DE9421731U1

DE9421731U1 - Vorrichtung zum Analysieren eines Fluidmediums

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Publication number: DE9421731U1
Application number: DE9421731U
Authority: DE
Original assignee: Danfoss AS; Foss Analytical AB
Current assignee: Danfoss AS; Foss Analytical AB
Priority date: 1993-04-29
Filing date: 1994-04-28
Publication date: 1996-06-27
Anticipated expiration: 2004-04-29
Also published as: EP0706659A1; CN1121746A; WO1994025875A1; JPH08505477A; PL311273A1; DE69428702D1; EP0706659B1; ATE207206T1; DE69428702T2; AU6645394A; US5695719A; JP3025015B2; ES2164102T3; CN1043079C; RU2108975C1

Description

Vorrichtung zum Analysieren eines Fluidmediums

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Analysieren eines Fluidsmediums, insbesondere einer Flüssigkeit.

Fluidanalysatoren können für die Steuerung chemischer und biologischer Prozesse, z.B. Abwasserbehandlung, verwendet werden. Wünschenswert ist z.B. eine Reduktion der Konzentration von Nährsalzen wie Mitrogen- und Phosphatsalzen im Abwasser von Kläranlagen. Eine passende Steuerung der biologischen Prozesse in der Anlage ist hier erforderlich. Deshalb ist es von Vorteil, wenn die Phosphat-, Nitrat- und Ammoniummengen im Abwasser meßbar sind, da sie unter anderen Variablen die biologischen Prozesse beeinflussen oder darüber informieren

15 können.

Zahlreiche Patente befassen sich mit der Aufgabe des Analysierens von Fluiden, insbesondere Flüssigkeiten, auf das Vorhandensein verschiedener Stoffe. Im Prinzip können die Meßverfahren in drei Gruppen eingeteilt werden:

(1) Verfahren, in denen eine Probe diskontinuerlich entnommen, gefiltert und analysiert wird.

(2) On-line Verfahren; Verfahren, bei denen eine Probe kontinuierlich aus der Menge des Prozeßfluids gepumpt, filtriert und in regelmäßigen Intervallen automatisch analysiert wird.

(3) Verfahren, die in situ durchgeführt werden. Die Vorrichtung für die Probenentnahme und das Analysieren wird völlig oder teilweise in das zu analysierende Medium versenkt, oder die Probe wird direkt entnommen und die Analyse wird so nahe am Prozeß durchgeführt, daß die Zeit zwischen Probenentnahme und Entwicklung der Analysenergebnisse kurz genug ist, um eine zuverlässige direkte Steuerung des Verfahrens zu ermöglichen.

Ein Analysensystem zur Verwendung in Prozeßsteuerungen sollte es dem Benutzer ermöglichen, augenblickliche Maßnahmen vorzunehmen, z.B. in der Abwasserbehandlung Maßnahmen gegen eine plötzliche Erhöhung des Phosphatgehalts im Fluidmedium. Die Verfahren der Gruppe (1) werden aber überwiegend im Labor durchgeführt, was unvermeidlich eine Verzögerungszeit zwischen der Probenentnahme und der tatsächlichen Analyse zur Folge hat.

Da Wasserproben oft spektrophotometrisch analysiert werden, können lange Transportabstände ein weiteres 0 Problem aufwerfen, da die anhaltende biologische Aktivität der Proben dazu führt, sie weniger repräsentativ zu machen. Auch wenn die Proben schnell von der Entnahmestelle zum Labor transportiert werden, sind die Analysenergebnisse wegen der Probleme in Verbindung mit Hxntergrundtrübungen in den Proben etwas unsicher.

Die Gruppe (2) umfaßt sowohl UV-Messungen als auch ionenselektive Elektroden und segmented flow Analysen (SFA). Auch die sogenannte flow injection Analyse (FIA) gehört sowohl zur Gruppe (2) als auch zur Gruppe (1). 5

Das Verfahren der segmented flow Analyse (SFA) wurde zum ersten Mal in den US-Patenten Nr. 2 797 149 und Nr. 2 879 141 beschrieben, wobei das grundlegende Prinzip darin besteht, daß die zu analysierenden Proben mittels Luft voneinander getrennt werden. Eine Verbesserung dieser Technik, die ein Fluidhandhabungssystem aufweist, ist im US Patent Nr. 4 853 336 beschrieben. Dieses System ist besonders nützlich in Verbindung mit dem Mischen von Flüssigkeitsproben mit vorher getrennten Prozeßflüssigkeiten wie z.B. Reagenzien oder Verdünnungsmitteln, in kontinuierlich arbeitenden Durchflußanalysegeräten. Das System erlaubt das zeitlich verzögerte On-line-Mischen verschiedener Komponenten eines Analysengemischs, z.B. von Proben mit Reagenz- oder Verdünnungsmitteln, wie auch das Mischen und die gegenseitige Beeinflussung solcher Komponenten in einem einzelnen Leitungsstrang.

Das grundlegende FIA Prinzip ist in den US-Patenten Nr.

4 022 575 und Nr. 4 224 033 dargestellt. Eine abgemessene Probenmenge wird in einen sich bewegenden Trägerflüssigkeitsstrom eingeleitet und bildet dabei eine wohldefinierte Zone, deren Volumen und Geometrie genau reproduzierbar sein müssen. Die Probenzone innerhalb 0 des Trägerstroms wird durch ein Analysenmodul transportiert und in einer geeigneten Meßzelle nachgewiesen. Bei der FIA Analyse kann die Probe direkt in einer bestimmten Menge eingeführt werden, z.B. durch Anwendung eines Ventils, oder sie kann durch Anwendung eines Sy-5 stems magnetischer Ventile eingeleitet werden, siehe z.B. US-Patent Nr. 4 177 677.

Die flow injection Analyse erfordert eine sehr genaue Abmessung der Probenvolumina. Dies Problem ist in der EP 0 107 631 A angesprochen, die integrierte Mikrokanäle für Durchflußanalysen beschreibt, bei denen ein Miniatur-System von Kanälen in einer monolithischen Struktur ausgebildet ist. Ein Kanalabschnitt ist zwischen den Durchflußwegen umschaltbar ausgebildet und ermöglicht so die Messung eines Probenvolumens, indem es im beweglichen Kanalabschnitt angeordnet wird, während dieser in den Probenfluß geschaltet ist, und danach der Kanalabschnitt in den Analysenfluß umgeschaltet wird, um die Probenmenge in einem Chargenverfahren zu bearbeiten.

Ein Beispiel einer Anordnung nach der Gruppe (3), wie oben beschrieben, ist eine polarographische Zelle, die sogenannte Clark-Zelle, für die direkte Messung einer proportionalen Menge einer Substanz in einer Verbindung. Dies ist im US-Patent Nr. 2 913 386 beschrieben.

Die Zelle hat einen röhrenförmigen Körper mit einer membranbedeckten Vertiefung, in der eine Anode und eine Kathode in einer vorher bestimmten festgelegten räumlichen Lage angeordnet sind. Die Vertiefung ist mit einem Elektrolyt aufgefüllt. Der Zwischenraum zwischen den Elektroden bildet eine "Brücke", durch die Ionen übertragen werden, während chemische Umwandlungen im Elektrolyt stattfinden. Der Elektrolyt wird bei der chemischen Umwandlung verbraucht und muß häufig ausgetauscht werden. Das Element eignet sich dazu, z.B. Sauerstoff, 0 SO₂ oder CO₂ in Flüssigkeiten, Gas oder Feststoffen nachzuweisen.

Ein anderes Beispiel der Gruppe (3) ist ein Analysengerät, APP genannt (Automatic Pump Photometer), das von der ME Meerestechnik-Elektronik GmbH konstruiert wurde, siehe das Dokument DE 38 22 788 Cl. Diese Anordnung ist besonders für die in-situ-Anwendung im Wasser zur Pro-

benentnahme, direkter Analyse der Proben und Speicherung der Meßergebnisse konstruiert. Das &Aacgr;&Rgr;&Rgr; Analysengerät ist in der Lage, Änderungen in den Konzentrationen gegebener Substanzen innerhalb verhältnismäßig kurzer Intervalle (10 bis 3 0 Minuten) nachzuweisen, wobei die zu messenden Substanzen z.B. Ammonium, Nitrat, Nitrid, Phosphat, Silicat, Sulfid, Cyanid und Schwermetalle sind. Der zentrale Teil des APP Analysengeräts ist eine hin- und hergehende Pumpe, die auch als Reaktionszelle und Küvette dient und sowohl die Probe als auch die Reagenzien ansaugt. Die Flüssigkeit passiert ein Verteilerventil, das die verschiedenen Kanäle für Flüssigkeiten öffnet bzw. schließt und die Folge der Vermischungsschritte festlegt. Nach jeder Messung wird das Gemisch aus Probe und Reagenzien aus dem Gerät ausgestoßen.

Das APP Analysengerät basiert darauf, eine Probe in das System hineinzuziehen, weist aber keine Filtriereinheit auf, die Bakterien abhalten kann; es gibt deshalb das Risiko eines Bakterienwachstums im Analysengerät, das wiederum biologische Aktivität zur Folge haben kann, die die Analysenkonzentration im Vergleich zur äußeren Konzentration verändert. Die Probe muß genau gemessen werden, was mit der gezeigten Kombination von Pumpe, Reaktionselement und Küvette ziemlich schwierig erscheint. Ein verhältnismäßig großer Reagenzverbrauch pro Messung kombiniert mit der schnellsten Zykluszeit (10 bis 3 0 Minuten) hat einen Zeitraum zwischen Rea-0 genznachfüllungen von ungefähr einer Woche zur Folge. Einige der verwendeten Reagenzien können giftig sein, und der Ausstoß des Proben-Reagenzgemisches nach jeder Messung kann für die Umgebung und für die Genauigkeit künftiger Messungen schädlich sein.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung des Dialysatortyps. Sie weist ein fluiddichtes Gehäuse mit

einer Öffnung auf, die durch eine Membran mit einer ersten und einer zweiten Hauptoberfläche geschlossen ist und die Übertragung von Ionen und Molekülen zwischen den Oberflächen erlaubt, wobei die erste Hauptoberfläche im Betrieb das zu analysierende Medium berührt, und weiterhin weist die Vorrichtung kanalbildende Mittel im Gehäuse auf, die zu der Membran passen, um wenigstens einen von der zweiten Oberfläche der Membran sowie von den kanalbildenden Mitteln begrenzten Durchflußkanal zu bilden.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus dem Dokument AT 355 546 bekannt. Das Dokument beschreibt einen sterilisierbaren Dialysator für die Anwendung in Fermentationstanks, chemischen Reaktoren usw. Der Dialysator weist einen mit einer Dialysemembran bedeckten Dialysatorkopf auf. Der Kopf soll in eine Öffnung in der Wand des Tanks oder des Reaktors eingepaßt werden. Durch eine Zuleitung und eine Abflußleitung im Dialysator wird eine geeignete Pufferlösung an der Rückseite der Membran entlang geführt, während die Flüssigkeit im Tank oder im Reaktor mit der Vorderseite der Membran in Kontakt steht. Dialysierbare Substanzen, die in der Flüssigkeit vorhanden sind, werden durch die Membran in die Pufferlösung dialysiert und über die Abflußleitung zu einem externen analytischen Instrument oder System transportiert.

In der im Anspruch 1 spezifizierten Erfindung ist eine 0 völlig funktionelle Analyseneinheit innerhalb eines fluiddichten Gehäuse eines Dialysators aufgenommen. Die Erfindung schafft auf diese Weise eine gekapselte Einheit, die einen Behälter für ein Trägerfluid und eine Trägerpumpe zum Erzeugen eines Stromes von Trägerfluid durch den Kanal aufweist, um eine Übertragung von Ionen und Molekülen zwischen dem Medium und dem Trägerfluid über die Membran zu ermöglichen. Als ein Ergebnis wird

der Strom von Trägerfluid in einen Strom von Probenfluid umgewandelt, der einem Reaktionskanal zugeleitet wird. Reagenzfluid von wenigstens einem Reagenzbehälter wird mittels wenigstens einer Reagenzpumpe dem Reaktionskanal zugeführt, und am Reaktionskanal ist eine Nachweisvorrichtung angeschlossen zum Nachweis eines Reaktionsprodukts, das von einer Reaktion zwischen dem Reagenzfluid und dem Probenfluid stammt, und zum Erzeugen eines entsprechendes Detektorsignals. Das aus dem Reaktionskanal abfließende Fluid wird in einem Abfallbehälter aufgefangen.

Es sollte beachtet werden, daß der Ausdruck "Probenfluid¹¹ in der Beschreibung dieser Erfindung ein Fluid bezeichnet, das von einem Dialyseprozeß herrührt. Das Probenfluid entsteht durch einen Austausch von Ionen und Molekülen über eine Membran; die Ionen und Moleküle werden zwischen einem zu analysierenden Fluid und einem Trägerfluid ausgetauscht, das durch den Austausch in ein Probenfluid umgeformt wird; dies unterscheidet sich etwas von dem üblichen Gebrauch im chemischen Bereich, wo "Probe" einfach einen Teil des zu analysierenden Fluids bezeichnen würde.

Diese Erfindung vermeidet oder minimiert zahlreiche Nachteile des Standes der Technik. Insbesondere minimiert das Vorsehen eines Dialysenprozesses das Risiko interner Verunreinigung der Analysenvorrichtung wie auch das Risiko der Verunreinigung der Umgebung. Alle 0 in der Analyse verbrauchten und erzeugten Fluide werden in Behältern innerhalb des Gehäuses aufbewahrt und zurückgehalten. Keine verunreinigenden Partikel oder Organismen werden angesaugt, die die Messung stören oder Verstopfungen verursachen könnten.

Die Vorrichtung nach der Erfindung reagiert sehr schnell auf Änderungen in der Beschaffenheit des zu

analysierenden Fluids, da die Analyseneinheit im Dialysatorgehäuse angeordnet ist, d.h. ganz nahe an der Stelle, an der die aktuelle Dialyse-Probenentnahme durchgeführt wird. Die gesamte Vorrichtung kann in das zu analysierende Fluid eingetaucht werden. Reaktion und Nachweis werden vor Ort durchgeführt, und ein das Meßergebnis darstellendes Meßsignal wird erzeugt. Das Signal kann im Hinblick auf späteren Zugriff innerhalb des Gehäuses aufgezeichnet werden, wie z.B. in Überwachungsanwendungen, oder es kann im Hinblick auf Aufzeichnung oder weitere Verarbeitung, wie z.B. in einer Prozeßsteuerung, aus dem Gehäuse zu einer entfernten Stelle übertragen werden.

Die Ausführungsform des Anspruchs 2 ist besonders von Vorteil bei Prozeßsteuerungen. Die Möglichkeit, einen gültigen Nachweis des Reaktionsergebnisses zu jeder Zeit innerhalb eines längeren Zeitraums durchzuführen, ermöglicht eine sehr direkte Prozeßsteuerung. Gelegentliehe Kalibrierungs- und Reinigungsvorgänge mögen erforderlich sein, aber die Zeit zwischen Kalibrierungen und die Zeit zwischen Reinigungsvorgängen kann mehr als eine Stunde sein. Totzeit zwischen Messungen ist minimiert, und Änderungen in der überwachten Analytkonzentration werden mit minimaler Zeitverzögerung nachgewiesen. Außerdem kann die Meß- oder "Abtast"-Frequenz der Änderungsrate der Analytkonzentration angepaßt werden.

Dies ist im Unterschied zu chargenorientierten Verfah-0 ren, wie SFA oder FIA, wo nachweisbare Reaktionsprodukte in Chargen an der Nachweisvorrichtung ankommen, die entweder durch Luft oder durch Segmente von Trägerfluid ohne Reaktionsprodukte voneinander getrennt sind. Bei den bekannten Verfahren hat das Ausgangssignal oder Meßergebnis der Nachweisvorrichtung die Form von Spitzen oder Meßphasen, die entstehen, wenn eine Zone mit Reaktionsprodukten die Meßvorrichtung passiert, die

durch Täler oder Totzeitphasen getrennt sind, wenn eine Luftzone oder eine Zone unbeladenen Trägerfluids die Nachweisvorrichtung passiert. Der Nachweis muß mit dem Durchfluß des Reaktionsprodukts synchronisiert werden, und Zeitbeschränkungen können nicht vermieden werden. Im Gegensatz dazu werden im Verfahren und in der Vorrichtung gemäß Anspruch 2 praktisch keine Spitzen oder Täler bzw. Meßphasen und Totzeitphasen beobachtet; der Durchfluß von Reaktionsprodukten an der Meßvorrichtung ist nicht segmentiert, und es kann zu beliebigen Zeiten innerhalb ausgedehnter Zeitintervalle ein Nachweis durchgeführt werden. Mit anderen Worten kann die Wiederholungsrate der Messung im Prinzip beliebig erhöht werden, wobei die einzige inhärente Begrenzung eher im Betrieb der Nachweisvorrichtung als im Durchflußsystem liegt, das die Probenhandhabung ausführt. Die Meßvorrichtung kann z.B. einen Analog-Digital-Wandler mit begrenzter Wiederholungsrate aufweisen.

Andererseits können die erwähnten Zeitintervalle sehr lang und vergleichbar mit oder wenigstens in der gleichen Größenordnung wie typische Zeitintervalle sein, innerhalb derer beträchtliche Änderungen in der Analytkonzentration in chemischen oder biologischen Prozessen mit großem Maßstab auftreten, d.h. in der Größenordnung von mehreren Minuten bis mehreren Stunden. Mit anderen Worten können die Zeitintervalle so lang wie typische Zeitkonstanten von Änderungen der zu überwachenden oder messenden Analytkonzentration sein. Größere Änderungen 0 der Analytkonzentration können deshalb ununterbrochen überwacht oder gemessen werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eliminiert praktisch die Totzeit zwischen den Messungen und minimiert die 5 Zeitverzögerung zwischen der "Probenentnahme" an der Membran und der "Messung" am Detektor; die einzige auftretende Zeitverzögerung ist die Zeit, die Analytionen

und Moleküle benötigen, um das Durchflußsystem zu durchlaufen, bis sie im Reaktionsprodukt nachgewiesen werden.

Es kann von Vorteil oder sogar erforderlich sein, den Strom des Probenfluids und eines, mehrerer oder aller Reagenzfluide so zu steuern, wie im Anspruch 3 angegeben. Dies ist von der im Strom auszuführenden chemischen Reaktion abhängig sowie von dem verwendeten Nachweisprinzip. In einigen Fällen genügt es, nur sicherzustellen, daß dem Strom der Probenflüssigkeit genug Reagenz zugeführt wird, so daß eine vollständige Reaktion erreicht wird; man kann dies durch Verwendung eines Reagenzstromes sicherstellen, der mit sicherem Abstand über einem erforderlichen Mindestwert liegt. In anderen Fällen kann das Kalibrieren standardisierter Reaktionen erfordern, daß das Volumenverhältnis von Probenfluid zu jedem Reagenzfluid oder zwischen zwei oder mehreren Reagenzfluiden, oder beide, genau gesteuert wird; deshalb der Bedarf der Strömungssteuerung wie im Anspruch 3 .

Es ist von Vorteil, mit Strömen zu arbeiten, deren Reynoldszahl kleiner als 5 ist, wie im Anspruch 4 angegeben; in solchen Strömen ist die axiale Dispersion niedrig, und wenn absolute Durchflußraten klein gewählt werden, kann ein geringer Verbrauch von Reagenzfluiden erreicht werden.

0 Bevorzugterweise ist der durchschnittliche Volumenstrom im Reaktionskanal während des Betriebs weniger als 100 &mgr;&idiagr;/min, wie im Anspruch 5 angegeben. Das hat einen geringen Träger- und Reagenzverbrauch zur Folge.

5 Für praktische Zwecke ist es vorteilhaft, die Volumenkapazität des Abfallbehälters ausreichend groß zu machen, um wenigstens 3 0 Tage ununterbrochenen Betrieb zu

erlauben; Auswechselung der erschöpften Behälter ist dann etwa einmal pro Monat erfordert und kann passend geplant werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere gut geeignet für das Analysieren verunreinigten Wassers in Kläranlagen sowie in natürlichen Wasserläufen, aber sie ist auch für das Messen und die Steuerung anderer Fluidprozesse (Fermentierung, Papierherstellungsprozesse etc.) geeignet. Die Erfindung ist aber in keiner Weise auf diese spezifischen Anwendungen begrenzt. Jedes Fluid, Gase sowie Flüssigkeiten, sind analysierbar.

Es ist festgestellt worden, daß es möglich ist, die Analysenreaktionszeit mit der Vorrichtung nach der Erfindung auf eine Minute oder weniger zu vermindern, was der Zeit entspricht, welche die Analytionen oder Moleküle benötigen, um vom Medium über die Membran durch das Durchflußsystem und zu dem Detektor zu gelangen.

Der Betrieb der Vorrichtung in situ ist möglich, so daß der Analyt nur einen äußerst kurzen Weg durchlaufen muß. Die Vorrichtung kann z.B. teilweise eingetaucht auf der Oberfläche des Abwassers in einem Aufbereitungsbecken schwimmen.

Die am Meßvorgang beteiligten chemischen Reaktionen müssen nicht unbedingt völlig zu Ende geführt werden; wenn der Durchfluß richtig gesteuert wird, kann die Messung auf jeder Stufe der Reaktion durchgeführt wer-0 den, da das Mischen von Reagenz und Probe reproduzierbar ist.

Andere Eigenschaften, die zu der Möglichkeit sehr kurzer Ansprechzeiten beitragen, sind unter anderem die Fähigkeit, eine erhöhte Reaktionsgeschwindigkeit zu erreichen, wenn der Reaktionskanal auf erhöhter Tempe-

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ratur gehalten wird, sowie effektives Mischen, wenn sehr kleine Kanalquerschnitte gewählt werden.

Wie früher erwähnt, ist festgestellt worden, daß eine erfindungsgemäße Vorrichtung so aufgebaut werden kann, daß sie einen ganzen Monat hindurch oder sogar länger unabhängig und ohne Wartungsbedarf arbeiten kann. Die Behälter, die Trägerfluid, Reagenzfluide und Abfallfluid enthalten, weisen alle eine ausreichende Größe auf, um die verbrauchte bzw. produzierte Fluidmenge über die ganze Periode eines ununterbrochenen Betriebs hindurch zu lagern, die einen Monat oder sogar mehr ausmachen kann. Dies ist möglich, da z.B. beim Betrieb mit Flüssigkeiten der Verbrauch von Flüssigkeiten pro Monat nur 1 bis 10 1 betragen kann, Träger- und Reagenzflüssigkeiten sowie zusätzliche Fluide wie Reinigungsmittel und Kalibrierstandards eingeschlossen. Die Membran kann eine vergleichbare Lebensdauer aufweisen, vorausgesetzt, daß sie gewählt ist, um gegen Durchdringen oder Eindringen verunreinigender Partikel oder Organismen widerstandsfähig zu sein.

Die Anwendung der erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, die Größe künftiger Kläranlagen beträchtlich zu verringern wegen der schnellen Reaktion des Verfahrens und der Vorrichtung auf Änderungen in den Prozeßbedingungen, durch die biologische Prozesse in Kläranlagen gesteuert werden. Korrigierende Eingriffe gegen Änderungen können frühzeitig vorgenommen werden, wodurch der Wirkungsgrad der biologischen Prozesse verbessert und auf diese Weise die Größe einer künftigen Anlage reduziert oder umgekehrt die Verarbeitungskapazität einer existierenden Anlage erhöht wird. Gleichzeitig können die Menge und die Kosten der in Kläranlagen verwendeten chemischen Stoffe, z.B. für das Ausfällen von Phosphat, reduziert werden.

Eintragungsunterlagen

Das Prinzip des Verfahrens sowie der Vorrichtung nach der Erfindung wird unten näher beschrieben. Es wird auf die beigefügten Zeichnungen verwiesen, in denen

Fig. 1 ein schematisches Diagramm eines erfindungs-

gemäßen Durchflußsystems für die Durchführung einer Orthophosphat-Analyse in Abwasser ist,

Fig. 2a eine Draufsicht eines Teils einer Probenzelle für die Anwendung in einem Durchflußsystem

gemäß Fig. 1 ist,

Fig. 2b eine Schnittansicht der Probenzelle einschließlich des in Figur 2a gezeigten Teils ist,

Fig. 3 eine Draufsicht einer sogenannten Flow Chip-Trägerplatte, die als ein Teil des in Figur 1 gezeigten Durchflußsystems dient, ist, 20

Fig. 4 eine Explosionsansicht ist, die den allgemeinen Aufbau einer gekapselten eintauchbaren Vorrichtung nach der Erfindung für die Durchführung einer Abwasser-Analyse in situ zeigt. 25

Fig. 1 zeigt die Hauptkomponenten eines erfindungsgemäßen Systems, das für das Analysieren von Orthophosphat in Wasser ausgelegt ist. Die Hauptkomponenten sind: Flüssigkeitsbehälter 1, 5, 7, 10, 13 und 16 für verschiedene Flüssigkeiten 61, 65, 67, 60, 63 und 66, die während des Betriebs verbraucht oder erzeugt werden; Pumpen 2, 6, 8, 11 und 14, die alle durch eine Steuerschaltung 70 über einen parallelen oder seriellen Signalbus 71 gesteuert werden, für das Pumpen der Flüssigkeiten durch das Analysensystem durch die Kanäle 52, 56, 58, 51 und 54; eine Probenzelle 3 mit einem Strömungskanal 21 und einer Membran 20, die im Betrieb das

zu analysierenden Medium 28 berührt zum Erzeugen einer Probenflüssigkeit; ein sogenannter flow chip 15, in dem Flüssigkeiten in Kanälen 52, 56, 58, 51 und 54 sowie Kanälen 24, 2 9 und 59 auf kontrollierte Weise gemischt werden können, und eine am flow chip 15 und der Steuerschaltung 70 angeschlossene Detektoreinrichtung 12 für den Nachweis eines zu analysierenden Reaktionsprodukts. Das Nachweisergebnis wird zur Steuerschaltung 70 zur Anzeige oder weiteren Übertragung über einen externen Signalbus 72 übermittelt.

In Fig. 1 enthält der Behälter 1 entmineralisiertes Wasser 61 in Laborqualitiät, das als Trägerflüssigkeit dienen soll. Durch den Kanal 52 des flow chip 15 pumpt die Pumpe 2 die Trägerflüssigkeit in die probenerzeugende Zelle 3. Die Trägerflüssigkeit wird in der Zelle 3 durch einen Strömungskanal 21 an der Rückseite der Membran 2 0 entlang geleitet. Der Strömungskanal ist durch die Rückseite oder zweite Hauptoberfläche der Membran 20 und durch eine passende mechanische Vorrichtung (die nicht gezeigt ist) definiert oder abgegrenzt, die mit der Membran Kontakt hat. Die Vorderseite oder erste Hauptoberfläche der Membran 20 ist in direktem Kontakt mit dem zu analysierenden Medium, z.B. Abwasser 28, dargestellt.

Die Membran 20 ist aus einem Material hergestellt, das die Übertragung von Ionen und Molekülen durch die Membran erlaubt. Dies ermöglicht die Wanderung von Ionen 0 und Molekülen, einschließlich Orthophosphationen, vom Abwasser 28 durch die Membran 2 0 in die Trägerflüssigkeit 61. Als ein Ergebnis wird die Trägerflüssigkeit mit Analyt (Orthophosphat) und anderen Ionen und Molekülen aus dem Abwasser beladen, während sie den Strö-5 mungskanal 21 entlang fließt, was die Trägerflüssigkeit in eine Probenflüssigkeit umwandelt, die die Zelle 3 verläßt und über den Kanal 24 zu dem flow chip 15 ge-

langt. Die Verwendung des Wortes "Probe" in diesem Fall ist selbstverständlich verschieden von dem, was üblich ist, da die Probenflüssigkeit im vorliegenden Durchflußsystem keine physikalische Probe des Abwassers ist, sondern vielmehr eine Abbildung des Abwasserzustandes, die durch den spezifischen Mechanismus der Übertragung über die Membran 20 gebildet ist, der Diffusion sein kann.

Im flow chip 15 wird die Probenflüssigkeit des Kanals 24 zu einem Mischpunkt 4 geführt, an dem sie mit einem Strom der Reagenzflüssigkeit 65 vom Behälter 5 zusammengeführt wird, der durch den Kanal 56 mittels der Pumpe 6 zu dem Mischpunkt gepumpt wird. Die Reagenzflüssigkeit 65 ist ein Gemisch aus Amtnoniumparamolybdat (chemische Verbindung (NH₄) ₆Mo₇0₂-4H₂O) ) und Kaliumantimonidtartrat (chemische Zusammensetzung KSbOC₄H₄O₆-MH₂O) , die in Wasser unter Verwendung von Schwefelsäure (H₂SO₄) als Lösungsvermittler aufgelöst sind, alle in standardisierten Konzentrationen gemäß dänischem Standard Nr. 291. Die Wahl von Chemikalien ist spezifisch für das standardisierte Verfahren einer Orthophosphatanalyse, die standardisierte Reagenzien und Mischverhältnisse erfordert.

Das Mischen des Probenstroms und des Reagenzstroms bildet einen ersten vereinten Strom im Reaktionskanal 29. Während er entlang des Reaktionskanals 29 fließt, werden die Proben und die Reagenzfluide im kombinierten 0 Strom innig miteinander vermischt, so daß eine Reaktion zwischen den Analyten (Orthophosphationen) der Probenflüssigkeit und den Reagenzien der Reagenzflüssigkeit eingeleitet werden kann. Es ergibt sich ein Reaktionsprodukt, dessen Konzentration entlang des Kanals 2 9 an-5 steigt, während die Reaktion ihrem Ende zuläuft. Im vorliegenden Beispiel ist das Erzeugnis eine Komplexverbindung, die Phosphormolybdänsäure genannt wird.

An einem zweiten Mischpunkt 9 wird der erste kombinierte Strom mit einem Strom einer mittels der Pumpe 8 durch den Kanal 58 geförderten zweiten Reagenzflüssigkeit 67 vereint; im vorliegenden Beispiel weist die zweite Reagenzflüssigkeit ein Farbreagenz, Ascorbinsäure (C₆H₈O₆) , in einer standardisierten Konzentration auf.

In dem sich ergebenden kombinierten Strom (den man als den zweiten kombinierten Strom bezeichnen kann) wird der erste kombinierte Strom innig mit dem zweiten Reagenz gemischt, um eine zweite chemische Reaktion einzuleiten. Im vorliegenden Beispiel ist dies eine Reaktion zwischen der im ersten kombinierten Strom erzeugten Phosphormolybdänsäure und der Ascorbinsäure vom zweiten Reagenz, was zur Erzeugung eines Farbstoffs, Molybdänblau, im zweiten kombinierten Strom während dessen Durchlauf durch Reaktionskanal 29 führt.

Wie schematisch dargestellt läuft der Reaktionskanal durch eine Nachweisvorrichtung 12. Im vorliegenden Beispiel ist dies ein Spektrophotometer zum Messen der Absorption der durchfließenden Flüssigkeit. Die Absorption bezieht sich auf die Konzentration des Farbstoffs in der Flüssigkeit, die sich wiederum auf die Orthophosphat-Konzentration der durch die Probenzelle 3 erzeugten Probenflüssigkeit bezieht. Diese Konzentration ist eine Abbildung der Orthophosphat-Konzentration des Abwassers 28. Das gesamte System kann demnach kali-0 briert werden, so daß die gemessene Absorption die Orthophosphat-Konzentration des Abwassers 28 anzeigt.

Der Ausfluß 66 von der Nachweisvorrichtung 12 wird im Behälter 16 gesammelt, aus dem er nach Bedarf entfernt werden kann.

Das stromaufwärts von der Probenzelle 3 befindliche Durchflußsystem kann jederzeit durch die Verwendung bestimmter Bezugsflüssigkeiten 63 bekannter Orthophosphat-Konzentrationen (nur eine ist gezeigt) kalibriert werden, die dem Mischpunkt 4 von dem Behälter mittels der in dem Kanal 54 arbeitenden Pumpe 14 zugeführt werden. Die Pumpe 2 wird angehalten, während die Pumpe 14 betrieben wird, so daß der Strom der Bezugsflüssigkeit im Kanal 54 den Strom der Probenflüssigkeit von der Probenzelle 3 im Kanal 24 ersetzt. Ansonsten arbeitet die Vorrichtung während des Kalibrierens wie es für den Probedurchfluß früher beschrieben ist. Das Kalibrieren der Gesamtheit von Meßvorrichtung, Reaktionskanal und Pumpen wird somit dadurch erreicht, daß die während des Kalibrierens gemessene Absorption auf die bekannte Orthophosphat-Konzentration der Bezugsflüssigkeit 63 bezogen wird.

Beispielsweise kann, falls sich der Durchflußwiderstand im Reaktionskanal z.B. wegen Ablagerungen der Reagenzien ändert, jede sich ergebende Änderung der Eigenschaften des Systems durch eine solche Kalibrierung eliminiert werden. Das Kalibrieren kann außerdem Änderungen der Pumpeneigenschaften wegen Abnutzung kompensieren.

Auf ähnliche Weise können die Übertragungseigenschaften der Membran 20 durch ein Kalibrieren vor Betätigung der Vorrichtung berechnet werden, indem die Membran 20 mit 0 einer Standard-Orthophosphatlösung bekannter Konzentration anstelle von Abwasser 28 in Kontakt gebracht wird, das System betrieben wird wie beim Abwassermessen, und die gemessene Absorption auf die bekannte Orthophosphat-Konzentration der Standardlösung bezogen wird.

Die Pumpen 2, 6, 8, 11 und 14 sind Verdrängerpumpen und die Steuerschaltung 70 ist dazu eingerichtet, die För-

derraten der Pumpen zu steuern, so daß ein im wesentlichen konstantes Verhältnis zwischen den Zufuhrgeschwindigkeiten der Proben- und Reagenzflüssigkeiten aufrechterhalten wird. Es kann hierdurch ein im wesentlichen konstantes volumetrisches Verhältnis zwischen der Probenflüssigkeit und jeder Reagenzflüssigkeit an der Nachweisvorrichtung erreicht werden. Dies sichert die Aufrechterhaltung der Kalibrierung.

Da außerdem die Durchflußmenge jeder individuellen Pumpe des Systems genau gesteuert werden kann, kann die Zeit zwischen dem Mischen jedes Volumenelements der Probenflüssigkeit mit dem entsprechenden Volumen der Reagenzflüssigkeit und dem Durchlauf des sich ergebenden gemischten Volumenelements durch die Nachweisvorrichtung im wesentlichen konstant gehalten werden. Es ist daher nicht unbedingt erforderlich, daß chemische Reaktionen im System bis zu Ende ablaufen. Das Kalibrieren mit bekannten Standards sichert eine gültige stetige Erzeugung von Analysendaten auch bei unvollständigen Reaktionen. Dies ermöglicht sehr kurze Ansprechzeiten des Systems.

Ein geeigneter Pumpentyp ist im US-Patent Nr. 2 8 96 beschrieben; eine geeignete Steuerung des Pumpenbetriebs kann durch Anwendung eines von einer geeigneten Steuerschaltung angetriebenen elektrischen Schrittmotors erreicht werden. Andere Pumpentypen könnten stattdessen angewendet werden, und es ist sogar möglich, 0 Druckbehälter und Steuer- oder Meßventile anzuwenden, die die erzeugten Strömungen regulieren.

Wenn notwendig, kann das Durchflußsystem dadurch gereinigt werden, daß es mit einer Reinigungsflüssigkeit 60 vom Behälter 10 ausgewaschen wird, die durch die Pumpe 11 via die Leitung 51 zu dem Mischpunkt 4 gefördert wird. Während dieser Operation werden alle übrigen Pum-

pen angehalten. Sowohl das Kalibrieren als auch die Reinigung des Durchflußsystems kann ohne Entfernung der Vorrichtung von der Analysenstelle ausgeführt werden.

Fig. 2b ist ein Querschnitt der probenerzeugenden Zelle 3. Die Zelle weist ein kanalbildendes Mittel oder eine Stütze 22 auf, die zu der Membran 20 anliegt. Die Stütze 22 ist im allgemeinen als Scheibe ausgebildet, die mit einer mäanderformigen Vertiefung 25 (siehe Fig. 2a) auf einer Oberfläche 26, die an die Membran 2 0 angrenzt, ausgebildet ist. An die Membran 20 fest angelegt, wie es während des Betriebs der Fall ist, wirkt die Stütze 22 mit der Vertiefung 25 mit der Membran zusammen, um einen Strömungskanal 21 mit fester Form und Dimensionen zu bilden, der durch die Rückseite der Membran begrenzt ist.

Die Oberfläche 26 der Stütze 22, auf der die Vertiefung sich befindet, ist halbkugelförmig ausgebildet, mit Ausnahme der Vertiefung 25. Die Membran 20 andererseits ist aus ebenem Flächenmaterial hergestellt und wird gegen die halbkugelförmige Oberfläche der Stütze 22 gespannt werden, wenn sie darauf befestigt ist. Die Spannung sichert, daß die Membran nicht durch den vorherrsehenden Druck im Kanal 21 abgehoben wird, wenn die Trägerflüssigkeit hindurchgepumpt wird.

Sollte ein solches Abheben vorkommen, so könnten sich die verschiedenen Arme des mäanderförmigen Strömungskanals 21 durch die Bildung "wilder" Durchflußpfade zwischen der Membran und der Stütze kurzschließen. Dies würde Schwierigkeiten beim Kalibrieren ergeben, da Teile der Flüssigkeiten, die die "wilden" Durchflußpfade durchlaufen, Kontakt mit der Membran 2 0 während einer Verweilzeit haben würden, die sich von der Verweilzeit der Flüssigkeitsteile unterscheiden würde, die den Durchflußpfad 21 entlanglaufen. Der Effekt wäre, daß

der "wilde" Durchfluß im allgemeinen weniger Zeit hat, um mit Analyt beladen zu werden, als der "gewöhnliche" Durchfluß, was eine scheinbare Änderung der Kalibrierung der Zelle 3 zur Folge hätte. Durch die konvexe Form der Stütze 22 und die gespannte Membran 20 wird dies vermieden.

Der Strömungskanal 21 ist so ausgebildet, daß er einen ziemlich großen von der Membran 20 abgedeckten Oberflächenbereich aufweist, im Vergleich mit dem Volumen des Kanals. Beispielsweise kann die Vertiefung eine halbkreisförmige Form mit einer Breite von etwa 1 mm und einer maximalen Tiefe von etwa 0,13 mm aufweisen, was ein Verhältnis von Membranoberfläche zu Kanalvolumen von rund ll/mm ergibt. Auch flachere Vertiefungen sind erreichbar, abhängig von der Elastizität der Membran und geometrischer Überlegungen.

Das Membranmaterial wird unter Materialien ausgewählt, die im wesentlichen nur Übertragungen von Ionen und Molekülen durch die Membran zulassen. Dies kann durch Anwendung einer Membran erreicht werden, die aus einem undurchlässigen Material hergestellt ist und durch Bestrahlung einer Perforation unterworfen wird (Membranen solcher Art sind u.a. unter dem Warenzeichen Nuclepore verfügbar), was die Bildung sehr enger Kanäle in der Membran zur Folge hat. Fachleuten im Bereich der Dialyse und Osmose sind andere geeignete halbdurchlässige Membranen bekannt.

Geeignete Membranmaterialen schließen Zellulose-Acetat, Teflon, regeneriertes Zellulose-Acetat, Polycarbonat und Polyester ein. Materialien wie Keramik, beispielsweise Al₂O₃, können auch als Membranmaterial geeignet sein.

Die Membran kann fakultativ mit einer durchlässigen Schutzmatrix abgedeckt sein, die so angeordnet ist, daß die Schutzmatrix das zu analysierenden Medium berührt, d.h. auf der Vorderseite oder ersten Hauptoberfläche 27 der Membran. Ein Beispiel einer geeigneten Schutzschicht ist eine Faserschicht wie z.B. Filtrationspapier. Durch eine solche Abdeckung können Abrieb und andere durch das Schwellen der Membran im Wasser entstehende schädlichen Wirkungen vermieden werden.

Die Dicke der Membran ist bevorzugt etwa 5-250 &mgr;&tgr;&agr;, insbesondere etwa 25 &mgr;&pgr;&igr;. Die bevorzugte Größe der Membranporen ist etwa 0,01-0,45 &mgr;&khgr;&agr;, insbesondere etwa 0,025 &mgr;&igr;&eegr;. Diese geringe Größe der Poren verhindert, daß Schmutzpartikel, Bakterien, Pilzsporen und möglicherweise selbst große organische Moleküle in das System eindringen, so daß eine fortgesetzte biologische Aktivität in dem zu analysierenden System vermieden wird. Die bevorzugte Wahl des Membranmaterials ist so, daß man die Übertragung von Partikeln aus dem zu analysierenden Medium verhindert, die die Größe der Analytionen oder Moleküle mit einem Faktor 10 oder mehr überschreiten.

Die Stütze 22 ist mit durchgehenden Bohrungen 52 und 24 versehen, die den Strömungskanal 21 mit anderen Teilen des Durchflußsystems verbinden. Die Bohrung 52 führt zu der Pumpe 2, die die Trägerflüssigkeit 61 liefert, und die Bohrung 24 führt zu dem Mischpunkt 4 des flow chips 15.

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht einer Grundplatte 17, die einen Teil des flow chips 15 bildet.

Ein größerer Teil des Durchflußsystems ist als Vertiefungen in der Grundplatte 17 ausgebildet. Die Grundplatte ist im allgemeinen scheibenförmig mit einem zen-

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tral erhöhten Teil 18 auf ihrer Vorderseite, die in der Zeichnung gezeigt ist. Ein System 50 von Vertiefungen ist im zentralen Teil 18 der Grundplatte eingraviert.

Im Gebrauch ist die Grundplatte mit einer elastischen Folie abgedeckt (nicht gezeigt), die den gesamten zentralen Teil 18 überdeckt, und die Grundplatte ist in der Vertiefung 3 0 der Probezelle 3 derart montiert (siehe Fig. 2b), daß die elastische Folie zwischen der Grundplatte 17 und der Stütze 22 sandwichartig angebracht ist. Die elastische Folie dient deshalb als Deckel oder Versiegelung für die Vertiefungen 50, um das System der Vertiefungen 50 in ein System von Leitungen oder Kanälen umzuwandeln. Die Bezeichnungen "Vertiefung" und "Kanal" werden deshalb in der nachfolgenden Beschreibung austauschbar benutzt werden. Verbindungen zu den Vertiefungen von anderen Teilen des Durchflußsystems werden im allgemeinen als Bohrungen ausgeführt, die sich durch die Grundplatte von der Vorderseite zu der Rückseite erstrecken.

Probenflüssigkeit von der Probenzelle 3 wird zu der Rückseite der Grundplatte 17 durch die Bohrung 24 geführt und fließt an einem Kanal auf der Rückseite entlang (nicht gezeigt) zu der Bohrung 25. Durch die Bohrung 25 kehrt die Flüssigkeit zurück zu der Vorderseite der Grundplatte, wo sie in den Reaktionskanal oder in die Vertiefung 29 am Mischpunkt 4 eintritt.

0 Ein Teil des Vertiefungssystems 50 besteht aus drei Vertiefungen 51, 54 und 56, die sich zwischen dem Mischpunkt 4 und den Bohrungen 11a, 14a bzw. 6a erstrecken. Die Vertiefung 51 ist mit der Pumpe 11 über die Bohrung 11a verbunden, die Vertiefung 54 mit der 5 Pumpe 14 über die Bohrung 14a, und die Vertiefung 56 mit der Pumpe 6 über die Bohrung 6a. Diese Vertiefungen führen dementsprechend die erste Reagenzflüssigkeit

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(Vertiefung 56), Bezugsflüssigkeit (Vertiefung 54) und Reinigungsflüssigkeit (Vertiefung 51) zum Mischpunkt, wenn ihre entsprechende Pumpen betätigt werden.

Die Reaktionsvertiefung 2 9 erstreckt sich zwischen dem Mischpunkt 4 und einer Ausgangsbohrung 59, die zu der Rückseite der Grundplatte führt. Unterwegs stößt sie auf eine Vertiefung 58 am zweiten Mischpunkt 9, von wo sich die Vertiefung 58 zu einer Bohrung 8a erstreckt, die sie mit der Pumpe 8 verbindet. Der zweite Mischpunkt 9, der der Punkt ist, wo sich die Vertiefung 58 in den Reaktionskanal 29 öffnet, ist im Abstand vom ersten Mischpunkt 4 angeordnet.

Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, entspricht die Führung der Vertiefungen dem schematischen Diagramm der Fig. 1. Der Probendurchfluß wird am Mischpunkt 4 mit dem ersten Reagenz und am Mischpunkt 9 mit dem zweiten Reagenz kombiniert. Die in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Reaktionsprodukte werden entwickelt, während die Fluide an den zwei Abschnitten des Reaktionskanals 29 entlang strömen, zwischen dem erstem und dem zweiten Mischpunkt und nach dem zweiten Mischpunkt.

Die Nachweisvorrichtung, die nicht in Fig. 3 gezeigt ist, ist in unmittelbarer Nähe der Rückseite der flow chip Grundplatte 17, in der Nähe der Bohrung 59 angeordnet. Mit anderen Worten werden die Bohrung 59 sowie jeder zusätzliche Kanal, der zu der Nachweisvorrichtung 0 führt, als ein Teil des Reaktionskanals 29 anzusehen sein, da jede chemische Reaktion, die weiterläuft, während die Flüssigkeit die Kanäle entlang läuft, immer noch den von der Nachweisvorrichtung durchgeführten Nachweis beeinflussen kann.

Die in Fig. 3 gezeigten Vertiefungen 51, 54, 56 und 58 weisen alle einen engen Bereich in der Nähe der betref-

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fenden Mischpunkte und einen weiten Bereich in der Nähe der betreffenden Bohrungen auf, die sie mit den Pumpen verbinden; die weiten Bereiche dienen zu einer Verringerung der Druckabfälle. Andere Einzelheiten in Fig. 3 sind für Montierungs- und Hilfszwecke bestimmt, die kein Teil der Erfindung sind.

Die Abmessungen des Reaktionskanals 29 sind so gewählt, daß sichergestellt ist, daß der kombinierte Fluß laminar ist und eine niedrige Reynoldszahl Re aufweist, am besten durchschnittlich unter 5. Dies geschieht durch die Wahl transversaler Abmessungen des Reaktionskanals im Verhältnis zu der relativen Viskosität der einbezogenen Flüssigkeiten und zu den im System verwendeten Durchflußraten.

Die Reynoldsszahl Re ist definiert als:

Re = (V*D_h) /&ngr;,

wobei V die durchschnittliche Durchflußgeschwindigkeit ist, D_h der hydraulische Durchmesser des Kanals ist, der den Durchfluß trägt, definiert als D_h = 4*(A/P), wobei A die Querschnittsfläche des Kanals bezeichnet und P die Länge des Umfangs bezeichnet, und &ngr; die kinematische Viskosität des Fluids ist.

Als ein Beispiel wurde ein praktisches System verwirklicht, in dem der Reaktionskanal als eine rechtwinklige 0 Vertiefung in der Grundplatte 17 gebildet wurde, die eine Tiefe von etwa 0.4 mm und eine Breite von etwa 0.5 mm haben, die durch einen auf der Grundplatte befestigten, im wesentlichen flachen Deckel verschlossen wurde, was einen hydraulischen Durchmesser D_h = 0,44 mm ergibt. Die Proben- und Reagenzflüssigkeiten war im wesentlichen Wasser, das eine kinematischen Viskosität &ngr; = 1,004 mm²/s bei einer Temperatur von 20° C hat. Die

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Strömungsraten im Reaktionskanal wurden zwischen 0 und etwa 45 &mgr;&idiagr;/min. gewählt, was Durchflußgeschwindigkeiten V zwischen 0 und 3.75 mm/s zur Folge hatte. Die Reynoldszahl der Strömung schwankt daher zwischen 0 und 1,64.

Für den Nachweis anderer Analyten muß die gesamte Konstruktion des Durchflußsystems sowie die mechanische Auslegung des Kanalsystems im flow chip 15 normalerweise der bei diesem Nachweis verwendeten Chemie angepaßt werden. Solche Anpassungen umfassen auch das Vorsehen zusätzlicher Behälter, Pumpen und Kanäle für zusätzliche Reagenzien, Justierung der Länge aller Teile oder der gesamten Reaktionsvertiefung 29 und der räumlichen Lage von Mischpunkten, so daß eine ausreichende Durchflußzeit für Reaktionen erlaubt wird, sowie andere Änderungen.

Fig. 4 beschreibt eine der zahlreichen Möglichkeiten der Unterbringung und Aufteilung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der obere Teil der Fig. 4, unmittelbar unter einem Deckel 42, zeigt beispielsweise die Behälter 16, 1 und 10, die in einer Reagenzkammer 43 angeordnet sind, so daß gesichert ist, daß Leckagen in den Behältern den Betrieb nicht stören oder sogar das übrige System beschädigen. Die Steuerschaltung 70 für die Steuerung des Systems sowie für den Empfang/Übertragung der Ein- und Ausgabesignale durch den externen Signalbus 72 ist unter der Reagenzkammer angeordnet. Die Pum-0 pen 2, 6, 8, 11, 14 und der Detektor 12 sind unter dem Kreislauf 70 angeordnet; die Proben- oder Dialysezelle 3 ist im untersten Teil eines gemeinsamen Gehäuses 45 befestigt, das alle anderen Teile festhält und durch den Deckel 42 dicht versiegelt werden kann.

Stromversorgung und Kommunikation {Eingabe/Ausgabe) zu dem System erfolgt durch den externen Bus 72. Ein Aus-

gangsignal vom System, das z.B. die vom Detektor abgelesene Phosphatmenge des Abwassers darstellt, könnte in einer externen Steuereinheit (nicht gezeigt) ausgewertet werden, die am externen Bus 72 angeschlossen ist, um eine Kläranlage in Abhängigkeit von Signalen des Analysensystems zu steuern. Wäre die Menge zu groß, könnten die notwendigen Maßnahmen sofort durchgeführt werden, um die gemessene Menge zu reduzieren. Ebenfalls ist es möglich, über den externen Bus 72 dem System Eingabesignale zu liefern, z.B. wenn das Kalibrieren erwünscht ist.

Claims

Schutzansprüche

1. Vorrichtung für das Analysieren eines Fluidmediums, insbesondere einer Flüssigkeit, die folgendes aufweist :

ein fluiddichtes Gehäuse mit einer Öffnung, die durch eine Membran geschlossen ist, die eine erste und zweite Hauptoberfläche aufweist und den Transport von Ionen und Molekülen zwischen den Oberflächen erlaubt, wobei die erste Hauptoberfläche während des Betriebs das Fluid berührt ; und

kanalbildende Mittel im Gehäuse, die an der Membran anliegen, um wenigstens einen Strömungskanal zu bilden, der durch die zweite Hauptoberfläche der Membran und durch die kanalbildenden Mittel begrenzt ist;

dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse einschließt :

einen Trägerfluidbehälter zum Aufnehmen eines Trägerfluids;

angeschlossene Trägerpumpenmittel für das Erzeugen eines Stromes von Trägerfluid durch den

Strömungskanal, um einen Transport von Ionen und Molekülen zwischen dem Medium und dem Trägerfluid durch die Membran zu ermöglichen, wobei der Strom von Trägerfluid in einen Strom von Probenfluid umgewandelt wird;

einen Reaktionskanal zum Empfang des Stroms von Probenfluid;

wenigstens einen Reagenzbehälter für das Aufnehmen eines Reagenzfluids;

wenigstens ein angeschlossenes Reagenzpumpenmittel zum Erzeugen eines Stromes eines Reagenzfluids zum Reaktionskanal;

eine am Reaktionskanal angeschlossene Nachweisvorrichtung zum Nachweisen eines Reaktionsprodukts und zum Erzeugen eines entsprechenden Nachweissignals; und

wenigstens einen Abfallbehälter zum Aufnehmen von Fluid aus dem Reaktionskanal.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenmittel dazu eingerichtet sind, im wesentlichen nichtsegmentierte Ströme zu erzeugen, so daß eine gültige Messung des Reaktionsprodukts jederzeit innerhalb eines längeren Zeitraums durchgeführt werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Steuerungsmittel, die an den Pumpenmitteln angeschlossen sind, zum Steuern des Stroms des Probenfluids und jedes Reagenzfluids, um ein im wesentlichen konstantes volumetrisches Verhältnis

zwischen Probenfluid und jedem Reagenzfluid an der Nachweisvorrichtung hervorzubringen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche des Reaktionskanals und die Quer-Dimensionen des Reaktionskanals im Verhältnis zu der kinematischen Viskosität des Fluids im Reaktionskanals und zur volumetrischen Durchflußrate im Reaktionskanal derart gewählt sind, daß ein Strom im Reaktionskanal erzeugt wird, der eine durchschnittlichen Reynoldszahl unter 5 aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der durchschnittliche Volumenstrom im Reaktionskanal während Betrieb weniger als 100 &mgr;&idiagr;/min. ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenkapazität des Abwasserbehälters ausreicht, um mindestens 3 0 Tage ununterbrochen Betrieb zu ermöglichen.

Eintragungsunterlagen