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Die Erfindung betrifft einen Biologischer Sensor zur Kontrolle von Lagerungs- und Umgebungsbedingungen, aufweisend zumindest einen Mikroorganismus, Nährstoffe für den zumindest einen Mikroorganismus, ein Lösemittel oder Lösemittelgemisch und einen Farbindikator.
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Aktuell sieht eine Produktkennzeichnung, insbesondere für Lebensmittel aber auch für andere Produkte feste Werte für Mindesthaltbarkeitsdatum, Verbrauchsdatum und/oder Verbrauchsdauer vor. Diese Werte sind jedoch nur gültig, wenn der Verbraucher sich an die angegebene Nutzungsumgebung oder Lagerungsbedingungen hält.
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Zudem ist es bei der Beachtung der Verbrauchsdauer relevant, dass der Kunde den Zeitpunkt weiß, zu dem er das Produkt erstmalig geöffnet hat. Damit kann er mit Hilfe der Verbrauchsdauer errechnen, ob ein Produkt noch mit der vom Hersteller definierten Qualität nutzbar ist oder nicht. Regelmäßig weiß ein Verbraucher diesen Zeitpunkt nicht mehr, so dass die Angabe der Verbrauchsdauer für ihn wertlos sein kann.
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Zudem wird seitens der Hersteller eines Produkts davon ausgegangen, dass ein Nutzer dauerhaft die vorgegebenen Lagerungs- oder Nutzungsbedingungen einhält, da nur so die definierten Daten (Verbrauchsdatum, Verbrauchsdauer usw.) gültig sind. Oft ist dies allerdings nicht der Fall.
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Eine Rückverfolgbarkeit, ob die Bedingungen eingehalten wurden, ist nicht gegeben. Falsche oder von vom Hersteller vorgegebenen Bedingungen abweichende Lagerungs- oder Nutzungsbedingungen können bei den vorgegebenen, statischen Daten (Mindesthaltbarkeitsdatum, Verbrauchsdatum und/oder Verbrauchsdauer) nicht berücksichtigt werden.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ansätze bekannt, um derartige oder ähnliche Probleme zu lösen.
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In der
WO 2009/129998 A1 wird eine Anzeigevorrichtung mit Farbumschlag beschrieben, die durch eine Auslöseeinrichtung gestartet wird, wobei ein Zugang zur Atmosphäre freigegeben wird: Über eine temperaturabhängige Diffusion von atmosphärischen Bestandteilen entlang einer definierte Strecke wird letztlich eine Farbreaktion hervorgerufen, so dass ein temperaturabhängiger Verbrauchszeitpunkt erhalten wird.
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EP 2 084 294 A2 beschreibt einen Sterilisationsindikator mit einem Inkubationsmedium, das eine Nährstoffquelle umfassen kann, um Energie für das Wachstum von Testorganismen bereitzustellen, die den Sterilisationsprozess überleben können. Mit dem Inkubationsmedium kann ein mikrobieller Wachstumsindikator verwendet werden, der in Gegenwart lebensfähiger Testorganismen die Farbe Zustand ändert.
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DE 2 326 028 A1 offenbart einen mikrobiologischen Wachstumsdetektor zum Einbetten unter direkter Berührung in Lebensmittel und zur visuellen Anzeige eines mikrobiologischen Wachstums in demselben.
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DE 19959044 A1 betrifft eine Anzeigevorrichtung zur Überwachung von unzulässigen Temperaturüberschreitungen von Gefrier- und Tiefkühlgut hat Startpunkt, die eine Folie aufweist, die Reaktionsmasse umschließt und die beim Einfrieren zerreißt. Beim Auftauen gelangt die Reaktionsmasse in eine darunter liegende Indikatorschicht, die sich verfärbt.
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Die
DE 10325714 B3 beschreibt zweikomponentige Substanzen, die jeweils in sie mindestens teilweise umgebende molekulare Hüllen vorliegen, die in einer oberhalb dieser Temperaturen flüssigen Phase gelöst und/oder emulgiert sind, wobei die Einschließung sowie die Substanzen derart ausgebildet sind, dass die entsprechenden Substanzen erst nach Unterschreiten und anschließenden Überschreiten von bestimmten Temperaturen mindestens teilweise aus einer eingeschlossenen Form in eine oberhalb dieser Temperaturen flüssige Phase freisetzbar sind und dort zu einer dauerhaften optisch erfassbaren Veränderung des Anzeigeelementes durch Farbumschlag führen.
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DE 10 2005 055 634 A1 betrifft einen Sauerstoff-Indikator, bei dem durch Änderung der physikalischen Eigenschaften ein Farbumschlag eines Sauerstoff-Sorbens bewirkt wird. Dazu ist der Indikator zwischen zwei Schichten eingeschlossen, von denen eine für Sauerstoff undurchlässig und die andere teilweise durchlässig ist. Dieser Indikator kann als Verpackungsfolie für Lebensmittel Anwendung finden.
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In
WO 2005 / 5982 wird eine organische Matrix aus Polydiacetylen und Lipid in die Verpackung eines Lebensmittels eingearbeitet, wobei Detektoren für einen Farbumschlag bei einem Wachstum von Mikroorganismen vorgesehen sind.
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GB 2344101 B beschreibt eine Verschlusskappe, die zwei Kammern aufweist, die voreinander getrennt sind, eines für Wasser, das zweite für ein feuchtigkeitssensitives Farbumschlagmaterial. Bei einem definierten Ereignis wird die Trennung der Kammern aufgehoben, so dass zeitabhängiges sichtbares Signal erhalten wird.
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DE 69324516 T2 offenbart einen Originalitätsverschluss mit Farbwechsel-System, mit Binde/Trennschicht zwischen Basisschicht und Indikatorschicht mit Farbanzeige, die sich verändert, wenn durch Biegung die Trennschicht gebrochen wird und der Kontakt zwischen Basisschicht und Indikatorschicht hergestellt wird.
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DE 60114459 T3 betrifft Zusammensetzungen und ein Verfahren zum Nachweis von Mikroorganismen in einer Probe eines Lebensmittels.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen biologischen Sensor zu schaffen, der eine Kontrolle der Lagerungs- und Umgebungsbedingungen eines verderblichen Produkts erlaubt.
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Diese Aufgabe wird durch einen biologischen Sensor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß wird ein biologischer Sensor zur Kontrolle von Lagerungs- und Umgebungsbedingungen bereitgestellt, der zumindest ein Mikroorganismus, Nährstoffe für den zumindest einen Mikroorganismus, ein Lösemittel oder Lösemittelgemisch und einen Farbindikator aufweist, wobei vorgenannte Komponenten in einem inaktiven Zustand derart im Sensor angeordnet sind, dass kein Wachstum des zumindest einen Mikroorganismus eintreten kann. In einem aktiven Zustand des Sensors ist ein Wachstum des zumindest einen Mikroorganismus möglich.
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Nach einer ersten Ausführungsform des biologischen Sensors liegen das Lösemittel oder das Lösemittelgemisch im inaktiven Zustand des Sensors im festen Aggregatzustand vor, so dass die einzelnen Komponenten nicht in Wechselwirkung treten können. Bei einer definierten Temperatur wird das Lösemittel oder Lösemittelgemisch flüssig und ein Wachstum des zumindest einen Mikroorganismus kann erfolgen.
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Im einfachsten Fall ist das Lösemittel oder Lösemittelgemisch Wasser oder ein wasserbasiertes Gemisch aus Wasser mit einem Alkohol, ein oder mehrwertig, eine Base oder einer Säure. Ein derartiger biologischer Sensor lässt sich vorzugsweise bei Gefriergut einsetzen, da mit der Auftautemperatur von ca. 0°C auch ein Wachstum der typischerweise im Gefriergut vorkommenden Mikroorganismen beginnt.
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Durch Kombination verschiedener Lösemittel zu einem Lösemittelgemisch lässt sich eine nahezu beliebige Starttemperatur bei der der Sensor in den aktiven Zustand übergeht für den Sensor einstellen. Grundsätzlich werden nicht-toxische Lösemittel bevorzugt.
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Nach einer zweiten Ausführungsform des biologischen Sensors wird eine der Komponenten zumindest ein Mikroorganismus, Nährstoffe und Lösemittel oder Lösemittelgemisch, im Sensor von zumindest einer der anderen Komponenten räumlich getrennt angeordnet, so dass ein Beginn des Wachstums des zumindest einen Mikroorganismus nicht ohne Aufhebung der räumlichen Trennung eintreten kann.
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Bevorzugter Weise verfügt der biologische Sensor über ein Gehäuse, das bei der ersten Ausführungsform eine Kammer besitzt, während bei der zweiten Ausführungsform zumindest zwei Kammern vorgesehen sind, die durch jeweils ein Mittel getrennt sind. Dabei sind in einer ersten Kammer eine der Komponenten zumindest ein Mikroorganismus, Nährstoffe und Lösemittel oder Lösemittelgemisch und in einer zweiten Kammer zumindest eine der anderen Komponenten angeordnet. Bei mehr als zwei Kammern, können je nach Konstruktion des Gehäuses auch entsprechend mehr Mittel zur Trennung vorliegen. So können alle aneinandergrenzenden Flächen von Kammern mit einem entsprechenden Mittel versehen sein.
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Der zumindest eine Mikroorganismus kann in einem trockenen Zustand oder in einem Lösemittel oder einem Lösemittelgemisch gelöst vorliegen, während in der zweiten Kammer Nährstoffen und gegebenenfalls auch Zusatzstoffe für den Metabolismus des Mikroorganismus vorliegen können. Auch diese können sowohl als Feststoff oder in Lösung vorliegen.
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Falls alle Komponenten in einem trockenen Zustand bzw. als Feststoff vorliegen sollen, kann das Lösemittel oder das Lösemittelgemisch in der zweiten oder auch einer dritten Kammer vorliegen.
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Grundsätzlich können der zumindest eine Mikroorganismus, der Farbindikator, Nährstoffe und Lösemittel oder Lösemittelgemisch in sämtlichen Kombinationen innerhalb einer oder mehrerer Kammern vorliegen, einzige Voraussetzung ist, dass es in dem inaktiven Zustand zu keinem Wachstum des zumindest einen Mikroorganismus kommen kann. Erst durch Aufhebung der Trennung soll dies erfolgen. Durch Öffnung des Mittels werden die einzelnen Komponenten sofort oder schrittweise miteinander vermengt.
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Durch das Vorhandensein aller notwendigen Wachstumsbedingungen kann der zuvor inaktive Mikroorganismus in die Vermehrungsphase übergehen. Die Wachstumsrate ist dabei im Wesentlichen von den Umgebungstemperaturen abhängig.
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Es ist, wie bereits beschrieben, erfindungsgemäß auch möglich, mehr als zwei Kammern mit entsprechenden Trennmitteln zu verwenden, jedoch steigt damit der konstruktive Aufwand, der den Sensor unwirtschaftlich machen kann.
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Bevorzugt ist ein Auslösemittel vorgesehen, das eingerichtet ist, die räumliche Trennung beider Kammern aufzuheben. Dies erfolgt vorzugsweise derart, dass das Auslösemittel das Mittel zur Trennung aus seiner die Kammern trennenden Position zu verbringen.
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Dies kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. So kann das Mittel zur Trennung kann aus einer Membran bestehen, die durch das Auslösemittel mechanisch aus seiner Position verbracht wird oder das Mittel zur Trennung kann durch Verformung brechen, so dass ein eher sprödes Material verwendet werden kann.
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In Kombination mit Kammern, die aus einem elastisch oder plastisch verformbaren Material bestehen, kann eine Aktivierung einfach durch äußeren Druck auf den Sensor erfolgen, wobei das Trennmittel bricht und beide Kammern verbunden werden.
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Nach einer anderen bevorzugten Ausführungsform des biologischen Sensors sind die erste Kammer und die zweite Kammer übereinander und gegeneinander verschiebbar angeordnet, wobei erste Kammer und die zweite Kammer jeweils eine Öffnung aufweisen, die vorzugsweise jeweils von einem Dichtrahmen umgeben sind, wobei durch Verschiebung zueinander die Öffnungen in Übereinstimmung genbracht werden und somit der Sensor aktiviert wird.
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Der erfindungsgemäße biologische Sensor dient als Kontrolleinrichtung, bei dem ein Mikroorganismus zum Start einer Reaktion mit Nährstoffen, einem Indikator und Flüssigkeit vermischt wird. Aufgrund der Vermehrung des Mikroorganismus unter Verbrauch der vorhandenen Nährstoffe kommt es zu einer Beeinflussung des chemischen Gleichgewichts die eine Farbänderung der Indikatorlösung zur Folge hat.
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Diese Farbänderung soll den Endnutzer darüber informieren, dass das ein mit dem Sensor versehenes Produkt außerhalb der empfohlenen Umgebungsbedingungen (z.B. Zeit, Temperatur, Strahlung, Druck) verwendet wurde und die einwandfreie Qualität nicht mehr gewährleistet werden kann. Da der Sensor den gleichen Umgebungsbedingungen wie das zu überwachende Produkt ausgesetzt war, sind die Wachstumsbedingungen des Mikroorganismus mit jenen der potentiell schädlichen Organismen innerhalb des überwachten Produkts gleichzusetzen. Der Mikroorganismus ist hierbei so zu wählen, dass er in den zu erwartenden Umgebungsbedingungen mindestens genauso gute Vermehrungsraten vorweisen kann wie die potentiellen Schadorganismen. Da der Mikroorganismus von Beginn an auf ausreichend Nährstoffe zugreifen kann findet hier eine maximale Vermehrung statt. Mikroorganismus, Nährstoffkonzentration, Indikator und Flüssigkeit sollten dabei so gewählt werden, dass es zu einem Farbumschlag des erfindungsgemäßen Sensors kommt noch bevor mit negativen Auswirkungen auf die Qualität des zu überwachenden Produkts und potentiellen Schäden für den Endnutzer zu rechnen ist.
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Der biologische Sensor weist bevorzugt Mittel auf, die es erlauben, den Sensor an einem Produkt zu fixieren. Diese Mittel können ein Halteclip, eine Klebefläche oder dergleichen sein.
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Der biologische Sensor kann sowohl im aktiven als auch inaktiven Zustand erstmalig mit dem zu kontrollierenden Produkt zusammengebracht werden.
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Der Farbindikator ist vorzugsweise ausgewählt aus der folgenden Gruppe: pH-Indikatoren,Redox-Indikatoren, Komplex-Indikatoren, Solvatochrome-Indikatoren oder Mischungen daraus.
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Mit zunehmendem Wachstum des Mikroorganismus unter Verstoffwechslung der vorhandenen Nährstoffe werden Abbauprodukte gebildet. Die Konzentration des zumindest einen Mikroorganismus, Nährstoffen und/oder Abbauprodukten führt zu einer Änderung des chemischen Gleichgewichts (z.B. pH-Wert, Redox-Potential etc.) und dadurch zu einer Strukturänderung des Indikators was einen optisch sichtbaren Farbwechsel zu Folge hat.
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Diese Reaktion wird so lange fortgeführt bis entweder alle Nährstoffe aufgebraucht sind oder das entstandene Niveau kein weiteres Wachstum mehr zulässt. Die hier vorhandene Indikatorstruktur und damit Farbgebung wird als final angesehen.
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Je nach eingesetzten Mikroorganismus kann zumindest eine Kammer mit der Atmosphäre verbunden sein. Wobei auch Ausführungsformen vorgesehen sind in denen obligat anaerobe Mikroorganismus verwendet werden z.B. um das Wachstum von beispielsweise Clostridien als Referenz zu simulieren. In diesem Fall ist keine Verbindung zur Atmosphäre bzw. zum darin enthaltenen Sauerstoff vorgesehen.
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Der biologische Sensor weist bevorzugt ein Überdruckventil auf, um bei der nach Aktivierung eintretenden CO2-Produktion des Mikroorganismus nicht beschädigt zu werden.
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Der zumindest eine Mikroorganismus wird vorzugsweise ausgewählt aus nachfolgender Gruppe: Bakterien, Hefen, Pilze, Algen, Cyanobakterien oder Mischungen daraus.
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Die Bestandteile des Sensors bzw. des Gehäuses bestehen vorzugsweise aus polymeren Werkstoffen, die bevorzugt bioverträglich sind. Daher werden bevorzugt Polysaccharide oder Biopolymere eingesetzt.
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Der Mikroorganismus sollte an den zu erwartenden Nutzungsbedingungen zu überwachenden Produkts ausgerichtet sein. In den meisten Fällen wird davon ausgegangen, dass verderbliche Lebensmittel kühl gelagert werden. Das kommt daher, dass schädliche Bakterien und Pilze bei steigenden Umgebungstemperaturen höhere Wachstumsraten aufweisen. Diese Gültigkeit ist beschränkt auf die natürlichen Umgebungstemperaturen. In der Regel wird für diese schädlichen Mikroorgansimen ein Wachstumsoptimum von ca. 30-40°C angenommen, bei 10-15°C ist dieses deutlich reduziert. Verpackungsempfehlungen der Hersteller gehen daher von optimalen Bedingungen d.h. niedrigen Temperaturen aus. Werden diese Temperaturen allerdings nicht eingehalten kommt es zu einem schnelleren Wachstum potentiell schädlicher Mikroorganismen als angenommen, die einwandfreie Qualität des Produkts ist daher bereits vor Erreichen der Grenzwerte auf der Verpackung nicht mehr gegeben. Sind keine Verpackungsinformationen vorgegeben oder nachträglich für den Nutzer nicht ohne Weiteres herzuleiten, kann dieser aktuell überhaupt nicht darauf schließen ob z.B. Lebensmittel noch genießbar sind oder nicht. Der biologische Sensor funktioniert hier als Kontrollmechanismus und gibt eine Nutzungsempfehlung bzw. Warnung. Da der Farbumschlag nicht plötzlich passiert, sondern Zwischenstufen durchschreitet, kann der Nutzer frühzeitig erkennen, welche Produkte bald ihre Nutzungsbedingungen verlassen und entsprechend aufbrauchen bevor es zu spät ist. Dies hilft weiterhin Händlern Waren entsprechend zu platzieren, so lange diese noch verkauft werden können
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Beispiele
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Überwachung von Frischfleisch mittels eines biologischen Sensors
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Der Sensor wird zum Zeitpunkt der Ausgabe, z.B. von einem Metzger aktiviert. Zu diesem Zeitpunkt wird die Reaktion gestartet. Da davon auszugehen ist, dass Fleisch im Kühlschrank gelagert wird, ist ein Mikroorganismus zu nutzen, der auch bei geringen Temperaturen ein solides Wachstum aufweist, beispielsweise Hefe (Saccharomyces cerevisiae) in Trockenform. Als Nährstoff wird Glucose, ebenfalls als Feststoff, verwendet.
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Der Indikator ist Cyanidin, bereits gelöst in Wasser als Lösemittel und auf einen pH-Wert von 11 eingestellt. Der Indikator erscheint zu Beginn der Reaktion grün. Die Hefe vermehrt sich stetig unter Verbrauch der Glucose. Der pH-Wert in der Lösung sinkt dabei ab. Die angezeigte Farbe des Sensors wechselt von grün über blau bis zu rot. Bei einem pH-Wert von ca. 5 stoppt die Reaktion. Wird der Sensor und das damit markierte Produkt konstant bei 4-8°C gelagert, findet der Farbumschlag nach ca. 4-5 Tagen statt, wird der Sensor hingegen für mehrere Stunden bei 30°C im freien gelagert ist der niedrige pH-Wert (und damit auch der Farbumschlag) bereits nach deutlich kürzerer Zeit erreicht.
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Überwachung von Frischfleisch mittels eines biologischen Sensors
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Der Sensor wird an einer Packung H-Milch angebracht. Noch im Handel ist der Sensor durch den geschlossenen Trennsteg. Die Aktivierung erfolgt durch den Endkunden, sobald dieser zum ersten Mal die Milchpackung öffnet. Ab hier gilt dann eine Verbrauchsdauer von ca. 5-7 Tagen. In diesem Beispiel ersetzt der biologische Sensor nicht das Mindesthaltbarkeitsdatum, sondern gibt lediglich einen Hinweis zur Verbrauchsdauer.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1 in einer geschnittenen Seitenansicht ein erfindungsgemäßer biologischer Sensor im inaktiven Zustand,
- 2 in einer geschnittenen Seitenansicht ein erfindungsgemäßer biologischer Sensor in aktiven Zustand zum Startzeitpunkt eines Nutzungszeitraums,
- 3 in einer geschnittenen Seitenansicht ein erfindungsgemäßer biologischer Sensor in aktiven Zustand mit Eintritt von einem Wachstum eines Mikroorganismus,
- 4 in einer geschnittenen Seitenansicht ein erfindungsgemäßer biologischer Sensor in aktiven Zustand zum Endzeitpunkt des Nutzungszeitraums mit Farbumschlag,
- 5 in einer geschnittenen Seitenansicht ein erfindungsgemäßer biologischer Sensor nach einer zweiten Ausführungsform im inaktiven Zustand, und
- 6 in einer geschnittenen Seitenansicht ein erfindungsgemäßer biologischer Sensor nach 5 im aktiven Zustand.
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Der biologische Sensor 100 nach einer ersten Ausführungsform wird in den 1-4 dargestellt. Der biologische Sensor 100 verfügt über ein Gehäuse 10, dass in eine erste Kammer 11 und eine zweite Kammer 12 unterteilt ist, wobei die erste und zweite Kammer 11, 12 durch einen Trennsteg 13 voneinander getrennt sind. 1 zeigt den biologischen Sensor 100 im inaktiven Zustand, wobei in der ersten Kammer 11 ein Mikroorganismus 14 (Ellipse) und Nährstoffe 15 (Dreiecke) in trockenem Zustand angeordnet. In der zweiten Kammer 12 findet sich ein Lösemittel 16 mit einem darin gelösten Farbindikator 17, der nicht näher dargestellt ist. Wie in 2 gezeigt, wird zur Aktivierung des biologischen Sensors 100 der Trennsteg 13 aus dem Gehäuse 10 so weit herausgezogen, dass die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12 miteinander verbunden sind. Das Lösemittel 16 mit dem darin gelösten Farbindikator 17 vermischt sich mit den Nährstoffen 15 und den Mikroorganismus 14, hydriert werden (Kreise). Danach (3) erfolgt ein Wachstum des Mikroorganismus 14 (symbolisiert durch Aggregation von Kreisen) unter Bildung von Abbauprodukten 18 (Vierecke), das sich unmittelbar auf den Farbindikator 17 auswirkt, ohne jedoch sofort einen Farbumschlag zu bewirken. Erst in der 4 ist ein Farbumschlag, dargestellt durch eine veränderte Schraffur, gegeben. Zu diesem Zeitpunkt sind in der in der Regel alle Nährstoffe 15 verbraucht.
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Eine zweite Ausführungsform des biologischen Sensors 100 ist in den 5 und 6 gezeigt. Die Bezugszeichen werden analog zu den 1 bis 4 verwendet. Hierbei sind die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12 übereinander und gegeneinander verschiebbar angeordnet. Die erste Kammer 11 und die zweite Kammer 12 weisen jeweils eine Öffnung 19 auf, die jeweils von einem Dichtrahmen 20 umgeben sind. Im inaktiven Zustand (5) sind die Öffnungen 18 der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 nicht deckungsgleich, sodass diese gegeneinander abgedichtet sind. Im aktivierten Zustand (6) werden durch die Verschiebung der ersten Kammer 11 und der zweiten Kammer 12 in Relation zueinander die Öffnungen 18 in Übereinstimmung gebracht, sodass die Flüssigkeit 16 aus der zweiten Kammer 12 mit dem Farbindikator 17 in die erste Kammer 11 gelangen kann, um das Wachstum des Mikroorganismus 14 auszulösen. Um eine präzise Positionierung der Öffnungen 18 zueinander zu gewährleisten, ist für die zweite Kammer 12 an der ersten Kammer 11 ein Anschlag 21 vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- biologischer Sensor
- 10
- Gehäuse
- 11
- erste Kammer
- 12
- zweite Kammer
- 13
- Trennsteg
- 14
- Nährstoffe (Dreiecke)
- 15
- Mikroorganismus (inaktiv: flache Ellipsen; aktiv: Kreise)
- 16
- Lösemittel
- 17
- Farbindikator
- 18
- Abbauprodukte (Vierecke)
- 19
- Öffnung
- 20
- Dichtrahmen
- 21
- Anschlag
