DE4026751C2

DE4026751C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Konzentration einer Lösung oder Suspension

Info

Publication number: DE4026751C2
Application number: DE4026751A
Authority: DE
Inventors: Katsutoshi Tanno; Yasuhito Shiinoki; Tomoshige Hori; Kensuke Itoh; Tetsuro Nakamura
Original assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Current assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Priority date: 1989-08-30
Filing date: 1990-08-24
Publication date: 1995-07-27
Anticipated expiration: 2010-08-25
Also published as: JPH0385433A; JPH0690161B2; DE4026751A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung von Parametern einer als fließfähige Suspension oder Lösung vorliegenden Flüssigkeit, bei dem

- eine Temperatur Θ_∞ der Flüssigkeit gemessen wird,
- ein wärmeabgebender, elektrisch beheizbarer Sensor in die Flüssigkeit eingesetzt und die Temperatur Θ_w des Sensors gemessen wird, wobei eine Temperaturdifferenz Θ_w-Θ_∞festgestellt wird und
- der zu bestimmende Parameter-Wert mit Hilfe einer empirisch gewonnenen Kurve oder Beziehung aus den Temperaturdifferenzwerten Θ_w-Θ_∞ ermittelt wird.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Mikroorganismen oder deren Produkten in einer als Lösung oder Suspension vorliegenden Flüssigkeit.

Die Erfindung ist insbesondere anwendbar auf Konzentra tions-Messungen in der Lebensmittel-Technik, wobei Konzentrationen von Mikroorganismen und deren (Stoffwechsel-)Produkten in Lösungen oder Suspensionen gemessen werden.

Bei Kultivationsverfahren von verschiedenen, üblicherweise gezüchteten Mikroorganismen und dem Sammeln der Produkte dieser Organismen ist bekannt, die Konzentration der Mikroorganismen und der von ihnen stammenden Produkte zu bestimmen, damit eine erforderliche Kontrolle ihrer Nährstoffversorgung sicherzustellen und die Konzentration in angemessenem Rahmen in bezug auf die jeweils vorliegende Kulturflüssigkeit zu halten. Aus der EP 0 233 122 A2 ist ein Verfahren zur Messung eines Fluidzustandes ("fluids") bekannt. Unter dem Begriff "fluid" werden Substanzen vom fließenden bis gasförmigen Zustand verstanden, wie Flüssigkeiten, Puder, oder zwei oder mehrere solcher Substanzen.

Gemessen wird der Zustand dieser Fluide durch eine Messung der Temperatur des Fluids Θ_∞ und der Temperatur eines heizbaren Sensors Θ_w. Die Differenz Θ_w-Θ_∞ aus beiden Temperaturen wird zur Grundlage der Messung des Zustandes des Fluids gemacht. Die Statusänderung läßt dabei Rückschlüsse auf die Viskosität zu.

Verwendet wird hierzu eine Vorrichtung mit einem Tank, der das Fluid enthält. In den Tank ragt ein beheizbarer Sensor, der die Temperatur des Fluids und die Wärmemenge, die der beheizbare Sensor abgibt, mißt.

Nachteilig ist, daß mit ein und demselben Sensor zuerst im kalten Zustand die Fluidtemperatur gemessen wird und danach die Temperatur, die dieser im erhitzten Zustand abgibt. Dadurch ist eine kontinuierliche Kontrolle der Fluidflüssigkeit nicht möglich.

Es ist bekannt, die Konzentration von Mikroorganismen in einer Kulturflüssigkeit dadurch zu bestimmen, daß eine Probe der Kulturflüssigkeit genommen und diese Probe verschiedenen Prüfungsmethoden zur Messung der Konzentration unterworfen wird. Solche Prüfungsmethoden basieren auf der Ermittlung des Trockengewichtes der Mikroorganismen, auf Nephelometrie und auf Populationszählungen.

Solche Grundmethoden erfordern einerseits einen hohen Zeit- und Arbeitsaufwand; andererseits sind sie praktisch nicht anwendbar für on-line Messungen, da sie zu unerwünschten Kontaminationen führen.

Dementsprechend gab es ein dringendes Bedürfnis für ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit denen eine mikroorganismen- freie Messung kontinuierlich on-line und direkt zur Zeit des Geschehens durchführbar war, um die Effizienz der Kultivierung zu erhöhen.

Bekannte on-line-Methoden sind:

(A) optisches Meßverfahren;
(B) reaktive Verfahren;
(C) elektrochemische Meßverfahren.

Zu (A) - Optische Meßverfahren, die eine optische Vorrichtung mit einem Sensor verwenden, der einen Lichtgeber und einen Lichtempfänger enthält:

JP 62-16457 U betrifft eine Vorrichtung mit einem Lichtempfänger, der die Änderungen des Lichtstromes in elektrische Signale umwandelt, die wiederum umgerechnet werden, um die Konzentrationen des Meßobjektes zu bestimmen. Diese Vorrichtung ist kompakt, kommt mit der Zirkulation der zu messenden Flüssigkeit nicht in Berührung und ist auch in Umgebungen mit hoher Temperatur und hohem Druck anwendbar.

JP-OS 51-49787 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Konzentrationen von Mikroorganismen und dergleichen in einer Kulturflüssigkeit durch Bestimmung der Menge des mit Hilfe optischer Fasern hindurchgeschickten Lichtes. Bei dieser Vorrichtung können diejenigen Mikroorganismen, die an den Wandungen der Vorrichtung anhaften, mit Hilfe von UV-Strahlen getötet werden. Die genannte optische Faser befindet sich in einem Behälter, der mit einem zu öffnenden Deckel versehen ist, so daß die optische Faser gegen Außenlichteinflüsse und Blasen geschützt ist.

Zu (B) - Reaktive Meßverfahren:

JP 62-64934 A beschreibt einen Biosensor in Form eines Quarz-Oscillators, der unbeweglich gemachte Antikörper auf den Oberflächen seiner Elektrode aufweist, um Mikroorganismen zu finden und deren Konzentration zu messen.

JP-OS 50-36198 offenbart eine temperatur-empfindliche Vorrichtung mit einer Art Sensor, der mit Mikroorganismen oder Enzymen ummantelt ist, um die Konzentration eines Moleküls zu ermitteln, wie dem Substrat dieser Mikroorganismen oder dieses Enzyms.

Zu (C) - Elektrochemische Meßverfahren:

JP 60-135754 A beschreibt eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration. Die Vorrichtung enthält eine Arbeitselektrode und eine Gegenelektrode, die beide in einem Kanal eines Lösungsmittels angeordnet sind. Teile dieses Kanals, der die genannten Elektroden umgibt, besitzen einen variablen Durchmesser. Die zu messende Konzentration wird bestimmt auf der Basis von Änderungen der erzeugten Elektrizitätsmenge zwischen den genannten Elektroden.

JP 59-81551 A zeigt eine Anordnung, die ein Elektroden-Paar umfaßt, das in eine Zell-Suspension eingetaucht ist. Periodisch wird ein Potential an die genannten Elektroden angelegt, so daß ein elektrischer Strom erzeugt wird. Die Zellenzahl kann aus dem Wert des genannten elektrischen Stromes bestimmt werden, und zwar darauf beruhend, daß ein elektrischer Strom erzeugt wird, wenn eine lebende Zelle in direkten Kontakt mit der Elektrode kommt.

JP 61-48755 A zeigt ein System, das zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit in einer vorhandenen Kulturflüssigkeit geeignet ist. Dabei wird die Konzentration der Kulturflüssigkeit bei einem optimalen Niveau gehalten, wobei ein Phasen-Detektor für den unausgeglichenen Ausgang einer Wechselstrom-Brücke verwendet wird, der ein Paar Elektroden umfaßt, die in der Kulturflüssigkeit einer Referenz-Konzentration eingesetzt sind, und ein weiteres Paar Elektroden, die in einem Kanal, in dem sich die Kulturflüssigkeit befindet, eingesetzt sind.

Diese Anordnungen gemäß dem Stand der Technik führen jedoch zu ungelösten Problemen, die nachfolgend beschrieben werden. Obwohl eine on-line-Messung notwendig ist für ein geschlossenes System einer Mikroorganismen- Kultur, ist es üblicherweise unmöglich, bei optischen Meßvorrichtungen, wie unter (A) beschrieben, zu verhindern, daß Mikroorganismen am Sensor anhaften. Entsprechend beeinflussen diese haftenden Mikroorganismen die Lichtmenge. Die Meßgenauigkeit wird nach und nach geringer, entsprechend der Menge von Mikroorganismen, die mehr und mehr an den aussendenden und empfangenden Oberflächen anhaften. Zusätzlich ist dann, wenn das Medium anfangs gefärbt ist oder sich nach und nach färbt, im Laufe der Kultivationszeit der Durchlaß des Lichtes nachteilig beeinflußt. Darüberhinaus stören auch von außen kommende Lichtstrahlen wie solche, die durch ein Beobachtungsfenster eintreten, die Meßgenauigkeit einer optischen Einrichtung. Es kommt demnach zu falschen Meßwerten.

Hat das Medium eine relativ hohe Viskosität, so tendiert das Medium dazu, an den lichtaussendenden und empfangenden Oberflächen anzukleben, so daß es schwierig ist, den Zustand des Mediums zu bestimmen, der sich von Zeitpunkt zu Zeitpunkt laufend ändert. Darüberhinaus gibt es abschnittsweise Medien mit Mikroorganismen, die eine höhere Konzentration als die übrige Masse aufweisen, so daß auch hier die Meßfehler beträchtlich sind und somit zu Fehlmessungen führen.

Für Meßvorrichtungen entsprechend Abschnitt (B) ist die Kultivation unter hoher Temperatur oder hohem Druck unmöglich. Vibrationen der Vorrichtung müssen vermieden werden, da diese Einflußfaktoren die immobilisierten Träger auf der Oberfläche der Sensoren oder separate Mikroorganismen zerstören. Ähnliches gilt auch für Enzyme oder dergleichen auf dem Sensor. Ein Teil der Mikroorganismen, die an die immobilisierten Antikörper angekoppelt sind, sind für die Produktion nicht verwendbar. Die erneute Verwendung des Sensors erfordert nicht nur ein Waschen, sondern auch verschiedene Auffrischungsarbeitsgänge für den benutzten Sensor, beispielsweise das Anbringen des Antikörpers auf ihm, um die ursprüngliche Fähigkeit wiederherzustellen.

Die genannten reaktiven Verfahren sind auf Enzyme oder Mikroorganismen in ihrer Anwendung beschränkt, die eine Reaktion des Reaktanten oder eine katalytische Reaktion erfordern. Falls eine hohe Konzentration vorliegt, ist die katalytische Aktion stark behindert. Dementsprechend ist der Meßbereich stark limitiert.

Auch elektrochemische Meßverfahren gemäß (C) haben Nachteile. Enzyme, Mikroorganismen oder dergleichen, die an den Elektroden haften, rufen elektrische Störungen hervor, die wiederum zu Falschmessungen führen. Es ist demnach erforderlich, die Elektroden zu waschen. Auf der anderen Seite sind Waschmethoden nur begrenzt verfügbar, da es vielfach zu Korrosion und ähnlichen Nachteilen kommt. Außerdem müssen die Elektroden von der Vorrichtung entfernt werden, bevor sie gewaschen werden, wenn eine verläßliche und ausreichende Waschung gewünscht wird. Das fachgerechte Waschen ist erforderlich für eine elektrochemische Vorrichtung, um den Apparat völlig keimfrei zu halten. Eine solche Waschung erfordert jedoch mühsame Arbeitsgänge. Eine elektrochemische Vorrichtung ist deshalb ungeeignet für ein System, das über lange Zeiträume kultiviert.

Der Stand der Technik gemäß den Gruppen (A), (B) oder (C) hat daher zu lösende Nachteile. Einer der Nachteile, der allen Gruppen gemeinsam ist, sind Blasen, die vom Medium erzeugt werden. Die am Sensor haftenden Blasen vermindern die Meßgenauigkeit des Sensors und machen daher eine wiederholbare und verläßliche Messung sehr schwierig. Insbesondere bei Vorrichtungen, die Elektroden enthalten, zeigen sich darüberhinaus durch Blasen erzeugte elektrolytische Korrosionserscheinungen.

Es ist demnach die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Konzentration von Mikroorganismen und dergleichen anzugeben, das die genannten technischen Nachteile vermeidet, und zwar für die genannten Gruppen (A), (B) und (C). Insbesondere sollen die Nachteile des Vorhandenseins von Blasen im Medium umgangen werden, so daß eine stabilisierte Messung der Konzentration erzielt wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 4. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Um Meßstörungen durch Turbulenzen oder dergleichen zu unterdrücken, die im Kultivationstank entstehen und dementsprechend eine stabilisierte Konzentrationsmessung frei von unerwünschten Einflüssen zu ermöglichen, wird eine Zirkulationsleitung vorgesehen, in der die Lösung oder Suspension zirkuliert und in der der wärmeabgebende Sensor angeordnet ist.

Die Lösung oder Suspension wird mit konstanter Fließgeschwindigkeit umgewälzt. Die Fließgeschwindigkeit liegt zwischen 0,01 und 1,0 m/s. Ein relativ weiter Bereich von Konzentrationen kann bei einer derartigen konstanten Fließgeschwindigkeit gemessen werden, so lange es nicht gefordert wird, daß der gemessene Wert der Konzentration kompensiert wird, basierend auf der tatsächlichen Fließgeschwindigkeit, d. h. also, um seine Genauigkeit zu verbessern. Jedoch ist es auch möglich, die Fließgeschwindigkeit vielstufig so zu ändern, so daß eine niedrige Fließgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn eine hohe Meßgenauigkeit gefordert wird. Eine hohe Fließgeschwindigkeit wird eingestellt, wenn das Hintergrundrauschen reduziert werden soll.

In bezug auf die Empfindlichkeit des Sensors und auf den Rauschpegel, der sich mit der Konzentration in der Lösung oder in der Suspension ändert, wird die Fließgeschwindigkeit der Lösung oder der Suspension vielstufig durch eine steuerbare Pumpe gesteuert, so daß eine niedrige Fließgeschwindigkeit eingestellt wird, wenn eine hohe Meßgenauigkeit gewünscht, und eine niedrige Fließgeschwindigkeit dann, wenn der Rauschpegel reduziert werden soll.

Ein Grundprinzip der Erfindung ist es, die Konzentrationen von Mikroorganismen oder der von ihnen stammenden Produkte in einer Flüssigkeit zu bestimmen, wobei die sogenannte "Heißdraht-Methode" verwendet wird, die geeignet ist, eine Viskositätsänderung zu messen. Entsprechend der JP 62-185146 A (Titel: Verfahren zur Messung eines Fluid-Zustandes) oder EP 0 233 122 A2 kann die Zustandsänderung eines Fluids während der Kultivation entdeckt werden aus der Änderung der offenbaren Viskosität eines Fluids. Die Konzentration von Mikroorganismen oder von ihnen stammender Produkte kann auch aus der Änderung der meßbaren (apparent) Viskosität bestimmt werden, da sich die Viskosität ändert, wenn die Konzentration zunimmt. Beispielsweise läßt sich der Wärmeleitkoeffizient α, der den aktuellen Zustand der Wärmeleitfähigkeit wiedergibt, durch folgende Gleichung darstellen:

α = Q/S (Θ_s-Θ_∞)

wobei bedeuten:
Q: Wärme
S: Oberfläche des Sensors
Θ_s: Oberflächentemperatur des Sensors
Θ_∞: Temperatur der umgebenden Flüssigkeit

Aus der vorstehenden Gleichung wird deutlich, daß die Differenztemperatur zwischen dem wärmeabgebenden Sensor und der ihn umgebenden Flüssigkeit sich in einer spezifischen Beziehung mit der Konzentration der Mikroorganismen befindet. Ist demnach die Wärme im wesentlichen konstant, so kann die Temperatur des wärmeabgebenden Sensors oder die Differenztemperatur zwischen dem wärmeabgebenden Sensor und der Flüssigkeit kontinuierlich gemessen werden. Eine Änderung, die sich in den vorgenannten Werten bei Zeitablauf ergibt, kann dann bestimmt werden. Derartige Änderungen können in Beziehung gesetzt werden zu einer Änderung der Konzentration, um die Konzentration in einem bestimmten Zeitpunkt zu bestimmen.

Ist die Temperatur des wärmeabgebenden Sensors stromgesteuert und ändert sich die Flüssigkeit, so läßt die Gleichung

Q = R · I²

erkennen, daß der Wärmeleitkoeffizient sich ändert in Bezug nur auf eine Änderung der Temperatur der Flüssigkeit, wie sich der Widerstand R entsprechend einer Temperaturänderung der Flüssigkeit ändert. Dementsprechend ändert sich die abgegebene Wärmemenge in der Zeiteinheit. Um eine solche Änderung zu vermeiden, kann der Strom I so gesteuert werden, daß die Wärmeabgabe sich auf einem konstanten Niveau befindet, wobei die Temperatur des wärmeabgebenden Sensors beobachtet wird, so daß die Konzentrationsmessung unter konstanten Bedingungen durchgeführt werden kann.

Es sei angemerkt, daß die genannte Oberflächentemperatur (Θ_s) des Sensors leicht aus der Temperatur des wärmeabgebenden Sensors (Θ_w,) berechnet werden kann, indem nach der Erfindung gemäß US-Patent 4 832 504 gearbeitet wird.

Der Wärmeleitkoeffizient, der auf diese Weise erhalten worden ist, kann zu der Konzentration des Meßobjektes in Lösung oder Suspension in Beziehung gesetzt (korreliert) werden. Dementsprechend kann eine Änderung in der Konzentration numerisch bestimmt werden aus der korrespondierenden Änderung des Wärmeleitkoeffizienten.

Gemäß dem Stand der Technik ist es möglich, die Änderung der Differenz-Temperatur zwischen der Sensoroberfläche und der ihn umgebenden Flüssigkeit zu messen. Es ist demnach nicht mehr notwendig, eine Korrelation der Änderung in genannter Differenz-Temperatur zwischen der Sensoroberfläche und der ihn umgebenden Flüssigkeit zu suchen, die zur Konzentration des Meßobjektes führt, da eine Korrelation zwischen der Änderung der Temperatur des hitzeabgebenden Sensors oder der genannten Differenz- Temperatur und einer Konzentration des Meßobjektes bereits verfügbar ist.

Verfahren und Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung gehen aus von folgenden Effekten:

a) In der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung ist ein konventioneller Sensor eingesetzt, bei dem die sogenannte elektrische Aufheizmethode Verwendung findet, wie sie beispielsweise in US-PS 4 762 427, US-PS 4 882 571 usw. beschrieben worden ist. Ein derartiger Sensor kann manuell ohne Beschädigung gewaschen werden.
b) Für den Sensor wie erwähnt unter a) kann eine Finish- Behandlung der Sensoroberfläche leicht durchgeführt werden, so daß die Möglichkeit, daß Mikroorganismen auf der Sensor-Oberfläche haften, minimiert ist. Nachteilige Effekte von Blasen, die in der Lösung oder Suspension erzeugt werden, werden ebenfalls minimalisiert.
c) Der Sensor gemäß a) ist relativ unempfindlich, so daß der Sensor gleichzeitig mit dem Spülen der Zirkulationsleitung gewaschen wird. Entsprechend wird er keimfrei gehalten zusammen mit der genannten Zirkulationsleitung, so daß die Vorrichtung für eine lange Kultivationsstandzeit eingesetzt werden kann.
d) Die Vorrichtung kann auch sterilisiert werden bei hoher Temperatur und hohem Druck, so daß die Leitung und der Tank leicht keimfrei gemacht werden können.
e) Der Sensor gemäß a) ist meßunabhängig von Farbe und Konzentration der Lösung bzw. Suspension, so daß die Konzentration der Mikroorganismen für lange Standzeiten gemessen werden kann. Damit ist die Steuerung und Kontrolle des gesamten Kultivationssystems entsprechend erleichtert.
f) Die Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung kann vielstufig reguliert werden, so daß eine verläßliche Messung auch in Bereichen hoher Konzentration von Mikroorganismen erzielt wird.
g) Der Sensor gemäß a) erleichtert die Überwachung und Instandhaltung.

Die vorstehenden und anderen Ziele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:

Fig. 1 ein Schema der Vorrichtung zur Messung der Konzentration gemäß Erfindung;

Fig. 2 ein graphisches Diagramm, das die Ergebnisse der Konzentrationsmessungen darstellt, die an Lactobacillus lactis durchgeführt wurden. Die Temperaturdifferenz Θ_w-Θ_∞ zwischen der Temperatur Θ_w eines Sensors und der Temperatur Θ_∞ eines Fluids ist durch die y-Achse wiedergegeben. Die Konzentration von Lactobacillus lactis ist auf der x-Achse wiedergegeben.

Fig. 3 zeigt ein graphisches Diagramm analog wie Fig. 2, jedoch anstelle von Lactobacillus Lactis durchgeführt mit Hefezellen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird. Ein Container oder Tank 12 ist mit einem Rührer 13 ausgerüstet. Der Tank ist mit einer Suspension 11 gefüllt, die Mikroorganismen oder dergleichen enthält. Die Suspension wird mit einer konstanten Fließgeschwindigkeit durch eine Zirkulationsleitung 14 mit Hilfe der Pumpe 15 hindurchgedrückt. Ein Sensor 16 wird benutzt, um die Temperatur der Flüssigkeit zu messen. Ein wärmeabgebender Sensor 17 ("heating sensor") ist in die Zirkulationsleitung 14 eingebaut, so daß eine Differenztemperatur zwischen dem wärmeabgebenden Sensor 17 und der Flüssigkeit 11 bestimmt werden kann.

Eine Spannungsquelle 18, ein Voltmeter 19 und eine Steuereinrichtung 20 sind mit Hilfe eines GPIB ("general purpose interface bus") 21 verbunden. Eine Leitung 22 verbindet die Sensoren 16 und 17 mit der Stromquelle 18 und dem Voltmeter 19. Demnach wird eine Zirkulation bei konstanter Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung 14 in einfacher Weise dadurch aufrechterhalten, daß die Ausgangsleistung der Pumpe 15 durch einen Computer oder dergleichen gesteuert wird.

Um Flüssigkeiten in einem weiten Bereich der Konzentration messen zu können, ist es vorteilhaft, die Lösung oder Suspension mit einer Fließgeschwindigkeit zwischen 0,01 und 1,0 m/s zirkulieren zu lassen. Jedoch ist es auch für Fluide, bei denen die Konzentration extrem hoch oder niedrig ist, möglich, die Fließgeschwindigkeit in Stufen außerhalb des genannten Bereiches zu regeln und zu steuern, um ein verläßliches Meßergebnis zu erhalten.

Es sei angemerkt, daß die Steuerung der Fließgeschwindigkeit besser in Stufen erfolgen sollte als in kontinuierlicher oder gradueller Abstufungsweise, da es wünschenswert ist, die Fließgeschwindigkeit um den wärmeabgebenden Sensor bei einem konstanten Wert zu halten.

Die Lage des wärmeabgebenden Sensors 17 in der Zirkulationsleitung 14 kann vertikal oder horizontal sein. Um Temperaturmessungen mit hoher Genauigkeit zu erhalten, werden die Sensoren 16 bzw. 17 vorzugsweise Platin- Widerstandselemente enthalten. Sie können jedoch auch andere technische Einzelheiten umfassen, soweit die Temperatur mit ihnen mit gewünschter Genauigkeit gemessen werden kann. Basierend auf der Spannung V und dem Strom I, die den betreffenden Sensoren 16 und 17 zugeschaltet werden und den Widerstandswerten R, die über die betreffenden Sensoren gemessen werden, können die Temperaturen Θ_w der betreffenden Sensoren aus einer Gleichung wie folgt berechnet werden:

Θ_w = (R/R₀ - 1)/R₁,

wobei bedeuten:
R₀ = Widerstand des Sensors bei = 0°C
R₁ = Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstandes
R = gemessener Widerstand.

Die betreffenden Sensoren 16 und 17 werden mit stabilisierten elektrischen Spannungen versorgt. Der Sensor 16 wird mit einem elektrischen Schwachstrom versorgt, um seine Aufheizung zu verhindern.

Beispiele von experimentellen Messungen, die mit der vorgenannten Vorrichtung durchgeführt werden, werden im folgenden beschrieben anhand der graphischen Diagramme, die die Meßergebnisse darstellen.

Beispiel 1

Die Konzentration von Milchsäure-Bazillen wurde gemessen. Das Resultat ist in Fig. 2 dargestellt. Milchsäurebakterien wurden in Wasser im Tank 12 dispergiert, bis eine vorbestimmte Konzentration der Bazillen erreicht war, so daß eine Suspension 11 präpariert werden konnte, die anschließend bei einer Temperatur von 35°C gehalten wurde. Die Suspension 11 wurde durch die Zirkulationsleitung 14 hindurchgepumpt mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,3 m/s. Dies geschah mit Hilfe der Pumpe 15, während die Bazillen homogen dispergiert blieben unter Anwendung des rotierenden Rührers 13 mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 250 Upm. Zu gleicher Zeit wurde der wärmeabgebende Sensor 17 mit Gleichstrom von 0,3 A versorgt. Es wurde eine Temperaturdifferenz (Θ_w-Θ_∞) ermittelt zwischen einer Sensortemperatur Θ_w, die einer Temperatur des Platindrahtes in dem wärmeabgebenden Sensor 17 entsprach, und der Flüssigkeitstemperatur Θ_∞. Eine Beziehung zwischen dieser Differenztemperatur und der Bazillen-Konzentration ist in Fig. 2 dargestellt. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, stellt sich eine spezifische Beziehung zwischen der Temperaturdifferenz Θ_w-Θ_∞ und der Bazillenkonzentration in einem Bereich von 0 bis 25 g/l, bezogen auf die Trockenmasse, ein. Dementsprechend ist es möglich, die Bazillen- Konzentration aus der Temperaturdifferenz Θ_w - Θ_∞ abzuleiten, die zwischen der Temperatur des wärmeabgebenden Sensors Θ_w und der Temperatur Θ_∞ der Flüssigkeit besteht.

Dasselbe Ergebnis kann auch erhalten werden aus der Differenz Θ_s - Θ_∞ zwischen der Sensor-Oberflächen-Temperatur Θ_s und der Flüssigkeitstemperatur Θ_∞. In diesem Falle wird die Oberflächentemperatur Θ_s des Sensors errechnet, wie bereits erwähnt, durch Einsetzen der bekannten Technik, wie sie in dem US-Patent 48 32 504 dargestellt ist. Anschließend wird eine Korrelation zwischen Θ_s-Θ_∞ unter Konzentration gesucht. Die Bazillenkonzentration wird anschließend aus Θ_s-Θ_∞ ermittelt, die auf jener Korrelation basiert.

Beispiel 2

Die Konzentration von Hefezellen bzw. Hefe-Pilzen wurde gemessen. Dabei wurde das Ergebnis gemäß Fig. 3 erhalten. Hefezellen wurden in Wasser dispergiert, bis eine vorherbestimmte Konzentration der Zellen erreicht war, um eine Suspension 11 zu präparieren, die anschließend auf eine Temperatur von 25°C gehalten wurde. Die Suspension 11 wurde mit Hilfe einer Pumpe 15 mit einer Fließgeschwindigkeit von 0,5 m/s zirkuliert. Der wärmeabgebende Sensor 17 wurde mit einem Gleichstrom von 0,5 A beaufschlagt. Hierdurch entwickelt er die erzeugte Wärme. Es wurde eine Differenz Θ_w-Θ_∞ zwischen der Sensortemperatur Θ_w, die einer Temperatur eines Platindrahtes in dem Sensor 17 entspricht und der Flüssigkeitstemperatur Θ_∞ ermittelt. Eine Beziehung zwischen dieser Differenz-Temperatur und der Hefezellen- Konzentration ist in Fig. 3 dargestellt. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, stellt sich eine spezifische Korrelation zwischen der Hefezellen-Konzentration und der Temperaturdifferenz Θ_w-Θ_∞. Dies geschieht auch in einem Bereich der Konzentration, der 160 g/l Trockenmasse enthält. Dementsprechend ist es möglich, die Zellenkonzentration mit hoher Genauigkeit aus der Temperaturdifferenz Θ_w-Θ_∞ zu bestimmen, die sich zwischen dem wärmeabgebenden Sensor Θ_w und dem Fluid Θ_∞ einstellt.

Die experimentellen Untersuchungen deuten darauf hin, daß der Bereich von 0,3 bis 0,9 A vorzugsweise als Bereich des einzustellenden Stromes für die Messung der Konzentration von Mikroorganismen oder ihrer Produkte (z. B. Stoffwechselprodukte) zu wählen ist. Jedoch sind solche Werte nicht kritisch, da die Werte auf der speziellen Art des Sensors beruhen. Auch wenn die vorgenannten Beispiele Fälle zeigten, bei denen die Konzentration der Bazillen oder Hefepilze bestimmt wurde aufgrund der Differenz der Temperatur, kann die Konzentration allein dadurch gemessen werden, indem eine Temperatur des wärmeabgebenden Sensors 17 solange gemessen wird, wie die Temperatur der Lösung oder Suspension konstant gehalten wird.

Darüber hinaus ist ein weiteres Meßverfahren möglich, bei dem der Wärmeleitungskoeffizient α berechnet wird aus den Temperaturen des wärmeabgebenden Sensors 17 und der Suspension 11. Die Änderungen des Wärmeleitungskoeffizienten α werden in Beziehung gesetzt zu der Änderung der Konzentration. Hierdurch kann ebenfalls die Konzentration der Bazillen oder Hefepilze bestimmt werden, wenn die Beziehung zwischen Koeffizient α und der Konzentration bekannt ist.

Mit dem Verfahren zur Messung der Konzentration gemäß Erfindung kann bei niedriger Fließgeschwindigkeit der Lösung oder Suspension in der Zirkulationsleitung sicherlich die Empfindlichkeit erhöht werden. Hierdurch wird jedoch auch das Hintergrundrauschen erhöht. Dieses Rauschen kann reduziert werden bei Inkaufnahme niedrigerer Empfindlichkeit, wenn die Fließgeschwindigkeit steigt. Diese möglichen Nachteile können überwunden werden, in dem die Fließgeschwindigkeit in einem Vielstufen- Betrieb gesteuert wird, so daß die Fließgeschwindigkeit verringert wird, wenn eine höhere Geschwindigkeit verlangt wird und beschleunigt wird, wenn das Hintergrundrauschen reduziert werden soll. Derartige Anpassungen der Fließgeschwindigkeit erlauben es, verläßlich zu messen über einen weiten Bereich der Konzentrationen.

Diese zusätzliche Steuerung erlaubt, daß die Vorrichtung gemäß Erfindung in effektiver Weise für Konzentrationsmessungen eingesetzt werden kann. Es können viele Arten von Lösungen oder Suspensionen gemessen werden. Komplizierte Verfahrensweisen und Prozeduren werden vermieden, die nach dem Stand der Technik durchgeführt werden müßten, so beispielsweise die Auswahl verschiedener Instrumente, die für einzelne Meßaufgaben erforderlich waren.

Die Erfindung wurde insbesondere an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es sei jedoch angemerkt, daß ein Fachmann ohne weiteres in der Lage ist, aufgrund der bisherigen Offenbarung weitere Ausführungsbeispiele zu finden, ohne von dem allgemeinen Erfindungsgedanken vorliegender Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von Parametern einer als fließfähige Suspension oder Lösung vorliegenden Flüssigkeit, bei dem

- eine Temperatur Θ_w der Flüssigkeit (11) gemessen wird,
- ein wärmeabgebender, elektrisch beheizbarer Sensor (17) in die Flüssigkeit eingesetzt und die Temperatur Θ_w des Sensors gemessen wird, wobei eine Temperaturdifferenz Θ_w-Θ_∞festgestellt wird,
- der zu bestimmende Parameter-Wert mit Hilfe einer empirisch gewonnenen Kurve oder Beziehung aus den Temperaturdifferenzwerten Θ_w-Θ_∞ ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ziel der Messung der Konzentration von Mikroorganismen und deren Produkten in einer Kultivationsflüssigkeit (11)
a) die Flüssigkeit auf einer konstanten Temperatur gehalten wird,
b) der Heizstrom, mit dem der Sensor (17) beheizt wird, so gesteuert wird, daß die Wärmeabgabe (Q) des Sensors konstant gehalten wird,
c) die Flüssigkeit (11) mit einer konstanten Fließgeschwindigkeit durch eine Zirkulationsleitung (14), in der sich der Sensor befindet, umgewälzt wird,
d) die zu bestimmenden Konzentrationswerte mit Hilfe einer empirisch gewonnenen Kurve oder Beziehung aus den Temperaturdifferenzwerten Θ_w-Θ_∞ ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung (14) vielstufig geändert wird, um die Meßgenauigkeit zu verändern.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließgeschwindigkeit in der Zirkulationsleitung (14) zwischen 0,01 und 1,0 m/s liegt.

4. Verfahren zur Messung der Konzentration von Mikroorganismen und deren Produkten in einer als Lösung oder einer Suspension vorliegenden Flüssigkeit, mit

- einem Tank (12), der die Flüssigkeit (11) aufnimmt,
- einer Zirkulationsleitung (14), die vom Tank (12) abzweigt und nach Durchlauf einer Pumpe (15) in den Tank (12) wieder eintritt, wobei mittels der Pumpe (15) die Fließgeschwindigkeit der Zirkulation konstant haltbar ist,
- einen ersten beheizbaren, wärmeabgebenden Sensor (17), der in der Zirkulationsleitung (14) eingesetzt ist, und
- einen zweiten Sensor (16), der in den Tank (12) oder die Zirkulationsleitung (14) eingesetzt ist, und mit dem eine Temperatur Θ_∞ der Flüssigkeit (11) meßbar ist.