DE2556072A1 - Kalorimetrische sonde - Google Patents
Kalorimetrische sondeInfo
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Description
0 0 0 München 22 · Steinsdorfstraße 21 - 22 · Telefon 089 / 29 84
A 7641
LKB-PKODUKTEBAB, S-16125 BROMMA 1 / Schweden
Kalorimetrische Sonde
Die Erfindung betrifft eine kalorimetrische Sonde, welche in eine Wärme entwickelnde Flüssigkeit eintauchbar ist. Die herkömmlich
verwendeten Parameter zur fortlaufenden Steuerung bzw. Kontrolle von Fermentationsverfahren haben ihre speziellen Grenzen, welche die
Möglichkeit ihrer allgemeinen Anwendung verringern. So ergeben sich beispielsweise bei der Trübungsmessung einer Flüssigkeit auf optischem
Wege unsichere Ergebnisse bei Zellkonzentrationen und außerdem wird die Messung durch die Prüfung des Nährmediums beeinträchtigt, welche während
der Fermentation sich ändern kann. Die Messung von gelöstem Sauer-
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stoff gibt nur während der begrenzten Zeitdauer bei der aeroben Fermentation
eine korrekte Information. Eine Messung des Verbrauchs an Alkali oder Sauerstoff oder der Erzeugung an Kohlenmonoxid geben zwar eine
sichere Information, jedoch sind die Messungen nicht direkt auf das
Wachstum bezogen, sondern schwanken stark bei unterschiedlichen Wachstumsbedingungen.
Die Kalorimetrie ist ein geeignetes Verfahren zur kontinuierlichen Beobachtung
der Fermentation, Die direkte Messung des Wärmeeffektes ist aufgrund seines ableitenden Charakters überlegen gegenüber beispielsweise
der Bestimmung des Trockenzellengewichtes oder der Messung der Trübung, insbesondere bei raschen metabolischen Änderungen bei der Fermentation.
Die Wärmeentwicklung der Kultur steht in direktem Bezug der freiwerdenden
Energie beim Stoffwechsel. Demzufolge kann das kalorimetrische Meßverfahren sowohl bei aeroben als auch bei nicht aeroben Vorgängen verwendet
werden.
In der industriellen Anwendung der Kalorimetrie ist es erforderlich, daß
die Messung in Reaktionsbehältern unterschiedlichen Volumens durchgeführt
werden kann. In großen Fermentationsbehältern hat man den Kühleffekt als Maß für die Wärmeentwicklung verwendet. Dieses Meßverfahren
i3t jedoch äußerst ungenau und zu langsam, um es für Überwachungs- und
Steuerungszwecke zu verwenden.
Die Durchflußkalorimetrie bietet einige Vorteile, hat jedoch auch bestimmte
Nachteile, insbesondere dann, wenn sie in mikrobiologischen Systemen angewendet wird. Die wesentlichen Vorteile bestehen darin, daß das Durchflußkalorimeter
für eine äußerst exakte Messung verwendet werden kann und daß es unabhängig ist vom Volumen des FermentationsbehälterB.
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Nachteilig ist, daß die Kultur ihren Stoffwechsel ändert und demzufolge
ihre Wärmeentwicklung während des Transportes zur Meßzelle. Um den Einfluß des Transportweges zur Zelle zu verringern, ist es daher erwünscht,
das Kalorimeter mit einem sehr kurz en Durchflußweg auszustatten. Im Handel erhältliche Durehflußkalorimeta- haben jedoch gewöhnlich einen
sehr langen Durchflußweg aufgrund des Erfordernisses einer genauen Temperung bzw. Abschreckung mit einem Wärmeaustauscher, der vor der
Meßzelle angeordnet ist. Ein Beispiel eines derartigen Durchflußkalorimeters ist beispielsweise in der schwedischen Patentschrift 329 025 beschrieben.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine kalorimetrische Sonde zu zeigen,
welche in eine Flüssigkeit eingetaucht werden kann und welche mit einem kurzen Durchflußweg ausgestattet ist und in welcher die umgebendai Fermentationsflüssigkeiten
als Wärmeaustauscher und als Wärmesumpf verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten kalorimetrischen Sonde
durch die im Kennzeichen des beiliegenden Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.
lh den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
angegeben.
In den Figuren sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer kalorimetrischen Sonde und
Fig. 2 einen Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels.
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Fig, 1 zeigt einen Schnitt durch eine kalorimetrische Sonde, wie sie im
Zusammenhang mit der Erfindung zur Anwendung kommen kann. Diese kalorimetrische Sonde kann in einen Flüssigkeitstank, der in der Figur
im einzelnen nicht dargestellt ist, eingetaucht werden. Durch eine Röhre wird die Flüssigkeit in dem umgebenden Flüssigkeitstank zum Durchfluß
gebracht, wozu beispielsweise eine in der Figur nicht näher dargestellte Pumpe verwendet werden kann. Die Röhre 1 ist mit einer Schutzhülle 6
umgeben, welche beispielsweise aus rostfreiem Stahl bestehen kann. Innerhalb der Schutzhülle sind in einem bestimmten Abstand voneinander zwei
Thermoelemente 2 und 3 angeordnet und mit der Bohre gekoppelt. Eine
Seite eines j eden Thermoelementes ist mit der Röhre und die andere Seite mit einem Aluminiumzylinder 4 verbunden. Dieser Aluminiumzylinder 4
umgibt die Röhre und steht mit der Schutzhülle 6 in Berührung, wobei jedoch ein schmaler isolierender Luftspalt 5 zwischen dem Zylinder und
der Röhre belassen ist. Beide Thermoelemente 2 und 3 sind an einen Differentialverstärker 7 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem Anzeigeinstrument
8 verbunden ist.
Die Arbeitsweise der vorbeschriebenen Kalorimetersonde ist die folgende:
Die Fermentationsflüssigkeit fließt von unten her durch die Röhre und am
ersten Thermoelement 2 wird die Temperaturdifferenz zwischen der Fermentationsflüssigkeit
und dem umgebenden Aluminiumzylinder 4 gemessen. Die durch die Röhre weiterfließende Fermentationsflüssigkeit ist, nachdem sie
am ersten Thermoelement 2 vorbeigeflossen ist, thermisch isoliert von ihrer Umgebung aufgrund des Luftspaltes zwischen der Röhre und dem
umgebenden Block. Die vom Mikroorganismus erzeugte Wärme kann .sich
nun nicht mehr zerstreuen, sondern wird stattdessen die Temperatur der
Fermentations flüssigkeit anheben. Am nächsten Thermoelement 3 wird die
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Temperaturdifferenz zwischen der Fermentationsflüssigkeit und dem umgebenden
Block wiederum gemessen. Die von den beiden Thermoelementen kommenden Meßsignale werden im Differential verstärker 7 verglichen und
die Differenz zwischen diesen Signalen stellt einen Meßwert für den Temperaturanstieg der Flüssigkeit beim Durchfließen zwischen den beiden Meßpunkten dar. Auf diese Weise erhält man ein Meßergebnis für die Aktivität
des Mikroorganismus.
Unter Umständen kann es bei diesem Typ von Messungen vorkommen, daß die Temperatur nicht in allen Teilen des Flüssigkeitsvolumens gleich
gehalten werden kann und außerdem die Temperatur des Flüssigkeitsvolumens insgesamt sich etwas ändern kann. Dies ergibt dann Aufzeichnungskurven, welche Schwingungen um einen Durchschnittswert aufweisen. Um
Schwierigkeiten bei der Auswertung einer derartigen Aufzeichnung aus dem Wege zu gehen, kann man eine Signalverarbeitung durchführen, welche
diese Schwingungen kompensiert. Eine geeignete Signalbearbeitung kann auf eine der drei folgenden Weisen durchgeführt werden:
1. Tiefpaßfilterung, wobei der Nachteil einer derartigen Filterung darin
bestehen kann, daß einzelne große Störungen während einer langen Meßzeit die Aufzeichnung beeinflußen;
2. Verzögerung des Signals, welches vom ersten Meßpunkt kommt, mit
einer solchen Zeit, wie sie benötigt wird zum Durchfließen der Flüssigkeit vom ersten Meßpunkt zum zweiten Meßpunkt. Die Störung
am ersten Meßpunkt wird dann durch eine gleiche Störung am zweiten Meßpunkt kompensiert.
3. Zyklische Integration, wobei die Integration während vorbestimmter
Zeitperioden durchgeführt wird. Der am Ende einer jeden Zeitperiode
integrierte Wert wird an einem Speicher wiedergegeben, dessen Höhe von einem Wiedergabegerät registriert wird.
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Außerdem kann eine Kompensation der Temperaturschwankungen des Flüssigkeitsvolumens mit Hilfe der in Fig. 2 dargestellten Sonde erzielt
werden. In dieser Figur sind die Teile, welche mit der Ausführungsform
in Fig. 1 gemeinsam sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Beim Ausführungsbeispiel in Fig. 2 ist der dicke Aluminiumzylinder 4
ersetzt durch eine dünne Röhre 9, welche aus einem Material niedriger Wärmekapazität und hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise
Silber, besteht. Diese Röhre ist von der umgebenden Schutzhülle über
ihre gesamte Oberfläche hin thermisch isoliert, ausgenommen an einem
Punkt, nämlich an einem Kontaktring 10, der zwischen der Röhre 9 und
der Schutzhülle angeordnet ist.
Der Vorteil des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ist darin zu
sehen, daß dann, wenn der Ring 10 verschiebbar ausgebildet ist, es möglich ist, die Lage des Ringes so einzustellen, daß Temperaturänderungen
in der umgebenden Flüssigkeit die beiden Meßpunkte gleichzeitig erreichen. Ferner werden dann beide Meßpunkte in gleicher Weise beeinflußt, unabhängig
davon, welcher Teil der äußeren Schutzhülle von einer Temperaturstörung erreicht wird.
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Claims (6)
1.1 Kalorimetrische Sonde, welche in eine Wärme entwickelnde Flüssigkeit
eintauchbar ist, gekennzeichnet durch eine Röhre (1), durch welche die Flüssigkeit fließt, eine die Röhre umgebende Schutzhülle (6) mit einem
größeren Innendurchmesser als der Außendurchmesser der Röhre und durch zwei an die Röhre (1) gekoppelte Thermoelemente (2, 3), welche
in bestimmtem Abstand voneinander angeordnet sind und deren zu der Röhre (1) entgegengesetzte Seiten thermisch mit der Schutzhülle (6) gekoppelt
sind und deren Ausgangssignale einen Meßwert für die Wärmeentwicklung der durch die Röhre fließenden Flüssigkeit darstellen, wobei
die Röhre zwischen den Thermoelementen von der umgebenden Flüssigkeit thermisch isoliert ist.
2. Kalorimetrische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Thermoelemente (2, 3) über einen die Röhre (1) umgebenden, eine hohe Wärmekapazität aufweisenden Zylinder (4) an die Schutzhülle (6)
thermisch gekoppelt sind, wobei die äußere Oberfläche des Zylinders mit der Schutzhülle (6) und die Innenfläche des Zylinders mit den Thermoelementen
in Berührung liegt, jedoch gegenüber der Röhre (1) einen Abstand aufweist.
3. Kalorimetrische Sonde nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) aus Aluminium besteht.
4. Kalorimetrische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die thermisch an die Schutzhülle (6) gekoppelten Thermoelemente (2, 3)
über eine die Röhre (1) umgebende weitere dünne Röhre (9), welche aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise
Silber, besteht, miteinander gekoppelt sind,
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wobei die Innenfläche der dünnen Röhre (9) mit den Thermoelementen (2, 3)
in Berührung steht, jedoch zur Röhre (1) einen Abstand aufweist und die Außenfläche der dünnen Röhre (9) in Berührung mit der Innenfläche eines
Ringes (10) steht, dessen Außenfläche die Schutzhülle (6) berührt.
5. Kalorimetrische Sonde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring (10) entlang der Röhre (1) verschiebbar ist.
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