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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Schaum in einem aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigten Behälter. Insbesondere dient die Vorrichtung der Erfassung eines Grenzfüllstands des Schaums.
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Aus dem Stand der Technik sind kapazitive Sonden zur Bestimmung eines Füllstandes von Flüssigkeiten in einem Behälter bekannt. Derartige Sonden sind prinzipiell auch zur Detektion von Schaum geeignet. Das Messprinzip ist das folgende: die Elektroden einer Sonde oder die Elektrode einer Sonde und die Wandung eines elektrisch leitfähigen Behälters bilden die Elektroden eines Kondensators, die Flüssigkeit im Behälter ein Dielektrikum. Die Kapazität des Kondensators ist von der Menge der zwischen den Elektroden eingeschlossenen Flüssigkeit und daher vom Füllstand der Flüssigkeit abhängig. Aus der Kapazität kann somit der Füllstand bestimmt werden. Hierzu wird die Sonde üblicherweise mit einem Steuersignal beaufschlagt, meist in Form einer Wechselspannung. Das Empfangssignal ist meist ein Stromsignal, welches in eine Wechselspannung umgewandelt wird. Um die Sonde unanfälliger für Störsignale oder Ansatzbildung zu gestalten, ist sie häufig mit einer zusätzlichen Schutzelektrode ausgestattet. Diese ermöglicht eine Messung auch bei an der Sonde anhaftendem Ansatz, jedoch nur bis zu einer bestimmten Ansatzmenge. Eine häufige Reinigung bei stark Ansatz bildenden Medien ist daher dennoch notwendig. Dies ist jedoch aufwendig und kostenintensiv.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine kostengünstige Vorrichtung zur Detektion von Schaum bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit einer Sensorelektrode, mit mindestens einer Schutzelektrode, und mit einer Elektronikeinheit, welche zumindest die Sensorelektrode mit einem Steuersignal beaufschlagt und welche von der Sensorelektrode ein Antwortsignal empfängt und auswertet, wobei die Sensorelektrode auf eine Trägerfolie aufgebracht ist, wobei die Sensorelektrode von einer isolierenden Schicht bedeckt ist, wobei die Schutzelektrode derart auf der isolierenden Schicht aufgebracht ist, dass sie die Sensorelektrode zumindest teilweise bedeckt, und wobei die Trägerfolie auf eine Außenwandung des Behälters aufbringbar ist. Der Schaum wird durch eine kapazitive Messung erfasst.
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Durch die Anbringung der Elektroden auf der Außenwandung des Behälters ist eine berührungslose Messung möglich. Hierdurch kommt es zu keiner Verschmutzung der Sensoreinheit.
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Die Schutzelektrode liegt im Wesentlichen auf dem gleichen Potential wie die Sensorelektrode und schützt diese vor äußeren Einflüssen, welche die Kapazität und somit die Schaumdetektion beeinflussen würden. Bevorzugt ist die Schutzelektrode derart ausgestaltet und angeordnet, dass sie die Sensorelektrode vollständig bedeckt. Gegenüber der Sensorelektrode ist die Schutzelektrode durch die isolierende Schicht elektrisch isoliert.
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Bei dem Behälter handelt es sich bevorzugt um einen Kunststoffbehälter. Die Formgebung ist hierbei beliebig. Besonders bevorzugt handelt es sich um einen in der chemischen und pharmazeutischen Industrie häufig zur Anwendung kommenden Single Use Bioreaktor, wobei es sich um einen nach dem Gebrauch wegwerfbaren Bioreaktor handelt. Bioreaktoren dienen meist der Zellkultivierung.
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Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist eine zweite Schutzelektrode derart auf die Trägerfolie aufgebracht, dass die zweite Schutzelektrode die Sensorelektrode im Wesentlichen vollständig umgibt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist eine Masseelektrode auf die Trägerfolie aufgebracht. Die Elektronikeinheit bestimmt die Kapazität zwischen Sensorelektrode und Masseelektrode. Die sich zwischen Sensorelektrode und Masseelektrode ausbildenden Feldlinien reichen in das Behälterinnere hinein. Befindet sich Schaum in diesem Bereich, beeinflusst dieser die Kapazität des Kondensators. Hierdurch ist der Schaum detektierbar.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Masseelektrode derart auf die Trägerfolie aufgebracht, dass die Masseelektrode die Sensorelektrode und die zweite Schutzelektrode im Wesentlichen vollständig umgibt.
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Gemäß einer Ausgestaltung sind die Elektroden aus Kupferfolie ausgebildet. Die Kupferfolie ist beispielsweise in Form von Streifen auf die Trägerfolie aus Kunststoff aufgebracht. Die Elektrodenstruktur kann auch durch Ätzen aus einer metallischen Schicht erzeugt sein.
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In einer Ausgestaltung ist die Trägerfolie derart ausgestaltet, dass sie auf die Außenwandung des Behälters aufklebbar ist. Die Rückseite des die Sensoreinheit bildenden Schichtaufbaus ist hierzu beispielsweise mit einem Klebemittel beschichtet oder derart ausgestaltet, dass ein erst am Einsatzort aufgebrachtes Klebemittel gut haftet. Eine Vorbeschichtung mit einem Klebemittel ist besonders vorteilhaft, da die selbstklebende Sensoreinheit einfach und schnell auf dem Behälter platzierbar und einsatzbereit ist. Ein beliebiger aus einem elektrisch isolierenden Material bestehender Behälter ist nachträglich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestückbar.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist die Vorrichtung dazu ausgestaltet, einen vorbestimmten Grenzstand des Schaums zu detektieren. Zur Erfassung eines Grenzfüllstands des Schaums in dem Behälter ist die Sensorelektrode vorzugsweise länglich ausgestaltet und die Vorrichtung derart auf die Außenwandung des Behälters aufgebracht, dass sich die Sensorelektrode auf der Höhe des zu erfassenden Grenzfüllstands befindet.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die aus Trägerfolie, Elektroden und mindestens einer isolierenden Schicht bestehende Sensoreinheit mit der Elektronikeinheit über eine Steckverbindung verbindbar. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Sensoreinheit wegwerfbar und die Elektronikeinheit wieder verwendbar ausgestaltet. Durch die Steckverbindung ist die mit der Elektronikeinheit verbundene Sensoreinheit austauschbar. Da sowohl die Kunststoffbehälter als auch die Sensoreinheit sehr günstig herstellbar sind, können die Behälter mitsamt der Sensoreinheit nach Gebrauch entsorgt werden.
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Insbesondere im Bereich der Biowissenschaften oder Life Science, wo Behälter geringer Abmessungen zur Anwendung gelangen, wie beispielsweise die bereits genannten Bioreaktoren, ist der Einsatz einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Schaumdetektion vorteilhaft. Der Austausch bzw. die erforderliche gründliche Reinigung invasiver Messgeräte ist deutlich kosten- und arbeitsintensiver. Die alternative prophylaktische Zugabe von Antischaummittel um zu vermeiden, dass sich beim Ablauf einer Reaktion bildender Schaum ein bestimmtes Maß übersteigt, führt zu einem hohen Verbrauch an Antischaummittel. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Schaumbildung ständig überwachbar, sodass die Zugabe von Antischaummittel optimal regelbar ist. Mit anderen Worten muss nur so viel Antischaummittel zugegeben werden, wie tatsächlich erforderlich ist.
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Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur näher erläutert. Die dargestellten Merkmale beziehen sich hierbei gleichermaßen auf die Vorrichtung und das Verfahren.
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1 zeigt schematisch einen Bioreaktor mit Vorrichtung zur Schaumdetektion;
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2a zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Sensoreinheit;
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2b zeigt schematisch eine Schnittdarstellung der Sensoreinheit nach 2a.
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In 1 ist ein aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigter Behälter 1 dargestellt, auf dessen Außenwandung die Sensoreinheit 4 aufgebracht ist. Bei dem Behälter 1 handelt es sich beispielsweise um einen Single Use Bioreaktor zur Zellkultivierung. Der Sensoreinheit 4 ist die Elektronikeinheit 3 zugeordnet, mit welcher die Sensoreinheit 4 über eine Steckverbindung verbindbar ist. Der Aufbau der Sensoreinheit 4 ist in den 2a und 2b näher beschrieben. Die Sensoreinheit 4 ist derart von außen auf den Behälter 1 aufgebracht, dass die Sensorelektrode 41 auf derjenigen Höhe angeordnet ist, auf welcher der Schaum zu detektieren ist. Beispielsweise handelt es sich hierbei um eine zu überwachende maximale Füllstandshöhe. Die Vorrichtung fungiert dann als Grenzstandschalter für Schaum und verhindert beispielsweise ein unbemerktes Austreten des Schaums 2 aus dem Behälter 1.
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Zur Schaumerkennung beaufschlagt die Elektronikeinheit 3 die Sensorelektrode 41 mit einer elektrischen Wechselspannung als Steuersignal. Die Schutzelektroden 42, 45 sind mit dem gleichen Potenzial wie die Sensorelektrode 41 oder mit Masse verbunden. Eine Auswerteeinheit in der Elektronikeinheit 3 empfängt von der Sensorelektrode 41 ein Antwortsignal und bestimmt daraus die Kapazität des aus der Sensorelektrode 41 und der Masseelektrode 43 gebildeten Kondensators. Steigt der Schaum 2 auf eine Höhe, welche mindestens zwischen Masseelektrode 43 und Sensorelektrode 41 liegt, wirkt dieser als Dielektrikum und verändert hierdurch die Kapazität des Kondensators.
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In 2a sind zwei Lagen der mehrlagigen Sensoreinheit 4 in einer schematischen Draufsicht dargestellt. Die Schutzelektrode 42 zur Abschirmung der Elektrodenstruktur ist in 2b dargestellt. Die Elektrodenstruktur befindet sich auf einer isolierenden Trägerfolie 40 und ist beispielsweise durch Ätzen aus einer metallischen Beschichtung hervorgegangen. Die Elektroden können jedoch auch in Form einer Kupferfolie auf die Trägerfolie 40 aufgebracht sein.
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Die Sensorelektrode 41 ist derart ausgebildet, dass sie bezogen auf ihre spätere Position am Behälter 1 eine beliebige horizontale Abmessung aufweist, vertikal aber nur schmal ist, sodass sie nur für einen bestimmten Füllstand mit einem von der vertikalen Abmessung der Sensorelektrode 41 abhängigen Toleranzbereich sensitiv ist. in einer alternativen Ausgestaltung ist die Sensorelektrode 41 nicht länglich, sondern ist in horizontaler und vertikaler Richtung im Wesentlichen gleich lang. Beispielsweise ist sie kreisrund oder quadratisch.
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Die Sensorelektrode 41 ist vollständig von einer zweiten Schutzelektrode 45 umgeben, welche vorzugsweise mit dem gleichen Signal wie die Sensorelektrode 41 beaufschlagt wird. Weitere Ausgestaltungen sind möglich, in denen die zweite Schutzelektrode 45 die Sensorelektrode 41 nur teilweise umgibt. Die Masseelektrode 43 umgibt die zweite Schutzelektrode 45. In diesem Ausführungsbeispiel sind zweite Schutzelektrode 45 und Masseelektrode 43 als konzentrische Rechtecke ausgebildet, diese Form stellt aber lediglich ein Beispiel und keine Beschränkung dar. In einer anderen Ausführungsform weisen die zweite Schutzelektrode 45 und die Masseelektrode 43 mindestens eine Unterbrechung auf, über welche die Sensorelektrode 41 bzw. die zweite Schutzelektrode 45 kontaktierbar sind. Beispielsweise weist die Trägerfolie 40 einen streifenförmigen Fortsatz in Form einer flexiblen Leiterplatte auf, auf welcher die Leiterbahnen zur Kontaktierung der Elektroden 41, 43, 45 geführt sind.
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2b stellt einen Schnitt durch die Sensoreinheit 4 in Form einer mehrschichtigen Folie zum Aufbringen auf einen Behälter 1 dar, welche in einer Schicht die in der 2a beschriebene Elektrodenstruktur enthält. Die mit der Wandung des Behälters 1 in Kontakt stehende Seitenfläche der Trägerfolie 40 ist mit einem Klebstoff beschichtet, sodass die Sensoreinheit 4 schnell und einfach auf den Behälter 1 aufbringbar ist. Alternativ kann die Trägerfolie 40 auch unbeschichtet sein und vor dem Anbringen mit Klebstoff versehen werden.
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Auf der anderen Seitenfläche der Trägerfolie 40 ist die Elektrodenstruktur aufgebracht, welche aus der zentralen Sensorelektrode 41 und der in Form von konzentrischen Rechtecken um diese herum angeordneten Schutzelektrode 45 und Masseelektrode 43 besteht. Diese Elektrodenstruktur ist durch eine Isolierung 44 von einer äußeren Schutzelektrode 42 getrennt. Die Schutzelektrode 42 ist flächig ausgebildet und hierbei derart angeordnet, dass sie die Sensorelektrode 41 bedeckt. Bevorzugt überdeckt die Schutzelektrode 42 die gesamte darunter liegende Elektrodenstruktur.
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Die Schutzelektrode 42 dient zur Abschirmung der Sensorelektrode 41 vor äußeren Einflüssen, welche eine Störung der kapazitiven Messung und somit eine fehlerhafte Angabe über die Bedeckung mit Schaum zur Folge hätten. Beispielsweise ist die Sensorelektrode 41 auf diese Weise vor Berührung geschützt. Die Schutzelektrode 42 ist ebenfalls von einer Isolierung 44 bedeckt, welche die Schutzelektrode 42 vor Berührung schützt indem sie die Herstellung eines elektrischen Kontakts vermeidet. Die äußere Isolierung 44 stellt gleichzeitig einen Korrosionsschutz dar. Sämtliche Elektroden 41, 42, 43, 45 der Sensoreinheit 4 sind in einen mehrlagigen Schichtaufbau integriert, sodass bei der Installation der Vorrichtung nur die Trägerfolie 40 auf dem Behälter 1 aufgebracht werden muss. Ein derartiger Aufbau aus flexiblen Leiterplatten ist besonders einfach in der Handhabung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behälter
- 2
- Schaum
- 3
- Elektronikeinheit
- 4
- Sensoreinheit
- 40
- Trägerfolie
- 41
- Sensorelektrode
- 42
- Schutzelektrode
- 43
- Masseelektrode
- 44
- Isolierung
- 45
- Zweite Schutzelektrode
