DE102015015816A1 - Sensory device for the optical detection of the particle concentration in suspensions of microscopic particles - Google Patents

Sensory device for the optical detection of the particle concentration in suspensions of microscopic particles Download PDF

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Abstract

Es wird eine sensorische Vorrichtung zur optischen Erfassung der Partikelkonzentration in dichten Suspensionen mikroskopischer Partikeln bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle 1, die einen Photonenfluss durch die Suspension auf einer Transmissionsstrecke erzeugt. Außerdem enthält sie mindestens zwei für die emittierten Photonen empfindliche Photodioden, die an dem Gefäß mit der Suspension so angeordnet sind, dass sie für Teile des emittierten Lichtes erreichbar sind. Die Photodioden unterscheiden sich durch ihre unterschiedliche Position zur Lichtquelle und zur Transmissionsstrecke. Eine der Photodioden, die Referenz-Photodiode 2, ist so angeordnet, dass das von ihr bei der Aktivierung der Lichtquelle gebildete Referenzsignal der Lichtintensität am Anfang der Transmissionsstrecke proportional ist. Die sensorische(n) Photodiode(n) 3 ist/sind so angeordnet, dass das von ihr/ihnen bei der Aktivierung der Lichtquelle gebildete sensorische Signal der Lichtintensität am Ende einer definierten Transmissionsstrecke proportional ist. Zur Erfindung gehören ferner eine elektronische Vorrichtung, welche die Lichtquelle für definierte Zeitintervalle aktiviert und eine elektronische Auswerte-Einheit. Die Auswerte-Einheit zeigt das mit der Partikelkonzentration zunehmende Attenuations-Verhältnis R zwischen dem Referenzsignal und dem im gleichen Zeitintervall erzeugten sensorischen Signal an oder setzt R zur Berechnung eines der Partikelkonzentration proportionalen Parameters ein.A sensory device is provided for optically detecting particle concentration in dense suspensions of microscopic particles. The device comprises a light source 1, which generates a photon flux through the suspension on a transmission path. In addition, it contains at least two photodiodes sensitive to the emitted photons, which are arranged on the vessel with the suspension so that they can be reached for parts of the emitted light. The photodiodes differ by their different position to the light source and the transmission path. One of the photodiodes, the reference photodiode 2, is arranged so that the reference signal formed by it upon activation of the light source is proportional to the light intensity at the beginning of the transmission path. The sensory photodiode (s) 3 is / are arranged such that the sensory signal formed by it upon activation of the light source is proportional to the light intensity at the end of a defined transmission path. The invention further includes an electronic device which activates the light source for defined time intervals and an electronic evaluation unit. The evaluation unit displays the attenuation ratio R increasing with the particle concentration between the reference signal and the sensory signal generated in the same time interval or sets R to calculate a parameter proportional to the particle concentration.

Description

  • Eine häufige Aufgabe in der biotechnologischen Forschung und in der Bioprozesstechnik besteht in der Messung der Zelldichte bzw. Biomassekonzentration. Sie wird üblicherweise entweder durch Messung der Lichtschwächung (Attenuation) durch Streulichtverluste oder durch Erfassung von Streulichtsignalen gelöst. Die beiden genannten optischen Prinzipien besitzen ein breites Anwendungsgebiet in der Messung der Konzentration von mikroskopischen künstlichen oder natürlichen Feststoffpartikeln. Zur Erfassung der Streulichtverluste oder Streulichtsignale wird üblicherweise Licht mit Wellenlängen > 600 nm bzw. infrarotes Licht bis zu einer Wellenlänge von 1000 nm eingesetzt, wodurch die absorptiv bedingte Lichtschwächung und damit der Einfluss der Pigmentierung der Partikeln minimiert wird. Zur optischen Erfassung des Streulichtes oder der Streulichtverluste in Suspensionen von Cyanobakterien oder Mikroalgen muss die Lichtwellenlänge wegen der Absorption des Lichtes durch Chlorophyll > 730 nm sein.A common task in biotechnological research and bioprocess engineering is the measurement of cell density or biomass concentration. It is usually achieved either by measuring the attenuation of light (attenuation) by scattered light losses or by detecting scattered light signals. The two optical principles mentioned have a broad field of application in the measurement of the concentration of microscopic artificial or natural solid particles. Light with wavelengths> 600 nm or infrared light up to a wavelength of 1000 nm is usually used to detect the scattered light losses or scattered light signals, thereby minimizing the absorptively induced light attenuation and thus the influence of the pigmentation of the particles. For optical detection of scattered light or stray light losses in suspensions of cyanobacteria or microalgae, the wavelength of light must be> 730 nm due to the absorption of the light by chlorophyll.
  • Häufig ist es wünschenswert, zur Erfassung der Partikelkonzentration externe Sensoren für die Konzentrationsbestimmung in Reaktions- oder Durchflussgefäßen einzusetzen. Mobile externe Sensoren sind beispielsweise für die Messung des Zuwachses der Konzentration von Mikroorganismen oder Zellen während des Wachstumsverlaufes in Kulturgefäßen vorteilhaft.It is often desirable to use external sensors for determining the concentration in reaction or flow-through vessels for detecting the particle concentration. Mobile external sensors are advantageous, for example, for measuring the increase in the concentration of microorganisms or cells during growth in culture vessels.
  • In neuerer Zeit werden kommerziell erhältliche Geräte zu diesem Zweck eingesetzt, welche die Zellkonzentration nach dem Prinzip der Rückstreuung eines eingestrahlten Lichtimpulses durch eine oder mehrere Photodioden erfassen und einen breiten Bereich der Partikelkonzentration abdecken. Da die Partikelkonzentration durch eine komplexe Analyse mehrerer Streulichtintensitäten berechnet wird, ergibt sich für diese Geräte neben einer gewissen Anfälligkeit gegen Störfaktoren wie die Variation der Gefäßwandstärke und die Lichtbrechung an den Gefäßwänden die Notwendigkeit komplizierte Eichprozeduren.Recently, commercially available devices are used for this purpose, which detect the cell concentration according to the principle of backscattering of an incident light pulse by one or more photodiodes and cover a wide range of particle concentration. Since the particle concentration is calculated by a complex analysis of several scattered light intensities, these devices are subject to a certain susceptibility to disturbing factors such as the variation of the vessel wall thickness and the refraction of light on the vessel walls, the need for complicated calibration procedures.
  • Während das Prinzip der Messung von multiplen Streulichtintensitäten mit externen sensorischen Vorrichtungen ( US 6573991 B1 , US 8405033B2 , US 8603772B2 ), auch in Kombination mit Durchlichtmessungen ( US 4193 692 ) für einen sehr breiten Konzentrationsbereich der lichtstreuenden Partikeln einsetzbar ist, werden gegenwärtig Messungen des Streulichtverlustes bei der Transmission des Lichtes durch eine Suspension zur Konzentrationsmessung mit externen Sensoren nur in dem sehr begrenzten Bereich der Partikelkonzentration, bei dem die optische Dichte stark von der Partikelkonzentration abhängt, durchgeführt. Bei der Photometrie gefärbter Lösungen wird der Terminus optische Dichte (OD) als Synonym für die Extinktion E (den negativen dekadischen Logarithmus der Durchlässigkeit) benutzt. Bei echten Lösungen eines lichtabsorbierenden Absorbens ist E ein geeignetes Maß für die Konzentration des gelösten Absorbens. Sie ist nach dem Lambert-Beerschen Gesetz der Konzentration des Absorbens proportional. Bei Durchlichtmessungen an Partikelsuspensionen ist jedoch E der Partikelkonzentration in der Suspension nur dann proportional, wenn E einen bestimmten Wert unterschreitet, der von der Partikelgröße abhängt (z. B. 0.25 bei einer Partikelgröße von 1–2 μm). Bei der Messung des Streulichtverlustes in Partikelsuspensionen mit höherer Konzentration C ist es daher üblich, die Suspension zu verdünnen, um eine normierte optische Dichte (OD*) im Konzentrationsbereich der linearen Beziehung zwischen E und C durch Messung des Streulichtverlustes in einer Durchlichtmessung zu bestimmen (Myers J, Curtis, BS, Curtis WR, 2013, BMC Biophysics 6: 4, 1–15). Die hierdurch normierte optische Dichte (OD*) ergibt sich dann als Produkt des Verdünnungsfaktors mit dem Messwert. OD* ist der Partikelkonzentration oder Biomassekonzentration auch in sehr dichten Suspensionen proportional. Der Zeitverlauf der OD*-Werte spiegelt das mikrobielle Wachstum wider und kann direkt zur Erfassung der spezifischen Wachstumsrate eingesetzt werden. OD* kann nach geeigneter Verdünnung unter Standardbedingungen mit einem Photometer auch für sehr konzentrierte Partikelkonzentrationen oder Mikroorganismenkulturen bestimmt werden. Allerdings erfordert dies die Entnahme von Proben aus dem Kulturgefäß. Die in einem Kulturgefäß mit einem externen optischen Sensor gemessene Extinktion ist zur quantitativen Beschreibung des Wachstums nur bedingt geeignet. Zu ihrer Interpretation muss bei höheren Konzentrationen die nichtlineare Abhängigkeit der Extinktion von der Zelldichte mit Hilfe nichtlinearer Eichkurven berücksichtigt werden. Dies ist nur in einem sehr begrenzten Messbereich sinnvoll. Messwerte der Extinktion > 1,5 bringen die Abhängigkeit des Durchlichtsignals von der Konzentration der lichtstreuenden Partikeln nur in einer sehr unbefriedigenden Weise zum Ausdruck, weil die Relativänderung der Extinktion bei einer Relativänderung der Konzentration C, dEC / dCE , bei hohen Werten von E sehr gering ist. Zur Lösung dieses Problems kann die Transmissionsstrecke bei der Extinktionsmessung stark verkürzt werden (Myers et al., 2013), so dass die Beziehrung zwischen E und C auch bei höheren Zelldichten linear verläuft. Allerdings erfordert dies für jedes Kulturgefäß bzw. jeden zu untersuchenden Ansatz ein hydraulisches System, das die Suspension durch die Messzelle strömen lässt.While the principle of measuring multiple stray light intensities with external sensory devices ( US 6573991 B1 . US 8405033B2 . US 8603772B2 ), also in combination with transmitted light measurements ( US 4,193,692 ) can be used for a very broad concentration range of the light-scattering particles, measurements of scattered light loss in the transmission of light by a suspension for concentration measurement with external sensors are currently only in the very limited range of particle concentration, at which the optical density depends strongly on the particle concentration. carried out. In photometry of colored solutions, the term optical density (OD) is used as a synonym for the extinction E (the negative decadic logarithm of the transmittance). In real solutions of a light-absorbing absorbent, E is a suitable measure of the concentration of the dissolved absorbent. It is proportional to the concentration of the absorbent according to Lambert-Beer's law. In transmitted light measurements on particle suspensions, however, E is proportional to the particle concentration in the suspension only if E falls below a certain value, which depends on the particle size (eg 0.25 with a particle size of 1-2 μm). Therefore, when measuring the scattered light loss in particle suspensions of higher concentration C, it is usual to dilute the suspension to determine a normalized optical density (OD *) in the concentration range of the linear relationship between E and C by measuring the scattered light loss in a transmitted light measurement ( Myers J, Curtis, BS, Curtis WR, 2013, BMC Biophysics 6: 4, 1-15 ). The thus standardized optical density (OD *) then results as the product of the dilution factor with the measured value. OD * is proportional to particle concentration or biomass concentration even in very dense suspensions. The time course of the OD * values reflects microbial growth and can be used directly to capture the specific growth rate. OD *, after suitable dilution under standard conditions with a photometer, can also be determined for very concentrated particle concentrations or microorganism cultures. However, this requires the removal of samples from the culture vessel. The extinction measured in a culture vessel with an external optical sensor is only of limited suitability for the quantitative description of the growth. For their interpretation, at higher concentrations, the nonlinear dependence of the absorbance on the cell density must be taken into account by means of nonlinear calibration curves. This makes sense only in a very limited measuring range. Measurements of the extinction> 1.5 express the dependence of the transmitted light signal on the concentration of the light-scattering particles only in a very unsatisfactory manner, because the relative change in the extinction at a relative change in the concentration C, dEC / dCE , at high values of E is very low. To solve this problem, the transmission distance in the extinction measurement can be greatly shortened ( Myers et al., 2013 ), so that the relationship between E and C is linear even at higher cell densities. However, this requires, for each culture vessel or each approach to be examined, a hydraulic system which allows the suspension to flow through the measurement cell.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer externen sensorischen Vorrichtung auf der Grundlage der Lichtschwächung (Attenuation) durch Streulichtverluste zur Messung der Konzentration suspendierter mikroskopischer Partikeln in abgeschlossenen Gefäßen, beispielsweise von Mikroorganismen in geschüttelten oder gerührten Kulturgefäßen. Die externe sensorische Vorrichtung soll eine Messung der Partikelkonzentrationen bis zu OD*-Werten von 80 ohne Entnahme von Proben oder Verdünnung auf einer relativ langen Transmissionsstrecke von beispielsweise 10 bis 20 mm ermöglichen und damit in der biotechnologischen Forschung und Bioprozesstechnik breit einsetzbar sein. Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine sensorische Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen werden vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt.The object of the invention is to provide an external sensory device based on light attenuation (attenuation) by scattered light losses for measuring the concentration of suspended microscopic Particles in sealed vessels, for example of microorganisms in shaken or stirred culture vessels. The external sensory device should enable a measurement of particle concentrations up to OD * values of 80 without sampling or dilution on a relatively long transmission distance of, for example, 10 to 20 mm and thus be widely used in biotechnology research and bioprocessing. The object of the invention is achieved by a sensory device according to claim 1. In the dependent claims advantageous embodiments of the invention are shown.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) umfasst eine Lichtquelle 1, die einen Photonenfluss auf einer Transmissionsstrecke durch die Suspension erzeugt, sowie mindestens zwei für die emittierten Photonen empfindliche Photodioden 2 und 3. Letztere sind an dem die Suspension enthaltenden Gefäß so angeordnet, dass sie für Teile des emittierten Lichtes erreichbar sind, sich aber durch ihre Position zur Lichtquelle und zur Transmissionsstrecke unterscheiden. Eine der Photodioden, die Referenz-Photodiode 2, erzeugt ein Referenzsignal, welches der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichtes am Anfang der Transmissionsstrecke proportional ist, während das/die durch die sensorische(n) Photodiode(n) erzeugte/n Signal/e der Intensität des emittierten Lichtes am Ende einer definierten Transmissionsstrecke proportional ist/sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner eine elektronische Vorrichtung, welche die Lichtquelle für definierte Zeitintervalle aktiviert und eine elektronische Auswerte-Einheit. Letztere zeigt das mit der Partikelkonzentration zunehmende Attenuations-Verhältnis R = A / B zwischen dem durch Aktivierung der Lichtquelle in einer Referenz-Photodiode erzeugten Signal A und dem im gleichen Zeitintervall in einer sensorischen Photodiode erzeugten Signal B an und/oder setzt dieses Signal zur Berechnung der Partikelkonzentration ein.The device according to the invention ( 1 ) includes a light source 1 which generates a photon flux on a transmission path through the suspension and at least two photodiodes sensitive to the emitted photons 2 and 3 , The latter are arranged on the vessel containing the suspension so that they can be reached for parts of the emitted light, but differ in their position relative to the light source and to the transmission path. One of the photodiodes, the reference photodiode 2 , generates a reference signal which is proportional to the intensity of the light emitted by the light source at the beginning of the transmission path, while the signal (s) generated by the sensory photodiode (s) corresponds to the intensity of the emitted light at the end of a defined Transmission path is proportional / are. The device according to the invention further comprises an electronic device which activates the light source for defined time intervals and an electronic evaluation unit. The latter shows the attenuation ratio increasing with the particle concentration R = A / B between the signal A generated by activation of the light source in a reference photodiode and the signal B generated in the same time interval in a sensory photodiode and / or uses this signal to calculate the particle concentration.
  • Das Referenzsignal wird gebildet, wenn die Lichtquelle für ein kurzes Zeitintervall aktiv ist. Zu seiner Erfassung wird ein Teil des von der Lichtquelle ausgehenden Photonenflusses von der Lichtquelle auf die Referenzphotodiode gelenkt, während ein anderer Teil des gleichen Photonenflusses über eine Transmissionsstecke definierter Länge durch die Suspension auf die sensorische Photozelle gelenkt wird. Die Photonen, die von der Referenzphotozelle erfasst werden, nehmen einen Referenzweg, der nicht durch die Suspension oder nur auf einer vergleichsweis kurzen Strecke durch die Suspension führt. Das Referenzsignal entspricht nicht dem bei Photometern üblichen Blindwert, der den Photonenfluss auf der Transmissionsstrecke im partikelfreien transparenten Suspensionsmedium widerspiegelt. Es repräsentiert lediglich einen Anteil der von der Lichtquelle emittierten Photonen, welcher nicht oder in vergleichsweise geringerem Maße als der für das sensorische Signal verantwortliche Anteil von der Partikelkonzentration abhängt.The reference signal is formed when the light source is active for a short time interval. For its detection, part of the photon flux emanating from the light source is directed from the light source to the reference photodiode, while another part of the same photon flux is directed through a suspension of defined length through the suspension onto the sensory photocell. The photons detected by the reference photocell take a reference path that does not pass through the suspension or only a comparatively short distance through the suspension. The reference signal does not correspond to the blank value customary with photometers, which reflects the photon flux on the transmission path in the particle-free transparent suspension medium. It only represents a portion of the photons emitted by the light source, which does not depend on the particle concentration, or does so to a lesser extent than the fraction responsible for the sensory signal.
  • Durch die elektronische Auswerteinheit wird aus den Signalen A und B das Attenuationsverhältnis R = A / B gebildet. Wird R durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung gebildet, ist seine Größe von Variationen in der Stärke der Lichtquelle sowie von Photonen, die nicht von der Lichtquelle stammen, unabhängig. Der Wert R kann daher mit Hilfe von empfindlichen Photodioden auch bei hohen Partikelkonzentrationen sehr genau ermittelt werden, selbst wenn die Lichtintensität am Ende der Transmissionsstrecke einen sehr kleinen Wert erreicht, der zwei bis drei Größenordnungen unter der Lichtintensität am Anfang der Transmissionsstrecke liegt.The electronic evaluation unit turns the signals A and B into the attenuation ratio R = A / B educated. When R is formed by a device according to the invention, its size is independent of variations in the intensity of the light source as well as photons not originating from the light source. The value R can therefore be determined very accurately with the help of sensitive photodiodes even at high particle concentrations, even if the light intensity at the end of the transmission line reaches a very small value, which is two to three orders of magnitude below the light intensity at the beginning of the transmission line.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der von der Lichtquelle 1 ausgehende Photonenfluss vor dem Eintritt in die Partikelsuspension auf die Referenz-Photodiode 2 gelenkt wird. In diesem Fall ist das an Referenzsignal A unabhängig von der Partikelkonzentration C, während das an der sensorischen Photozelle 3 gebildete sensorische Signal mit zunehmender Partikelkonzentration abnimmt. Daher steigt das Verhältnis zwischen dem Referenzsignal A und dem sensorischen Signal B, das Attenuationsverhältnis Q, mit zunehmender Partikelkonzentration an. Es ist offensichtlich, dass die Relativänderung des Attenuationsverhältnisses bei einer Änderung der Partikelkonzentration ( dQ / dQC) vom Absolutwert des Referenzsignals unabhängig ist. 1 shows an embodiment of the invention, in which the of the light source 1 outgoing photon flux before entering the particle suspension on the reference photodiode 2 is steered. In this case, the reference signal A is independent of the particle concentration C, while that on the sensory photocell 3 formed sensory signal decreases with increasing particle concentration. Therefore, the ratio between the reference signal A and the sensory signal B, the attenuation ratio Q, increases with increasing particle concentration. It is obvious that the relative change of the attenuation ratio with a change of the particle concentration (dQ / dQC) is independent of the absolute value of the reference signal.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher ein Teil des Photonenflusses nach einer vergleichsweise kleinen Wegstrecke in der Suspension durch seitliche Partikelstreuung auf die Referenz-Photodiode gelenkt wird und nach einer vergleichsweise größeren Wegstrecke in der Suspension durch seitliche Partikelstreuung ein anderer Teil auf die sensorische Photozelle trifft. In diesem Fall ist bei ausreichender Partikelkonzentration das Referenzsignal ein Maß für die Lichtintensität nahe der Referenz-Photodiode und das sensorische Signal ein Maß für die Lichtintensität nahe der sensorischen Photodiode. Wegen der zusätzlichen Wegstrecke durch die Suspension wird in diesem Fall das sensorische Signal B stärker durch eine Zunahme der Partikelkonzentration C geschwächt als das Referenzsignal A: dB / BdC > dA / AdC 2 shows an embodiment of the invention, in which a portion of the photon flux is directed to the reference photodiode after a relatively small distance in the suspension by lateral particle scattering and after a comparatively larger distance in the suspension by lateral particle scattering another part of the sensory photocell , In this case, with sufficient particle concentration, the reference signal is a measure of the light intensity near the reference photodiode and the sensory signal is a measure of the light intensity near the sensory photodiode. Because of the additional path through the suspension, in this case the sensory signal B is weakened more strongly by an increase in the particle concentration C than the reference signal A: dB / BdC> dA / AdC
  • Auch in diesem Fall nimmt das Attenuationsverhältnis R = A / B mit zunehmender Partikelkonzentration zu. Die relative Veränderung von R bei einer Änderung der Konzentration ( dR / RdC ) steigt mit der Länge der Transmissionsstrecke. Ergebnisse hierzu werden an anderer Stelle dargestellt. In vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind die Lichtquelle und die Photodioden an einer Halterung mit lichtundurchlässigen Wänden angebracht, die sich an die Gefäße oder Rohre anpassen lassen, in denen sich die Partikelsuspension befinden. Dabei ist es für die Reproduzierbarkeit der Messung vorteilhaft, wenn der Lichtfluss außerhalb des Gefäßes mit der Suspension durch ein transparentes Medium (4, 1) geleitet wird, welches einen ähnlichen Brechungsindex besitzt wie das Medium, in dem die Partikeln suspendiert sind.In this case too, the attenuation ratio decreases R = A / B with increasing particle concentration too. The relative change of R with a change in concentration (dR / RdC ) increases with the length of the transmission path. Results are presented elsewhere. In advantageous Embodiments of the invention, the light source and the photodiodes are mounted on a holder with opaque walls, which can be adapted to the vessels or tubes in which the particle suspension are located. It is advantageous for the reproducibility of the measurement when the light flow outside the vessel with the suspension through a transparent medium ( 4 . 1 ), which has a similar refractive index as the medium in which the particles are suspended.
  • 3 zeigt Messwerte von R in Abhängigkeit von der Partikelkonzentration, die mit Vorrichtungen an verhältnismäßig konzentrierten Suspensionen der Bäckerhefe (Saccharomyces cerevisiae). 3 Fig. 12 shows measured values of R as a function of the particle concentration obtained with devices on relatively concentrated suspensions of baker's yeast (Saccharomyces cerevisiae).
  • 3a zeigt die Funktion R = f(OD*), die sich aus Messwerten der Vorrichtung nach 1 ergibt. 3a shows the function R = f (OD *), which results from measured values of the device 1 results.
  • 3b zeigt die Funktion R = f(OD*) die sich aus Messwerten der Vorrichtung nach 2 ergibt. Der Abstand der sensorischen Photodiode vom Ort des Eintritts der emittierten Strahlung in die Suspension bzw. der Abstand zwischen den sensorischen Photodiode von der Referenz-Photodiode betrug etwa 10 mm. Die starke und stetige Abhängigkeit des Attenuationsverhältnisses R von OD* ermöglicht eine genaue numerische Bestimmung von OD* mit Hilfe einer binomialen Regression. Die Korrelationskoeffizienten entsprechender Regressionen liegen nahe 1. Die relative Steigung ( dOR*R / OD*dR) liegt bei der in 3a dargestellten Funktion im gesamten Eichbereich nahe 1 und bei der in 3b dargestellte Eichfunktion im gesamten Eichbereich nahe 0,5. Die untersuchten erfindungsgemäßen externen Sensoren sind dementsprechend für die genaue Erfassung der Zellkonzentration von Saccharomyces cerevisiae in einem Bereich der OD* von 0 bis 80 (3a) oder 10 bis 80 (3b) geeignet. Entsprechend dem für die Hefesuspensionen durch Erfassung der Trockenmasse bestimmten Umrechnungsfaktor (Myers et al. 2013) können sie für genaue Bestimmungen der Biomassekonzentration bis zu mindestens 50 g Trockenmasse pro Liter eingesetzt werden. Die in 2 dargestellte Ausführungsform hat den Vorteil eines besonders einfachen Aufbaus. Wie aus 3b hervorgeht, ist sie im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform (vergl. 3a) für die numerische Erfassung der Biomassekonzentration mit Hilfe der angegebenen Regression erst bei OD* > 10 geeignet. Bei geringeren Konzentrationen (OD* von 0 bis 10) ist eine andere Funktion (hier nicht dargestellt) einzusetzen, welche die Abhängigkeit des Referenzsignals von der Partikelkonzentration berücksichtigt. 3b the function R = f (OD *) is derived from measured values of the device 2 results. The distance of the sensory photodiode from the location of the entry of the emitted radiation into the suspension or the distance between the sensory photodiode of the reference photodiode was about 10 mm. The strong and continuous dependence of the attenuation ratio R on OD * allows an accurate numerical determination of OD * by binomial regression. The correlation coefficients of corresponding regressions are close to 1. The relative slope (dOR * R / OD * dR) lies at the in 3a shown function in the entire calibration range near 1 and at in 3b illustrated calibration function in the entire calibration range near 0.5. The investigated external sensors according to the invention are accordingly for accurate detection of the cell concentration of Saccharomyces cerevisiae in a range of OD * from 0 to 80 ( 3a ) or 10 to 80 ( 3b ) suitable. According to the conversion factor determined for the yeast suspensions by Myers et al. 2013 ) can be used for accurate determination of the biomass concentration up to at least 50 g dry matter per liter. In the 2 illustrated embodiment has the advantage of a particularly simple construction. How out 3b it is different from the one in 1 illustrated embodiment (see. 3a ) for the numerical determination of the biomass concentration with the help of the indicated regression only at OD *> 10 suitable. At lower concentrations (OD * from 0 to 10) another function (not shown here) should be used which takes into account the dependence of the reference signal on the particle concentration.
  • BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
  • 11
    Lichtquellelight source
    22
    Referenz-PhotodiodeReference photodiode
    33
    sensorische Photodiodesensory photodiode
    44
    transparentes Mediumtransparent medium
  • Berücksichtige PatentschriftenConsider patent specifications
  • Zitierte LiteraturQuoted literature
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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  • Zitierte PatentliteraturCited patent literature
    • US 6573991 B1 [0004, 0014] US 6573991 B1 [0004, 0014]
    • US 8405033 B2 [0004, 0014] US 8405033 B2 [0004, 0014]
    • US 8603772 B2 [0004, 0014] US 8603772 B2 [0004, 0014]
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  • Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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Claims (9)

  1. Sensorische Vorrichtung zur optischen Erfassung der Partikelkonzentration in Suspensionen mikroskopischer Partikeln, enthaltend • eine Lichtquelle, die einen Photonenfluss auf einer Transmissionsstrecke durch die Suspension erzeugt, • mindestens zwei für die emittierten Photonen empfindliche Photodioden, die an dem die Suspension enthaltenden Gefäß so angeordnet sind, dass sie für Teile des emittierten Lichtes erreichbar sind, sich aber durch ihre Position zur Lichtquelle und zur Transmissionsstrecke unterscheiden, wobei eine der Photodioden, die Referenz-Photodiode 2, ein Referenzsignal erzeugt, welches der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichtes am Anfang der Transmissionsstrecke proportional ist, während das/die durch die sensorische(n) Photodiode(n) erzeugte/n Signal/e der Intensität des Lichtes am Ende einer Transmissionsstrecke definierter Länge proportional ist/sind. • eine elektronische Vorrichtung, welche die Lichtquelle für definierte Zeitintervalle aktiviert und • eine elektronische Auswerte-Einheit, welche das mit der Partikelkonzentration zunehmende Attenuations-Verhältnis R = A / B zwischen dem durch Aktivierung der Lichtquelle in der Referenz-Photodiode erzeugten Signal A und dem im gleichen Zeitintervall in einer sensorischen Photodiode erzeugten Signal B anzeigt oder zur Berechnung der Partikelkonzentration einsetzt.Sensory device for the optical detection of the particle concentration in suspensions of microscopic particles, comprising • a light source which generates a photon flux on a transmission path through the suspension, • at least two photodiodes sensitive to the emitted photons, which are arranged on the vessel containing the suspension such that They are accessible to parts of the emitted light, but differ by their position to the light source and the transmission path, wherein one of the photodiodes, the reference photodiode 2 , generates a reference signal which is proportional to the intensity of the light emitted by the light source at the beginning of the transmission path, while the signal (s) generated by the sensory photodiode (s) defines the intensity of the light at the end of a transmission path Length is proportional / are. An electronic device which activates the light source for defined time intervals and an electronic evaluation unit, which increases the attenuation ratio which increases with the particle concentration R = A / B between the signal A generated by activating the light source in the reference photodiode and the signal B generated in a sensory photodiode at the same time interval or used to calculate the particle concentration.
  2. Sensorische Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Halterung für die Photodioden, die lichtundurchlässige Wände mit Perforationen zum Anbringen der Lichtquelle und der Photodioden besitzt, wobei die Wände der Halterung an die Gefäße oder Rohrverbindungen, in denen sich die Partikelsuspensionen befinden, von außen so angepasst werden können, dass bei der Aktvierung der Lichtquelle ein durch die Suspension verlaufender Photonenfluss erzeugt wird, von welchem ein definierter Anteil die sensorische Photodiode erreicht.Sensory device according to claim 1, having a holder for the photodiodes, which has opaque walls with perforations for mounting the light source and the photodiodes, wherein the walls of the holder can be adapted to the vessels or pipe connections in which the particle suspensions are located from the outside in that during the activation of the light source, a photon flux passing through the suspension is generated, from which a defined portion reaches the sensory photodiode.
  3. Sensorische Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der mindestens ein Teil der Perforationen als Blende/n zur Beeinflussung des auf die Photodioden fallenden Anteils des von der Lichtquelle ausgehenden Photonenflusses gestaltet ist/sind.Sensory device according to Claim 2, in which at least a part of the perforations is / are designed as a diaphragm (s) for influencing the portion of the photon flux emitted by the light source falling on the photodiodes.
  4. Sensorische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Photonenfluss außerhalb des Gefäßes oder Rohres, welches die Partikelsuspension enthält, durch ein transparentes Medium 4 geleitet wird, welches einen ähnlichen Brechungsindex wie das flüssige Medium der Suspension besitzt.Sensory device according to one of the preceding claims, wherein the photon flux outside of the vessel or tube containing the particle suspension through a transparent medium 4 is passed, which has a similar refractive index as the liquid medium of the suspension.
  5. Sensorische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle, die Licht einer Wellenlänge von 750 bis 950 nm emittiert.Sensory device according to one of the preceding claims, comprising a light source which emits light of a wavelength of 750 to 950 nm.
  6. Sensorische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die Transmissionsstrecke 5 bis 50 mm beträgt.Sensory device according to one of the preceding claims, wherein the transmission distance is 5 to 50 mm.
  7. Sensorische Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Halterungsvorrichtung mit zwei annähernd senkrecht zueinander angeordneten lichtundurchlässigen ebenen Wänden, der ersten und der zweiten Wand, die an die Wände der die Suspensionen enthaltenden Gefäße von außen angepasst werden können, wobei die Lichtquelle an einer Bohrung in der ersten Wand angeordnet ist und die sensorische/n Photodiode/n in einer Bohrung/Bohrungen in der zweiten Wand angeordnet sind.Sensory device according to one of the preceding claims, comprising a holding device with two opaque flat walls approximately perpendicular to each other, the first and second walls, which can be adapted to the walls of the vessels containing the suspensions from the outside, the light source at a bore in the first wall is arranged and the sensory photodiode / s are arranged in a bore / holes in the second wall.
  8. Sensorische Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem die Halterungsvorrichtung eine Drehachse zur genauen Anpassung des annähernd senkrechten Winkels zwischen der ersten und zweiten Wand an den annähernd senkrechten Winkel zwischen zwei ebenen Gefäßwänden besitzt.A sensor device according to claim 7, wherein the support means has an axis of rotation for accurately adjusting the approximately perpendicular angle between the first and second walls to the approximately perpendicular angle between two planar vessel walls.
  9. Sensorische Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei • die Lichtquelle so ausgerichtet ist, dass sie einen annähernd parallel zur zweiten Wand verlaufenden Photonenfluss erzeugt, • die Referenz-Photodiode und die sensorische/n Photodiode/n in der zweiten Wand auf einer Linie liegen, welche annähernd parallel zum Photonenfluss verläuft, und • die Referenz-Photodiode einen Abstand unter 10 mm von der ersten Wand besitzt, während der Abstand der sensorische/n Photodiode/n von der Referenzphotodiode zwischen 10 und 30 mm beträgt.A sensor device according to claim 7 or claim 8, wherein The light source is aligned to produce a photon flux approximately parallel to the second wall, • the reference photodiode and the sensory photodiode (s) in the second wall lie on a line which is approximately parallel to the photon flux, and • the reference photodiode has a distance of less than 10 mm from the first wall, while the distance between the sensory photodiode / s and the reference photodiode is between 10 and 30 mm.
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