Allein oder zusätzlich dazu soll das Sensorsystem insgesamt eine physikalische Dichte aufweisen, die maximal 5% vom jeweiligen Messmedium abweicht, in dem das Sensorsystem eingesetzt ist. So soll beispielsweise ein Gehäuse einen äußeren Durchmesser von maximal 6 mm aufweisen und bevorzugt noch kleiner sein.
  • Mit einer elektronischen Schaltung beispielsweise einem Mikroprozessor kann insbesondere die Messsignalübertragung gesteuert werden.
  • Ein erfindungsgemäßes Sensorsystem ist in der Lage autark innerhalb eines insbesondere flüssigen Messmediums Messungen an den verschiedensten Positionen durchzuführen, da es sich innerhalb des Messmediums frei bewegen kann, ohne dass eine starre Verbindung, die nach außen aus einem Reaktor geführt ist, erforderlich ist. Es kann beispielsweise mittels einer Strömung innerhalb eines Reaktors mitgeführt und entsprechend bewegt werden. Die Einhaltung einer gesamten Dichte des Sensorsystems in Bezug zur physikalischen Dichte des jeweiligen Messmediums innerhalb des Reaktors führt dazu, dass eine Bewegung infolge der Gravitationskraft nicht auftritt oder die Bewegung dadurch nur unwesentlich beeinflusst wird. So kann beispielsweise ein Absinken auf den Boden eines Reaktors ver- zumindest aber behindert werden. Dies trifft im gegenteiligen Fall auch auf ein Aufschwimmen an die Oberfläche des Messmediums zu.
  • Durch die miniaturisierte Ausführung kann eine Bewegung auch durch schmale enge röhrenförmige Kanäle oder in Ausbuchtungen an der Reaktorwand erreicht und für die Erfassung von Messsignalen auch in solchen kritischen Bereichen genutzt werden.
  • Innerhalb eines Gehäuses kann ein Temperatursensor, ein pH-Sensor, ein Sensor zur Bestimmung der Glukosekonzentration und/oder des Sauerstoffgehalts im Messmedium vorhanden sein. Dabei sollte die Anordnung so gewählt sein, dass insbesondere bei einem pH-Sensor, einem Sensor zur Bestimmung der Glukosekonzentration oder des Sauerstoffgehalts ein sensitiver Bereich mit dem jeweiligen Messmedium für die Messung des jeweiligen Parameters in Kontakt steht. Dazu kann beispielsweise ein Bereich der Gehäusewand aus einem semipermeablen Material bestehen. Es kann aber auch mindestens eine Öffnung im Gehäuse vorhanden sein, über die Messmedium in eine Messkammer, die innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, gelangen und dort der sensitive Bereich mindestens eines Sensors angeordnet ist. Gegenüber dem Rest der im Inneren des Gehäuses angeordneten Elemente sollte die Messkammer fluiddicht abgeschlossen sein. Ein sensitiver Bereich kann aber auch eine Öffnung in der Gehäusewand sein, die mit einem sensitiven Bereich eines Sensors ausgefüllt ist, so dass der sensitive Bereich in Kontakt mit dem Messmedium gebracht werden kann.
  • Als Energiespeicher kann beispielsweise mindestens ein Kondensator, ein Akkumulator oder eine Batterie mit entsprechender Dimensionierung eingesetzt werden.
  • Ein Energiewandler sollte bevorzugt mit piezoelektrischen Elementen gebildet sein. Diese Elemente können mechanische Energie in elektrische Energie wandeln, was bereits allein bei der Bewegung des Sensorsystems erreicht werden kann. Dazu können aber auch allein oder zusätzlich Schallwellen genutzt werden, die von außen durch das Messmedium hindurch emittiert werden können.
  • Für die Energiewandlung kann auch mindestens eine Antenne zum Empfang elektromagnetischer Wellen genutzt werden, wodurch die Energiewandlung infolge elektrischer Induktion erreichbar ist. Hierbei sollte jedoch beachtet werden, dass elektromagnetische Wellen durch das Messmedium gedämpft werden, was den Wirkungsgrad verringern kann. Bei der Nutzung von Schallwellen tritt dieser Effekt in geringerem Maß auf.
  • Die drahtlose Messsignalübertragung kann auch in inverser Form mittels piezoelektrischer Elemente erfolgen und dabei die Messsignale akustisch übertragen werden. Wenn die piezoelektrischen Elemente in geeigneter Form mit elektrischer Spannung beaufschlagt werden. Dazu kann in/an der Reaktorwand mindestens ein Mikrophon oder ein anderer Schalldetektor angeordnet sein.
  • Wie bereits bei der Energieübertragung und -wandlung erläutert, kann die drahtlose Messsignalübertragung auch mit elektromagnetischen Wellen über eine Antenne erfolgen, wobei aus der RFID-Technik bekannte Lösungen genutzt werden können.
  • Die erfindungsgemäßen Sensorsysteme können beispielsweise in folgenden Messmedien eingesetzt werden:
    • – Definierte oder komplexe Medien zur Anzucht von Bakterien
    • – Definierte oder komplexe Medien zur Anzucht von Hefen oder filamentösen Pilzen
    • – Medien zur Anzucht von Säugerzellen
    • – Medien zur Anzucht von Pflanzenzellen.
  • Vorteilhaft sollten neben den eigentlichen Messsignalen möglichst zeitgleich auch die Positionskoordinaten übermittelt werden können. Dadurch kann beispielsweise der Ablauf bzw. der Verlauf chemischer oder biochemischer Reaktionen überwacht werden, wie dies vorteilhaft in einem von Messmedium durchströmten Röhrenreaktor der Fall sein kann. Die so ortsaufgelöste Erfassung von Messsignalen ist auch dann besonders vorteilhaft, wenn mehrere Sensorsysteme gleichzeitig in einem Reaktor genutzt und betrieben werden.
  • Bei dem erfindungsgemäßen System kann eine Einrichtung zur Messsignal übertragung zu mindestens einer stationären Empfangseinheit vorhanden sein. Bei mehreren stationären Empfangseinheiten kann die jeweilige Position, an der gemessen worden ist, mit bestimmt werden.
  • Mit mehreren vorhandenen Sensoren kann eine zeitlich und räumlich aufgelöste Überwachung von zu messenden Parametern erreicht werden.
  • Bei der Erfindung kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass keine nach außen geführte, kabelgestützte Verbindung zur Signalweiterleitung vom Messgrößenaufnehmer zum Messumformer bzw. Messwandler erforderlich ist und ein Sensorsystem sich innerhalb eines Messmediums nahezu frei und ungebunden bewegen kann. Es tritt keine oder zumindest nahezu keine Beeinträchtigung der Prozesse innerhalb eines Reaktors auf. Durch die Möglichkeit mehrfacher Messsignalerfassung bei gleichzeitiger Positionsermittlung und dies insbesondere bei mehreren genutzten Sensorsystemen kann eine statistische Auswertung der Messsignale erfolgen und dadurch können beispielsweise Inhomogenitäten während des Prozesses in einem Reaktor erkannt werden.
  • Die Erfindung kann sowohl zu Forschungs- und Entwicklungszwecken, wie auch für einen industriellen Einsatz genutzt werden.
  • Bei einem erfindungsgemäßen System können in ausreichender Miniaturisierung bereits bekannte Sensoren eingesetzt werden, wobei zur Bestimmung von Konzentrationen auch Fluoreszenz nutzende Sensoren zum Einsatz kommen können.
  • Ein Gehäuse kann aus einem gegenüber dem Messmedium resistenten, dem biotechnologischen bzw. pharmazeutischen Prozess gegenüber inerten Kunststoff, beispielsweise aus PMMA, gebildet sein.
  • Ein Gehäuse kann mit mindestens zwei Teilen gebildet sein, die stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden können, wenn sämtliche für die Funktion erforderlichen Elemente im Inneren aufgenommen worden sind.
  • Bevorzugt ist ein als sphärischer Hohlkörper ausgebildetes Gehäuse.

Claims (10)

  1. Mobiles Sensorsystem, bei dem in einem fluiddicht verschlossenen oder verschließbaren Gehäuse mindestens ein Sensor, ein Elektroenergiespeicher oder ein Energiewandler und ein Element, das zur drahtlosen Übertragung von Messsignalen des mindestens einen Sensors ausgebildet ist, und eine elektronische Schaltung aufgenommen sind, und das Gehäuse äußere Abmessungen kleiner 6 mm in alle Richtungen aufweist und/oder das Sensorsystem insgesamt eine physikalische Dichte aufweist, die maximal 5% vom jeweiligen Messmedium abweicht, in dem das Sensorsystem eingesetzt ist.
  2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor, ein pH-Sensor, ein Sensor zur Bestimmung der Glukosekonzentration und/oder des Sauerstoffgehalts im Messmedium vorhanden ist.
  3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiewandler mit piezoelektrischen Elementen oder eine Antenne zum Empfang elektromagnetischer Wellen ist.
  4. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur drahtlosen Übertragung von Messsignalen ausgebildetes Element mit piezoelektrischen Elementen oder einer Antenne gebildet ist.
  5. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Messsignalübertragung zu mindestens einer stationären Empfangseinheit vorhanden ist.
  6. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gehäusewand mindestens eine Öffnung vorhanden ist, die in eine Messkammer mündet und in der Messkammer oder der Öffnung mindestens ein sensitiver Bereich eines Sensors angeordnet ist.
  7. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Gehäusewand ein sensitiver Bereich, der mit dem jeweiligen Messmedium für die Messung des jeweiligen Parameters in Kontakt steht, vorhanden ist.
  8. Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der sensitive Bereich mit einer semipermeablen Membran gebildet ist.
  9. Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse als sphärischer Hohlkörper ausgebildet ist.
  10. Verwendung mindestens eines Sensors nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Überwachung biologischer oder biochemischer Prozesse in einem ein entsprechendes Messmedium enthaltenden Reaktor.
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