DE19649811B4 - Vorrichtung zur Analyse von Flüssigkeiten - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung
zur Untersuchung von Flüssigkeiten
mit wenigstens einer Reaktionskammer (6), der die zu untersuchende
Flüssigkeit
(100) sowie Flüssigkeiten
für die
Analyse zuführbar
sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (6, 7, 8,
9) wenigstens eine Biokomponente oder ein Reagenz enthält und auf einem
beweglich gehalterten und austauschbaren Bauelement (2, 3) angeordnet
ist.
Description
- Die Erfindung bezieht auf eine Vorrichtung zur Analyse von Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Es sind bereits Vorrichtungen zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs bekannt, die alle die Messung des Sauerstoffverbrauchs in der Wasserprobe zum Inhalt haben. Sie lassen sich unterteilen in Laborverfahren und On-line-Meßverfahren. Die Laborverfahren sind genormt und in der DIN 38409 Teil 51 beschrieben. Es handelt sich um eine Verdünnungsmethode, mit der innerhalb von fünf Tagen der Gehalt an biologisch abbaubaren Substanzen in der Wasserprobe im Labor ermittelt wird.
- Es ist auch ein Fermentationskalorimeter bekannt, der die Wärmeproduktion metabolischer Prozesse mißt. Hierfür wird das Wärmeprodukt des Fermentguts durch eine entsprechende Kühlung kompensiert. Die ermittelte Kühlrate ist proportional zum metabolischen Wärmeprodukt und damit auch proportional zur Stoffwechselaktivität der Biomasse. Der apparative Aufwand ist allerdings hoch, und entsprechende Geräte sind für den Einsatz als Prozeßmeßgerät zu teuer.
- Die bekannten Enzymthermistoren messen die Wärme, die entsteht, wenn eine immobilisierte Schicht aus Enzymen mit einem organischen Stoff reagiert. Dieses wird beispielsweise mittels zweier Absoluttemperatursensoren gemessen, die sich im Zu- oder Ablauf des Reaktionsgefäßes mit den immobilisierten Enzymen befinden.
- Ferner ist ein Fließsystem bekannt, bei dem eine Enzymsäule durchströmt wird, an deren Ende die Temperatur ermittelt wird. Als Referenz dient hierbei ein zweites System mit einer unbeschichteten Säule. Auch hierbei ist die Signaldifferenz der Signale von den beiden Temperatursensoren ein Maß für die Reaktionswärme.
- Die bekannten Vorrichtungen dieser Art arbeiten sehr lange, ohne daß sie gewartet werden müssen. Schwierigkeiten bereitet dabei lediglich die Bevorratung der Bakterien und Enzyme, die für die Analyse benötigt werden. Da diese nur eine begrenzte Lebensdauer haben, müssen sie sehr oft erneuert werden. Das ist bei den bekannten Vorrichtungen nicht so einfach, da sich die Biokomponenten in den Reaktionskammern befinden, und diese nicht leicht zugänglich sind.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Analyse von Flüssigkeiten aufzuzeigen, bei der die Erneuerung und Bevorratung der Biokomponenten auf sehr einfache Weise möglich ist, und bei der zudem die Bevorratung auch für einen längeren Zeitraum erfolgen kann.
- Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
- Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, -
2 eine Variante der in1 gezeigten Vorrichtung. - Die in
1 dargestellte Vorrichtung1 weist eine Scheibe2 mit Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 , eine Verteilereinheit4 sowie eine Meß- und Auswerteinheit5 auf. Auf der hier verwendeten Scheibe2 sind so viele Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 vorgesehen, daß mindestens drei Monate lang Untersuchungen durchgeführt werden können. Die Reaktionskammern6 sind zur Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs einer zu untersuchenden Flüssigkeit100 vorgesehen. Zu diesem Zweck sind innerhalb einer jeden Reaktionskammer6 Bakterien (hier nicht dargestellt) angeordnet. Diese sind so ausgewählt, daß sie in der Lage sind organische Substanzen, die in der Flüssigkeit100 enthalten sind, oxidativ umzusetzen. Bei diesen aeroben Prozessen wird Sauerstoff verbraucht und Biomasse und Wärme erzeugt. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel enthält jede Reaktionskammer6 Bakterien der Stämme Rhodococcus Erytropolis und Issatchenkia Orientalis. In den Reaktionskammern6 ,7 und8 . wird die Flüssigkeit100 auf ihren Gehalt an Ammonium, Nitrat und Phosphat untersucht. Zu diesem Zweck enthält jede Reaktionskammer6 ,7 und8 wenigstens ein Enzym in Form von Nitratreductase, Glutamat Dehydrogenase oder Pyruvatoxidase. Die Reaktionskammern6 ,7 , und8 können alternativ auch Bakterien oder solche Enzyme enthalten, mit denen der Gehalt an Glucose, Fructose und Lactose in der Flüssigkeit100 ermittelt werden kann. Vorzugsweise sind auf jeder Scheibe2 mindestens 9960 Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 vorgesehen. Jeweils vier Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 sind in einer Reihe in definiertem Abstand voneinander radial angeordnet. Jede dieser Reihen hat einen definierten Abstand von den beiden jeweils benachbarten Reihen. Jede Reaktionskammer6 ,7 ,8 ,9 ist in einer Bohrung10 angeordnet, welche die Scheibe2 vertikal zwischen ihrer Oberseite2S und ihrer Unterseite2U durchsetzt. Die Scheibe2 selbst dient dabei als seitliche Begrenzung einer jeden Reaktionskammer6 ,7 ,8 ,9 . Sie ist aus diesem Grund aus einem Werkstoff gefertigt, der weder mit Enzymen noch mit Reagenzien reagiert oder von Bakterien zersetzt werden kann. Die Abmessungen der Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 sind so bemessen, daß sie in einer Ebene mit der Oberseite2S und der Unterseite2U der Scheibe2 fluchten. Alle Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 sind nach oben und unten mit transparenten Folien aus einem Polymer verschlossen. Zur Analyse der Flüssigkeit100 , bei der es sich hier um Abwasser aus einer Kläranlage (hier nicht dargestellt) handelt, wird die Scheibe2 so zwischen der Verteilereinheit4 und der Meß- und Auswerteinheit5 angeordnet, daß ihre Oberfläche2S in einer horizontalen Ebene liegt und gerade noch zwischen den beiden Bauelementen4 und5 gedreht werden kann. Die Scheibe2 ist auf einer senkrechten Achse2C gehaltert, die zum Bewegen der Scheibe2 gedreht werden kann. Die Verteilereinheit4 weist eine Zuleitung21 für das Abwasser100 auf. Das Abwasser100 wird in der Verteilereinheit4 auf Zuleitungen22 ,23 ,24 , und25 verteilt. Die Zuleitungen22 ,23 ,24 und25 sind aus einem flexiblen und transparenten Werkstoff gefertigt. In jede Zuleitung22 ,23 ,24 und25 ist zusätzlich eine Pumpe32 ,33 ,34 ,35 integriert. Das zweite Ende jeder Zuleitung22 ,23 ,24 und25 ist mit einer Hohlnadel42 ,43 ,44 ,45 verbunden. Diese Hohlnadeln42 ,43 ,44 ,45 sind so posi tioniert, daß ihre Spitzen42S ,43S 44S ,45S vertikal ausgerichtet sind und jeweils eine Spitze42S ,43S 44S ,45S unmittelbar auf eine unter ihr positionierten Reaktionskammer6 ,7 ,8 ,9 gerichtet ist. An jeder Spitze42S ,43S 44S ,45S ist eine Öffnung (hier nicht dargestellt) vorgesehen. Die Hohlnadeln42 ,43 ,44 ,45 sind mit einer Vorrichtung50 verbunden, mittels derer sie einzeln oder alle zusammen aus der Verteilereinheit4 herausbewegt werden können, derart daß die Spitzen42S ,43S 44S ,45S durch die Folien, welche die Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 verschließen, hindurch in das Innere der Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 geschoben werden. Die Zuleitungen22 ,23 ,24 und25 sind aus einem flexiblen Werkstoff gefertigt, so daß sie zum Herausfahren der Hohlnadeln42 ,43 ,44 ,45 aus der Verteilereinheit4 geringfügig gedehnt werden können. Über die Öffnungen in den Spitzen42S ,43S ,44S ,45S kann in jede Reaktionskammer6 ,7 ,8 ,9 von der zu untersuchenden Flüssigkeit100 eine vorgebbare Menge gefüllt werden. Das gleiche gilt für Flüssigkeiten in Form von Reagenzien oder Pufferlösungen, die in Vorratskammern62 ,63 ,64 ,65 der Verteilereinheit4 enthalten sind und ebenfalls auf die Zuleitungen22 ,23 ,24 , und25 verteilt werden. Die Menge an Flüssigkeiten, die in jede Reaktionskammer6 ,7 ,8 ,9 eingefüllt werden muß, läßt sich über die Pumpen32 ,33 ,34 , und35 steuern. Vor den Zuleitungen22 ,23 ,24 , und25 sind Sensoren72 ,73 ,74 ,75 so installiert, daß mit ihnen der Inhalt in den transparenten Zuleitungen22 ,23 ,24 ,25 erfaßt werden kann. Mit Hilfe des Sensors72 wird der Sauerstoffgehalt der zu untersuchenden Flüssigkeit100 vor dem Einfüllen in die Reaktionskammer6 ermittelt. Mit den Sensoren73 ,74 und75 werden die Mengen an Reagenzien erfaßt, die in die Reaktionskammern7 ,8 ,9 gefüllt werden. Mit Hilfe der Sensoren92 ,93 ,94 und95 , die zu der Meß- und Auswerteinheit5 gehören, werden die in den Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 ablaufenden Reaktion erfaßt. Mit dem Sensor92 wird beispielsweise die Menge an Sauerstoff ermittelt, die noch in der Reaktionskammer6 verblieben ist, nach dem die in der Flüssigkeit enthaltenen organischen Substanzen von den Bakterien in Biomasse und Wärme umgesetzt sind. Aus der Menge des Sauerstoffs, der bei der Umsetzung verbraucht wurde, wird der biologische Sauerstoffbedarf der untersuchten Flüssigkeit ermittelt werden. Zu diesem Zweck werden die Meßsignale der beiden Sensoren72 und92 einem Prozeßrechner80 zugeführt, der in die Meß- und Auswerteinheit5 eingebaut ist. In gleicher Weise sind die Sensoren72 ,73 ,74 ,75 ,92 ,93 ,94 und95 mit dem Prozeßrechner80 über die Signalleitungen81 zur Auswertung ihrer Meßsignale verbunden. Über die Signalleitungen81 sind auch die Antriebsvorrichtung50 und die Pumpen32 ,33 ,34 , und35 mit dem Prozeßrechner80 verbunden. Mit Hilfe eines Programms, das im Prozeßrechners80 gespeichert ist, wird die gesamte Analyse der Flüssigkeit100 gesteuert und ausgewertet. Mit dem Prozeßrechner80 wird auch eine Antriebsvorrichtung (hier nicht dargestellt) betätigt, welche in die Achse2C integriert ist, auf der die Scheibe2 angeordnet ist. Mit dieser Antriebsvorrichtung wird die Scheibe2 immer um soviel weitergedreht, daß für eine Analyse vier unverbrauchte Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 zwischen der Verteilereinheit4 und der Meß- und Auswerteinheit5 positioniert sind. Nach 9660 Messungen ist die Scheibe2 verbraucht und wird entfernt. Hierzu wird die Verteilereinheit4 geringfügig angehoben und die alte Scheibe2 durch eine neue Scheibe2 ersetzt. -
2 zeigt eine Variante der in1 dargestellten Vorrichtung1 . Die beiden Ausführungsbeispiele sind im wesentlichen baugleich. Gleiche Bauelemente sind deshalb mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unterschied besteht lediglich darin, daß die Scheibe2 durch ein Band3 ersetzt ist. Dieses Band3 wird von einer ersten Spule3A abgewickelt und auf eine zweite Spule3B aufgewickelt. In der zweiten Spule3B ist eine Antriebsvorrichtung (hier nicht dargestellt) installiert, die von dem Prozeßrechner80 betätigt wird. Der Prozeßrechner80 ist deshalb über eine Signalleitung82 mit der Antriebsvorrichtung (hier nicht dargestellt) verbunden. Mit ihr wird das Band3 immer um eine solche Strecke weiterbewegt, daß zwischen der Verteilereinheit4 und der Meß- und Auswerteinheit5 auch hierbei immer vier unverbrauchte Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 angeordnet sind. Auf dem Band3 sind in Reihen, die senkrecht zur Längsachse des Bandes3 verlaufen, immer vier Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 in definiertem Abstand angeordnet. Die Reaktionskammer6 enthält ebenso wie die in1 dargestellte und in der zugehörigen Beschreibung erläuterte Reaktionskammer6 Bakterien für die Ermittlung des biologischen Sauerstoffbedarfs in einer Flüssigkeit100 , während die drei anderen Reaktionskammern7 ,8 ,9 Enzyme enthalten. Die Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 sind quaderförmig ausgebildet. Sie sind in rechteckige Ausnehmungen11 integriert, mit denen das Band3 versehen ist. Die Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 weisen eine sehr geringe Höhe auf, so daß ihre Ober- und Unterseiten in einer Ebene mit der Oberseite3S und der Unterseite3U des Bandes3 liegen, wenn dieses aus einem entsprechend dicken Material gefertigt ist. Das Band2 kann aus einem cellulosehaltigen Werkstoff gefertigt werden. Die Reaktionskammern6 ,7 ,8 ,9 sind allseitig von einer transparenten Folie (hier nicht dargestellt) aus einem Polymer begrenzt. Die Analyse der Flüssigkeit100 erfolgt bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel in der gleichen Weise wie in der Beschreibung zu1 erläutert. - Zur Erhöhung der Lebensdauer der Bakterien und Enzyme kann eine Heizeinrichtung (hier nicht dargestellt) und für die Reagenzien eine Kühleinrichtung (hier nicht dargestellt) installiert werden.
- Erfindungsgemäß können die Kammern
6 ,7 ,8 ,9 der Scheibe2 und des Bands3 auch ausschließlich als reine Vorratsbehälter für Bakterien und Enzyme genutzt werden. In diesem Fall wird eine Meß- und Auswerteinheit5 verwendet (hier nicht dargestellt), bei der unmittelbar vor jedem Sensor92 ,93 ,94 und95 eine Reaktionskammer installiert ist. Die zu untersuchende Flüssigkeit100 wird diesen Reaktionskammern auch hierbei über die Hohlnadeln42 ,43 ,44 und45 zugeführt. Dabei werden die Hohlnadeln42 ,43 ,44 und45 so weit aus der Verteilereinheit4 herausbewegt, daß sie die Kammern6 ,7 ,8 ,9 auf der Scheibe2 bzw. dem Band3 vollständig durchstechen. Hiermit wird erreicht, daß die in den Kammern6 ,7 ,8 , und9 enthaltenen Bakterien und Enzyme nach unten in die Reaktionskammern vor den Sensoren92 ,93 ,94 und95 fließen und dort mit dem Abwasser vermischt werden, das aus den Öffnungen der Hohlnadeln42 ,43 ,44 ,45 fließt.
Claims (8)
- Vorrichtung zur Untersuchung von Flüssigkeiten mit wenigstens einer Reaktionskammer (
6 ), der die zu untersuchende Flüssigkeit (100 ) sowie Flüssigkeiten für die Analyse zuführbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionskammer (6 ,7 ,8 ,9 ) wenigstens eine Biokomponente oder ein Reagenz enthält und auf einem beweglich gehalterten und austauschbaren Bauelement (2 ,3 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauelement als drehbar gelagerte Scheibe (
2 ) oder als ein auf Spulen (3A und3B ) aufgewickeltes Band (3 ) ausgebildet ist, und daß jede Reaktionskammer (6 ,7 ,8 ,9 ) Biokomponenten in Form von Bakterien oder Enzymen enthält - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reaktionskammer (
6 ,7 ,8 ,9 ) in einer senkrecht zur Oberfläche (2S ) der Scheibe (2 ) verlaufenden Bohrung (10 ) angeordnet ist, welche die Scheibe (2 ) vollständig durchsetzt, daß die Oberseite jeder Reaktionskammer (6 ,7 ,8 ,9 ) in einer Ebene mit der Oberseite (2S ) und die Unterseite jeder Reaktionskammer (6 ,7 ,8 ,9 ) in einer Ebene mit der Unterseite (2U ) der Scheibe (2 ) angeordnet ist, und dass jede Reaktionskammer (6 ,7 ,8 ,9 ) wenigstens an der Oberseite und der Unterseite mit einer transparenten Folie aus einem Polymer verschlossen ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reaktionskammer (
6 ,7 ,8 ,9 ) die Form eines Quaders aufweist, in eine rechteckige Ausnehmung (10 ) des Bandes (3 ) integriert und allseitig von einer transparenten Folie begrenzt ist, und daß die Oberseite und Unterseite einer jeden Reaktionskammer (6 ,7 ,8 ,9 ) in einer Ebene mit der Oberseite (3S ) bzw. der Unterseite (3U ) des Bandes (3 ) liegt. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf jedem Band (
3 ) in einer Reihe, die senkrecht zur Längsachse des Bandes angeordnet ist, mindestens vier Reaktionskammern (6 ,7 ,8 ,9 ) in einem definierten Abstand von einander angeordnet sind, daß die Reaktionskammern (6 ,7 ,8 ,9 ) einer Reihe für eine Messung vorgesehen sind, und daß auf jedem Band (3 ) solche Reihen mit Reaktionskammern (6 ,7 ,8 ,9 ) für 9660 Messungen vorgesehen sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Scheibe (
2 ) in einer Reihe, die in radialer Richtung angeordnet ist, mindestens vier Reaktionskammern (6 ,7 ,8 ,9 ) in einem definierten Abstand von einander angeordnet sind, daß die Reaktionskammern (6 ,7 ,8 ,9 ) einer jeden Reihe für eine Messung vorgesehen sind, und daß auf jeder Scheibe (2 ) solche Reihen mit Reaktionskammern (6 ,7 ,8 ,9 ) für 9660 Messungen vorgesehen sind. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite einer jeden Reaktionskammer (
6 ,7 ,8 ,9 ) wenigstens ein Sensor (92 ,93 ,94 ,95 ) angeordnet ist, der in einer Meß- und Auswerteinheit (5 ) eingebaut ist, dass in jede Reaktionskammer (6 ,7 ,8 ,9 ) die Spitze (42S ,43S ,44S und45S ) einer Hohlnadel (42 ,43 ,44 ,45 ) einführbar ist, die in einer Verteilereinheit (4 ) beweglich installiert ist, daß jede Hohlnadel (42 ,43 ,44 ,45 ) an eine flexible und transparente Zuleitung (22 ,23 ,24 ,25 ) angeschlossen ist, in die wenigstens eine Pumpe (32 ,33 ,34 ,35 ) integriert ist, daß die Zuleitungen (22 ,23 ,24 , und25 ) an Vorratsbehälter (62 ,63 ,64 , und65 ) für Reagenzien und Pufferlösungen sowie die Zuleitung (21 ) für die zu untersuchende Flüssigkeit (100 ) anschließbar sind, und daß vor jeder Zuleitung (22 ,23 ,2 ,4 und25 ) ein in die Verteilereinheit (4 ) eingebauter Sensor (72 ,73 ,74 ,75 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Meß- und Auswerteinheit (
5 ) ein Prozeßrechner (80 ) zur Steuerung der Scheibe (2 ), des Bandes (3 ) und der Verteilereinheit (4 ) sowie zur Speicherung und Auswertung der Meßsignale der mit ihm verbundenen Sensoren (72 ,73 ,74 ,75 ,92 ,93 ,94 ,95 ) vorgesehen ist.
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