DE102020000677B4 - Universaldurchflussmessgerät und Verfahren zur Steuerung eines Universaldurchflussmessgeräts - Google Patents

Universaldurchflussmessgerät und Verfahren zur Steuerung eines Universaldurchflussmessgeräts Download PDF

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Abstract

Universaldurchflussmessgerät (1), welches Mittel zur Entnahme einer Probe und Mittel zur Analyse der Probe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Analyse der Probe eine Messzelle (18) und ein Photoelektronenvervielfacher (29) angeordnet ist, dass zur Bestrahlung der Messzelle (18) ein Mittel zur Erzeugung von Licht einer festgelegten Wellenlänge angeordnet ist und dass zur Übertragung eines in der Messzelle (18) entstehenden Fluoreszenzsignals zu dem Photoelektronenvervielfacher (29) ein Fluoreszenzsignalübertragungsmittel angeordnet ist, wobei das Mittel zur Erzeugung von Licht einer festgelegten Wellenlänge eine Lichtquelle (20), ein erster Spalt (21), ein erster Spiegel (22), ein erster Monochromator (23) und ein zweiter Spalt (24) ist und wobei das Fluoreszenzsignalübertragungsmittel ein dritter Spalt (25), ein zweiter Spiegel (26), ein zweiter Monochromator (27) und ein dritter Spiegel (28) ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Universaldurchflussmessgerät, welches Mittel zur Entnahme einer Probe und Mittel zur Analyse der Probe aufweist.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Steuerung eines Universaldurchflussmessgeräts, bei welchem Proben entnommen und analysiert werden.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere ein Universaldurchflussmessgerät zur kontinuierlichen Messung von Fluoreszenz- und Absorptionssignalen.
  • Aus dem Stand der Technik sind Universaldurchflussmessgeräte einschließlich Proben- und Prozesssteuerungen bekannt, welche beispielsweise während eines biotechnologischen Kultivierungsprozesses eine online-Bestimmung verschiedener Wertstoffe in Mikroorganismen (Lipide, Proteine) ermöglichen.
  • Bekannt sind auch sogenannte Durchflusszytometer, welche die automatisierte Licht- und Fluoreszenzmikroskopie an Einzelzellen im kontinuierlichen Probendurchfluss ermöglichen. Die Partikel werden einzeln an einem Detektor vorbeigeführt und analysiert, wobei ein Laser als Lichtquelle dient und Licht bestimmter Wellenlängen anregt. Die Durchflusszytometrie ist ein bereits seit vielen Jahren etabliertes Verfahren, vor allem in der diagnostischen Medizin, mit dessen Hilfe spezifische Antigene schnell und zuverlässig analysiert und Zellen entsprechend morphologischer Messgrößen (Vorwärts- und Seitwärts-Streulicht) und Fluoreszenz-Messgrößen erfasst und sortiert werden können. Hierbei werden Probeninjektionssysteme, die die Zumischung einer oder mehrerer Komponenten bzw. Farbstoffe erlauben, eingesetzt.
  • Bekannt sind auch handelsübliche Fluoreszenzspektralphotometer, welche eine flexible Messung im UV/Vis- oder Fluoreszenzbereich gestatten. Bei Nutzung von Durchflussküvetten ist zwar eine kontinuierliche Überwachung von optischen Parametern in Prozessen durchführbar, jedoch ist hierbei keine definierte Probenverdünnung realisierbar, so dass die Vermessung einer aufbereiteten Probenlösung nur offline möglich ist. Hierbei stehen die Begriffe UV und Vis für den ultravioletten und den sichtbaren Bereich des Lichts.
  • Sogenannte Mikroplattenreader, die auch Messungen im UV/Vis- und Fluoreszenzbereich gestatten, verfügen zwar über die Möglichkeit, automatische Injektoren mit frei wählbarem Volumen zu integrieren, um direkt während der Messung Reagenzien bzw. Farbstoffe zur Probe hinzuzufügen, jedoch können mit diesen keine Durchflussmessungen durchgeführt werden.
  • Sogenannte Fließinjektionssysteme mit Reagenzienzugabe wurden beispielsweise in Amornthammarong und Zhang, Anal. Chem. 2008, 80, 1019-1026 beschrieben. Diese Fließinjektionssysteme sind zur kontinuierlichen Bestimmung von Ammoniak im Meerwasser geeignet. Die zu messende Lösung, also eine Probe mit zugegebenen Reagenzien, wird über eine Glasfaser mit UV-Licht mit einer Wellenlänge von 365 nm bestrahlt. Das Fluoreszenzlicht mit einer Wellenlänge von 423 nm wird über eine zweite Glasfaser rechtwinklig zum eingestrahlten Anregungslicht zum Photodetektor geleitet und analysiert.
  • Aus der Druckschrift EP 2470915 A1 ist ein modulares Fließinjektionssystem mit einem Probenanschluss bekannt, welches einen Reagenzzufluss und eine Medien-Ableitung umfasst und welches aus mehreren Funktionsmodulen (Dosiermodul, Mischmodul, Analysemodul mit Medienkammer, Medien-Steuermodul) zusammengesetzt ist.
  • Aus der DE 60 2005 002 625 T2 ist ein System zum Messen der Strahlungsintensität eines fluoreszent markierten Partikels bekannt. Die vorliegende D1 bezieht sich auf Durchflusszytometrie und insbesondere auf ein System und Verfahren zur Verwendung mehrerer Laser in der Durchflusszytometrie. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren zum Ausrichten von zwei oder mehr Anregungslichtquellen mit Partikeln in einer Durchflußkammer anzugeben.
  • Zur Lösung ist es angegeben, dass das System eine zytometrische Durchflusskammer mit einem Strömungsweg für den Durchtritt des fluoreszent markierten Partikels umfasst. Das System hat auch eine Vielzahl von Anregungslichtquellen, von denen jede einen Lichtstrahl emittiert, der auf die zytometrische Durchflusskammer einfällt. Eine Vielzahl von Streudetektoren steht in optischer Verbindung mit dem Strömungsweg der zytometrischen Durchflusskammer, wobei jeder derart aufgebaut ist, dass er nur Licht von einer der Vielzahl von Lichtquellen detektiert, und derart angeordnet ist, dass er Streulicht von dem fluoreszent markierten Partikel detektiert, während es den Strömungsweg der zytometrischen Durchflusskammer durchläuft.
  • Aus der DE 10 2012 108 989 B3 sind eine Detektionsvorrichtung sowie ein Verfahren zur automatischen Detektion von Partikeln, insbesondere von biologischen Partikeln, in einer Probe bekannt. Die zu lösende Aufgabe besteht darin, eine Lösung anzugeben, mit der biologische Partikel ohne Verwendung eines Filters automatisch nachgewiesen und insbesondere bezüglich ihrer Konzentration erfasst werden können.
  • Zur Lösung ist angegeben, dass eine Detektionsvorrichtung zur automatischen Detektion von Partikeln, insbesondere biologischen Partikeln, in einer Probe eine Detektionseinrichtung zum Erfassen der Partikel und eine Fluidikeinrichtung zum automatischen Leiten der Probe zu der Detektionseinrichtung aufweist. Die Fluidikeinrichtung umfasst eine Aufbereitungseinrichtung zur automatischen Aufbereitung der Partikel zwecks Detektion und die Detektionseinrichtung umfasst ein Durchflusszytometer zum Erfassen wenigstens eines physikalischen Parameters der aufbereiteten Partikel.
  • Weitere Stand der Technik sind die Dokumente DE 10 2010 016 801 A1 , CH 626 725 A5 , WO 2013 / 120 960 A1 , DE 24 53 888 A1 , DE 11 2006 002 091 T5 , DE 694 29 422 T2 , DE 695 21 006 T2 , WO 2015/024 576 A1 , DE 34 86 275 T2 und die DE 601 12 585 T2 .
  • Aus dem Stand der Technik sind somit technische Lösungen zur Realisierung einzelner Mess- und Regelungsprozesse bekannt. Es existiert kein Gerätesystem mit frei wählbaren Wellenlängen im Fluoreszenz- und UV/Vis-Bereich, das variabel steuerbar ist, alle Einzelprozesse bündelt und automatisiert eine prozessbegleitende Bestimmung der Konzentration zur Ermittlung des Zellwachstums, eine Erfassung des Vitalzustandes der Zellen über Photosynthesepigmente, eine definierte Verdünnung auf Basis der gemessenen Konzentration sowie eine online-Bestimmung verschiedener Wertstoffe in Mikroorganismen wie Lipide und Proteine realisiert.
  • Ebenso besteht keine Möglichkeit einer Einflussnahme auf die Steuerung eines Bioreaktors in Abhängigkeit der Ergebnisse der Messungen.
  • Einige der aus dem Stand der Technik bekannten Systeme erlauben zwar eine kontinuierliche Messung von Fluoreszenz- und/oder Absorptionssignalen, sind jedoch nicht in der Lage, auf Basis der gemessenen Absorptionswerte der Probenlösung automatisch eine definierte Verdünnung für die fluorimetrische Messung der Wertstoffe vorzunehmen. Diese ist jedoch für eine reproduzierbare Quantifizierung von Zellinhaltsstoffen wie Lipiden notwendig.
  • Auf der Grundlage dieses Standes der Technik besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Durchflussmessgerät bzw. einem Universaldurchflussmessgerät.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Universaldurchflussmessgerät und ein Verfahren anzugeben, welches eine kontinuierliche Messung von Fluoreszenz- und Absorptionssignalen einer Probe und eine automatisierte Verdünnung der Probe auf Basis eines gemessenen Konzentrationswertes, hier als optische Dichte (OD-Wert) gemessen, ermöglicht.
  • Die Aufgabe besteht auch darin, ein Universaldurchflussmessgerät anzugeben, mit welchem eine automatische Probenentnahme, eine Probenverdünnung, eine Messung und eine Spülung des Systems realisiert wird.
  • Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den auf den 1. Patentanspruch rückbezogenen Patentansprüchen 2 - 4 angegeben.
  • Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß dem Patentanspruch 5 der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den auf den 5. Patentanspruch rückbezogenen Patentansprüchen 6 - 9 angegeben.
  • Die Erfindung betrifft die Steuerung und Onlinemessung in einem biotechnologischen Verfahren mit Hilfe eines Universaldurchflussmessgerätes zur kontinuierlichen Messung von Fluoreszenz- und Absorptionssignalen. Die Erfindung betrifft auch eine zentrale Steuereinheit zur automatischen Probenentnahme, Probenverdünnung, Messung und Spülung sowie eine Steuerung einer zugehörigen Anordnung, welche Pumpen, Schaltventile, Steppermotoren, Mixer und andere Einheiten umfassen kann. Diese Einheiten werden mittels eines entsprechenden Verfahrens bzw. durch einen übergeordneten Algorithmus eines virtuellen Instruments bzw. einer zentralen Steuerung angesteuert. Beispielsweise in der zentralen Steuerung werden die erzeugten Detektorsignale berechnet und nach entsprechenden Vorgaben ausgewertet.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Steuerung zur Probennahme von Zellsuspensionen aus einem Bioreaktor sowie die Aufarbeitung der Daten durch einen übergeordneten Softwarealgorithmus und die Messung mit Hilfe eines Universaldurchflussmessgerätes mit dem Ziel der Optimierung der Produktausbeute von Wertstoffen aus Algenzellen und anderen Mikroorganismen. Hierbei wird der Prozess in Abhängigkeit von CO2, Temperatur, Licht und weiteren Betriebsparametern während des Kultivierungsprozesses gesteuert.
  • Vorgesehen ist, dass die Onlinebestimmung bzw. Onlinemessung der Wertstoffe eines biotechnologischen Verfahrens, wie beispielsweise der Lipide wie Triacylglyceride/Öle und der Polyhydroxyfettsäuren bzw. Biokunststoffe, mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen, wie beispielsweise mit dem lipophilen fluoreszierenden Phenoxazin-Farbstoff Nilrot, erfolgt. Derartige Fluoreszenzfarbstoffe passieren die Zellhüllen und binden sich spezifisch an die Biomoleküle. Nach einer entsprechenden Lichtanregung mit Licht einer Wellenlänge λEx unter Nutzung eines ersten Monochromators Ex erzeugen die Biomolekül-Farbstoffkomplexe eine Sekundärfluoreszenz bei höherer Wellenlänge λEm, die mit dem zweiten Monochromator Em (Emissionsmonochromator) des Gerätes erfasst wird und die eine quantitative Bestimmung der angefärbten Biomoleküle während des biotechnologischen Verfahrens bzw. Kultivationsprozesses gestattet.
  • Aufgrund der frei wählbaren Wellenlängen λEm in einem Bereich zwischen 200-900 nm können mit dem Gerät auch weitere Biomoleküle, wie beispielsweise Proteine, mittels anderer Fluoreszenzfarbstoffe, wie beispielsweise Fluoresceinisothiocyanat, quantitativ und schnell bestimmt werden.
  • Der Einbau eines Photodiodendetektors (PDA; photo diode array) ermöglicht zusätzlich die parallele Aufnahme eines Absorptionsspektrums sowie die Erfassung der sogenannten optischen Dichte bzw. Zelldichte (OD-Wert) über eine Lichtstreuung. Mit Hilfe einer Absorptions-/Transmissionsmessung ist u.a. die quantitative Bestimmung der Photosynthesepigmente möglich, die über die Vitalität der Zellen Auskunft geben.
  • Ein derartiger Photodiodendetektor weist meist ein Photodioden-Array bzw. in einer Reihe angeordnete Photodioden beispielsweise auf einem Chip auf. Diese Photodioden sind mit einer entsprechenden Versorgungsschaltung und Ausleseschaltung verbunden. Der Arbeitsbereich eines derartigen Photodiodendetektors kann beispielsweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 1100 nm liegen.
  • Vorgesehen ist auch, dass die Bestimmung der Zelldichte zur Einschätzung des Zellwachstums genutzt wird und bei höheren Wellenlängen erfolgt, wo die untersuchten Organismen kein Licht absorbieren. Durch Messung der Lichtstreuung an den im Nährmedium suspendierten Partikeln, die eine Trübung zeigen, kann eine Konzentration, hier als OD-Wert gemessen, ermittelt werden.
  • Das erfindungsgemäße Universaldurchflussmessgerät ermöglicht somit die Onlinemessung verschiedener Wertstoffe in Mikroorganismen (Lipide, Proteine), die kontinuierlich über das Fluoreszenzsignal während des biotechnologischen Kultivierungsprozesses zur Ermittlung optimaler Produktausbeuten und Kultivationsbedingungen erfasst werden.
  • Weiterhin kann die parallele Bestimmung absorptionsfähiger Biomoleküle zur Erfassung des Vitalzustandes der Zellen über Photosynthesepigmente erfolgen.
  • Zusätzlich wird die Bestimmung der Konzentration, hier als OD-Wert gemessen, zur Ermittlung des Zellwachstums und zur automatischen, definierten Einstellung der Verdünnung für die fluorimetrische Messung der Wertstoffe durchgeführt.
  • Erfindungsgemäß ist somit eine Erfassung des Vitalzustandes von Zellen über deren Photosynthesepigmente und eine Bestimmung der Konzentration, hier als optische Dichte gemessen, der zu untersuchenden Probe zur Ermittlung des Zellwachstums möglich.
  • Das Universaldurchflussmessgerät arbeitet wellenlängenvariabel, so dass prinzipiell alle Stoffe online detektierbar sind, die sich mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen anfärben lassen. Neben der fluorimetrischen Bestimmung kann parallel das Absorptionsspektrum aufgenommen werden und so ein automatisches realtime-Monitoring verschiedenerer Zielprodukte prozessbegleitend erfolgen.
  • Die zuvor erläuterten Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, welche zeigen:
    • 1: eine zur Steuerung und Onlinemessung eines biotechnologischen Verfahrens mit Hilfe eines Universaldurchflussmessgerätes benötigte beispielhafte Anordnung und
    • 2: einen Prinzipaufbau eines erfindungsgemäßen Universaldurchflussmessgerätes mit seinen Schnittstellen.
  • Im dargestellten Beispiel der 1 sind das erste Ventil 3, das zweite Ventil 4, das dritte Ventil 5, das vierte Ventil 6, das fünfte Ventil 7 und das sechste Ventil 8 Ventile mit drei Anschlüssen bzw. als sogenannte Dreiwegeventile ausgeführt, wobei wahlweise zwei der drei Wege miteinander verbunden werden können. Derart kann beispielsweise gesteuert mittels einer in der 1 nicht dargestellten zentralen Steuereinheit 32 der Durchflussweg innerhalb der Ventile 3, 4, 5, 6, 7 und 8 bedarfsgerecht gesteuert werden. Zu diesem Zweck sind die Ventile 3, 4, 5, 6, 7 und 8 mit je einem Servoantrieb 9 verbunden.
  • Die Messzelle bzw. Messküvette 18, welche im Universaldurchflussmessgerät 1 angeordnet ist und auch als Durchflusszelle bezeichnet wird, kann beispielhaft ein Volumen von 12 µl aufweisen. Die zugehörige Flussrichtung durch die Messküvette 18 ist beispielhaft mittels eines Pfeils an der Messküvette 18 dargestellt.
  • Die 1 zeigt eine Pumpe 2, welche eine geregelte Peristaltikpumpe sein kann, die in einem ersten Verfahrensschritt zum Einstellen der optischen Dichte (OD) bzw. der Konzentration der Algensuspension dient.
  • Für dieses Einstellen der optischen Dichte werden wechselseitig das erste Ventil 3, welches mit einem Pufferspeicher 10 für beispielsweise eine Verdünnungslösung verbunden ist, und das dritte Ventil 5, welches mit dem Bioreaktor 19 verbunden ist, geschaltet und eine Gemisch, bestehend aus der Verdünnungslösung und einer Algensuspension aus dem Bioreaktor 19 in das System dosiert bzw. eindosiert, um die gewünschte optischen Dichte zu erhalten.
  • Zur Messung der optischen Dichte wird das derart erzeugte Gemisch mittels der Pumpe 2 über das vierte Ventil 6 zur Messküvette 18 transportiert, mittels welcher die aktuelle optischen Dichte des Gemischs bestimmt werden kann. Dieser Prozess des Zusammenführens der Trägerlösung und der Algensuspension zu einem Gemisch wird fortgesetzt, bis die die gewünschte beziehungsweise vorgegebene optischen Dichte erreicht wird.
  • Das derart erzeugte Gemisch wird in einem Vorratsbehälter 12, welche als ein Speicher mit einer Blasenfalle ausgeführt ist gespeichert. Der Vorratsbehälter 12 weist auch einen Überlauf 13 in einen Entsorgungsbehälter 14 auf.
  • In einem zweiten Verfahrensschritt werden über das fünfte Ventil 7 und das vierte Ventil 6 wechselseitig das zuvor erzeugte Gemisch, also die Algensuspension mit der vorgegebenen optischen Dichte, und ein Fluoreszenzfarbstoff, welcher in einer ersten Spritze 15 bevorratet wird, zusammengeführt beziehungsweise eindosiert. Ein derartiger Fluoreszenzfarbstoff kann beispielsweise ein lipophiler fluoreszierenden Phenoxazin-Farbstoff Nilrot sein. Die zweite Spritze 16 mit ihrem zugehörigen Steppermotor 17 saugt den in der ersten Spritze 15 bevorrateten Fluoreszenzfarbstoff automatisch an und hat auch die Funktion einer Mischkammer mit einer einstellbaren Inkubationszeit. Zu diesem Zweck ist die zweite Spritze 16 beispielsweise mit einem ersten Steppermotor 17 oder einem vergleichbaren Antrieb verbunden.
  • In einem dritten Verfahrensschritt erfolgt die Messung des Lipidgehaltes durch das Universalmessgerät 1. Zu diesem Zweck wird der Inhalt der Mischkammer der zweiten Spritze 16 über das fünfte Ventil 7 und das vierte Ventil 6 durch ein Ausdrücken zur Messküvette 18 des Universaldurchflussmessgerätes 1 transportiert. Diese Lösung wird nachfolgend über das sechste Ventil 8 in einen zweiten Entsorgungsbehälter 14 entsorgt.
  • Im nachfolgenden vierten Verfahrensschritt erfolgt die Systemreinigung indem die Pumpe 2 über das zweite Ventil 4 eine Reinigungslösung aus dem Speicher 11 ansaugt und durch das System fördert. Mittels einer entsprechenden Ansteuerung des vierten Ventils 6 und des fünften Ventils 7 erfolgt eine Reinigung der zweiten Spritze 16 mit ihrer Mischkammer. Diese Systemreinigung wird fortgesetzt, bis eine Reinheit des gesamten Systems erreicht worden ist, welche eine neue Messung ermöglicht, ohne dass Restbestandteile der vorher im System befindlichen Lösung das neue Messergebnis beeinflussen können.
  • Der in der 1 dargestellte zweite Steppermotor 17 ist der Antrieb eines Magnetrührers, welcher im Vorratsbehälter 12 angeordnet ist, wobei der Magnetrührer durch seine Rotation ein Entmischen der im Vorratsbehälter 12 beinhalteten Lösung verhindern soll.
  • Die in den einzelnen Verfahrensschritten nicht explizit aufgeführten Ventile 3 bis 8 werden bedarfsgerecht geschaltet und ermöglichen derart wenn nötig einen Umlauf einer Lösung oder eines Gemischs durch das System.
  • Der Bioreaktor 19 aus welchem Proben der Algensuspension beziehungsweise Zellsuspension zur Durchführung der erfindungsgemäßen Messungen entnommen werden ist mit dem dritten Ventil 5 verbunden.
  • Vorgesehen ist, die Steuerung und Auswertung der Messungen, inklusive der Einbettung der PDA-Software, welche den Photodiodendetektor 33 im Universaldurchflussmessgerät 1 steuert, über eine entsprechende Software in einer zentralen Steuereinheit zu realisieren. Dies betrifft sowohl den gesamte Steueralgorithmus der in der 1 abgebildeten Apparatur als auch die notwendigen mathematischen Berechnungen für die Ermittlung des Lipidgehaltes, der Konzentration der angesaugten Algensuspension, hier als optische Dichte gemessen, sowie die Steuerung des Universaldurchflussmessgerätes 1 selbst.
  • Über entsprechende Schnittstellen wird durch die Software auch die Steuerung der Servoantriebe 9, der Steppermotoren 17 sowie der Ventile 3 bis 8 realisiert. Über weitere nicht dargestellte Servoantriebe oder Steppermotoren können ebenfalls die Steueralgorithmen des Bioreaktors 19 adaptiert werden, um eine Optimierung der Ausbeute zu erreichen. Hierfür sind diese Servoantriebe oder Steppermotoren mit entsprechenden Stellgliedern des Bioreaktors 19 verbunden.
  • Die in der 1 gezeigten Ventile mit drei Anschlüssen beziehungsweise Dreiwegeventile können derart betrieben werden, dass beispielsweise eine Verbindung des ersten und des zweiten Anschlusses oder des ersten und des dritten Anschlusses oder des zweiten und des dritten Anschlusses hergestellt wird, wobei die Flussrichtung beliebig ist.
  • Das in der 2 dargestellte Universaldurchflussmessgerät 1 besteht aus einer Lichtquelle 20, die für den Wellenlängenbereich der zu detektierenden Probe ausgelegt wird. Ein derartiger Wellenlängenbereich kann beispielsweise im Bereich zwischen 200 nm und 1100 nm liegen.
  • Das Spektrum der Lichtquelle 20 wird über einen ersten Spalt 21 und einen Spiegel 22 auf den ersten Monochromator Ex 23 gelenkt, um dann über einen zweiten Spalt 24 mit einer ausgewählten Wellenlänge λEx die Probe in der Messzelle 18 (Durchflusszelle) zu bestrahlen.
  • Das sich bei der Bestrahlung ergebende Fluoreszenzsignal mit der Wellenlänge λEm wird im rechten Winkel abgegriffen und über einen dritten Spalt 25 und einen zweiten Spiegel 26 auf den zweiten Monochromator Em 27 gelenkt. Eine definierte Wellenlänge wird über einen dritten Spiegel 28 in den Photoelektronenvervielfacher 29 (PMT; Photomultiplier Tube) gelenkt. Ein derartiger Photoelektronenvervielfacher 29 ist als eine spezielle Elektronenröhre bekannt, welche dem Zweck dient, schwache Lichtsignale durch Erzeugung und Verstärkung eines elektrischen Signals zu detektieren.
  • Dieses Signal wird nachfolgend im Verstärker 30 verstärkt und über die Schnittstelle 31 dem virtuellen Instrument 32 zugeführt.
  • Vorgesehen ist, dass die Messzelle 18 einen weiteren Anschluss aufweist, welcher ein Transmissionssignal in einem einstellbaren Winkel, beispielsweise einem rechten Winkel, abgreift. Durch eine Veränderung dieses Winkels ist es möglich, die Empfindlichkeit des Photodiodendetektors 33 (PDA) der zu untersuchenden Suspension anzupassen, also die Signalstärke zu verändern. Über einen Lichtleiter 34 bzw. ein Lichtleiterkabel wird das abgegriffene Transmissionssignal aus der Messzelle 18 dem Photodiodendetektor 33 zuführt, der das gesamte Spektrum abscannt und eine definierte variable Wellenlänge zur weiteren Bearbeitung über die Schnittstelle 31 dem virtuellen Instrument 32 übergibt.
  • Vorgesehen ist es weiterhin, über die Schnittstelle 31 erste Steuersignale 35 zur Steuerung des Ablaufs der Probenentnahme, einer Verdünnung der Probe, der Durchführung der Messungen sowie der Steuerung des nachfolgenden Spülvorgangs bereitzustellen, welche beispielsweise eine in der 1 dargestellte Anordnung steuern können.
  • Weiterhin ist es auch vorgesehen, über die Schnittstelle 31 zweite Steuersignale 36 zur Steuerung des Betriebs des Reaktors 19 bereitzustellen, welche in Abhängigkeit der mittels des Universaldurchflussmessgeräts 1 durchgeführten Messungen den Betrieb des Reaktors 19 steuern. Derart kann der Kultivierungsprozess im Reaktors 19 beispielsweise durch Steuerung von Betriebsparametern wie CO2, Temperatur und anderen gesteuert werden.
  • Das virtuelle Instrument 32 wird mit einer entsprechenden Anzeigeeinheit 37 zur Darstellung der Ergebnisse der Messungen und des Messablaufs verbunden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Universaldurchflussmessgerät
    2
    Pumpe
    3
    erstes Ventil
    4
    zweites Ventil
    5
    drittes Ventil
    6
    viertes Ventil
    7
    fünftes Ventil
    8
    sechstes Ventil
    9
    Servoantrieb
    10
    Pufferspeicher für Verdünnungslösung
    11
    Speicher für Reinigungslösung
    12
    Vorratsbehälter
    13
    Überlauf
    14
    Entsorgungsbehälter
    15
    erste Spritze mit Fluoreszenzfarbstoff
    16
    zweite Spritze
    17
    Steppermotor für Spritze / für Magnetrührer
    18
    Messküvette/Messzelle
    19
    Bioreaktor
    20
    Lichtquelle
    21
    erster Spalt
    22
    erster Spiegel
    23
    erster Monochromator Ex
    24
    zweiter Spalt
    25
    dritter Spalt
    26
    zweiter Spiegel
    27
    zweiter Monochromator Em
    28
    dritter Spiegel
    29
    Photomultiplier / Photoelektronenvervielfacher (PMT)
    30
    Verstärker
    31
    Schnittstelle
    32
    virtuelles Instrument / zentrale Steuerung
    33
    Photodiodendetektor (PDA; photo diode array)
    34
    Lichtleiter
    35
    erstes Steuersignal
    36
    zweites Steuersignal
    37
    Anzeigeeinheit

Claims (9)

  1. Universaldurchflussmessgerät (1), welches Mittel zur Entnahme einer Probe und Mittel zur Analyse der Probe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass als Mittel zur Analyse der Probe eine Messzelle (18) und ein Photoelektronenvervielfacher (29) angeordnet ist, dass zur Bestrahlung der Messzelle (18) ein Mittel zur Erzeugung von Licht einer festgelegten Wellenlänge angeordnet ist und dass zur Übertragung eines in der Messzelle (18) entstehenden Fluoreszenzsignals zu dem Photoelektronenvervielfacher (29) ein Fluoreszenzsignalübertragungsmittel angeordnet ist, wobei das Mittel zur Erzeugung von Licht einer festgelegten Wellenlänge eine Lichtquelle (20), ein erster Spalt (21), ein erster Spiegel (22), ein erster Monochromator (23) und ein zweiter Spalt (24) ist und wobei das Fluoreszenzsignalübertragungsmittel ein dritter Spalt (25), ein zweiter Spiegel (26), ein zweiter Monochromator (27) und ein dritter Spiegel (28) ist.
  2. Universaldurchflussmessgerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Universaldurchflussmessgerät (1) einen Photodiodendetektor (33) (PDA) aufweist, wobei der Photodiodendetektor (33) über einen Lichtleiter (34), mit der Messzelle (18) verbunden ist, wobei der Lichtleiter (34) derart an der Messzelle (18) ausgerichtet angeordnet ist, dass er ein in einem rechten Winkel in der Messzelle (18) emittiertes Streulicht (Seitwärts-Streulicht) aufnimmt.
  3. Universaldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Universaldurchflussmessgerät (1) eine Schnittstelle (31) aufweist, welche über den Photodiodendetektor (33) zumindest mittelbar mit dem Photoelektronenvervielfacher (29) und einer zentralen Steuerung (32) verbunden ist.
  4. Universaldurchflussmessgerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Photoelektronenvervielfacher (29) und der Schnittstelle (31) ein Verstärker (30) angeordnet ist.
  5. Verfahren zur Steuerung eines Universaldurchflussmessgeräts (1), bei welchem Proben entnommen und analysiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Probe entnommen und deren Konzentration, als optische Dichte, mittels eines Photodiodendetektors (33) gemessen wird, dass eine Verdünnung der Probe erfolgt, bis eine gemessene optische Dichte mit einem vorgegebenen Wert erreicht ist, dass nachfolgend ein Fluoreszenzfarbstoff zudosiert und die Analyse der Probe mittels eines Photoelektronenvervielfachers (29) durchgeführt wird, wobei nach einer Lichtanregung mit Licht einer Wellenlänge λEx, unter Nutzung eines ersten Monochromators Ex (23), mit einem Fluoreszenzfarbstoff angefärbte Biomoleküle eine Sekundärfluoreszenz bei einer Wellenlänge λEm erzeugen, welche mit dem zweiten Monochromator Em (27) erfasst wird und wobei nachfolgend eine quantitative Bestimmung der angefärbten Biomoleküle im Photoelektronenvervielfacher (29) erfolgt und dass nach der Analyse das Universaldurchflussmessgerät (1) durch Spülen gesäubert wird, bevor die nächste Probe entnommen und analysiert wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Onlinemessung verschiedener Wertstoffe in Mikroorganismen erfolgt, wobei diese kontinuierlich über ein Fluoreszenzsignal während des biotechnologischen Kultivierungsprozesses zur Ermittlung optimaler Produktausbeuten und Kultivationsbedingungen erfasst werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine parallele Bestimmung absorptionsfähiger Biomoleküle zur Erfassung des Vitalzustandes der Zellen über Photosynthesepigmente erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung der Konzentration, hier als optische Dichte gemessen, zur Ermittlung des Zellwachstums und zur automatischen Einstellung der Verdünnung für eine fluorimetrische Messung erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung von Betriebsparametern eines Bioreaktors (19) mittels eines Steuersignals (36) auf der Grundlage von Werten einer analysierten Probe erfolgt.
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