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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln
eines Fluids und auch einen Fluidfilter zur Anwendung in einem solchen
Verfahren und einer solchen Vorrichtung. Im Zusammenhang mit dieser
Anmeldung soll "Filter" jedes Objekt umfassen,
durch das ein Fluid fließen
kann, unabhängig
von der Frage, ob dieses Objekt dazu verwendet wird, um Partikel
aus dem Fluid zurückzuhalten, oder
alle Partikel passieren läßt.
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Aus
einem Artikel in Food Research International 29(2), Seiten 117-121
mit dem Titel "Inactivation
of Escherichia Coli by combining pH, ionic strength and pulsed electric
Field hurdles" von
H. Vega-Mercado, U.R. Pothakamurt, F.J. Chang, G.V. Barbarossa-Canovas
und B.G. Swanson ist ein Verfahren zum Pasteurisieren von Milch
mit Hilfe eines elektrischen Feldes bekannt. Ein solches Verfahren ist
auch aus IEE Transactions an Industry Applications 34, Seiten 43-50,
1998 bekannt.
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Indem
man Milch einem elektrischen Feld der Stärke 2-4 MV/m aussetzt, brechen
die Zellmembranen von in der Milch vorhandenen Mikroorganismen durch
die Wirkung von darauf vorhanden Ladungsträgern auf. Dies führt zur
Deaktivierung der Mikroorganismen.
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Der
oben genannte Artikel beschreibt auch eine Vorrichtung, in der Milch
dem Feld ausgesetzt ist. Diese Vorrichtung ist mit einer Leitung
versehen, durch die die Milch hindurchgeleitet wird. Die Leitungswand
besteht über
den größten Teil
der Länge aus
einem leitfähigen
Material, das lokal durch eine Ring aus einem Isolatormaterial unterbrochen
ist. Der Ring trennt das leitfähige
Material in zwei Teile. Zwischen den Teilen wird eine elektrische
Spannung angelegt, um das elektrische Feld in der Milch zu erzeugen.
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Die
eingesetzte elektrische Spannung ist im Bereich von 20-40 kV. Der
Energieverbrauch infolge dieser Spannung ist recht hoch. Um Mikroorganismen
zu eliminieren, sind jedoch kurze Spannungsimpulse von der Größenordnung
einer Mikrosekunde ausreichend. Diese müssen immer dann wiederholt werden,
wenn das behandelte Fluid aus dem Raum innerhalb des isolierenden
Rings herausgeflossen ist. Daher kann der Energieverbrauch begrenzt
werden.
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Die
Anwendung von so kurzen Hochspannungsimpulsen macht die Vorrichtung
jedoch teuer und unpraktisch für
die Anwendung im großen
Maßstab.
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Es
ist unter anderem eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und
eine Vorrichtung bereitzustellen, bei denen Fluide hohen elektrischen
Feldern ausgesetzt werden können,
ohne dass hohe Spannungen notwendig sind.
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Die
Erfindung schafft ein Verfahren zum Behandeln eines Fluids, bei
dem das Fluid durch Poren in einer Membran geleitet wird, die durch
die Poren verbundene Oberflächen
hat, auf denen leitfähige Schichten
angeordnet sind, die an den Poren unterbrochen sind, wobei die Membran
ein Material enthält,
das die leitfähigen
Schichten praktisch gegeneinander isoliert, wobei bei dem Verfahren
eine Spannung zwischen den beiden Schichten angelegt wird. Gemäß der Erfindung
wird das Fluid, zum Beispiel Milch, in den Poren einer isolierenden
Membran einem elektrischen Feld ausgesetzt.
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Das
elektrische Feld wird durch eine Spannung auf den leitfähigen Schichten
an gegenüberliegenden
Oberflächen
der Membran erzeugt. Die Membran besteht vorzugsweise aus isolierendem Material,
aber jedes Material, das einen Spannungsabfall zwischen den Schichten
ermöglicht,
ist geeignet. Die Poren verbinden die beiden Oberflächen, und
die Schichten sind an den Poren unterbrochen, so dass das Fluid
durch die Poren fließen
kann. Es ist möglich,
eine hohe elektrische Feldstärke
mit einer relativ niedrigen Spannung zwischen den Schichten zu erzeugen,
weil eine dünne
Membran mit einer großen
Anzahl von kleinen Poren möglich
ist, die zusammen einen ausreichenden Fluidstrom durchlassen.
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Obwohl
das Verfahren insbesondere zum Pasteurisieren von Milch verwendet
werden kann, ist das Verfahren zur Behandlung von allen Arten von
in großen
Mengen anfallenden Flüssigkeiten
anwendbar, zum Beispiel zur Desinfektion von flüssigen Nahrungsmitteln, zur
Wasserreinigung oder zur Extraktion des Zelleninhalts einer Biomasse,
zum Beispiel zur Extraktion von Saft aus Pflanzenzellen etc., bei denen
die Zellwand von biologischen Zellen durchlöchert werden muss.
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Als
Spannung wird vorzugsweise eine Wechselspannung verwendet. Daher
werden zersetzende Effekte in dem Fluid vermieden, und die Membran wird
vor Verstopfung infolge von Aufladungseffekten bewahrt. Grundsätzlich kann
jedoch auch eine Gleichspannung nützlich sein.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung mit zwei Kammern und einer
solchen Membran dazwischen. In einer Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung
wird eine Paket solcher Membranen verwendet, die das Fluid aufeinanderfolgend durchläuft. Nach
dem Durchgang durch alle Membranen ist der Bruchteil von Zellen,
die nicht aufgebrochen sind, um einen Faktor abgefallen. Daher kann eine
hohe Effektivität
erzielt werden. Vorzugsweise wird die gleiche Spannung über jede
Membran angelegt. Daher ist eine Spannungsquelle ausreichend. Die
Polarität,
mit der die Spannungen zwischen verschiedenen Schichten angelegt
wird, bedeutet keinen Unterschied für die Effektivität. Vorzugsweise
ist die Polarität
so gewählt,
dass die Schichten an der Außenseite
des Pakets das gleiche Potential haben, das dem der Rest der Vorrichtung
entspricht (Erdpotential).
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In
einer weiteren Ausführungsform
wird eine solche Folge von Membranen durch einen Schichtfolgeaufbau
von abwechselnd nicht-isolierenden Membranen und leitfähigen Schichten
erhalten. Daher dient jede leitfähige
Schicht zwischen einem Paar von Membranen als ein 201 zum Anlegen
von Spannung über
die Membranen auf beiden Seiten der Schicht. In dieser Ausführungsform
wechselt die Polarität
der Spannung in aufeinanderfolgenden Schichten. Daher reicht eine
Spannungsquelle für den
Schichtenaufbau aus.
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Die
Erfindung betrifft auch ein Fluidfilter mit einer Membran zur Verwendung
in dem Verfahren oder in der Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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Diese
und andere Aufgaben und vorteilhafte Aspekte der Erfindung und der
Vorrichtung gemäß der Erfindung
werden mit Bezug auf die folgenden Figuren detaillierter beschrieben.
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1 zeigt
eine Vorrichtung zum Behandeln eines Fluids.
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2 zeigt
ein Membranelement.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf ein Membranelement.
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4 zeigt
einen Querschnitt eines Details eines Membranelements.
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5 zeigt
ein Paket von Membranen.
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1 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
einer Vorrichtung zum Behandeln eines Fluids. Die Vorrichtung ist
mit Einlass 16 und einem Auslass 18 für Fluid,
ersten Kammern 12a-e, zweiten Kammern 14a-e und
Membranelementen 10a-e versehen. Filtereinheiten, die jeweils
eine der ersten Kammern 12a-e und eine der zweiten Kammern 14a-e
getrennt durch eines der Membranelemente 10a-e enthalten,
sind parallel zueinander zwi schen dem Einlass 16 und dem
Auslass 18 aufgebaut. Die Anzahl der Kammern 12a-e
hängt von
der gewünschten
Prozesskapazität
ab. Wenn erforderlich, reicht eine Kammer aus. Optional sind die
Membranelemente 10a-e auf Trägern (nicht gezeigt) angeordnet,
um ihre Festigkeit zu erhöhen.
Im Betrieb fließt
ein zu behandelndes Fluid aus dem Einlass 16 aufeinanderfolgend
durch eine der ersten Kammer 12a-e, ein Membranelement 10a-e
und eine der zweiten Kammern 14a-e zu dem Auslass 18.
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1 zeigt
nur eine illustrative Ausführungsform
der Erfindung. Jede Anordnung von Fluidkanälen mit Membraneinheiten darin
mit jedweder Form (nicht notwendig flach und nicht notwendig mit
einer festen, zeitunabhängigen
Form) kann verwendet werden.
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2 zeigt
eine Seitenansicht eines Membranelements (nicht maßstabsgetreu).
Das Element umfasst eine Membran 20 mit elektrisch leitfähigen Schichten 22a-b
darauf und mit an den Schichten liegenden Verbindungen 24a-b
zu einer Spannungsquelle 26. Die Spannungsquelle wird dazu
verwendet, um eine Spannung im Bereich von 10-20 Volt zwischen den
Schichten 22a, b anzulegen. Die Membran hat zum Beispiel
eine Dicke von 20 Mikrometern und hat einen Durchmesser von einigen
Zentimetern. Der Umfang der Membran kann jede gewünschte Form
haben, zum Beispiel rund, quadratisch etc.. Die Membran enthält kleine
Poren (in 2 nicht gezeigt) mit einem Durchmesser
in der Größenordnung von
10-20 Mikrometern. Obwohl 2 die Metallschichten 22a dünner als
die Membran sind, können in
der Praxis dickere Metallschichten verwendet werden.
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Die
Erfindung ist natürlich
nicht auf flache Membranelemente, wie in 1 gezeigt,
beschränkt. Im
Allgemeinen kann der Oberfläche
der Membran jede gewünschte
dreidimensionale Form zum Einsatz in einem Fluidstrom gegeben werden.
Es sind auch zeitlich veränderliche
Formen möglich.
Die Membranelemente können
zum Beispiel auch zylindrisch sein, so dass eine Membran eine Trennung
zwischen einem zylindrischen Innenraum und einem Außenraum
bildet, wobei die Schichten 22a, b auf der inneren und äußeren Seite
des Zylinders liegen. Durch Pressen des Fluids in den Zylinder wird
es dazu gezwungen, durch die Poren aus dem Zylinder herauszufließen.
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3 zeigte
eine Draufsicht eines Details der Membran 20. In der Membran 20 ist
eine Pore 32 sichtbar. Der Durchmesser D der Pore 32 ist
angedeutet. Der Durchmesser der Membran 30 ist viel größer, viele
Male größer als
der Durchmesser der Pore 32, der typischerweise von der
Größenordnung von
Zentimeter sind. Die Membran weist eine große Anzahl von Poren wie die
Pore 32 auf.
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4 zeigt
einen Querschnitt der Membran 20 und der leitfähigen Schichten 22a,
b in seitlicher Ansicht entlang der Linie I-I aus 3.
Der Querschnitt verläuft
durch eine Pore 32. An der Pore sind die Membran 20 und
die Schichten 22a unterbrochen, so dass ein Fluidstrom
durch die Membran möglich
ist (in 3 von oben nach unten). Die Spannung,
die im Betrieb zwischen den Schichten 22a, b anliegt, liefert
ein elektrisches Feld in der Membran 20 und der Pore 32.
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Einige
Feldlinien 30a-d dieses elektrischen Feldes sind in 4 eingezeichnet.
In der Membran 20 verlaufen die Feldlinien praktisch gradlinig
von der ersten Schicht 22a zu der zweiten Schicht 22b.
In der Pore verlaufen die Feldlinien 20a-d gekrümmt von dem
Rand der ersten Schicht zum Rand der zweiten Schicht. Im Allgemeinen
nimmt die Feldstärke
mit zunehmenden Abstand von dem Rand zwischen der Pore und den leitfähigen Schichten 22a,
b ab, aber so lange der Radius der Pore von der gleichen Größenordnung
oder kleiner als die Dicke der Membran 20 ist, ist diese
Abnahme nicht stark und daher wird etwa die gleiche Feldstärke in der
Pore wie in der Membran 20 aufrecht erhalten, das heißt eine
Feldstärke
von etwa der Spannung zwischen den leitfähigen Schichten 22a-b
geteilt durch die Dicke der Membran. Bei einer Spannung von 20 Volt
und einer Membran von 10 Mikrometern Dicke, ist dies eine Feldstärke von
2 MV/m.
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Es
ist daher möglich,
mit einer relativ kleinen Spannung eine ausreichende Feldstärke in dem
Fluid, das durch die Poren 32 in der Membran fließt, zu erzeugen,
um die Zellwände
in dem Fluid zu durchlöchern.
Dies vereinfacht die Vorrichtung zum Behandeln eines Fluids erheblich
im Vergleich zu Hochspannungsanlagen. Durch die geringe Dicke der Membran
ist es möglich,
das Fluid in der Membran fast augenblicklich zu erneuern. Sogar
wenn dauernd eine Spannung vorhanden ist, tritt daher kaum Energieverbrauch
auf, während
die Pore mit "benandeltem" Fluid gefüllt ist,
der nicht mit der Durchlöcherung der
Zellwände
verbunden ist. Dies macht eine effektive Behandlung möglich ohne
komplizierte Impulstechniken.
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Der
Durchmesser der Poren wird auf Basis der größten Partikel ausgewählt, die
in dem zu behandelnden Fluid auftreten können. Diese Partikel können daher
diese Poren passieren. Der Querschnitt der Poren muss nicht unbedingt
kreisförmig sein.
Jede Form ist geeignet. Die Dicke der Membran 20 ist vorzugsweise
nicht geringer als der Radius der Poren (oder genauer gesagt, im
Fall von nicht kreisförmigen
Poren, als der Abstand von einem der Leiter 22a, b zu irgendeinem
Punkt in der Pore in der Ebene des jeweiligen Leiters) oder wenigstens
nur um einen kleinen Faktor von zum Beispiel 5-fach größer als
der Radius oder Abstand. Damit wird ausreichend Feldstärke über die
gesamte Pore erhalten.
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Obwohl
die Poren in 2 geradlinig verlaufen, ist
es klar, dass die Poren auch von einer Seite der Membran zur anderen
gewunden sein können. Tatsächlich ist
es ausreichend, dass die Feldlinien durch die Poren verlaufen.
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Vorzugsweise
wird eine Wechselspannung zwischen den Leitern 22a, b bei
einer Frequenz verwendet, die vorzugsweise wenigstens so hoch ist, dass
bei der eingesetzten Fließgeschwindigkeit
des Fluids durch die Poren, Fluidteilchen nicht von einer Seite
der Membran zu der anderen innerhalb eines kleinen Teils der Periode
der Wechselspannung durch die Pore fließen können (zum Beispiel weniger als
einem Viertel einer Periode). Vorzugsweise ist die Frequenz so hoch,
dass die Fluidpartikel wenigstens eine ganze Periode benötigen, um
durch die Pore zu fließen.
Mithin wird die Zersetzung des Fluids verhindert und Verstopfungen
infolge von Ladungseffekten werden verhindert.
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Die
Art und Weise, in der das Element mit den leitfähigen Schichten 22a,
b und der Membran 20 mit den Poren darin hergestellt werden,
ist nicht wesentlich für
die Erfindung. In einer Ausführungsform kann
mit einer Membran aus einer Kunststofffolie begonnen werden, aber
es können
auch keramische Materialien etc. verwendet werden. Darauf werden die
Leiter auf der Membran angeordnet (zum Beispiel durch Aufbringen
von Metallfolie darauf oder durch Aufdampfen, Aufbringen metallischer
Farbe, durch Sputtern etc.). Die Technik, mit der die Metallschicht aufgebracht
wird, ist ebenfalls nicht wesentlich. Vorzugsweise wird eine recht
dünne Metallschicht
verwendet, aber das gewünschte
Feld kann auch mit dickeren Metallschichten erzeugt werden.
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Mittels
Lasertechnik werden Löcher
durch das Paket der Leiter 22a, b und der Membran 20 gebrannt.
Durch lokales Erhitzen der Metallschichten und der Membran mit einem
fokussierten Laserstrahl können
daher Poren hergestellt werden, die durch die Metallschichten und
die Membran verlaufen und die einen Durchmesser haben, der auf bis
zu einem Mikrometer einstellbar ist. Natürlich können, ohne von der Erfindung
abzuweichen, andere Membranen, andere Arten der Aufbringung der
leitfähigen
Schichten und/oder andere Arten der Einbringung von Poren ver wendet
werden. Zum Beispiel können
auch Öffnungen
in einer fotoliturgraphischen Schicht geätzt werden, um die Poren herzustellen.
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Wesentlich
für die
Auswahl des Materials der Membran 20 ist nur, dass dieses
das Vorhandensein eines elektrischen Feldes zwischen den leitfähigen Schichten 22a,
b erlaubt. Vorzugsweise wird ein isolierendes Material verwendet,
aber auch schlecht leitfähiges
Material ist zufriedenstellen unter der Voraussetzung, dass bei
den eingesetzten Spannungen ein erheblicher Teil des Spannungsabfalls
zwischen den beiden leitfähigen
Schichten erhalten bleibt. Weniger Isolierung bedeutet in diesem
Fall einen höheren
Energieverbrauch, aber nicht dass der Zellwand durchlöchernde
Effekt verloren geht. Wenn notwendig können auch Halbleitermaterialien
verwendet werden. Weiterhin kann auch eine Kombination von Materialschichten
in der Membran 26 verwendet werden.
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5 zeigt
ein Paket von Membranelementen 50, 51, 52, 53 des
Typs aus 2. Jedes Membranelement 50, 51, 52, 53 umfasst
eine isolierende Membran 500, 510, 520, 530 und
ein Paar von leitfähigen
Schichten 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b.
Die Membranelemente 50, 51, 52, 53 sind
durch isolierende Schichten 56a-c getrennt. Verbindungen 58a, b
zu den leitfähigen
Schichten 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b
machen es möglich,
zwischen den Paaren von Schichten 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b über jede
der Membranen 500, 510, 520, 530 anzulegen.
Eine erste und eine zweite Elektrode 55a, b der Spannungsquelle 54 sind
mit den Schichten 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b
verbunden.
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In
einer Ausführungsform
können
die isolierenden Schichten 56a-c fortgelassen werden unter der
Bedingung, dass das gleiche Potential direkt auf die aufeinanderfolgenden
leitfähigen
Schichten 502b-512a, 512b-522a, 522b-532a angelegt
wird. In diesem Fall kann auch ein integriertes Schichtpaket verwendet
werden, in dem sich zwischen jedem Paar von Membranen nur eine leitfähige Schicht
befindet, die mit beiden Membranen verbunden ist.
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Das
Paket wird als ein Membranelement 10a-e zwischen eine erste
und eine zweite Kammer 12a-e, 14a-e der Vorrichtung
aus 2 eingesetzt. Daher wird das Fluid, wenn es durch
das Paket fließt, mehrfach
einem hohen elektrischen Feld in den Poren von aufeinanderfolgenden
Membranen ausgesetzt. Daher wird der Bruchteil der Zellen, die nicht durchlöchert sind,
in dem Fluid sehr begrenzt sein. Um den Fluss zu verbessern, können die
Poren, wenn erwünscht,
nachdem die Membranen die Schichten aufeinander angeordnet sind,
hergestellt werden, so dass die Poren in verschiedenen Schichten
automatisch miteinander ausgerichtet sind. Dies ist jedoch nicht
notwendig, besonders, wenn ein Flussraum zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten
belassen wird.
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Wie
gezeigt sind die Spannungen über
aufeinanderfolgende Membranen 500, 510, 520, 530 jedes
Mal mit entgegengesetzter Polarität angelegt. Daher werden keine
Probleme mit Feldern zwischen aufeinanderfolgenden Paaren von Membranen 500, 510, 520, 530 auftreten.
Vorzugsweise wird eine gerade Anzahl von Membranen verwendet. Daher
ist kein Potential zwischen den äußeren leitfähigen Schichten 500a, 530b des
Paketes vorhanden, mit denen das Paket in Verbindung mit der Umgebung kommt.
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Obwohl
in 5 die Membranen und Schichten getrennt sind, kann
natürlich
auch eine einzelne flexible Membran mit zugehörigen Schichten verwendet werden,
die eine Anzahl von Malen übereinander
gefaltet ist oder um eine Röhre
mit einer Anzahl von Windungen gewickelt ist, wonach die kontinuierlichen
Poren hergestellt werden.
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Obwohl
die Verbindungen 58a, b als Stifte gezeigt sind, die durch
die Schichten 502a-b, 512a-b, 522a-b, 532a-b,
mit denen sie Kontakt herstellen, als durchschneidend dargestellt
sind, werden in der Praxis vorzugsweise ein oder mehrere Elektroden
in Kontakt mit der Oberfläche
der betroffenen Schichten gebracht, zum Beispiel in dem ein Teil
der verschiedenen Schichten, in 5 gesehen
von oben nach unten, zugänglich
für die
Elektroden gemacht werden oder indem die Schichten auf die Elektrode
gefaltet werden.