DE19611931A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Messung von Partikeln und Stoffen in Fluiden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine neuartige Vorrichtung und ein Verfahren zur "in-situ" und "on-line" Detektion mit Messung in "real-time" von Stoffen, Verbindungen und Partikeln in flüssigen oder gasförmigen Fluiden sowie deren Konzentrationen und Eigenschaften, die in der Biotechnologie, der chemischen Industrie, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, dem Umweltschutz bei der Gewässer-, Wasser- und Abwasserüberwachung sowie bei anderen biologischen, biotechnischen und technischen Systemen im ruhenden und strömenden Zustand anwendbar ist.

In der Bio- und Fermentationstechnologie ist einer der wichtigsten Parameter die Biomassekonzentration, sowohl für produktsynthetisierende als auch für schadstoffabbauende Bioprozesse. Auch im Bereich der Lebensmittel- und Getränketechnologie sowie bei der Gewässer- und Abwasserüberwachung im Bereich des Umweltschutzes und der Klärtechnik ist die Biomassekonzentration ein bedeutender Meßparameter. Zur Kontrolle solcher Prozesse ist es wichtig, "on-line" und in "real-time" Informationen über den Zustand und die Konzentration der Mikroorganismen zu erhalten. Zur Überwachung von Bioprozessen sind des weiteren Messungen von Inhaltsstoffen wie z. B. Substrat, Produkt, Ionen, pH-Wert sowie Sauerstoff- und Kohlendioxidpartialdruck nötig. In der Gewässer-, Wasser- und Abwasserüberwachung werden zusätzlich Partikelkonzentrationen, in der Getränkeindustrie die Absorption farbiger Getränkeinhaltsstoffe gemessen. Für eine automatisierte oder rechnergestützte Prozeßführung kann die Biomasse- bzw. Partikelkonzentration oder ein anderer gemessener Parameter als Regelparameter genutzt werden. Dazu ist es sinnvoll "in-situ" und "on-line" zu messen, damit der Meßwert kontinuierlich und in"real-time" für die Prozeßführung zur Verfügung steht. "Off-line"-Bestimmungsmethoden, bei denen vor der Messung eine Probe entnommen werden muß, können diese Anforderung nicht erfüllen.

Bei den"on-line"-Bestimmungsmethoden wird ein Parameter direkt im Reaktionsgefäß oder über einen Bypass gemessen. Eine Konzentration kann somit direkt oder indirekt über die Messung eines relevanten physikalischen Parameters, eines Inhaltsstoffes oder einer Eigenschaft des Reaktionsfluids bestimmt werden. Dabei kommen heute bevorzugt faseroptische Sensoren zur optischen Messung gegenüber Elektroden zur potentiometrischen und amperometrischen Messung zum Einsatz, da sie folgende Vorteile aufweisen:

• - es tritt keine elektrische Interferenz auf, da es sich primär um ein optisches Signal handelt,
• - sie besitzen eine schnelle Ansprechzeit und eignen sich somit für Echtzeit- Messungen,
• - ein Kontakt zwischen Sensor und Probe ist nicht unbedingt erforderlich,
• - es besteht die Möglichkeit der Konstruktion eines Multisensors durch Kombination verschiedener Sensoren, da diese sehr dünn, flexibel und robust sind,
• - es entfällt die Notwendigkeit eines Referenzsignals, im Gegensatz zu potentiometrischen Meßmethoden, bei denen die Differenz zwischen zwei Potentialen gemessen wird.

Zu nennende Nachteile dieser faseroptischen Sensoren sind

• - die möglichen Interferenzen durch Umgebungslicht,
• - Probleme mit der Langzeitstabilität immobilisierter Indikatoren durch Bleichung oder Auswaschung sowie
• - die Zerstörung immobilisierter Enzyme von Biosensoren bei der Sterilisierung.

Übersichten dazu sind gegeben bei W.R. Seitz, Anal. Chem. 56 (1984), Seite 16A-34A; J.I. Peterson und G.G. Vurek, Science 13 (1984) 4, Seite 123-127 sowie O.S. Wolfbeis, Pure & Appl. Chem. 59 (1987) 5, Seite 663-672.

Die aus dem Stand der Technik bekannten faseroptischen Sensoren arbeiten üblicherweise in der Art, daß sich eine Meßkammer im Strahlengang eines Lichtstrahls befindet. Das Licht wird über Lichtwellenleiter zur Meßkammer hin- und von ihr abgeleitet. Die Meßkammer kann je nach Anforderung durch eine permeable Membran abgetrennt sein [z. B. DE 36 37 161 A1]. Das die Meßkammer durchtretende Licht wird in Abhängigkeit von dem zu messenden Parameter durch Absorption, oder/und Streuung, Brechung, Fluoreszenz, Bio- und Chemilumineszenz in seiner Charakteristik verändert. Gravierender Nachteil dieser Meßmethoden bei einem Einsatz im Bereich der Bio-, Fermentations- und Abwassertechnologie ist bei allen Methoden der Bewuchs des Sensors durch Mikroorganismen und Verschmutzung durch Partikel, bei der Nephelometrie, Turbidometrie und der Fluorometrie die Störung der Messung durch vorhandene Gasblasen und Schaumbildung durch die notwendige Belüftung von Bioreaktoren und bei der Turbidometrie und Fluorometrie zusätzlich die Störung durch Partikel (z. B. Mikroorganismen oder feste/fluoreszierende Medienbestandteile). Bei der Absorptionsmessung, insbesondere im Bereich der Fermentationstechnologie und der Abwasserüberwachung im Bereich des Umweltschutzes und der Klärtechnik, bei denen häufig mit sehr hohen Biomasse- bzw. Partikelkonzentrationen gearbeitet wird, ist dazu nachteilig, daß die optische Dichte nur im Bereich niedriger Konzentrationen linear proportional zur Stoff- oder Biomassekonzentration ist (Definition: "optische Dichte" = log (l₀/l) = log(eingestrahlte/transmittierte Intensität); engl.: "optical density"). Zur Bestimmung der Extinktion ist folglich eine Verdünnung der Meßprobe notwendig, die nicht "in-situ" im Bioreaktor durchgeführt werden kann. Diese Nachteile führten zum Meßeinsatz in einem Bypass, in dem Partikel sedimentieren, Gasblasen aufsteigen (entgasen) und die Probe gegebenenfalls verdünnt werden können.

Bestimmungsmethoden, bei denen die Messungen von Parametern in einem derartigen Bypass durchgeführt werden müssen, können jedoch aufgrund ihrer Arbeitsweise nicht kontinuierlich und nur in endlicher Zeit einen Meßwert aufnehmen. Dazu sind als Nachteil der große technische Aufwand, erhebliche Probleme bei der sterilen (monoseptischen) Durchführung der Probenahme, der Rückführung der Probe und der Reinigung des Bypasses sowie der Bewuchs und die Verschmutzung durch Mikroorganismen zu nennen.

Zur Konzentrationsbestimmung von Partikeln und Biomasse werden überwiegend Transmissions-, Absorptions- oder Streulichtmessungen durchgeführt.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 39 25 229 A1 ist eine Einrichtung zur optischen Dichtemessung an Bioprozessen bekannt. Hierbei wird ein Lichtstrahl durch das zu messende Fluid geleitet. Das Licht wird über Lichtwellenleiter zur Meßzelle zu- und abgeleitet. Nachteil dieser Meßanordnung ist, daß die Lichtwellenleiterenden mit Quarz oder Pyrex geschützt werden müssen und diese im Zusammenhang mit der Wahl eines kleinen Probenspalts, um auch bei höheren Werten der Extinktion messen zu können, ungenügenden Schutz vor Bewuchs durch Mikroorganismen bieten. Die Verschmutzung durch Mikroorganismen und der Einfluß von Gasblasen in nicht entgasten Medien führen zur Verfälschung von Meßergebnissen, da Mikroorganismen oder eine Blase die gesamte Detektionsfläche bedecken können.

Aus den deutschen Offenlegungsschriften DE 41 42 938 A1 und DE 42 32 957 A1 sind Verfahren zur Messung von Trübungen durch eine Kombinationsmessung von Absorption, Reflexion und Streuung des Lichtes bekannt. Zur Vermeidung von Lichtinterferenzen werden hierbei Blend- bzw. Meßtrennwände verwendet. Auch bei diesen Einrichtungen führen Verschmutzungen sowie der Einfluß von Gasblasen zur Signalverfälschung.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 37 03 180 A1 ist eine Einrichtung zur Transmissionsmessung bekannt. Hier wird die Signalverfälschung durch Verschmutzung von Schutzgläsern durch ein Kompensationsmeßverfahren vermieden. Der verfälschende Einfluß durch Blasen bleibt jedoch bestehen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 38 37 903 A1 ist ein Verfahren zur Eliminierung von Störungen durch Gasblasen bei Trübungsmessungen insbesondere bei Fermentationsmedien bekannt. Es handelt sich dabei um ein auf einem Modell basierendes, mathematisches Verfahren. Nachteil hierbei ist, daß das Verfahren nur eingesetzt werden kann, wenn sich das Biomassewachstum modellkonform verhält.

An eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Stoff-, Verbindungs- und Partikelkonzentrationen, insbesondere zur Bestimmung der Biomassekonzentration werden folgende Anforderungen gestellt: sie sollen

• - kontinuierlich und in "real-time" arbeiten, wobei sie im und nicht außerhalb des Reaktors messen sollen (kein Bypass),
• - kurze Ansprechzeit haben,
• - empfindlich,
• - robust und
• - biologisch inert sein. Außerdem sollen sie eine
• - lange Lebensdauer besitzen und
• - geringe Kosten verursachen. Weiterhin darf die Messung
• - nicht zerstörend wirken und sollte
• - ohne Zusatzreagenzien sowie in
• - undurchsichtigen/farbigen Lösungen durchgeführt werden können. Besonders wichtig ist
• - die Sterilisierbarkeit/Autoklavierbarkeit (in-situ, CIP) der Vorrichtung,
• - daß ohne vorhergehende Verdünnung gemessen werden kann,
• - daß die Meßeinrichtung vor Mikroorganismenbewuchs oder Verschmutzung durch Partikel geschützt wird. Von Vorteil wäre die
• - Anbindung der Vorrichtung an eine vorhandene technische Ausrüstung, so daß damit mehrere verschiedene Vorrichtungen betrieben werden können. Die Vorrichtung sollte
• - leicht zu reinigen oder selbst reinigend sein.

Die zuvor beschriebenen Meßvorrichtungen können diese Forderungen nicht oder nur zum Teil erfüllen.

Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Partikel- und Stoffkonzentrationen in Fluiden mittels optischer Methoden zur Verfügung zu stellen, die nicht mehr die geschilderten Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen aufweisen und die insbesondere die Biomassekonzentrationsmessung bei Langzeitstabilität der Vorrichtung präzise und in Medien sich ändernder chemisch-physikalischer Zusammensetzung sowie in klaren, trüben und veränderlich trüben Medien zuläßt.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei welchem

• a) Meßlicht in das zu vermessende Fluid eingestrahlt wird,
• b) aus dem Fluid Licht aufgenommen und die aufgenommene Lichtmenge quantitativ und/oder qualitativ bestimmt wird,
• c) die Lichtaufnahme aus dem Fluid ganz oder teilweise an Orten erfolgt, die nicht der direkten Bestrahlung durch das Meßlicht ausgesetzt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausschließlich oder teilweise Licht aus dem Fluid aufgenommen, welches nicht auf dem direkten Weg von der Einstrahlungsstelle zur Lichtaufnahme gelangt. Ggf. stammt das aufgenommene Licht auch gar nicht aus der Meßlichtquelle, sondern hat einen anderen Ursprung. Dieses Vorgehen führt überraschenderweise zu einem besonders aussagekräftigen Meßergebnis, bei dem die gemessene aufgenommene Lichtmenge eng mit der Partikel- oder Stoffkonzentration korreliert. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere gestreutes und reflektiertes Licht erfaßt. Dies ist vorteilhaft, denn zum einen geht dieses der Messung nicht verloren, zum anderen hängt es durch seine Entstehung eng mit der Konzentration und den Eigenschaften streuender Partikel zusammen.

Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet insbesondere auch eine quantitative, d. h. spektrale Auswertung des aufgenommenen Lichtes. Hierdurch sind weitere Informationen über spezifische Stoff- bzw. Partikeleigenschaften gewinnbar.

Zur Erfindung gehört auch ein alternatives Verfahren, welches die Aufgabe der Erfindung löst und neben den Merkmalen a) und b) des o.g. Verfahrens dadurch gekennzeichnet ist, daß radial aufnehmende Lichtwellenleiter zur Lichtaufnahme verwendet werden. Diese im Prinzip zylinderförmigen Lichtwellenleiter nehmen Licht radial (statt parallel) zur Zylinderachse auf (bzw. strahlen es radial ab). Sie haben daher eine große Lichtaufnahmefläche (Zylindermantel), und die Lichtaufnahme ist aus allen Raumrichtungen mögliche. Mit ihnen ist insbesondere eine Durchführung des zuerst genannten Verfahrens möglich, wobei aus einer Raumrichtung die Einstrahlung des Meßlichtes erfolgt während der radial aufnehmende Lichtwellenleiter Licht von allen Seiten aufnimmt, also insbesondere auch an Orten, die nicht der direkten Einstrahlung des Meßlichtes ausgesetzt sind. Das Verfahren mit den radial aufnehmenden Lichtwellenleitern ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Es ist somit auch möglich - etwa durch Abdeckung eines Teiles des Lichtleiters oder durch Rundum-Einstrahlung von Meßlicht - die Lichtaufnahme ausschließlich an Orten vorzusehen, die direkt vom Meßlicht erreicht werden können. Radial aufnehmende Lichtwellenleiter führen in jeder der beschriebenen Anordnungen zu überraschend guten und gegen Störeinflüsse stabilen Meßergebnissen.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, enthaltend

• a) lichtabstrahlende Mittel, die so angeordnet sind, daß sie Licht in ein Meß­ volumen des zu vermessenden Fluides einstrahlen können,
• b) einen oder mehrere Lichtaufnehmer, die so angeordnet sind, daß sie Licht aus dem Meßvolumen aufnehmen können, und die zumindest teilweise aus radial aufnehmenden Lichtwellenleitern bestehen, und
• c) eine Meßanordnung zur Bestimmung des von den Lichtaufnehmern aufgenommenen Lichtes.

Erfindungsgemäß sind die abstrahlenden Lichtwellenleiter und der aufnehmende Detektorlichtwellenleiter sowie die Kopplungsadapter für zu- und abgeleitete Lichtstrahlen in einer stabförmigen Sonde angeordnet. Sofern diese im Bereich der Bio- und Lebensmitteltechnologie, z. B. bei Fermentationen, Getränkeherstellungsverfahren oder Abwasserüberwachung zum Einsatz kommt, ist sie als sterilisierbare Vorrichtung ausgelegt. Da im Bereich der Fermentationstechnik vorwiegend mit Dampf sterilisiert wird, sind die Sondenmaterialien auf diese Verhältnisse abgestimmt.

Als Schutz vor Bewuchs durch Mikroorganismen und vor Verschmutzung ist der aufnehmende Detektorlichtwellenleiter sowie die stabförmige Sonde mit Silicon oder einem fluorierten Polymeren überzogen.

Als Lichtemissionsquelle können Laser, Dioden, Glühlampen, Leuchtstoffröhren und andere Quellen eingesetzt werden, vorzugsweise Kaltlichtquellen. Der Einsatz dieser Emissionsquelle hat folgende Vorteile: Die Emission ist breitbandig, so daß für die gleichzeitige Messung verschiedener Parameter entsprechende Anregungswellenlängen des Lichtes zur Verfügung stehen. Des weiteren ermöglicht diese Anordnung die Messung eines Spektrums, das auf Absorption, Reflexion und Streuung beruht und spezifisch für einen Stoff, Partikel oder für eine bestimmte Mikroorganismenart ist. Die Einkopplung des Lichtes der Emissionsquelle in die zuleitenden Lichtwellenleiter ist mit Hilfe einer Fokussiereinrichtung problemlos möglich und kann zur Vermeidung thermisch- mechanischer Belastungen extern positioniert werden.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auch mit einzelnen, definierten Wellenlängen zur Anregung gearbeitet werden, um spezifische Antwortlichtsignale zu erhalten.

Ferner kommt erfindungsgemäß ein zu der Lichtquelle kompatibler Detektor zum Einsatz. Als solcher eignet sich insbesondere ein CCD-Array.

Zur Leitung der Lichtwellen von der Lichtemissionsquelle zur Sonde und weiter zum Lichtaustrittsfenster sowie von der Sonde zur Meßanordnung werden vorzugsweise Lichtwellenleiter eingesetzt. Für die Detektion und Leitung des Antwortlichtsignals innerhalb der Sonde kommt ein radial aufnehmender Lichtwellenleiter zum Einsatz. Es ist auch im Rahmen der Erfindung eingeschlossen, daß die Abstrahlung des Meßlichtes und die Aufnahme des reflektierten Lichtes durch denselben Lichtwellenleiter erfolgen. Die Meßanordnung ist erfindungsgemäß vorzugsweise mit einer speziellen Schaltung zur Auswertung, Speicherung und Anzeige der Signale verbunden. Aufgrund dessen eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für die Automatisierung von Prozessen. Mittels integrierter Auswertungseinheit können sämtliche Daten automatisch erfaßt und einem Regelungsprozeß zugeführt werden.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die erfindungsgemäße Vorrichtung in das in dem Probenraum befindliche Fluid derart eingebracht, daß die abstrahlenden Lichtwellenleiter sowie der aufnehmende Detektorlichtwellenleiter in das Probenfluid eingetaucht sind. Durch die Lichtemissionsquelle werden über die abstrahlenden Lichtwellenleiter Lichtstrahlen in das Probenfluid geleitet. Dort befindliche Stoffe, Verbindungen oder Partikel beeinflussen die Lichtcharakteristik in Kombination oder einzeln durch Absorption, Reflexion, Streuung, Fluoreszenz, Bio- und Chemilumineszenz und erzeugen ein Antwortlichtsignal, das über den aufnehmenden Detektorlichtwellenleiter aufgenommen und der Meßanordnung zugeleitet wird. Durch entsprechende Auswertungs-, Speicherungs- und Anzeigeeinrichtungen läßt sich anhand der Messung des Antwortlichtsignals die Stoff-, Verbindungs- und Partikelkonzentration bestimmen.

Die Biomasse bzw. Mikroorganismen können ebenso, wie Blasen, die durch Belüftung einer Fermentationsbrühe entstehen, als Partikel aufgefaßt werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Biomassekonzentrationsbestimmung nutzen überwiegend die Messung der optischen Dichte, wobei das durch eine Probe transmittierte oder retroreflektierte Licht gemessen wird. Bei der Durchführung der Messung in einem Bypass treten die zuvor geschilderten Nachteile eines Bypasses auf. Die bei der direkten Messung im Bioreaktor resultierenden Antwortsignale stammen von Mikroorganismen und Blasen. Solche Signale können bei der Bestimmung der Biomassekonzentration fehlinterpretiert werden, da sich hier die Schattenfläche der Blasen im Größenbereich der Detektionsfläche befindet und damit die Messung durch eine bis zu 100%ige Abschattung der Detektionsfläche behindert wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren eignen sich insbesondere zum Einsatz der Messung der Biomassekonzentration. Die Biomasse ist die Grundlage aller biotechnologisch synthetisierenden, transformierenden und abbauenden Prozesse, z. B. Fermentationen zur Erzeugung von Lebensmitteln, Lebensmittelhilfsstoffen, Pharmazeutika, Diagnostika sowie Schadstoffabbau und Abwasserreinigung. Die exakte Bestimmung der Biomassekonzentration, insbesondere in Echtzeit beinhaltet einen beträchtlichen Faktor zur Entwicklung der modernen Biotechnologie als Schlüsseltechnologie und bietet die Möglichkeit sofort auf veränderte Prozeßbedingungen zu reagieren.

Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei der Biomassekonzentrationsbestimmung werden insbesondere die aufgezeigten Probleme der Verschmutzung der Sonde durch Mikroorganismen, der Störung der Messung durch Blasen und Schaum sowie der Verdünnung der Probe, um im geeigneten Meßbereich arbeiten zu können, gelöst. Dieses wird dadurch erreicht, daß sowohl der stabförmige Sondenkörper als auch der Detektorlichtwellenleiter mit einem inerten, den Bewuchs von Mikroorganismen verhindernden Schutz aus einem fluorierten Polymer überzogen ist. Durch die erfindungsgemäß sehr große Detektorfläche (i.a. größer als 10 mm² bzw. größer als der Querschnitt des Lichtwellenleiters) haben Blasen und Schaum praktisch keinen Einfluß auf das Meßsignal, da deren Schattenfläche sehr klein im Vergleich zur Detektionsfläche ist. In durchgeführten Messungen konnte der Einfluß von Blasen auf das Meßsignal mit ca. 2% Abweichung zu Messungen ohne Blasen quantifiziert werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung der abstrahlenden Lichtwellenleiter und des aufnehmenden Detektorlichtwellenleiters kann der Probenspalt (Spalt zwischen Sendefasern und Detektorfaser) beim Zusammenbau oder Umbau auf die erforderlichen Meßbedingungen festgelegt werden, so daß keine Verdünnungsschritte zur Vermessung einer Probe notwendig sind und über breite Konzentrationsbereiche "in-situ" gemessen werden kann. Zusätzlich können mit der Sonde weitere Parameter, die auf Lichtabsorptions- und Streuungsänderung beruhen, gleichzeitig gemessen werden.

Anwendungsbeispiel

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und Fig. 2 näher beschrieben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht danach aus der Sonde (1). Der Sondenkörper ist im erfindungsgemäßen Beispiel aus rostfreiem Edelstahl hergestellt. Es ist jedoch möglich, eine Herstellung aus jedem anderen, jedoch in der Regel korrosionsfreien Stoff vorzunehmen.

Die Sonde (1) weist ein Anschlußstück (2) auf, welches es erlaubt, die Sonde (1) in eine Rohrleitung oder die Wand eines Gefäßes druckfest einzusetzen. Das Anschlußstück (2) und die O-Ring-Dichtung (3) erlauben es, die Sonde (1) abdichtend in einem Standardanschlußstutzen zu befestigen. Durch diesen Aufbau wird die Möglichkeit gegeben, den in den Reaktionsraum ragenden Teil der Sonde (1) einer Dampfsterilisation zu unterziehen und im Sterilbetrieb zu nutzen.

Zur Abgabe von Lichtsignalen im Bereich des Lichtaustritts (6) sind im erfindungsgemäßen Beispiel mehrere Tausend endabstrahlende Lichtwellenleiter (4) zu einer Lichtzeile konvertiert und als Lichtsender angeordnet. Es ist jedoch möglich, seitabstrahlende Lichtwellenleiter als Sendelichtwellenleiter und andere lichttransmittierende oder emittierende Lichtleiter oder Lichtquellen einzusetzen. Die endabstrahlenden Sendelichtwellenleiter (4) sind im erfindungsgemäßen Beispiel im Sondenkopf zu einem runden Querschnitt konvertiert. Zur Aufnahme der Antwortlichtsignale wird im erfindungsgemäßen Beispiel im oberen Teil des Sondenkörpers ein radial aufnehmender Lichtwellenleiter (5) aus der Sonde (1) und über den Lichtaustritt (6) geführt. Ein aus dem Sendelichtwellenleiterbündel (4) separiertes Bündel endabstrahlender Lichtwellenleiter (7) im oberen Sondenteil dient als Referenz für Schwankungen der Lichtquelle (8). Die Lichtwellenleiter (4) und (7) können aus beliebigen für die Übertragung von Licht geeigneten Materialien hergestellt sein. Im erfindungsgemäßen Beispiel wird im VIS-Bereich (sichtbares Licht) gearbeitet. Es kommen daher vorzugsweise Lichtwellenleiter aus transparentem Material, z. B. aus Flintglas oder PCS (= polymer clad silica) in Betracht. Der Lichtwellenleiter (5) besteht im erfindungsgemäßen Beispiel aus einem hochbrechenden Glaskern und einem niedrigbrechenden Mantel aus einem fluoriertem Polymer. Alle Lichtwellenleiter sind thermisch bis über 130°C belastbar und eignen sich somit für den Einsatz in dampfsterilisierbarer Umgebung.

Außerhalb der Sonde (1) angeordnet befinden sich eine Lichtquelle (8) und eine Meßanordnung (9). Im erfindungsgemäßen Beispiel handelt es sich bei der Lichtquelle (8) um eine Kaltlichtquelle und bei der Meßanordnung (9) um ein Spektrometer mit CCD-Array. Die Lichtquelle (8) wird mit Strom versorgt. Das Spektrometer (9) überträgt Signalimpulse über die Leitung (10) zu einer technischen Einrichtung (11) zum Verstärken, Auswerten, Anzeigen und Speichern.

Die Lichtquelle (8) und das Spektrometer (9) sind mit der Sonde (1) über extrinsische Lichtwellenleiter (12) zur Übertragung des Sendelichtsignals und (13) zur Übertragung des Antwortlichtsignals verbunden. Die Lichtwellenleiter (14) dienen zur Übertragung des Referenzsignals zum Spektrometer (9). Die Lichtwellenleiter können aus beliebigen für die Überfragung von Licht geeigneten Materialien hergestellt sein. Im erfindungsgemäßen Beispiel wird im VIS-Bereich gearbeitet. Es kommen daher vorzugsweise Lichtwellenleiter aus transparentem Material, z. B. aus Flintglas oder PCS in Betracht.

Im Kopf der Sonde (1) befindet sich im erfindungsgemäßen Beispiel der Kopplungsadapter (15) zur Kopplung der Sendelichtzuleitung (12) mit den Sendelichtwellenleitern (4), der Kopplungsadapter (16) zur Kopplung des Detektorlichtwellenleiters (5) mit der Signallichtableitung (13) sowie der Kopplungsadapter (17) zur Kopplung der Referenzlichtwellenleiter (7) mit der Referenzsignalableitung (14).

Die stabförmige Sonde (1) und der Detektorlichtwellenleiter (5) sind im erfindungsgemäßen Beispiel mit einem inerten Schutzmantel aus einem fluorierten Polymer überzogen. Dadurch wird ein Bewuchs durch Mikroorganismen und eine Verschmutzung durch Partikel weitgehend verhindert. Eine Reinigung ist sehr einfach und erfolgt in der Regel durch die Strömung im zu vermessenden Fluid.

Im Bereich des in das zu vermessende Fluid eingetauchten Sondenteils befindet sich der Lichtaustritt (6). In einem definierten Abstand wird der Detektorlichtwellenleiter (5) über den Lichtaustritt (6) geführt. Über die Sendelichtwellenleiter (4) wird ein Lichtsignal in das zu vermessende Fluid abgegeben. In Abhängigkeit von den dort befindlichen Stoffen, Verbindungen oder Partikeln wird die Lichtcharakteristik in Kombination oder einzeln durch Absorption, Reflexion, Streuung, Fluoreszenz, Bio- und Chemilumineszenz beeinflußt und es wird ein Antwortlichtsignal erzeugt, das über den radial aufnehmenden Detektorlichtwellenleiter (5) aufgenommen und der Meßanordnung (9) zugeleitet wird. Durch entsprechende Auswertungs-, Speicherungs- und Anzeigeeinrichtungen (11) läßt sich anhand der Messung des Antwortlichtsignals die Anwesenheit und Konzentration von Stoffen, Verbindungen und Partikeln bestimmen.

Die im erfindungsgemäßen Beispiel eingesetzte Kaltlichtquelle (8) emittiert breitbandiges Licht im UV/VIS. Dies ermöglicht die gleichzeitige Messung verschiedener Parameter, da entsprechende Anregungswellenlängen des Lichtes zur Verfügung stehen. Des weiteren ermöglicht diese Anordnung die Messung eines Spektrums, das auf Absorption, Reflexion und Streuung beruht und spezifisch für einen Stoff, Partikel oder für eine bestimmte Mikroorganismenart ist. Es können jedoch auch andere Lichtquellen eingesetzt werden, bei denen die emittierten Wellenlängen in bezug auf den zu untersuchenden Stoff sowohl im UV/VIS als auch im IR liegen. Weiterhin können gleichzeitig verschiedene Lichtquellen oder eine Lichtquelle mit verschiedenen Filtern eingesetzt werden, um selektive Wellenlängenbereiche der emittierten Strahlungen zur Messung zu nutzen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß Biomasse-, Partikel- und Stoffkonzentrationen, aufgrund der großen Detektionsfläche weitgehend unbeeinflußt durch Blasen, "in-situ" und unverdünnt in "real-time" gemessen werden können. Des weiteren wird durch den Schutz der Sonde (1) und des Detektorlichtwellenleiters (5) mit einem fluorierten Polymer ein Bewuchs und eine Verschmutzung durch Mikroorganismen bzw. Partikel weitgehend ausgeschlossen. Präzise und langzeitstabile Biomassekonzentrationsmessungen sind dadurch möglich und bieten als Regelparameter die Voraussetzung für eine automatisierte Prozeßführung.

Insbesondere bei einem Einsatz im Bereich der Fermentationstechnologie haben Blasen in belüfteten Bioprozessen aufgrund der großen Detektionsfläche keinen erheblichen Einfluß auf das Meßsignal. Dadurch kann auf eine aufwendige und problemträchtige Messung in einem Bypass verzichtet werden und es wird die "in-situ"-Messung ermöglicht. Vorteilhaft in diesem Anwendungsbereich ist darüber hinaus, daß die Sonde während einer Sterilisation thermischen Belastungen standhält und somit "in-situ" sterilisiert werden kann.

Claims (16)

1. Verfahren zur optischen Bestimmung der Konzentration und/oder Eigenschaften von Partikeln oder Stoffen in Fluiden, bei welchem

• a) Meßlicht in das zu vermessende Fluid eingestrahlt wird,
• b) aus dem Fluid Licht aufgenommen und die aufgenommene Lichtmenge quantitativ und/oder qualitativ bestimmt wird,
• c) die Lichtaufnahme aus dem Fluid ganz oder teilweise an Orten erfolgt, die nicht der direkten Bestrahlung durch das Meßlicht ausgesetzt sind.

2. Verfahren zur optischen Bestimmung der Konzentration und/oder Eigenschaften von Partikeln oder Stoffen in Fluiden, bei welchem

• a) Meßlicht in das zu vermessende Fluid eingestrahlt wird,
• b) aus dem Fluid Licht aufgenommen und die aufgenommene Lichtmenge quantitativ und/oder qualitativ bestimmt wird,
• c) die Lichtaufnahme aus dem Fluid ganz oder teilweise durch radial aufnehmende Lichtwellenleiter (5) erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung der aus dem Fluid aufgenommenen Lichtmenge eine Vergleichsmessung durchgeführt wird mit Meßlicht, welches nicht durch das Fluid geleitet wurde.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend

• a) lichtabstrahlende Mittel (8, 12, 4), die so angeordnet sind, daß sie Licht in ein Meßvolumen (6) des zu vermessenden Fluides einstrahlen können,
• b) einen oder mehrere Lichtaufnehmer (5), die so angeordnet sind, daß sie Licht aus dem Meßvolumen (6) aufnehmen können, und die zumindest teilweise aus radial aufnehmenden Lichtwellenleitern (5) bestehen, und
• c) eine Meßanordnung (13, 9, 11) zur Bestimmung des von den Lichtaufnehmern (5) aufgenommenen Lichtes.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die radial aufnehmenden Lichtwellenleiter (5) im Meßvolumen (6) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabgabe in das Meßvolumen (6) des Fluides über mindestens einen end- oder radial abstrahlenden Lichtwellenleiter (4) erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Lichtes durch eine Lichtemissionsquelle (8) erfolgt, bei der es sich vorzugsweise um Kaltlichtquellen, Laser, Dioden, Glühlampen, Leuchtstoffröhren, Hochdruck-Dampflampen oder natürliches Licht handelt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Lichtabstrahlung Filter angeordnet sind, die vorzugsweise monochromatisches Licht erzeugen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßanordnung aus Photometer oder CCD- Aufnehmern (9) besteht, die vorzugsweise mit einer elektronischen Auswerteeinheit (11) verbunden sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß lichtabstrahlende Mittel (4) und radial aufnehmende Lichtwellenleiter (5) in einer stabförmigen Sonde (1) angeordnet sind, die über Kopplungsadapter (16, 17) mit der Lichtquelle (8) und der Meßanordnung (9, 11) verbindbar ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde (1) und/oder der radial abstrahlende Lichtwellenleiter (5) mit einem Schutzmantel gegen Bewuchs mit Mikroorganismen und Verschmutzung umgeben ist, der vorzugsweise aus fluorierten Polymeren besteht.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie druckfest ausgestaltet ist, vorzugsweise für Drücke bis zu 200 bar, ganz besonders bevorzugt bis zu 20 bar.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die radial aufnehmenden Lichtwellenleiter (5) auswechselbar angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die radial aufnehmenden Lichtwellenleiter (5) auf verschiedene Abstände zur Lichteinstrahlung (4) eingestellt werden können.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Lichtabstrahlungseinheit und -aufnahmeeinheit identisch sind.

16. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 15 zur Messung, Steuerung oder Regelung von Bioverfahren oder Getränkeherstellungsverfahren, insbesondere durch Bestimmung der Biomasse, Partikel- oder Stoffkonzentrationen in flüssigen oder gasförmigen Medien.