DE19921999A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Überwachung und Kontrolle von biologisch aktiven Fluiden - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Organismen in einem Fluid, wobei Metabolitenparameter mittels einer Datenerfassungseinrichtung aufgenommen und anschließend umgerechnet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Konzentration von Or­ ganismen, insbesondere Mikroorganismen, in einem Fluid.

Die Bestimmung der Keimbelastung von Fluiden, im allgemeinen ausgedrückt in kolonienbildenden Ein­ heiten pro Volumeneinheit, bevorzugt pro Milliliter (KBE/ml), erfolgt üblicherweise durch Animpfen von Nährmedien mit den entnommenen Proben und Auszählen der Kolonien. Diese Verfahrensweise ist Zeit- und kostenintensiv. Zudem sind Online-Messungen der Keimbelastung, das heißt kontinuierliche Messungen, nicht möglich.

In Online-Meßverfahren wird üblicherweise nur die biologische Aktivität von Mikroorganismen verfolgt. Dies geschieht zum Beispiel durch Messen des Sauer­ stoff- oder Kohlendioxidgehaltes, des pH-Wertes oder der Konzentration fluoreszenzaktiver Stoff­ wechselprodukte. Bei diesen Verfahren wird jedoch keine direkte Korrelation, zum Beispiel anhand des Sauerstoffverbrauches, zwischen Stoffwechselaktivi­ tät und der Zahl der vorhandenen Mikroorganismen hergestellt.

So beschreibt zum Beispiel die US-PS 5,224,051 ein Gerät, das unter anderem den Gehalt an gelöstem Sauerstoff in Kühlschmierstoffen mißt, um Hinweise auf Mikroorganismen zu erhalten. Das Gerät mißt je­ doch nicht den Sauerstoffverbrauch in einem abge­ schlossenen Volumen und stellt in Folge dessen auch keine Korrelation zwischen temperaturabhängigem Sauerstoffverbrauch und Keimzahl in der Lösung her.

In der DE 44 15 444 wird die kontinuierliche Er­ mittlung der Sauerstofftransferrate zur Bestimmung der physiologischen Bedingungen in mikrobiologi­ schen Kulturen genutzt. Die Sauerstofftransferrate wird aus dem Abfall des Sauerstoffpartialdruckes im Gasraum mit einer sterilisierbaren Sauerstoffelek­ trode gemessen. Die direkte Errechnung der Keimzah­ len aus dem Sauerstoffverbrauch und der Temperatur wird nicht offenbart.

In der DE 196 05 753 A1 wird ein Verfahren be­ schrieben, mittels dem die Anzahl der Keime pro Milliliter ermittelt werden kann. Das Verfahren er­ fordert jedoch einen sehr hohen apparativen Auf­ wand, da den Mikroorganismen zunächst ein Nährmedi­ um zur Erlangung eines optimalen Stoffwechsels zur Verfügung gestellt wird. In weiteren Verfahrens­ schritten werden die Stoffwechselzwischen- bezie­ hungsweise -endprodukte aufkonzentriert und einem Chromatographiesystem mit Detektor- und Compu­ tereinheiten zugeführt.

Keines der beschriebenen Verfahren ermöglicht die kontinuierliche, schnelle und einfach durchzufüh­ rende exakte Bestimmung der Konzentration von Orga­ nismen, insbesondere Mikroorganismen, in einem Fluid.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem besteht also darin, ein Verfah­ ren und eine Vorrichtung zur Durchführung desselben bereitzustellen, durch welches eine kontinuierliche Bestimmung der Organismenkonzentration in einem Fluid in schneller, einfacher und kostengünstiger Weise erfolgen kann, wobei gleichzeitig eine hohe Präzision erreicht wird.

Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrundelie­ gende technische Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Bestimmung der Konzentration von Organismen, insbesondere Mi­ kroorganismen, in einem in einem Leitungsabschnitt befindlichen Fluid, wobei mittels mindestens einer Datenerfassungseinrichtung die zeitabhängige Ände­ rung mindestens eines Metabolitenparameters in der von dem Fluid gefüllten Leitung, insbesondere in dem die Datenerfassungseinrichtung oder ihren Sen­ sor aufweisenden Teil der Leitung, dem Leitungsab­ schnitt, gemessen und vorzugsweise einem Datenver­ arbeitungssystem zugeführt und ausgewertet wird. Vorzugsweise ist die Leitung beziehungsweise der Leitungsabschnitt einem Behälter zugeordnet, der das zu bestimmende Fluid enthält. Die dem Behälter zugeordnete Leitung beziehungsweise der Leitungsab­ schnitt stellt für das darin befindliche und gemes­ sene Fluid ein geschlossenes System, das heißt ein keinen unmittelbaren Austausch von im Meßbereich gemessenen Metaboliten mit der - undefinierten - Um­ gehung erlaubendes System, dar, wobei die Leitung beziehungsweise der Leitungsabschnitt permanent oder periodisch mit zu messendem Fluid aus dem ihr zugeordneten Behälter versorgt wird. Das Fluid aus dem Behälter wird also im allgemeinen nicht, zum Beispiel mittels einer Schöpfkelle, dem Behälter entnommen und einem abgeschlossenen Meßsystem zuge­ führt. Vielmehr steht die Leitung vorzugsweise in Strömungszusammenhang mit dem Behälter, das heißt zumindest eine der Öffnungen der Leitung mündet in den Behälter, und kann von dort Fluid aufnehmen. Das sich in der Leitung befindende Fluid liegt in einem durch die Verweilzeit in dem Leitungsab­ schnitt bedingten geschlossenen oder quasi-ge­ schlossenen System vor. Die Erfindung sieht demge­ mäß vor, daß ein Organismen-belastetes Fluid, das sich in einem Behälter und einer ihm vorzugsweise zugeordneten Leitung befindet, in der Leitung auf eine zeitabhängige, vorzugsweise zusätzlich auch temperaturabhängige, Änderung mindestens eines Me­ tabolitenparameters hin untersucht wird. Dabei wird die zeit- und gegebenenfalls temperaturabhängige Änderung eines für eine oder mehrere Organismenar­ ten vorher bestimmten geeigneten Metabolitenparame­ ters mittels einer Datenerfassungseinrichtung be­ stimmt und die aktuelle Organismenkonzentration rechnerisch anhand einer vorgegebenen Korrelation zwischen Änderung des mindestens einen Metaboliten­ parameters und der Organismenkonzentration aus den Meßwerten ermittelt. Die Erfindung sieht also vor­ zugsweise vor, daß nach Messung der Änderung minde­ stens eines Metabolitenparameters die Meßwerte aus­ gewertet werden, vorzugsweise in einem Datenverar­ beitungssystem, wobei bei der Auswertung ein vorab vorgegebener rechnerischer Zusammenhang, im folgen­ den auch als Korrelation bezeichnet, zwischen Ände­ rung des mindestens einen erfaßten Metabolitenpara­ meters und der Organismenkonzentration die Bestim­ mung der aktuellen Organismenkonzentration ermög­ licht. Erfindungsgemäß kann mithilfe von für spezi­ fische Organismen ermittelten Korrelationen aus den zeitabhängig und gegebenenfalls auch temperaturab­ hängig erfaßten Metabolitenparametern die Konzen­ tration der Organismen als KBE/ml ermittelt werden. Die Erfindung erlaubt in vorteilhafter Weise die quasi- oder semi-kontinuierliche und die kontinu­ ierliche, das heißt Online-Erfassung, von Organis­ menkonzentrationen, insbesondere Mikroorganismen­ konzentrationen, oder Keimen in Fluiden.

Die erfindungsgemäß erlaubte, kontinuierliche Er­ fassung von Keimen ermöglicht die besonders schnel­ le und präzise Bestimmung der Organismenkonzentra­ tion. Bei der herkömmlichen Bestimmung von Keimen durch Ausplattieren auf Nährböden und Zählen der kolonienbildenden Einheiten liegt das Ergebnis meist erst nach ein bis zwei Tagen vor. Demgegen­ über liegt das Meß- und Auswerteergebnis der erfin­ dungsgemäßen Online-Verfahrensweise - vorzugsweise angegeben als kolonienbildende Einheiten pro Milli­ liter (KBE/ml) - zum Beispiel bereits nach 5 bis 240 Minuten vor, bevorzugt nach 10 bis 60 min. Zudem weist die Erfindung den Vorteil auf, daß kein zu­ sätzliches Nährmedium für die Mikroorganismen zur Verfügung gestellt werden muß. Eine Aufkonzentrati­ on der Organismen ist ebenfalls nicht notwendig. Die Erfindung weist den weiteren Vorteil auf, daß sie nur einen geringen apparativen Aufwand mit sich bringt, und insbesondere auch in Mikrosystemtechnik ausgeführt werden kann, das heißt, der als Reakti­ onsstrecke nötige auch als Strömungsrohr bezeichne­ te Leitungsabschnitt kann zum Beispiel als geätzter Meander auf einem Glassubstrat vorliegen. Die Sen­ soren, Ventile und Pumpe können ebenfalls in Mikro­ systemtechnik ausgeführt sein, wobei das Strömungs­ rohr vorzugsweise einen Durchmesser von einigen Mi­ krometern und eine Länge von mehreren Zentimetern aufweist.

Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann also die Konzentration von Organismen, insbesondere Mi­ kroorganismen, als KBE/ml kontinuierlich oder qua­ si-kontinuierlich erfaßt werden, indem beispiels­ weise im Fall von aeroben Keimen in einem Strö­ mungsrohr oder Leitungsabschnitt der Verbrauch bei­ spielsweise von Sauerstoff (O₂) als Metabolitenpa­ rameter in Abhängigkeit von der Zeit und vorzugs­ weise auch der Temperatur gemessen wird. Die Meß­ werte werden dann anhand einer vorher bestimmten Korrelation zwischen O₂-Verbrauch und Keimkonzen­ tration in die momentan vorliegende Keimkonzentra­ tion umgerechnet.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff Organismen jedwede Art von Lebe­ wesen mit Stoffwechselaktivität verstanden, insbe­ sondere Mikroorganismen wie Protozoen, Bakterien, Pilze, Hefen, Algen oder Flechten. Derartige Orga­ nismen können ein- oder mehrzellig vorliegen, sie können auch einzeln und/oder kolonienbildend auf­ treten. In besonders bevorzugter Ausführungsform betrifft die Erfindung die Bestimmung der Konzen­ tration von Mikroorganismen, wie Pseudomonas spec., E.coli, Lactobacillus spec., Bacillus spec., Leuco­ nostoc spec,, Clostridium spec., Saccharomyces spec., Sarcina spec., Candia spec., Streptococcus, Staphylococcus, Micrococcus, Methanobacterium, Methanococcus, Enterobacteriaceae, Enterococcen, aerobe Sporenbildner, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis und Desulfotomaculum.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Fluid jedwede Art von Flüssigkeit, Gas mit und ohne Aerosol, zum Beispiel Luft, Suspensi­ on, Emulsion, Dispersion oder Mischungen derselben verstanden.

Im Zusammenhang mit der Erfindung wird unter einer Flüssigkeit jedwede Art von Flüssigkeit verstanden, die potentiell stoffwechselaktive Organismen ent­ halten kann, beispielsweise Abwässer, Kulturflüs­ sigkeiten, Medien, Flüssigkeiten, die in der Le­ bensmitteltechnologie, Naturheilmittelherstellung, Kosmetik, Pharmazie und Landwirtschaft, in Braue­ reien, in Fermentationen und in der Medizintechnik eingesetzt werden, Flüssigkeiten, die bei der Milchverarbeitung, bei Überprüfung von Körperflüs­ sigkeiten auf Keime oder auch bei der mikrobiologi­ schen Überwachung von Befeuchtungseinrichtungen in Klimaanlagen oder bei der Kontrolle von Zu- und Ab­ wässern aus Kläranlagen eine Rolle spielen oder Flüssigkeiten, die bei der Herstellung radioaktiv markierter Substanzen verwandt werden, bei der Energie- und Rohstoffgewinnung, bei der quantitati­ ven Bestimmung von Vitaminen, Aminosäuren und wei­ teren Verbindungen oder bei der Gewinnung intrazel­ lulärer Substanzen (zum Beispiel Enzyme). Im Zusam­ menhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer Flüssigkeit auch eine Flüssigkeit, insbeson­ dere Wasser, verstanden, welche beispielsweise durch die Einleitung von keimbelasteten Gasen, zum Beispiel Luft, zum Beispiel aus Klimaanlagen, Mi­ kroorganismen-belastet vorliegt und einer Analyse unterzogen werden soll.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem eine Leitung aufweisenden Behälter jedweder offene oder geschlossene Behälter verstan­ den, der der Aufnahme von erfindungsgemäßen Fluiden dienen kann und zudem eine Leitung dergestalt auf­ weist, daß diese in einem Strömungszusammenhang mit dem Behälter steht.

Unter dem Begriff Strömungszusammenhang wird im Zu­ sammenhang mit der vorliegenden Erfindung verstan­ den, daß Fluid aus dem Behälter direkt in die dem Behälter zugeordnete Leitung fließt, daß Fluid aus der Leitung direkt in den Behälter fließt und/oder daß Fluid aus dem Behälter direkt in die Leitung und aus der Leitung direkt in den Behälter strömen kann. In bevorzugter Ausführungsform ist die Lei­ tung sowohl mit ihrer Eingangs- als auch Ausgangs­ öffnung unmittelbar mit dem Behälter verbunden und befindet sich beispielsweise außerhalb oder inner­ halb des Behälters. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die Leitung nur mit einer ihrer Öff­ nungen mit dem Behälter verbunden ist und von dem Behälter zu- oder wegführt. In einem solchen Fall wäre die Leitung als Zu- oder Ableitung ausgeführt. Möglich ist es auch, daß die Leitung nicht direkt körperlich mit dem Behälter verbunden ist, sondern zum Beispiel in dem Innern des Behälters ohne Kon­ takt zu den Behälterwänden oder unabhängig von einem Behälter vorliegt.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Leitungsabschnitt die Komponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung verstanden, in der mittels der mindestens einen Datenerfassungsein­ richtung die zeitabhängige Änderung des Metaboli­ tenparameters des in dem Leitungsabschnitt vorhan­ denen Fluids gemessen wird, und die, vorzugsweise schlauchförmig ausgebildet, eine Eingangs- und eine Ausgangsöffnung aufweist. Der Leitungsabschnitt kann vorzugsweise mittels Kopplungseinrichtungen, zum Beispiel Ventilen, in bestehende Leitungssy­ steme beziehungsweise Leitungen eines Behälters eingekoppelt werden. Der Leitungsabschnitt kann auch ein mindestens einen Sensor aufweisender inte­ graler Teil einer Leitung sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß der Leitungsabschnitt in das Fluid in dem Behälter eingeführt wird und so gleichsam in der Terminologie der vorliegenden Er­ findung die Leitung des Behälters darstellt. Es kann schließlich auch vorgesehen sein, daß der Lei­ tungsabschnitt keinem Behälter zugeordnet ist, son­ dern ein Fluid in beliebiger Art und Weise dem Lei­ tungsabschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung so zugeführt wird, daß das Fluid in den Leitungsab­ schnitt einströmen kann.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer kontinuierlichen Messung oder Bestim­ mung eine Bestimmung verstanden, bei der das Fluid permanent, das heißt ohne Unterbrechung, durch die Leitung und den die mindestens eine Datenerfas­ sungseinrichtung aufweisenden Leitungsabschnitt strömt und die Metabolitenparameter dabei bestimmt werden. Die Bestimmung der Metabolitenparameter und/oder deren Auswertung kann dabei jeweils perma­ nent oder in periodischen Abständen erfolgen. Unter einer quasi-kontinuierlichen oder semi-kontinuier­ lichen Messung oder Bestimmung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eine Bestimmung ver­ standen, bei der das Fluid in der Leitung und dem mindestens eine Datenerfassungseinrichtung aufwei­ senden Leitungsabschnitt zeitweise zum Stillstand kommt und/oder eine Strömungsumkehr bewirkt wird. Auch hier kann die Bestimmung der Metabolitenpara­ meter und/oder deren Auswertung permanent oder in periodischen Abständen erfolgen.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Metaboliten ein Stoff verstanden, der durch die biologische Aktivität eines Organismus', insbesondere durch einen Mikroorganismus, modifi­ ziert wird; insbesondere ein Stoff, der verbraucht, also ein Stoffwechseledukt, oder erzeugt wird, also ein Stoffwechselprodukt. Als Stoffwechseledukt und Stoffwechselprodukt kommen zum Beispiel Sauerstoff, Methan, Wasserstoff, Sulfid, Stickstoff oder ein Gärprodukt, wie Ethanol, Butanol, Aceton, Propanol, Lactat, Acetat, Formiat, Butyrat, Kohlendioxid, Carbonat, Ammoniak, Ammonium, Nitrit, Nitrat, Koh­ lenwasserstoffe, aromatische Kohlenwasserstoffe, Metalle, insbesondere Kupfer, Eisen, Molybdän und Uran, Kohlenhydrate, insbesondere Stärke, Cellulo­ se, Pullulan, Laminarin, Melibiose, Pektine, Chitin und Xylane, und/oder Schwefelwasserstoff in Be­ tracht.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem Metabolitenparameter eine hinsichtlich des bestimmten Metaboliten quantitative Angabe ver­ standen, beispielsweise die Konzentration des Meta­ boliten, der pH-Wert der Flüssigkeit oder deren elektrische Leitfähigkeit. Auch das Redoxpotential kann als Metabolitenparameter herangezogen werden. Derartige Angaben erlauben direkt, zum Beispiel Konzentrationsbestimmung, oder indirekt, zum Bei­ spiel Redoxpotential, bei zeitabhängiger Bestimmung des Metabolitenparameters einen Rückschluß auf den Verbrauch beziehungsweise die Produktion des jewei­ ligen oder der jeweiligen Metaboliten.

Die Bestimmung der Metabolitenkonzentration kann gegebenenfalls auch durch optische Meßmethoden, zum Beispiel UV- oder IR-Absorption, mittels Dünn- oder Dickschicht-Sensoren, Sensoren auf Halbleiterbasis, ionenselektiver Elektroden oder chromatographischer Meßmethoden oder Ultraschallmeßverfahren erfolgen.

Die Erfindung sieht in einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform vor, daß das Fluid ungepuffert vorliegt, so daß der pH-Wert und/oder die Leitfähigkeit als Metabolitenparameter verwendet werden kann. Selbst­ verständlich sieht die Erfindung jedoch auch die Verwendung eines gepufferten Fluids vor, wobei dann als Metabolitenparameter beispielsweise die Konzen­ tration des oder der Metaboliten herangezogen wer­ den kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Organismenkonzentration, insbe­ sondere Mikroorganismenkonzentration, in einem Gas oder Gasgemisch, zum Beispiel Luft, bestimmt. Dies kann erfindungsgemäß in dem Gas selbst, gegebenen­ falls nach Aufkonzentrierung an Membranen oder Fil­ tern, geschehen oder, indem vor Durchführung des hier beschriebenen Verfahrens das Gas oder Gasge­ misch durch eine Flüssigkeit geleitet wird, so daß die in dem Gas oder Gasgemisch befindlichen Orga­ nismen aus diesem herausgewaschen und in der Flüs­ sigkeit angereichert werden. Die Flüssigkeit wird dann dem vorliegenden Verfahren zugeführt.

Die Erfindung sieht in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vor, daß das Fluid während der Mes­ sung kontinuierlich durch die dem Behälter zugeord­ nete Leitung, insbesondere Leitungsabschnitt, ge­ führt wird. Diese Verfahrensweise setzt den Einsatz zweier Sensoren einer Datenerfassungseinrichtung in dem Leitungsabschnitt voraus.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Fluid in der Leitung umgewälzt wird, um so eine möglichst gleichmäßige Verteilung des mindestens einen Metaboliten zu gewährleisten. Diese Verfahrensweise setzt die periodische Ent­ kopplung des Leitungsabschnitts vom Behälter vor­ aus, zum Beispiel mittels eines oder mehrerer Ven­ tile. Als vorteilhaft erweist sich die Möglichkeit, nur einen Sensor einer Datenerfassungseinrichtung einzusetzen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sieht die Erfindung also vor, daß die Messung des minde­ stens einen Metabolitenparameters mittels zweier in Serie geschalteter Datenerfassungseinrichtungen oder zweier Sensoren einer Datenerfassungseinrich­ tung erfolgt, wobei das Fluid kontinuierlich durch die die Datenerfassungseinrichtung aufweisende Lei­ tung strömen kann. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, daß die Messung mittels einer Datenerfas­ sungseinrichtung oder eines Sensors erfolgt, wobei dann entweder eine, vorzugsweise ventilgesteuerte Umschaltung der Strömungsrichtung der Flüssigkeit in der Leitung oder eine Verweilzeit des Fluids in der Leitung vorgesehen ist. Es handelt sich dann um quasi-kontinuierliche Bestimmungen, wobei die Lei­ tung oder der Leitungsabschnitt, vorzugsweise peri­ odisch, von dem Behälter entkoppelt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß das Fluid thermostatisiert wird, vorzugsweise in einem an die jeweilige Orga­ nismenart angepaßten Bereich, beispielsweise in einem Temperaturbereich zwischen 20°C und 40°C; insbesondere 30°C bis 35°C für Pseudomonas spec. Durch Temperaturerhöhung und Konstanthaltung bei dieser Temperatur kann erfindungsgemäß eine Steige­ rung der Meßempfindlichkeit erreicht werden, wobei beispielsweise bei einer Temperatur von 30°C bis 35°C für Pseudomonas spec. eine Nachweisgrenze mit einem Grenzwert von 10 bis 100 KBE/ml erreicht wird.

Erfindungsgemäß kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine Begasung des zu untersuchenden Fluids mit Gasgemischen oder Gasen, zum Beispiel Luft, erfolgen, wenn der Gehalt an gelösten Gasen, insbesondere Sauerstoff, zu gering ist und aerobe Keime detektiert werden sollen. Selbstverständlich können auch andere Gase zugeführt werden, die eine . Detektion von anaeroben Organismen, beispielsweise im medizinisch/klinischen Bereich, in Kläranlagen und bei der Bildung von Methan und Acetat durch Carbonatreduktion mittels methanogener und acetoge­ ner Bakterien gestatten. Gegebenenfalls kann in al­ len vorgenannten Ausführungsformen eine Reinigungs­ beziehungsweise Sterilisierprozedur des Leitungsab­ schnitts zwischen einzelnen Meßvorgängen vorgesehen werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Organismen, insbe­ sondere Mikroorganismen, in einem Fluid, insbeson­ dere zur Durchführung eines der vorgenannten Ver­ fahren, wobei die Vorrichtung eine Leitung, insbe­ sondere einen Leitungsabschnitt, ein Datenverarbei­ tungssystem mit einem Programm zur Ermittlung der Organismenkonzentration und mindestens eine zumin­ dest teilweise in oder an der Leitung angeordnete Datenerfassungseinrichtung umfaßt. Selbstverständ­ lich kann auch nur ein Teil der Datenerfassungsein­ richtung, zum Beispiel dessen Sensor oder Meßfüh­ ler, an oder in dem Leitungsabschnitt angeordnet sein und die erfaßten Daten an die zum Beispiel im Datenverarbeitungssystem integrierte Datenerfas­ sungseinrichtung übermitteln. In bevorzugter Aus­ führungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Bestimmung der Temperatur im Leitungsabschnitt vor, so daß das erfindungsgemäße Verfahren unter Kontrolle der Temperatur und in Temperaturabhängigkeit durchgeführt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Lei­ tungsabschnitt mit jeweils einer Eingangs- und einer Ausgangsöffnung auf, wobei diese beiden Öff­ nungen oder eine dieser beiden Öffnungen Kupplungs- oder Kopplungseinrichtungen aufweisen können, die die Einkopplung in eine Leitung eines Behälters oder in den Behälter selbst ermöglichen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Leitung, bezie­ hungsweise den Leitungsabschnitt, der Vorrichtung direkt in das Fluid eines Behälters einzutauchen, oder das Fluid in den Leitungsabschnitt einzufüh­ ren, ohne eine Kopplung direkt mit dem Behälter oder an eine seiner Leitungen vorzusehen.

Das Programm zur Ermittlung der Organismenkonzen­ tration weist eine Korrelation in Form eines in einem Software-Programm niedergelegten Algorithmus auf, der auf die jeweilige Analyseaufgabe hin ange­ paßt wurde, das heißt, aus der gemessenen zeitab­ hängigen Veränderung eines oder mehrerer Metaboli­ tenparameter die Organismenkonzentration bezie­ hungsweise Keimzahl berechnet. Die Korrelation kann auch eine Temperaturabhängigkeit erfassen. Das Pro­ gramm zur Ermittlung der Organismenkonzentration setzt also für seine Erstellung das Bereitstellen einer Datenbasis voraus, aus der eine Korrelation zwischen Organismenzahl und Metabolitenparameter in Abhängigkeit von Zeit und gegebenenfalls Temperatur gewonnen werden kann. Die Organismenkonzentration, insbesondere die Keimzahl, wird bei der Erstellung dieser Datensätze in herkömmlicher Weise ermittelt, beispielsweise durch Ausplattieren und Auszählen auf Nährmedien. Anhand herkömmlich gewonnener Anga­ ben über die Organismenkonzentration in Abhängig­ keit von der zeitlichen und gegebenenfalls auch temperaturabhängigen Änderung des Metabolitenpara­ meters können so Eichkurven und damit Korrelationen gewonnen werden, die in dem erfindungsgemäßen Da­ tenverarbeitungssystem eingesetzt werden können.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist die erfindungsgemäß eingesetzte Datenerfassungseinrich­ tung eine O₂-Datenerfassungseinrichtung, eine pH- Datenerfassungseinrichtung, eine Leitfähigkeitsda­ tenerfassungseinrichtung oder eine Redoxdatenerfas­ sungseinrichtung. Die Datenerfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt jeweils minde­ stens einen Sensor oder Meßfühler, der in das zu bestimmende Fluid eintaucht oder mit ihm in Kontakt steht.

Die Bestimmung der Metabolitenkonzentration kann gegebenenfalls auch durch Vorrichtungen zur Durch­ führung von optischen Meßmethoden, zum Beispiel UV- oder IR-Absorption, oder chromatographischen Meßme­ thoden mittels Dünn- oder Dickschicht-Sensoren, Sensoren auf Halbleiterbasis oder ionenselektiver Elektroden oder Ultraschallmeßverfahren erfolgen.

Die mittels der Datenerfassungseinrichtung oder ihres Sensors ermittelten Daten aus dem Leitungsab­ schnitt können beispielsweise über ein Datentrans­ ferkabel an das Datenverarbeitungssystem übermit­ telt werden. Die Erfindung sieht jedoch auch eine Datenfernübertragung von Datenerfassungseinrichtung zu Datenverarbeitungssystem, beispielsweise mittels entsprechender Glasfaser-gestützter Systeme, Mo­ dems, Bus-Systeme, Infrarot-Geräte oder Funk vor.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung ferner mindestens ein Ventil, zum Beispiel ein 4-Wege- oder 6-Wegeventil, vorzugs­ weise gesteuert über das Datenverarbeitungssystem, auf. Das Ventil kann der Ankopplung des Leitungsab­ schnitts der erfindungsgemäßen Vorrichtung an eine Leitung eines Behälters dienen. Es dient auch der Entkopplung des in dem Leitungsabschnitt befindli­ chen Fluids von der Leitung und dem Behälter sowie der Umwälzung und Strömungsumkehr, sofern erwünscht und nötig. Die Vorrichtung kann ferner mindestens eine Pumpe und eine Einrichtung zur Thermostatisie­ rung aufweisen. Die Pumpe kann periodisch ausge­ schaltet werden, um die Verweilzeit des Fluids im Leitungsabschnitt und damit die Meßgenauigkeit zu erhöhen.

In bevorzugter Ausführung können die 4-Wege- bezie­ hungsweise 6-Wegeventile entfallen, wenn für den Eingang und den Ausgang des Leitungsabschnittes oder Strömungsrohres jeweils eine separate Datener­ fassungseinrichtung oder eine Datenerfassungsein­ richtung mit zwei Sensoren verwendet wird.

Die Einrichtung zur Thermostatisierung dient der Optimierung der Stoffwechselbedingungen der Orga­ nismen und kann sowohl der Thermostatisierung der Datenerfassungseinrichtung, der Leitung beziehungs­ weise des Leitungsabschnittes, der Pumpe und/oder der Ventile dienen. Selbstverständlich kann die Vorrichtung und das Verfahren der Erfindung auch ohne Thermostatisierung bei Umgebungstemperaturen durchgeführt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann die Leitung oder der Leitungsabschnitt als Schlauch oder als Hohlfaserbündel, vorzugsweise mit 10 bis 10.000 Fasern pro Bündel, ausgeführt sein. Sofern der Leitungsabschnitt, der auch als Strömungsrohr ausgeführt sein kann, als Schlauch ausgeführt ist, kann ein Innendurchmesser von 0,5 bis 100 mm, be­ vorzugt 1 bis 10 mm, mit einer Länge von 0,05 bis 50 m, bevorzugt 5 bis 20 m, vorgesehen sein. Sofern der Leitungsabschnitt als Hohlfaserbündel ausge­ führt ist, kann ein Innendurchmesser der Hohlfasern von 10 bis 1000 µm mit einer Länge von 1 bis 200 cm, bevorzugt 1 bis 40 cm, vorgesehen sein. Die Verwendung von Hohlfasern hat den Vorteil, daß die Strömungsbedingungen optimiert werden können. Der Leitungsabschnitt ist vorzugsweise für eine für je­ de Meßaufgabe genau definierte Fluidverweildauer und entsprechende Geometrie, Strömungsverhältnisse und Adsorptionseigenschaften auszulegen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispiels­ weise so aufgebaut sein, daß das Datenverarbei­ tungssystem, beispielsweise basierend auf einem Mi­ kroprozessor, mit einem Programm zur Ermittlung der Organismenkonzentration, gegebenenfalls mit einer Anzeigevorrichtung, in einem Gehäuse angeordnet ist und mit einem Datentransferkabel mit einem minde­ stens eine Datenerfassungseinrichtung aufweisenden Leitungsabschnitt, der gegebenenfalls ein oder meh­ rere Ventile aufweist, verbunden ist. Der Leitungs­ abschnitt dieser Vorrichtung wird in ein System mit einem zu analysierenden Fluid eingekoppelt, so daß ein definierter Leitungsabschnitt, also ein Lei­ tungsabschnitt mit einer definierten Geometrie und definierten Strömungseigenschaften, für die Meßwer­ terfassung vorliegt. Die Geometrie des Leitungsab­ schnitts ist vorzugsweise so zu dimensionieren, daß ein Absetzen und Anhaften der Organismen nicht er­ folgen kann. Selbstverständlich kann die Vorrich­ tung auch ein Datenverarbeitungssystem, ein Daten­ transferkabel und einen eine Pumpe aufweisenden Leitungsabschnitt mit zwei Sensoren einer oder zwei Datenerfassungseinrichtungen umfassen, wobei der Leitungsabschnitt einfach in das Fluid eines Behäl­ ters getaucht wird und die Messung unter Erzeugung einer pumpgetriebenen Strömung im Leitungsabschnitt durchgeführt wird.

Die Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, also des erfindungsgemäßen Online-Erfassungssy­ stems, kann auch in Mikrosystemtechnik und/oder als mobiles Diagnosegerät erfolgen. Eine derartige mo­ bile, insbesondere tragbare Vorrichtung umfaßt ein Datenverarbeitungssystem der vorgenannten Art, min­ destens eine Datenerfassungseinrichtung mit minde­ stens einem Sensor, der an oder in einem ebenfalls vorgesehenen Leitungsabschnitt angeordnet ist. Ge­ gebenenfalls können eine oder mehrere Ventile am Leitungsabschnitt vorgesehen sein.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, mithilfe eines vorgeschalteten Wäschers, das heißt eines eine Flüssigkeit oder eine Membran oder Filter aufwei­ senden Behälters, Keimzahlen in Gasströmen zu be­ stimmen, in dem das Gas in die Flüssigkeit oder durch den Filter beziehungsweise die Membran gelei­ tet wird. Die Messung kann direkt an den so aufkon­ zentrierten Keimen auf dem Filter oder der Membran erfolgen oder nach Ablösung in einer Flüssigkeit. Dabei läßt sich die Empfindlichkeit des Nachweises über die Aufkonzentrierung bei der Wäsche und die Meßtemperatur steuern. Bei der erfindungsgemäß vor­ gesehenen Gaswäsche kann das Waschmittel, zum Bei­ spiel Wasser, beziehungsweise die Membran oder den Filter auf die zu bestimmende Keimart, das heißt die Organismenart, angepaßt werden, um die Meßemp­ findlichkeit zu maximieren.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der zugehörigen Figuren näher erläutert.

Die Figuren zeigen:

Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vor­ richtung mit zwei Datenerfassungseinrich­ tungen,

Fig. 2a und 2b schematisch eine erfindungsgemäße Vor­ richtung und das damit durchgeführte Ver­ fahren für die quasi-kontinuierliche Be­ stimmung der Mikroorganismenkonzentration mit 4-Wegeventil und Umwälzung, wobei Fig. 2a den Regenerations- und Fig. 2b den Meßzyklus darstellt,

Fig. 3a und 3b eine weitere Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung und des damit durchgeführten Verfahrens zur quasi-kon­ tinuierlichen Bestimmung der Mikroorga­ nismenkonzentration mit 4-Wegeventil und Strömungsumkehr, wobei Fig. 3a die Mes­ sung am Strömungsrohreingang und Fig. 3b die Messung am Strömungsrohraus­ gang darstellt,

Fig. 4a und 4b eine weitere Ausführungsform einer erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung und des damit durchgeführten Verfahrens zur quasi-kon­ tinuierlichen Bestimmung der Mikroorga­ nismenkonzentration mit einem 6-Wegeven­ til ohne Strömungsumkehr im Leitungsab­ schnitt, wobei Fig. 4a die Messung am Strömungsrohreingang und Fig. 4b die Messung am Strömungsrohrausgang dar­ stellt.

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung und des damit durchgeführten Verfahrens zur kontinuier­ lichen Bestimmung der Mikroorganismenkon­ zentration mit zwei Datenerfassungsein­ richtungen und

Fig. 6 einen typischen Verlauf des Sauerstoffge­ haltes in einer mit Mikroorganismen be­ lasteten Flüssigkeit.

Im Folgenden werden für bau- und/oder funktions­ gleiche Teile auch identische Bezugszeichen verwen­ det.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100, die einen Leitungsabschnitt 46, zwei O₂-Datenerfassungseinrichtungen 3, 3' mit jeweils einem in dem Leitungsabschnitt 46 angeordneten Meß­ fühler oder Sensor 30, 30', Datentransferleitungen 40 sowie ein Datenverarbeitungssystem 50 umfaßt. Die beiden Datenerfassungseinrichtungen 3, 3' sind mit dem Datenverarbeitungssystem 50 jeweils durch die Datentransferleitungen 40 verbunden. Die beiden am oder im Leitungsabschnitt 46 angeordneten Daten­ erfassungseinrichtungen 3, 3' weisen jeweils Meß­ fühler 30, 30' auf, die in dem Leitungsabschnitt 46 angeordnet sind und dort mit der Flüssigkeit 80 in Kontakt treten können. Eine der Datenerfassungsein­ richtungen 3, ist der Probeentnahmebereich 20 der Leitung 4, während die andere Datenerfassungsein­ richtung 3' dem Proberücklauf 22 der Leitung 4 zu­ geordnet ist. Dargestellt ist ferner die Leitung 4 und die dem Probeentnahmebereich 20 zugeordnete Pumpe 5 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100. Der Leitungsabschnitt 46 ist mittels zweier flüssig­ keitsdichter Kupplungen 70, 71 in die Leitung 4 in Strömungszusammenhang integriert. Schließlich stellt die Fig. 1 einen Behälter 90 mit einer Flüssigkeit 80 dar. Dargestellt ist ferner eine Thermostatisierungseinheit 8, die der konstanten Temperierung des Leitungsabschnitts 46 dient, in den die Meßfühler 30 angeordnet sind. Selbstver­ ständlich kann die Thermostatisierung auch zusätz­ lich weitere Bereiche der Leitung 4 einschließlich der Pumpe 5 erfassen.

Das Datenverarbeitungssystem 50 umfaßt ein Gehäuse 52, einen Mikroprozessor 54 sowie eine Anzeigevor­ richtung 56.

Der Mikroprozessor 54 des Datenverarbeitungssystems 50 verarbeitet ein Programm zur Ermittlung der Mi­ kroorganismenkonzentration, wobei die Mikroorganis­ menkonzentration aus den von den Datenerfassungs­ einrichtungen 3, 3' über die Datentransferleitungen 40 übermittelten, zeit- und gegebenenfalls tempera­ turabhängig erfaßten Metabolitenparametern rechne­ risch bestimmt wird. Dazu weist das Programm eine Korrelation auf, die die Organismenkonzentration aus der Zeit- sowie gegebenenfalls temperaturabhän­ gigen Änderung eines Metabolitenparameters berech­ net. Zur Bestimmung dieser Korrelation muß zunächst eine Datenbasis geschaffen werden. Im Folgenden wird diese für den Metabolitenparameter Sauer­ stoffkonzentration dargestellt.

Zur Ermittlung der Korrelation zwischen der zeitab­ hängigen Änderung eines Metabolitenparameters, im vorliegenden Fall des Sauerstoffverbrauchs, der Keimzahl und der Temperatur wird wie folgt vorge­ gangen. Eine mit Keimen belastete Flüssigkeit 80 wird mit Luft gesättigt und in der erfindungsgemä­ ßen Vorrichtung 100 die Abhängigkeit des Sauer­ stoffverbrauchs von der Keimzahl (KBE/ml) und der Temperatur bestimmt. Die Versuchszeit beträgt 5 bis 240 Minuten, bevorzugt 10 bis 60 Minuten. Nach je­ dem Versuch kann bei Bedarf die Lösung über einer Fritte bis zur Sättigung mit Luft begast werden. Der Versuchsanlage werden Proben zu Versuchsbeginn und zu Versuchsende zur mikrobiologischen Keimzahl­ bestimmung entnommen, die als Referenz dienen. Die Sauerstoffverbräuche werden jeweils im an die Spe­ zies angepaßten Temperaturbereich, zum Beispiel zwischen 10°C und 40°C gemessen. Einen typischen Verlauf des Sauerstoffgehaltes in mit Mikroorganis­ men belasteten Flüssigkeiten als Funktion der Zeit gibt die Fig. 6 für Pseudomonas spec. wieder. Es handelt sich um eine mit Pseudomonas spec. bela­ stete Kühlschmierstoffemulsion. Dabei wird bei kon­ stant 25°C der O₂-Gehalt mit dem in Fig. 2 darge­ stellten Verfahren zeitabhängig gemessen. Es ergibt sich ein gleichmäßiger Abfall der O₂-Konzentration durch die Mikroorganismen. Mikrobiologisch wird bei diesem Versuch eine Keimzahl von 3 × 10⁶ KBE/ml nach­ gewiesen. Der Sauerstoffverbrauch beträgt 1,8 mg/lh bei 25°C.

Nach den Versuchen mit der Originallösung wird die Versuchsanlage entleert und verschiedene Verdün­ nungsgrade untersucht. Auch hier werden die Sauer­ stoffverbräuche zwischen 10°C und 40°C ermittelt und die Keimzahlen durch mikrobiologisches Auszäh­ len bestimmt. Außerdem wird die Art der Keime durch mikrobiologische Differenzierungsmethoden identifi­ ziert. Aus den so gewonnenen Datensätzen, das heißt Sauerstoffverbrauch pro Zeiteinheit bei gegebener Temperatur, korreliert mit den mikrobiologisch be­ stimmten Keimzahlen, wird eine Korrelation ermit­ telt. Diese Korrelation dient als Algorithmus für die Online-Bestimmung der Keimzahlen.

Die Nachweisgrenze der Mikroorganismenkonzentration liegt im Falle von Pseudomonas spec. für 20°C bei Keimzahlen von < 10⁴ KBE/ml und ab 29°C bei Keimzah­ len von < 10² KBE/ml. Erfindungsgemäß ist es daher besonders bevorzugt, den Sauerstoffverbrauch in der Flüssigkeit bei erhöhter Temperatur zu messen, um so die Nachweisgrenze zu senken.

Die Ermittlung der Korrelation kann teilweise selbstlernend ausgestaltet werden, so daß diese vor Ort möglich ist. Dazu werden über einen be­ stimmten Zeitraum automatisch im an die Spezies an­ gepaßten Temperaturbereich, insbesondere einem Tem­ peraturbereich zwischen 10°C und 40°C, Temperatur­ variationen durchgeführt. Parallel werden von der zu analysierenden Lösung Proben entnommen und von diesen im Labor die Keimzahlen (KBE/ml) mikrobiolo­ gisch bestimmt. Die bei den jeweiligen Temperaturen erzielten Meßwerte werden dann mit den Laborwerten über einprogrammierte Auswerteroutinen abgeglichen.

Die Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 100 stellt sich wie folgt dar:
Die im Behälter 90 befindliche Mikroorganismen be­ lastete Flüssigkeit 80 wird kontinuierlich und in einer Richtung (Pfeile in Fig. 1) durch den Be­ reich 20 der Leitung 4 mittels der Pumpe 5 gepumpt. Die beiden in Serie geschalteten im Leitungsab­ schnitt 46 befindlichen Datenerfassungseinrichtun­ gen 3, 3' mit ihren Meßfühlern 30 bestimmen bei einer von der Thermostatisierung 8 vorgegebenen be­ stimmten Temperatur den Sauerstoffverbrauch während der Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um von der dem Probeentnahmebereich 20 der Leitung 4 zugeord­ neten Sensor 30 der Datenerfassungseinrichtung 3 zu der dem Proberücklaufbereich 22 der Leitung 4 zuge­ ordneten Sensor 30' der Datenerfassungseinrichtung 3' zu gelangen. Bei kontinuierlicher Messung wird mit der Datenerfassungseinrichtung 3 die Eingangs­ konzentration und mit der Datenerfassungseinrich­ tung 3' die Ausgangskonzentration des gelösten Sau­ erstoffs gemessen. Dabei ergibt sich durch die Lei­ stungsabschnittsgeometrie und durch die Strömungs­ geschwindigkeit eine feste Verweilzeit der Flüssig­ keit. Bei diskontinuierlichen Messung, das heißt periodischer Abschaltung der Pumpe, mißt zunächst die Datenerfassungseinrichtung 3 die O₂-Konzentra­ tion zu einem gegebenen Zeitpunkt und nach Ablauf einer bestimmten Zeitdauer mißt die Datenerfas­ sungseinrichtung 3' die nun aufgrund der Mikroorga­ nismenbelastung reduzierte O₂-Konzentration. Der mittels der Datenerfassungseinrichtungen 3, 3' er­ mittelte Zeit- und temperaturabhängige Sauerstoff­ verbrauch wird als Meßsignal über die Datentrans­ ferleitungen 40 dem Datenverarbeitungssystem 50, insbesondere dem darin enthaltenen Datenverarbei­ tungsprogramm zugeleitet. Das Datenverarbeitungs­ programm ermittelt mithilfe der in ihm zuvor ge­ speicherten Korrelation den Wert KBE/ml und zeigt ihn in der Anzeigevorrichtung 56 an.

Auf diese Weise ist also eine schnelle, einfache und präzise Online-Bestimmung des Wertes KBE/ml möglich. Erfindungsgemäß ist es dazu lediglich not­ wendig, eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem definierten Leitungsabschnitt 46, zwei dem Lei­ tungsabschnitt 46 zugeordneten Datenerfassungsein­ richtungen und einem Datenverarbeitungssystem in ein die zu bestimmende Flüssigkeit enthaltendes Be­ hältersystem einzukoppeln, beispielsweise über be­ reits existierende Leitungen oder durch Einbringen des Leitungsabschnitts 46 der Vorrichtung 100 in die Flüssigkeit 80 im Behälter 90 und anschließend einen Flüssigkeitsstrom in dem Leitungsabschnitt zu erzeugen.

Die Fig. 2a und 2b zeigen in vereinfachter sche­ matischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des damit durchgeführten Verfahrens.

Die Fig. 2a zeigt eine erfindungsgemäße Vorrich­ tung 100 aus einem Datenverarbeitungssystem 7, einer Datenerfassungseinrichtung 3 mit dem Sensor 30, einem Leitungsabschnitt 46 der nicht darge­ stellten Leitung 4, in den eine Pumpe 5 integriert ist, sowie einem Ventil 2, welches als 4-Wegeventil ausgeführt ist. Das 4-Wegeventil 2 fungiert hier auch als Kupplung zwischen dem Leitungsabschnitt 46 der Vorrichtung 100 und der Probeentnahmeleitung 1 sowie der Proberückflußleitung 6, also Teilen der Leitung 4 des Behälters. In der Fig. 2a ist das 4-Wegeventil 2 so geschaltet, daß über die Probe­ entnahmeleitung 1 frische Flüssigkeit 80 in den Leitungsabschnitt 46 strömen kann (Regenerations­ zyklus). In der Fig. 2b ist das 4-Wegeventil 2 so geschaltet, daß der Leitungsabschnitt 46 ein ge­ schlossenes System darstellt und keine Verbindung über die Probeentnahmeleitung 1 und die Proberück­ flußleitung 6 zu dem nicht dargestellten Behälter 90 vorliegt (Meßzyklus). Der Leitungsabschnitt 46 kann als Schlauch, Rohr oder Hohlfaserbündel ausge­ führt sein.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 funktioniert wie folgt: Frische Flüssigkeit 80 aus dem nicht darge­ stellten Behälter 90 wird im Regenerationszyklus über die Probeentnahmeleitung 1 und das 4-Wege­ ventil 2 in den Leitungsabschnitt 46 geführt. An­ schließend wird das 4-Wegeventil 2 so umgeschaltet, beispielsweise durch Signale des Datenverarbei­ tungssystems 7, daß keine Verbindung des Leitungs­ abschnitts 46 mit den Probeentnahme- und -rück­ flußleitungen 1, 6 besteht, demgemäß der Leitungs­ abschnitt 46 ein geschlossenes System darstellt und der Meßzyklus erfolgen kann. In diesem System wird eine erste Messung eines Metabolitenparameters mit­ tels des Sensors 30 vorgenommen, der ermittelte Wert über die Datentransferleitung 40 dem Datenver­ arbeitungssystem 50 zugeleitet und in dem Leitungs­ abschnitt 46 die Flüssigkeit 80 mittels der Pumpe 5 für einen gegebenen Zeitraum umgewälzt. Die Umwäl­ zung ist erforderlich, um eine Polarisierung am Sensor 30 der Datenerfassungseinrichtung 3 zu ver­ meiden und eine gute Durchmischung der Flüssigkeit 80 zu gewährleisten. Anschließend wird zu einem de­ finierten Zeitpunkt mittels des Sensors 30 ein wei­ teres Mal der gleiche Metabolitenparameter bestimmt und ebenfalls dem Datenverarbeitungssystem 7 zur Auswertung mittels einer dort gespeicherten Korre­ lation zugeführt. Nach Abschluß des Meßzyklus und Umschaltung des 4-Wegeventils 2 wird die einge­ setzte Flüssigkeit 80 über die Proberückflußleitung 6 dem Behälter 90 zugeführt und frische Flüssigkeit über die Probeentnahmeleitung 1 nachgeführt. In periodischen Abständen wird der Leitungsabschnitt 46 durch Umschalten des 4-Wegeventils 2 mit fri­ scher Flüssigkeit 80 versorgt. Die Meßzeit wird über die Schaltintervalle des von dem Datenverar­ beitungssystem 7 gesteuerten 4-Wegeventils 2 be­ stimmt. Auf diese Weise ist eine zeitabhängige Mes­ sung möglich. Die Pumpe 5, der Leitungsabschnitt 46, das 4-Wegeventil 2 und der Sensor 30 können mittels einer Thermostatisierung 8 thermostatisiert werden, um optimale Stoffwechselbedingungen für die zu bestimmenden Mikroorganismen zu erzeugen. Es er­ gibt sich ein quasi-kontinuierliches Online- Meßsystem.

Die Fig. 3 stellt eine weitere Ausführungsform ei­ ner erfindungsgemäßen Vorrichtung und des damit durchgeführten Verfahrens dar, wobei die Messung jedoch im Unterschied zu dem in Fig. 2 dargestell­ ten Verfahren nicht in einer zeitweise geschlosse­ nen Leitung, sondern stattdessen in einem permanent mit der Probeentnahmeleitung 1 und der Proberück­ flußleitung 6 verbundenen Leitungsabschnitt 46 stattfindet. Dies wird durch eine durch das 4-Wegeventil 2 ermöglichte Strömungsumkehr im Lei­ tungsabschnitt 46 erreicht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weist also ein Datenverarbeitungs­ system 7, eine Datentransferleitung 40, eine Daten­ erfassungseinrichtung 3 mit Sensor 30, einen Lei­ tungsabschnitt 46 und ein 4-Wegeventil 2 auf. Dar­ gestellt ist eine der Probeentnahmeleitung 1 zuge­ ordnete Pumpe 5 sowie eine Thermostatisiereinrich­ tung 8. Das 4-Wegeventil 2 stellt auch die Kupplung der Vorrichtung 100 zu den Probeentnahme- und -rückflußleitungen 1, 6 des nicht dargestellten Be­ hälters 90 dar.

Die Fig. 3a und 3b stellen die Messung mithilfe eines Leitungsabschnitts 46 dar, wobei eine Daten­ erfassungseinrichtung 3 mithilfe eines 4-Wege­ ventils 2 wahlweise am Eingang 61 (siehe Fig. 3a) oder am Ausgang 63 (siehe Fig. 3b) des Leitungsab­ schnitts 46 mißt. Sowohl die Probeentnahmeleitung 1 als auch die Proberückflußleitung 6 sind mit dem nicht dargestellten Behälter 90 verbunden. Der Lei­ tungsabschnitt 46 wird mithilfe der Pumpe 5 perma­ nent mit frischer Flüssigkeit 80 versorgt. Beim durch das Datenverarbeitungssystem 7 gesteuerten Umschalten des 4-Wegeventils 2 kommt es jeweils zu einer Strömungsumkehr in dem Leitungsabschnitt 46. Ist beispielsweise der Leitungsabschnitt 46 für eine Verweilzeit von 10 Minuten ausgelegt, wird beim Umschalten der Datenerfassungseinrichtung 3 vom Eingang 61 auf den Ausgang 63 des Leitungsab­ schnitts 46 zunächst Probematerial, also Flüssig­ keit 80, mit 10-minütiger Verweilzeit passieren. Das nachfolgende Probematerial aus dem Leitungsab­ schnitt 46 kommt mit steigender Verweilzeit an, wo­ bei 10 Minuten nach der Umschaltung 20 Minuten Ver­ weilzeit für die zurücktransportierte Flüssigkeit 80 entstanden sind. Die darauffolgende Flüssigkeit kommt dann wieder mit 10-minütiger Verweilzeit an der Datenerfassungseinrichtung 3 an. Der Flüssig­ keitsstrom, die Geometrie des Leitungsabschnitts 46 und des Sensors 30 sind so gewählt, daß eine opti­ male Überströmung des Sensors 30 gewährleistet ist.

Die Fig. 4a und 4b stellen eine weitere Ausfüh­ rungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 sowie des damit durchgeführten Verfahrens dar, wo­ bei anstelle des 4-Wegeventils 2 der Fig. 3a und 3b ein 6-Wegeventil 2 eingesetzt wird. Mit Hilfe des 6-Wegeventils 2 ist es möglich, daß die Datenerfas­ sungseinrichtung 3 mit seinem Sensor 30 wahlweise am Leitungseingang 61 (siehe Fig. 4a) oder Lei­ tungsausgang 63 (siehe Fig. 4b) den Metabolitenpa­ rameter bestimmt. Der Leitungsabschnitt 46 wird mithilfe einer Pumpe 5 permanent mit frischer Flüs­ sigkeit 80 versorgt. Die Probeentnahmeleitung 1 ebenso wie die Proberückflußleitung 6 sind mit dem Behälter 90 verbunden. Durch die Probeentnahmelei­ tung 1 und die Pumpe 5 gelangt Flüssigkeit 80 in das 6-Wegeventil 2 und anschließend zunächst in den Eingang 61 des Leitungsabschnittes 46. Die Fig. 4a zeigt, daß dort eine erste Messung vorgenommen wird. Nach einem bestimmten Zeitintervall wird das durch das Datenverarbeitungssystem 7 gesteuerte 6-Wegeventil 2 umgeschaltet und ein zweites Mal ge­ messen (siehe Fig. 4b). Mittels der durch das Da­ tenverarbeitungssystem 7 gesteuerten Umschalttech­ nik unter Verwendung eines 6-Wegeventils 2 kann eine Strömungsumkehr in dem Leitungsabschnitt 46 vermieden werden. Die am Ausgang 63 des Leitungsab­ schnitts 46 ankommende Flüssigkeit 80 hat jeweils die gleiche Verweilzeit. Der Flüssigkeitsstrom und die Geometrie der Leitung und des Sensors 30 der Datenerfassungseinrichtung 3 werden so gewählt, daß eine optimale Überströmung des Sensors 30 gewähr­ leistet ist. Durch Abschalten der Pumpe 5 kann eine Verweilzeit der Flüssigkeit 80 erreicht werden.

Die Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 und des damit durchgeführten Verfahrens, wobei eine kontinuier­ liche Eingangs- und Ausgangsmessung aufgrund von zwei Datenerfassungseinrichtungen 3, 3' möglich ist. Eine Datenerfassungseinrichtung 3 mit ihrem Sensor befindet sich am Eingang 61 des Leitungsab­ schnitts 46, also dem der Probeentnahmeleitung 1 zugewandten Bereich des Leitungsabschnitts 46, wäh­ rend die andere Datenerfassungseinrichtung 3' mit ihrem Sensor im Ausgangsbereich 63 des Leitungsab­ schnitts 46 angeordnet ist, also dem der Proberück­ flußleitung 6 zugewandten Bereich des Leitungsab­ schnitts 46. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 100 weist in dieser Ausführungsform also einen Lei­ tungsabschnitt 46, zwei Datenerfassungseinrichtun­ gen 3, 3' sowie ein Datenverarbeitungssystem 7 auf, wobei ein Ventil nicht vorgesehen ist. Die Flüssig­ keit strömt, angetrieben durch die Pumpe 5, aus der Probeentnahmeleitung 1 in den Leitungsabschnitt 46, wird an dessen Eingangsbereich 61 hinsichtlich des Metabolitenparameters bestimmt, anschließend fließt die Flüssigkeit kontinuierlich weiter zum Ausgangs­ bereich 63 des Leitungsabschnitts 46, an dem eine weitere in Reihe geschaltete Datenerfassungsein­ richtung 3' eine weitere Bestimmung des Metaboli­ tenparameters vornimmt. Der beschriebene Flüssig­ keitsstrom durch den Leitungsabschnitt 46 wird an den beiden Datenerfassungseinrichtungen 3 und 3' kontinuierlich und simultan einer Bestimmung der Metabolitenparameter unterzogen, so daß dem Daten­ verarbeitungssystem 7 kontinuierlich die durch die Verweilzeit der Flüssigkeit in dem Leitungsab­ schnitt erzeugten Differenzen der Metabolitenpara­ meter zugeführt werden. Anschließend kann die Flüs­ sigkeit über die Proberückflußleitung 6 wieder dem Behälter 90 zugeführt werden. Die Verweilzeit ist durch die Strömungsrohrgeometrie und die mit der Pumpe 5 einstellbaren Strömungsgeschwindigkeit va­ riierbar. Die ermittelten Meßwerte werden über die Datentransferleitung 40 dem Datenverarbeitungssy­ stem 7 zugeleitet und dort rechnerisch mittels des gespeicherten Programms zur Bestimmung der Mikroor­ ganismenkonzentration ausgewertet sowie in einer Anzeigevorrichtung als KBE/ml angezeigt.

Claims (27)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Bestimmung der Konzentration von Organismen in einem in einem Lei­ tungsabschnitt befindlichen Fluid, wobei in dem mit dem Fluid gefüllten Leitungsabschnitt die zeitab­ hängige Änderung mindestens eines Metabolitenpara­ meters mittels mindestens einer Datenerfassungsein­ richtung gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Leitungsab­ schnitt einem Behälter zugeordnet ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die ge­ messenen Daten einem Datenverarbeitungssystem zuge­ führt sowie ausgewertet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Organismen Mikroorga­ nismen sind.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Organismen einzellig oder mehrzellig, einzeln und/oder kolo­ nienbildend auftreten.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Organismen E.coli, Pseudomonas spec., Lactobacillus spec., Bacillus spec., Leuco­ nostoc spec., Clostridium spec., Saccharomyces spec., Sarcina spec., Candida spec., Streptococcus, Staphylococcus, Enterobacteriaceae, Enterococcen, aerobe Sporenbildner, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus subtilis, Micrococcus, Methanobacterium, Methanococcus und Desulfotomaculum sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei der Metabolit ein durch den Organismus veränderter Stoff ist, insbesondere ein Stoffwech­ seledukt oder Stoffwechselprodukt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei der Metabolit eine chemische Verbindung oder ein chemisches Element ist, insbesondere Koh­ lendioxid, Stickstoff, Wasserstoff, Sulfid, Methan, ein Gärprodukt, wie Ethanol, Butanol, Aceton, Pro­ panol, Lactat, Acetat, Formiat, Butyrat, Sauer­ stoff, Carbonat, Nitrit, Nitrat, Schwefelwasser­ stoff, Ammonium oder Ammoniak.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Messung der zeitabhängigen Änderung des Metabolitenparameters als Messung der Änderung der Konzentration des Metaboliten, des pH-Wertes des Fluids, der Leitfähigkeit des Fluids und/oder des Redoxpotentials des Fluids erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die zeitabhängige Änderung des Metaboli­ tenparameters mit mindestens einer Datenerfassungs­ einrichtung direkt und/oder indirekt gemessen wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Messung temperaturabhängig erfolgt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Messung unter Konstanthaltung der Temperatur, vorzugsweise im Bereich von 20°C bis 40°C, erfolgt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Leitung, vorzugsweise periodisch, von dem Behälter abgekoppelt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Leitung permanent von Fluid durch­ strömt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei das Fluid in der entkoppelten Leitung umgewälzt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Strömungsrichtung des Fluids in der Leitung periodisch umgekehrt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Messung quasi-kontinuierlich mittels mindestens eines Ventils und mindestens einer Da­ tenerfassungseinrichtung durchgeführt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, wobei die Messung kontinuierlich mittels min­ destens zweier Datenerfassungseinrichtungen durch­ geführt wird.

19. Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration von Organismen in einem Fluid, wobei die Vorrich­ tung einen Leitungsabschnitt (46), ein Datenverar­ beitungssystem (7, 50) mit einem Programm zur Er­ mittlung der Organismenkonzentration und mindestens eine zumindest teilweise in oder an dem Leitungsab­ schnitt (46) angeordnete Datenerfassungseinrichtung (3) und ihren Sensor (30) umfaßt.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei das Pro­ gramm zur Ermittlung der Organismenkonzentration einen Algorithmus zur Bestimmung der Organismenkon­ zentration in Abhängigkeit einer zeitabhängigen Än­ derung mindestens eines Metabolitenparameters um­ faßt.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, wobei der Algorithmus die Bestimmung der Organismenkonzentra­ tion in Abhängigkeit von der Zeit und der Tempera­ tur erlaubt.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei der Leitungsabschnitt (46) mindestens ein Ventil (2) aufweist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Datenerfassungseinrichtung (3) mit ihrem Sensor (30) eine Sauerstoff-Datenerfassungsein­ richtung (3) mit ihrem Sensor (30) umfaßt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei der Leitungsabschnitt (46) als Schlauch oder Hohlfaserbündel, vorzugsweise mit 10 bis 10.000 Fa­ sern pro Bündel, ausgeführt ist.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 24, wobei dem Leitungsabschnitt (46) mindestens eine Pumpe (5) zugeordnet ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei das Datenverarbeitungssystem (7, 50) eine An­ zeigevorrichtung (56) aufweist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei das Datenverarbeitungssystem (7, 50) einen Mi­ kroprozessor (54) aufweist.