WO2024194443A1 - Method and device for measuring a gas concentration in a reaction chamber - Google Patents
Method and device for measuring a gas concentration in a reaction chamber Download PDFInfo
- Publication number
- WO2024194443A1 WO2024194443A1 PCT/EP2024/057687 EP2024057687W WO2024194443A1 WO 2024194443 A1 WO2024194443 A1 WO 2024194443A1 EP 2024057687 W EP2024057687 W EP 2024057687W WO 2024194443 A1 WO2024194443 A1 WO 2024194443A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- measuring
- gas
- reaction chamber
- chamber
- reaction
- Prior art date
Links
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 title claims abstract description 134
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 92
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 105
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 63
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000006193 liquid solution Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 50
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 32
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 17
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 15
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 14
- 235000013361 beverage Nutrition 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- 238000004065 wastewater treatment Methods 0.000 claims description 8
- 238000000605 extraction Methods 0.000 claims description 7
- 239000010865 sewage Substances 0.000 claims description 6
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 2
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 abstract description 7
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 abstract description 7
- 238000004886 process control Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 248
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 170
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 85
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 31
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 18
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 18
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 17
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 17
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 15
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 15
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 15
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 11
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 10
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 10
- 230000004044 response Effects 0.000 description 10
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 7
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 6
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 6
- 238000001739 density measurement Methods 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 5
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 101100007418 Caenorhabditis elegans cox-5A gene Proteins 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 4
- 238000004868 gas analysis Methods 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- 239000002028 Biomass Substances 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 3
- 238000003380 quartz crystal microbalance Methods 0.000 description 3
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 2
- 229960000074 biopharmaceutical Drugs 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 2
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 2
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 2
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 2
- 230000006870 function Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 2
- 239000003345 natural gas Substances 0.000 description 2
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000000041 tunable diode laser absorption spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000012855 volatile organic compound Substances 0.000 description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004215 Carbon black (E152) Substances 0.000 description 1
- 241000195493 Cryptophyta Species 0.000 description 1
- RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N Dihydrogen sulfide Chemical compound S RWSOTUBLDIXVET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N Dioxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 description 1
- 239000003570 air Substances 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000013405 beer Nutrition 0.000 description 1
- 230000003851 biochemical process Effects 0.000 description 1
- 239000002551 biofuel Substances 0.000 description 1
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 238000011138 biotechnological process Methods 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide;molecular oxygen Chemical compound O=O.O=C=O UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N carbonic acid Chemical compound OC(O)=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000000170 cell membrane Anatomy 0.000 description 1
- 230000007248 cellular mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000001311 chemical methods and process Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003651 drinking water Substances 0.000 description 1
- 235000020188 drinking water Nutrition 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000001963 growth medium Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229930195733 hydrocarbon Natural products 0.000 description 1
- 150000002430 hydrocarbons Chemical class 0.000 description 1
- 230000036512 infertility Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000013461 intermediate chemical Substances 0.000 description 1
- 230000003834 intracellular effect Effects 0.000 description 1
- 238000001285 laser absorption spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000007726 management method Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000002503 metabolic effect Effects 0.000 description 1
- JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N nitrogen dioxide Inorganic materials O=[N]=O JCXJVPUVTGWSNB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001139 pH measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004867 photoacoustic spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 1
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000003351 stiffener Substances 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002351 wastewater Substances 0.000 description 1
- 238000007704 wet chemistry method Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N1/00—Sampling; Preparing specimens for investigation
- G01N1/02—Devices for withdrawing samples
- G01N1/22—Devices for withdrawing samples in the gaseous state
- G01N1/2226—Sampling from a closed space, e.g. food package, head space
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
- C12M41/00—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation
- C12M41/30—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration
- C12M41/34—Means for regulation, monitoring, measurement or control, e.g. flow regulation of concentration of gas
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
- G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
- G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
- G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
- G01N33/004—CO or CO2
Definitions
- the invention relates to a measuring method for measuring a concentration (changing, for example, during a reaction, in particular a bioreaction, such as in particular a cell cultivation or fermentation) of a gas component to be measured of a gas mixture of known composition in a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor or the like.
- the invention relates to a measuring method for measuring a CO2 concentration in a bioreactor or in a reaction chamber in the food or beverage industry or in wastewater treatment plants.
- the invention further relates to a reaction method, in particular a bioreaction method, in particular a cell cultivation method or fermentation method, which is carried out in a reaction chamber, such as in particular a bioreactor, using the measuring method.
- the invention further relates to a measuring device for measuring a concentration (changing, for example, during a reaction, in particular a bioreaction) of a gas component to be measured, in particular CO2, of a gas mixture of known composition in a reaction chamber such as a bioreactor.
- the invention further relates to a reaction system, in particular a bioreaction system, comprising a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor and such a measuring device, as well as the use of a measuring device.
- the reference [14] describes a gas analysis system for analyzing the concentration of several gas components in a gas mixture for energy supply, in which hydrogen is mixed with the components of natural gas or liquefied gas.
- the proportions of those gas components that absorb infrared light are determined using infrared spectrometry, and a gas density measurement is carried out in order to determine the proportions of those gas components that do not absorb infrared light from the results of the infrared spectrometry and the gas density measurement.
- the method is carried out at an energy supplier in order to control the addition of hydrogen to the natural gas.
- Preferred embodiments of the invention relate to methods and devices for measuring a gas concentration in bioreactors or other reaction spaces for carrying out bioprocesses.
- the methods and devices are designed to determine the gas concentration of one or more gas components of a gas mixture contained in a liquid, in particular dissolved.
- the determination of gas concentrations in liquid media is particularly interesting for bioreactions, where the CO2 content in a bioreactor and in particular in a liquid contained in the bioreactor is of particular interest.
- Bioreactions are, for example, processes in which at least one component is transformed by a cell, a microorganism or by interactions thereof.
- Other areas of application for the methods and devices according to embodiments of the invention are chemical processes, processes in the food industry including beverage production, e.g. breweries, processes in energy generation and processes for packaging food.
- a bioreactor often also referred to as a fermenter, is a container in which certain microorganisms, cells or small plants are cultivated (also: fermented) under the best possible process conditions.
- the operation of a bioreactor is therefore an application of biotechnology that uses or makes biological processes (bioconversion, biocatalysis) usable in technical facilities.
- Important factors that can be controlled or monitored in most bioreactors are the composition of the nutrient medium (also nutrient solution or substrate), the composition of the gaseous phase in the bioreactor, in particular the oxygen supply, temperature, pH value, sterility and others.
- the purpose of cultivation in a bioreactor can be the extraction of cells or components of the cells or the extraction of metabolic products.
- Bioreactors can be made from stainless steel or glass for multiple use (in the biotech industry), for example. However, disposable bioreactors made of plastic have also been increasingly used recently, see [1] and [2] and [13].
- bioreactors can also be used in environmental technology and disposal technology, for example for biomass production or for the decomposition of biowaste, and can also be made from cheaper materials such as concrete.
- a bioreactor there are up to three phases: solid (biomass), liquid (nutrient medium) and gaseous (for example air, oxygen, carbon dioxide, nitrogen). Their distribution is controlled in the bioreactor using various measures.
- One factor that influences cell cultivation is the composition of the gases dissolved in the liquid phase in the bioreactor. These usually consist of the components oxygen, nitrogen and carbon dioxide. To avoid any confusion, we then speak of dissolved oxygen, dissolved nitrogen and dissolved carbon dioxide (English: “dissolved” and correspondingly DO or DO 2 or DCO2 or DCO 2 ).
- the composition of the desired gas mixture in the bioreactor is known and is specifically influenced, adjusted or provided in order to obtain the desired results in cell culture.
- the biotech industry relies on precise control of the CO 2 content in bioreactors such as incubators, fermentation vessels and other equipment in order to support the growth and development of cells, tissues and organisms.
- Reasons for measuring CO 2 in a bioreactor during cell cultivation are in particular: ⁇ high CO 2 accumulation changes cells and product quality and productivity ⁇ low CO 2 concentration also affects productivity ⁇ a correlation has been found between biomass growth and CO 2 evolution rate (CER) CO 2 accumulation can be reduced by stripping. Dissolved CO 2 can easily penetrate the cell membrane and affect the intracellular pH value, which has a direct influence on cell mechanisms.
- CER CO 2 evolution rate
- the processes in bioreactors can be significantly improved and/or optimized. It is therefore desirable that the measurement results are available immediately, with very short response times. Furthermore, the measurements should be economical and easy to carry out and as accurate as possible.
- the CO 2 sensors currently on the market are often expensive, prone to drift and inaccuracy and must be calibrated frequently. This can lead to costly downtime and fluctuations in the test results.
- the known sensors are susceptible to reactive gases and have a slow response time.
- a sensor can also be used to measure dissolved CO2 optochemically, whereby the sensor should have a CO2 -sensitive chromophore.
- Tunable diode laser (TDL) or tubable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) are methods with which the concentration or density of the gas or gas component to be examined is deduced from a measured absorption.
- TDLs are only accurate to about 2%, require relatively long path lengths (>50mm), achieve a maximum repeatability of 0.75% and are comparatively large and expensive. However, the measurement is very fast ( ⁇ 10 seconds response time). Another possibility is to excite the gas or gas component CO 2 in the infrared range. This creates a noise that can be measured. However, this photo-acoustic measurement is significantly slower than a TDL. Response times of two minutes can only be achieved without a sterilizable separation membrane.
- the measurement technology reaches its limits, especially in the area of high humidity. Response times of three minutes are realistic. Sensor technology for the traditional area is based on NDIR (non-dispersive infrared), for example. Tests with first-generation devices showed response times of around 10 minutes (time: end of 2021). Other suppliers of bio-process containers (BPC Bio Process Containers), which the SUB also offers including sensors, rely on fluorophore-based technology. Similar to the following «Severinghaus» electrodes, the pH value of an electrolyte (bicabonate) is actually measured here. This means that CO2 must first diffuse through a separating membrane, then "influence" a fluorophore in order to then move a buffer, ultimately enabling a pH measurement.
- NDIR non-dispersive infrared
- the accuracy of the devices is stated as 3% in the 0-10% CO2 range. A measurement of up to 15% is probably possible. Users' experiences report a response time of over 5 minutes.
- the devices are based on PDMS-based (polydimethylsiloxane) measurements and scientific publications even mention 10 minutes.
- the most common measurement method is the sensor in the form of the Severinghaus electrode.
- the Severinghaus principle is based on a pH probe that is immersed in a bicarbonate electrolyte solution that is housed in a CO2 -permeable membrane. When CO2 reaches equilibrium with the bicarbonate buffer, the pH is lowered by the formation of carbonic acid, and the pH change is then correlated with a CO2 concentration.
- Probes based on the Severinghaus principle are used in the biopharmaceutical industry as inline sensors for real-time detection and have become a gold standard in analytics.
- the reference [13] aims to use the commercially available sensors for oxygen and CO2 in a disposable bioreactor. These established systems are based on processes in which the gas components present or dissolved in the medium (M) are dissolved out, then bound in a polymer and then determined therein or released again into a defined fluid (for example bicarbonate buffer or special electrolytes). Costs, handling and maintenance effort were probably one reason why CO2 measurement took so long to adapt. Blood gas analysis is also a form of the Severinghaus principle and is always offline and therefore outside the bioprocess. Measurement using thermal conductivity (TC) is of little practical importance.
- the object of the invention is to provide measuring methods and measuring devices for determining concentrations of critical gases in processes that can be carried out quickly and reliably using relatively simple means.
- the invention creates a measuring method according to claim 1 and a measuring device according to the auxiliary claim.
- Advantageous uses are the subject of the further auxiliary claims.
- Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims.
- the invention provides a measuring method for measuring a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture of known composition in a liquid solution in a reaction space, comprising the steps: a) providing a measuring chamber which is separated from the reaction space by a liquid-impermeable and gas-permeable separating membrane, b) measuring the gas density ⁇ , the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber and c) determining the concentration of the gas component to be measured from the values measured in step b) and from the molar masses of the gas components of the gas mixture.
- the measuring chamber is preferably very small. This results in particularly fast reaction times and short measuring times. Changes in the concentration in the solution are transferred very quickly to the very small measuring chamber volume.
- the measuring chamber volume V is less than 5000 mm 3 .
- V is less than 3000 mm 3 or less than 1000 mm 3 or significantly less than 100 mm 3 .
- the lower limit of the measuring chamber volume depends on the miniaturization of the available sensors for gas density, pressure and temperature. The lower limit is, for example, 0.5 mm 3 , or 1 mm 3 or 2 mm 3 depending on the sensor used.
- step a) comprises the step: a1) providing the measuring chamber (16) with a measuring chamber volume V, where 0.5 mm 3 ⁇ V ⁇ 15 mm 3 , in particular 1 mm 3 ⁇ V ⁇ 10 mm 3 , and preferably 2 mm 3 ⁇ V ⁇ 5 mm 3 .
- step b) comprises the step: b1) measuring the gas density by means of a tuning fork gas density sensor and/or a quartz oscillator.
- a quartz tuning fork is used. In particular, this is miniaturized as much as possible.
- the measuring method for measuring a concentration of a gas component to be measured in a gas mixture of known composition - preferably changing during a bioreaction - is designed in a bioreactor and comprises the steps: a) providing a measuring chamber which is separated from the interior of the bioreactor by a gas-permeable separating membrane, b) measuring the gas density ⁇ , the gas pressure p and/or the temperature T in the measuring chamber and c) determining the concentration of the gas component to be measured from the values measured in step b) and/or from the molar masses of the gas components of the gas mixture (known due to the known composition).
- the gas component to be measured is CO2.
- the impetus for developing embodiments of the invention was and is the interest in the concentration of the dissolved gas component sought in the liquid phase.
- the measuring method according to the invention is thus designed to determine the concentration of the dissolved gas component sought in the liquid phase.
- the measuring method also works for measurements in the gas supply and exhaust gas measurement in bioreactors, fermenters or reactors for e.g. gas synthesis.
- the concentration of a gas component to be measured in a gas mixture of known composition dissolved in the liquid phase in the reaction chamber, such as in particular the bioreactor is measured.
- the separation membrane is in contact with the liquid phase in the reaction chamber, e.g. the bioreactor.
- the entire surface of the measuring membrane facing the interior of the reaction chamber is in the liquid phase.
- the measuring membrane is attached or provided in an area of the lower half or the lower third of the reaction chamber.
- the reaction space are a bioreactor, a disposable bioreactor, a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction space in the food industry, a reaction space for beverage production, a reaction space in a brewery, a reaction space in a sewage treatment plant, a reaction space in a wastewater treatment plant, a reaction space in a CO2 extraction plant, a reaction space in process analytics, a pipeline, a water pipeline.
- gas-permeable separation membrane means that the separation membrane is permeable to the gas components of the gas mixture.
- the separation membrane is permeable to the gas components of the gas mixture.
- not one analyte or one of the gas components is measured, but all analytes or gas components in the medium are measured together.
- At least two of the physical or chemical properties of the gas mixture are determined (e.g. density, pressure, thermal conductivity, electrical conductivity and/or temperature, or others).
- the density is determined together with one of the other physical properties mentioned.
- the gas components contained in or dissolved in the medium contained in the bioreactor are extracted and then directly determined in a measuring chamber. Measurements are taken in the fluid phase.
- the separation membrane is a composite material that contains, among other things, a polymer that is not flexible.
- the rigidity of this separation membrane ensures stable measurement in the event of fluctuations in the process pressure (cf. today's conventional membranes).
- the membrane is stiffened and/or reinforced. While in sensors for gas analysis in bioreactors according to the prior art, the analyte is bound in a polymer or the like, in embodiments of the invention all gas components are displaced into the measuring chamber by diffusion. In embodiments of the invention, it is provided that not one analyte is determined, but rather all dissolved gases in the measuring chamber are measured and then a of these components can be determined.
- the separation membrane contains a stiffener and/or a reinforcement.
- the separation membrane is not stretchable.
- the separation membrane is stiff and not flexible.
- a fluid is characterized in the measuring chamber.
- the reaction system has a gas-tight construction so that no gas can escape from the measuring chamber to the outside.
- the measuring chamber is gas-tight to the outside and is only connected to the interior of the bioreactor via the gas-permeable separation membrane.
- the measuring chamber is designed such that gas can only pass from the medium in the reaction space into the measuring chamber through the gas-permeable membrane, which is designed such that it is sealed from the environment.
- the gas mixture contains at least one further gas component from the group comprising air, technical air, dried air and a mixture of O2 and N2.
- Bioreactors or other reaction chambers are usually operated with a liquid phase in which a predetermined gas mixture is introduced.
- the reaction chamber designed as a bioreactor, for example, is operated with air, or with a specifically introduced mixture of O2, N2, CO2 and/or other gases.
- the measuring method comprises: measuring a further physical parameter of the gas mixture. In particular, a further physical property or a further gas component is measured.
- the measuring method preferably comprises: measuring the relative humidity.
- the concentration of the gas component to be measured, in particular CO 2 is determined as a function of the measured humidity value.
- the humidity and thus the partial pressure is a function of the temperature, although the gas component to be measured on the opposite side of the separating membrane in the measuring chamber does not have to be 100%.
- the measuring method preferably comprises: measuring the content of another gas in the gas mixture, such as the O 2 content. In particular, this allows the average molar mass of the gas mixture to be determined more precisely, which improves the measurement result. This applies to all components of the gas mixture.
- the gas mixture is grouped into the gas component to be measured and a component group with the other components of the gas mixture, that the average molar mass of the component group weighted according to the concentration of the components is determined and that in step c) the concentration of the gas component to be measured is determined from the molar mass of the gas component to be measured and the weighted average molar mass.
- the corresponding step is known, for example, in a completely different technical field - the determination of the electrical breakdown strength of an insulating gas present as a gas mixture in electrical switchgear - for example from [9]. It is preferred that in step b) the gas density is measured by means of a quartz oscillator and more preferably by means of a tuning fork.
- the invention creates a reaction method for carrying out a reaction in a reaction chamber, comprising measuring a concentration of a gas component of the gas mixture in the reaction chamber by carrying out the measuring method according to one of the preceding embodiments and carrying out further steps of the reaction method depending on the measurement.
- the reaction method is a bioreaction method for carrying out a bioreaction in a bioreactor, comprising measuring a concentration of a gas component of the gas mixture in the bioreactor by carrying out the measuring method according to one of the preceding embodiments and carrying out further steps of the bioreaction method depending on the measurement.
- cell cultivation is carried out in the bioreactor and controlled by measuring the concentration of CO 2 , particularly preferably by measuring the concentration of DCO2, using the measuring methods presented here.
- the invention provides a measuring device for measuring a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture of known composition in a reaction space, comprising: a measuring chamber with a gas-permeable separating membrane for separating the measuring chamber from the interior of the reaction space, a measuring device for measuring the gas density ⁇ , the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber and an evaluation device which is set up to determine the concentration of the gas component to be measured from the values measured by the measuring device and from the molar masses of the gas components of the gas mixture.
- the measuring device is designed to measure a concentration of a gas component to be measured in a gas mixture of known composition in a bioreactor, which concentration preferably changes during a bioreaction, and comprises: a measuring chamber with a gas-permeable separating membrane for separating the measuring chamber from the interior of the bioreactor, a measuring device for measuring the gas density ⁇ , the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber and an evaluation device which is designed to determine the concentration of the gas component to be measured from the values measured by the measuring device and from the molar masses of the gas components of the gas mixture.
- gas-permeable separating membrane means that the separating membrane is permeable to all gas components of the gas mixture.
- the separating membrane is designed in such a way that it allows convection of the gas mixture into the measuring chamber.
- the separating membrane has a stiffening or reinforcement and/or is not flexible and also not stretchable.
- the measuring chamber volume is very small, very short reaction times can be achieved, e.g. less than 60 s in the liquid phase. It is therefore preferred that the measuring chamber has a measuring chamber volume of less than 5000 mm 3 , in particular less than 3000 mm 3 , preferably less than 1000 mm 3 , preferably less than 100 mm 3 .
- the lower limit for the measuring chamber volume depends on the miniaturizability of the sensors, in particular the gas density sensor, and is, for example, 0.5 mm 3 , 1 mm 3 or 2 mm 3 .
- the measuring chamber has a measuring chamber volume V with 0.5 mm 3 ⁇ V ⁇ 15 mm 3 , in particular 1 mm 3 ⁇ V ⁇ 10 mm 3 , and preferably 2 mm 3 ⁇ V ⁇ 5 mm 3 .
- the measuring device has a quartz oscillator and/or a tuning fork sensor for measuring the gas density. In particular, a quartz oscillator fork is used.
- the measuring device has a further measuring device for measuring a further physical property or a further physical parameter of the gas mixture.
- the measuring device has a humidity measuring device for measuring the relative humidity.
- the measuring device has a gas content measuring device for measuring the content of at least one further gas in the gas mixture.
- the evaluation device is designed to determine the concentration depending on the measurement of the further physical property, the measurement of the humidity measuring device and/or the measurement of the gas content measuring device. It is preferred that the evaluation device is designed to determine the concentration of CO2 in an atmosphere containing O2 and N2 in the reaction chamber designed, for example, as a bioreactor.
- the evaluation device is particularly preferably designed to use the concentrations of CO 2 in an atmosphere containing O 2 and N 2 within the measuring chamber to determine the partial pressure and thus the concentration of dissolved CO 2 in the liquid phase of the reaction chamber.
- the measuring device according to one of the above embodiments is designed to carry out a measuring method according to one of the above embodiments.
- the invention provides a reaction system for carrying out a reaction, comprising a reaction chamber and a measuring device according to one of the above embodiments, wherein the measuring chamber is separated from the interior of the reaction chamber by the separating membrane.
- reaction space examples include: a bioreactor, a disposable bioreactor, a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction space in the food industry, a reaction space for beverage production, a reaction space in a brewery, a reaction space in a sewage treatment plant, a reaction space in a wastewater treatment plant, a reaction space in a CO2 extraction plant, a reaction space in process analytics, a pipeline and a water pipeline.
- the reaction system is a bioreaction system for carrying out a bioreaction, such as in particular cell cultivation or fermentation, comprising: a bioreactor and a measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the measuring chamber is separated from the interior of the bioreactor by the separation membrane.
- the bioreactor is a disposable reactor.
- the invention provides a use of a measuring device which has a measuring chamber delimited by a gas-permeable separating membrane and a measuring device for measuring the gas density ⁇ , the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber, for measuring a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture in a reaction chamber separated from the measuring chamber by the separating membrane, such as in particular a bioreactor.
- the measuring device is particularly preferably used to measure a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture dissolved in the liquid medium of the reaction chamber (e.g. bioreactor).
- a temperature measurement is also carried out.
- the measuring chamber is preferably designed in such a way that its temperature can rise faster than the temperature gradient of the reaction in the reaction chamber. This is also supported by a small measuring chamber volume.
- Preferred embodiments of the invention relate to the measurement of the concentration of a gas component, in particular the dissolved CO 2 in the liquid phase, in a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor, preferably by means of a combination sensor.
- the relationships between the influencing variables density, pressure/partial pressure, gas density and their dependence on temperature and relative humidity are known.
- Henry's law is applied with the aid of a gas-permeable separation membrane, according to which the partial pressure of a gas above and in a liquid is equal and directly proportional to the concentration of the gas in the liquid.
- Density, temperature, (optional) relative humidity and absolute pressure of the gas mixture between the separation membrane and the measuring device are determined.
- the partial pressure of individual gas components can be deduced, in particular if they differ significantly in their molar mass and/or can be divided into two groups. For example, a difference of just 12 g/mol is significant - the literature reference [9] speaks of MA-MB >20 g/mol.
- a factory-calibrated measuring device can be designed which is calibration-free for the end user.
- Some embodiments provide the possibility of coupling the electrical device (the measuring device) with an oxygen sensor. This makes it possible to increase the accuracy due to a more precise determination of the effective molar mass of a component group of the gas mixture.
- a concentration of DCO 2 is measured due to the great economic importance for cell cultivation or similar bioreactions carried out in bioreactors.
- the measurement of the concentration of DCO 2 is also possible in other reactions, such as in the food industry, beverage production, environmental technology, Waste water treatment, etc. is interesting and can be carried out using the methods and devices presented here.
- other gas concentrations can also be measured using the same principle.
- the measuring method would also be possible for dissolved ammonia and acetone in the liquid phase, provided the separation membrane is compatible.
- FIG. 1 a schematic block diagram of embodiments of a measuring device for measuring the concentration of a dissolved gas component in a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor
- Fig.2 is a schematic diagram illustrating a grouping of gas components of a gas mixture with the gas component to be measured in component groups during the evaluation of measurement signals from a sensor of the measuring device
- Fig.3 is a block diagram of a bioreactor system with a bioreactor and the measuring device
- Fig.4 is a schematic diagram of a disposable bioreactor with a coupling for coupling the measuring device
- Fig.5 is a sectional view through the coupling of Fig.4
- Fig.6 is a sectional view of an embodiment of the coupling together with a separation membrane module
- Fig.7 is a further schematic block diagram with a basic representation of the measuring principle according to further embodiments of the invention
- Fig.8 is a microscopic photograph of an embodiment of a measuring device of the measuring device designed as
- Fig.1 shows an embodiment of a measuring device 10, with further optional components of further possible embodiments of the measuring device 10 being shown with dashed lines.
- Fig.1 is a purely schematic block diagram to illustrate the principle of the measuring device 10, with the size relationships not actually shown.
- the measuring device 10 is designed to measure a concentration of a dissolved gas component Z to be measured of a dissolved gas mixture 12, 12b of known composition in a reaction chamber 14 designed, for example, as a bioreactor.
- a reaction chamber 14 designed, for example, as a bioreactor.
- a predetermined or regulated atmosphere gaseous phase - gas mixture 12a -
- the reaction chamber which is designed as a bioreactor
- the measuring device 10 is designed to measure the concentration of one of the gas components in a liquid solution in the reaction chamber.
- the measuring device 10 is designed to measure the concentration of CO 2 , more particularly CO2 dissolved in the liquid phase, i.e. DCO2, is formed in the reaction chamber 14.
- the measuring device 10 is designed as an electrical device with a combination sensor 22 for determining the concentration of CO2.
- the reaction chamber 14 is a container with process medium (liquid and gaseous). Examples of the reaction chamber 14 are explained in more detail below.
- a bioreaction namely cell cultivation or fermentation, is carried out in the reaction chamber 14, which in some embodiments is designed as a bioreactor, wherein the content of DCO2 is to be determined and used to control/monitor the bioreaction.
- the measuring device 10 has a measuring chamber 16 with a gas-permeable separating membrane 18 for separating the measuring chamber 16 from the interior of the reaction chamber 14. During operation, the separation membrane 18 is in full contact with the liquid phase in the reaction chamber 14.
- the dissolved gas components of the gas mixture 12b in the liquid phase are allowed to pass through the separation membrane 18, so that a gas mixture 12c corresponding to the gas mixture 12b dissolved in the liquid phase is located in the measuring chamber 16.
- the separation membrane 18 is permeable to all gas components of the gas mixture and enables convection. In some designs, the separation membrane 18 is neither flexible nor stretchable and for this purpose has reinforcement and/or stiffening (not shown).
- the measuring chamber 16 is designed with the smallest possible measuring chamber volume V. In particular, the measuring chamber volume V is less than 5000 mm 3 , preferably less than 4000 mm 3 , less than 3000 mm 3 and more, in particular less than 500 mm 3 , in particular less than 100 mm 3 .
- the measuring chamber 16 is in particular as small as a miniaturization of the measuring device 20 explained in more detail below allows.
- lower limits for the measuring chamber volume V are 0.5 mm 3 to 2 mm 3 , depending on the degree of miniaturization.
- the measuring device 10 has a measuring device 20 for measuring the gas density ⁇ , the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber.
- the measuring device 20 is designed as a combination sensor 22.
- the combination sensor 22 has a known temperature sensor 24, a known pressure sensor 26 and a gas density sensor 28.
- the gas density sensor 28 is, as is known in particular from [12], to which reference is made for further details, a quartz oscillator sensor, preferably designed as a tuning fork, in which the gas density is determined via the difference in the oscillation frequencies of a quartz oscillator fork exposed to the measuring medium and a quartz oscillator fork oscillating in a reference volume.
- a quartz oscillator sensor preferably designed as a tuning fork, in which the gas density is determined via the difference in the oscillation frequencies of a quartz oscillator fork exposed to the measuring medium and a quartz oscillator fork oscillating in a reference volume.
- the different sensors 24, 26, 28 can be provided in a sensor housing or separately; they are designed in such a way that they measure the temperature T, the pressure p and the gas density ⁇ of the gas mixture 12c located within the measuring chamber 16.
- the measuring device 10 also has an evaluation device 30 which is set up to determine the concentration of the gas component Z to be measured from the values measured by the measuring device 20 and from the molar masses of the gas components X, Y, Z of the gas mixture 12c.
- the evaluation device 30 is, for example, part of an analysis and control unit 32 which has a processor 34 and a memory 36.
- the evaluation device 30 is programmed with appropriate computer programs in order to carry out the evaluations described in more detail below for determining the concentration of CO 2 from the measured values T, p and ⁇ .
- the measurement results depend on the influencing variables temperature and humidity. In order to reduce this influence, some embodiments of the measuring device 10 optionally have one or more additional filters 38 and/or a heater 40.
- a humidity sensor 42 is optionally provided for measuring the relative humidity ⁇ in the measuring chamber 16.
- Some embodiments of the measuring device 10 can have an optional external sensor 44 for detecting a further gas component Y, in particular DO2, in the reaction chamber 14.
- the physical relationships of the measurements carried out in preferred embodiments are explained in more detail below. Carbon dioxide is typically encountered as a gas.
- the measurement of carbon dioxide in processes is a measurement of the pressure exerted by the carbon dioxide either in the gas or in the liquid in which it is dissolved.
- the relevant physico-chemical laws are: ⁇ Dalton's law (law of partial pressures) and ⁇ Henry's law (Henry's law) ⁇ Mass balance (law of conservation of mass) Dalton's law (law of partial pressures): The total pressure is made up of the partial pressures of the individual gas components. The sum of all partial pressures gives the total pressure. The partial pressure corresponds to the pressure that the individual gas component would exert if it were present alone in the volume under consideration.
- Gas density ⁇ , temperature T, optionally relative humidity ⁇ and absolute pressure p of the gas mixture 12c between the separation membrane 18 and measuring device 20 are determined.
- the partial pressure of individual gas components pX, pY, pZ can be determined, provided that they differ significantly in their molar mass.
- the gas components X, Y and Z of the gas mixture are divided into two groups A, B, as indicated in Fig.2.
- the schematic diagram in Fig. 1 shows a schematic representation of an example of an electrical device for implementing the measuring device 10.
- the design of the container with the process medium is irrelevant. This makes it possible to determine a gas concentration of a gas component of a gas mixture in a liquid solution.
- the process connection with the gas-permeable separating membrane 18 forms a coupling 48 between the container with the medium to be characterized and the measuring device 10.
- the gas mixture 12b of the process medium diffuses through the gas-permeable separating membrane 18 into the measuring chamber 16. Due to the influencing factors of temperature and humidity, it may be advantageous or, for certain applications, also necessary to equip the measuring device 10 with the additional filters 38 and the heater 40, in particular to avoid condensation within the measuring chamber 16 and on the surfaces of the sensors 22, 24, 26, 28.
- the signals are temporarily stored in the evaluation device 30 of the measuring device 10 and processed in the processor 34.
- the components X, Y, Z of the gas mixture, their proportions and the accuracy of the sensors 24, 26, 28, 42 in the sensor package are the influencing variables for the precise determination of the partial pressure p B of component B.
- the measuring device 20 is designed as a Rho-pT sensor with the gas components CO 2 , O 2 and N 2 for determination and component analysis.
- the molar masses of the gas components are: CO2: 44g/mol O 2 : 32g/mol N228 g/mol.
- the three components are assigned to two component groups A and B to be defined.
- the molar masses M A and M B are taken into account as the average molar mass weighted with respect to their relative concentrations, as was done in [9] for O 2 , N 2 and «C5» to determine the dielectric breakdown strength.
- a bioreactor 14 has a higher concentration of CO2.
- CO2 is assigned here, for example, to component group B, and N2 and O2 to component group A. Examples of determining the concentration of CO2 in a gas mixture 12 in the form of air are explained below.
- Example 1 A container connected to the measuring device 10 with the measuring chamber 16 by means of the separating membrane 18 is filled with dry air. A gas mixer adds Carbon dioxide is added until it contains 5% carbon dioxide by volume. The measurement is then carried out.
- the sensors ideally deliver the following signals: Density sensor: 1194.085354 g/m 3 Pressure sensor: 1013.25 mbar Temperature sensor: 30°C Humidity sensor: 0%
- the molar mass M is therefore determined by ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
- M air 28.949 g/mol
- ⁇ MCO2 0.753045011g/mol. From this, the concentration of CO2 can be determined using a corresponding factor k, which indicates the increase in the molar mass of the gas mixture per addition of 1% CO2.
- the measuring device 10 delivers values between 2.94% and 7.08% at a concentration of 5% CO 2 and delivers partial pressure values between 29.8 mbar and 71.7 mbar.
- Example 2 A gas measurement is carried out as in example 1. The container is filled with dry air. The gas mixer adds CO2 until 20 vol.% CO2 is contained.
- the sensors ideally deliver the following signals: Density sensor: 1284.90738 g/m 3 Pressure sensor: 1013.25 mbar Temperature sensor: 30°C Humidity sensor: 0%
- the average molar mass M air 28.949 g/mol.
- Example 3 shows how the value of the humidity sensor can be taken into account.
- a gas measurement is carried out as in Example 1.
- the gas mixer adds CO 2 until 5 vol.% CO 2 is contained.
- Fig. 3 shows an example of a reaction system 50 designed, for example, as a bioreactor system, in which the measuring device 10 is used.
- the reactor system has the reaction chamber 14 designed, for example, as a bioreactor or the like, and the measuring device 10.
- a stirrer 52 with drive 54, a pH sensor 56 and a DO sensor 58 are Detection of dissolved oxygen (example of external sensor 44) is provided.
- Inlets for steam 62, water 64, acidic medium 66, alkaline medium 68, nutrient solution 70 and air 72 that can be controlled via valves are also provided, as is an exhaust for exhaust gas 74 that is controlled via a valve.
- Measuring signal lines that transmit values to transmitters and controllers 78 are shown with dash-dotted lines, while control signal lines from these transmitters and controllers 78 to the corresponding valves or other actuators (e.g.
- the drive 54 are shown with dashed lines.
- a specific cell cultivation with predetermined process parameters is carried out in the reaction chamber 14 designed as a bioreactor.
- the value of the CO2 concentration provided by the measuring device 20 can be used directly, for example, to regulate the addition of nutrients - nutrient solution 70.
- the value of the oxygen sensor 58 can be fed to the evaluation device 30 in order to incorporate possible changes in the molar mass of component group A (here air with a correspondingly changing oxygen content).
- reaction chamber examples include a bioreactor, a disposable bioreactor 80, a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction chamber in the food industry, a reaction chamber for beverage production, a reaction chamber in a brewery, a reaction chamber in a sewage treatment plant, a reaction chamber in a wastewater treatment plant, a reaction chamber in a CO2 extraction plant, a reaction chamber in process analytics, a pipeline, a water pipeline.
- a switch to disposable bioreactors (SUBs) and bio process containers (BPC) is explained below.
- Traditional biopharmaceutical and biotechnology processes have long used stainless steel or glass bioreactors for the majority of batch production, such as the bioreactor shown in Fig.3.
- Fig.4 shows a highly schematic view of a disposable bioreactor 80 with a coupling 48 already attached.
- Fig.5 shows a section through the coupling 48 and Fig.6 shows a view of the coupling with a separation membrane module 82 attached.
- Two of the most critical parameters in a bioreactor, DO and pH, can be supplemented by the use of CO2 measurement technology - as is done in traditional processes.
- the shown designs of the coupling 48 with separation membrane 18 are by no means the only possible design. In some embodiments, a needle-sized design is sufficient.
- the components X, Y, Z of the gas 12c are grouped into groups A, B in preferred embodiments. From this, and with the description of the measurement principle, it can be concluded that knowledge about individual components X, Y, Z of the gas 12a, 12b and 12c can have an enormous effect on the accuracy of the measurement. For example, there are niche applications that have pure oxygen or an increased oxygen concentration.
- the signal from the measurement technology - DO sensor 58 or other external sensor 44 - which measures and monitors oxygen concentration can be fed into the combination sensor 22 via an interface. This increases the accuracy.
- VOCs volatile organic compounds
- some embodiments of the invention provide a measuring method for measuring a concentration (cz) of a gas component (Z) to be measured of a gas mixture (12, 12a, 12b and 12c) of known composition in a solution in a bioreactor (14), comprising: a) providing a measuring chamber (16) which is separated from the interior of the bioreactor (18) by a gas-permeable separating membrane (18), b) measuring the gas density ⁇ , the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber (16) and c) Determining the concentration (cz) of the gas component (Z) to be measured from the values measured in step b) and molar masses of the gas components (X, Y, Z) of the gas mixture.
- Dissolved CO2 is an important parameter for understanding the course of any biotechnological process. Solutions for determining the proportion of CO2 in liquid solutions are therefore proposed in particular. However, the methods and devices are also suitable for determining the concentration of other gas components and, in some embodiments, are also set up for this purpose. The determination of dissolved gas components in liquid samples has so far been particularly difficult. Previous determinations were generally made indirectly, e.g. via the pH value. The sensors had to be calibrated frequently, were relatively inaccurate and had very long response times and were susceptible to interference from other gases that influenced the pH value.
- Fig.7 illustrates the measuring principle of some preferred embodiments of the measuring device.
- the liquid sample is separated from the measuring chamber 16 by the liquid-impermeable and gas-permeable separation membrane 18, where the density of the gas components in the gas phase is measured.
- the gas density GD is measured by a Quartz Crystal Microbalance Density Measurement (QCM).
- QCM Quartz Crystal Microbalance Density Measurement
- the obtained signal difference in frequency (difference frequency) df is proportional to the density of the gas, which in this case is proportional to the amount of CO2 in the solution.
- the measuring principle does not require any intermediate chemical steps, it is only measured in the gas phase through a separation membrane 18 in equilibrium with the solution. This results in a very small measurement error (e.g. +/- 5 mbar for a non-optimized system).
- the measuring device 20 can also be greatly miniaturized as a combination sensor 22.
- Fig.8 shows a microscopic image of an embodiment of the measuring device designed as a combination sensor 22 with the quartz oscillator (in the form of a tuning fork) as a gas density sensor 28, and a combined pressure and temperature sensor 24, 26 as well as an optional humidity sensor 42 on its side. Diameters of the sensor head of less than 1 mm are achievable, so that the measuring chamber volume V can be made very small.
- the sensors 28, 24, 26, 42 are arranged on a circuit board (PCB) 84, on the back of which a chip with the evaluation device 30 or parts thereof can be arranged.
- PCB circuit board
- This sensor head shown in Fig.8 sits on a holder with which the combination sensor 22 can be arranged on the disposable bioreactor 80 or another reaction chamber with the separation membrane 18 in between. After the initial calibration in the manufacturing plant, the measurement does not require any further calibration.
- the construction is simple and can be built using industrially available components on the market.
- the separation membrane 18 is attached so that it can be removed. Only physical measurements are taken, and no wet chemical processes are necessary.
- the signal is linear and available with fast response times in the range of a few seconds. Other gas components that react acidically or alkaline have no influence on the measurement.
- the gas density sensor 28 has a quartz crystal tuning fork that oscillates. An increase in the gas density reduces the oscillation frequency.
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Wood Science & Technology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Zoology (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Genetics & Genomics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Biological Materials (AREA)
Abstract
In order to improve the process control in reaction chambers (14), such as bioreactors for example, in particular for cell cultivation or fermentation, the invention proposes a method for measuring the concentration (cz) of a gas component (Z) to be measured of a gas mixture (12b) with a known composition in a liquid solution in a reaction chamber (for example a bioreactor) (14), having the steps of: a) providing a measuring chamber (16) which is separated from the interior of the reaction chamber (14) by a gas-permeable separating membrane (18), b) measuring the gas density (ρ), the gas pressure (p), and the temperature (T) in the measuring chamber (16), and c) determining the concentration (cz) of the gas component (Z) to be measured from the values measured in step b) and from the molar mass of the gas components (X, Y, Z) of the gas mixture.
Description
Trafag AG 10210139 P-WO Industriestrasse 11 CH-8608 Bubikon Schweiz Messverfahren und Messvorrichtung zur Messung einer Gaskonzentration in einem Reaktionsraum, beispielsweise einem Bioreaktor Die Erfindung betrifft ein Messverfahren zur Messung einer (sich beispielsweise bei einer Reaktion, insbesondere Bioreaktion, wie insbesondere einer Zellkultivierung oder einer Fermentierung, ändernden) Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer Gasmischung bekannter Zusammensetzung in einem beispielsweise als Bioreaktor oder dergleichen ausgebildeten Reaktionsraum. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Messverfahren zur Messung einer CO2-Konzentration in einem Bioreaktor oder in einem Reaktionsraum der Lebensmittel- oder Getränkeindustrie oder in Abwasseraufbereitungsanlagen. Weiter betrifft die Erfindung ein Reaktionsverfahren, insbesondere Bioreaktionsverfahren, insbesondere Zellkultivierungsverfahren oder Fermentierungsverfahren, das in einem Reaktionsraum, wie insbesondere Bioreaktor, unter Einsatz des Messverfahrens durchgeführt wird. Weiter betrifft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Messung einer (sich beispielsweise bei einer Reaktion, insbesondere einer Bioreaktion, ändernden) Konzentration einer zu messenden Gaskomponente, insbesondere CO2, einer Gasmischung bekannter Zusammensetzung in einem Reaktionsraum wie insbesondere Bioreaktor. Weiter betrifft die Erfindung ein Reaktionssystem, insbesondere Bioreaktionssystem, umfassend einen z.B. als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum und eine derartige Messvorrichtung sowie die Verwendung einer Messvorrichtung. Zum technologischen Hintergrund und zum Stand der Technik wird auf folgende Literaturstellen verwiesen: [1] Wikipedia „Bioreaktor“, https://de.wikipedia.org/wiki/Bioreaktor, heruntergeladen am 20.03.2023
[2] Wikipedia „Einwegbioreaktor“, https://de.wikipedia.org/wiki/Einwegbioreaktor, heruntergeladen am 20.03.2023 [3] Wikipedia „Zellkultur“, https://de.wikipedia.org/wiki/Zellkultur, heruntergeladen am 20.03.2023 [4] Wikipedia „Severinghaus-Elektrode, https://de.wikipedia.org/wiki/Severinghaus-Elektrode, heruntergeladen am 20.03.2023 [5] Wikipedia „Nichtdispersiver Infrarotsensor“; https://de.wikipedia.org/wiki/Nichtdispersiver_Infrarotsensor, heruntergeladen am 20.03.2023 [6] Wikipedia „Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy”, https://de.wikipedia.org/wiki/Tunable_Diode_Laser_Absorption_Spectrosc opy, heruntergeladen am 20.03.2023 [7] Wikipedia “Photoakustische Spektroskopie”, https://de.wikipedia.org/wiki/Photoakustische_Spektroskopie, heruntergeladen am 20.03.2023 [8] Z. Hetzler et al., „Flexible sensor patch for continuous carbon dioxide monitoring”; Front Chem.2022; 10: 983523; veröffentlicht online, 2022 Sep 27; doi: 10.3389/fchem.2022.983523 [9] US 9903903 B2 [10] A. Kramer, Th. A. Paul, “High-precision density sensor for concentration monitoring of binary gas mixtures, Sensors and Actuators, A202 (2013) 52-56, http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2013.02.010; veröffentlicht am 07.03.2013; [11] Th. A. Paul et al. “SF6 concentration sensor for gas-insulated switchgear”, Sensors and Actuators, A206 (2014) 51-56; http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2013.11.024; veröffentlicht am 28.11.2013 [12] “Überwachung der Isoliergasdichte”; Firmenbroschüre der Trafag AG mit dem Druckvermerk „11/2022 H70558a“, https://media.trafag.com/literature/brochure/H70558a_DE_Gas_Density_B rochure_hires.pdf; heruntergeladen am 20.03.2023 [13] DE 102020110349 B4 [14] US 2016/0349176 A1
Die Literaturstelle [13] beschreibt ein Bioreaktionssystem, bei dem eine CO2- Konzentration mittels eines bekannten CO2-Sensors, insbesondere einer Severinghaussonde, gemessen wird. Die Literaturstelle [14] beschreibt ein Gasanalysesystem zur Analyse der Konzentration mehrerer Gaskomponenten in einem Gasgemisch zur Energieversorgung, bei dem Wasserstoff zu den Komponenten von Erdgas oder Flüssiggas zugemischt werden. Hierzu werden Anteile derjenigen Gaskomponenten, die Infrarotlicht absorbieren, mit Infrarot-Spektrometrie bestimmt, und es wird eine Gasdichtemessung durchgeführt, um die Anteile derjenigen Gaskomponenten, die kein Infrarotlicht absorbieren, aus den Ergebnissen der Infrarot-Spektrometrie und der Gasdichtemessung zu bestimmen. Das Verfahren wird bei einem Energieversorger durchgeführt, um die Zumischung von Wasserstoff zu dem Erdgas zu steuern. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen Verfahren und Vorrichtungen zur Messung einer Gaskonzentration in Bioreaktoren oder anderen Reaktionsräumen zur Durchführung von Bioprozessen. Insbesondere sind die Verfahren und Vorrichtung dazu eingerichtet, die Gaskonzentration einer oder mehrere Gaskomponenten einer in einer Flüssigkeit enthaltenen, insbesondere gelösten Gasmischung zu bestimmen. Die Bestimmung von Gaskonzentrationen in flüssigen Medien ist insbesondere für Bioreaktionen interessant, wo insbesondere der CO2-Gehalt in einem Bioreaktor und insbesondere in einer in dem Bioreaktor enthaltenen Flüssigkeit interessiert. Bioreaktionen sind beispielsweise Prozesse, bei denen eine wenigstens eine Komponente durch eine Zelle, einen Mikroorganismus oder durch Interaktionen davon transformiert wird. Andere Anwendungsgebiete für die Verfahren und Vorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung sind chemische Prozesse, Prozesse in der Lebensmittelindustrie einschließlich Getränkeherstellung, z.B. Brauereien, Prozesse in der Energieerzeugung sowie Prozesse zur Verpackung von Lebensmitteln.
Gemäß der Literaturstelle [1] ist ein Bioreaktor, häufig auch als Fermenter bezeichnet, ein Behälter, in dem bestimmte Mikroorganismen, Zellen oder kleine Pflanzen unter möglichst optimalen Prozessbedingungen kultiviert (auch: fermentiert) werden. Der Betrieb eines Bioreaktors ist somit eine Anwendung der Biotechnologie, die biologische Prozesse (Biokonversion, Biokatalyse) in technischen Einrichtungen nutzt bzw. nutzbar macht. Wichtige Faktoren, die in den meisten Bioreaktoren steuerbar oder kontrollierbar sind, sind die Zusammensetzung des Nährmediums (auch Nährlösung oder Substrat), die Zusammensetzung der gasförmigen Phase im Bioreaktor, insbesondere die Sauerstoffzufuhr, Temperatur, pH-Wert, Sterilität und andere. Zweck der Kultivierung in einem Bioreaktor kann die Gewinnung der Zellen oder von Bestandteilen der Zellen oder die Gewinnung von Stoffwechselprodukten sein. Diese können z. B. als Wirkstoff in der pharmazeutischen oder als Grundchemikalie in der chemischen bzw. biochemischen Industrie verwendet werden. Auch der Abbau von chemischen Verbindungen kann in Bioreaktoren stattfinden, wie z. B. bei der Abwasserreinigung in Kläranlagen. In Bioreaktoren werden unterschiedlichste Organismen für verschiedene Zwecke kultiviert. Beispiele für die Anwendung von Bioreaktoren sind in [1] und [3] angegeben. Bioreaktoren können z.B. aus Edelstahl oder Glas zur mehrfachen Anwendung hergestellt werden (in der Biotech Industrie). Es kommen aber in letzter Zeit auch vermehrt Einwegbioreaktoren aus Kunststoffen zum Einsatz, siehe [1] und [2] und [13]. In einigen Ausführungsformen der Erfindung können Bioreaktoren auch in der Umwelttechnik und Entsorgungstechnik, beispielsweise zur Biomasse-Produktion oder zum Abbau von Bioabfällen eingesetzt werden und dort auch aus günstigeren Materialien wie z.B. Beton gebildet werden, In einem Bioreaktor finden sich bis zu drei Phasen fest (Biomasse), flüssig (Nährmedium) und gasförmig (zum Beispiel Luft, Sauerstoff, Kohlendioxid, Stickstoff). Im Bioreaktor wird deren Verteilung mit verschiedenen Maßnahmen gesteuert. Ein Faktor, der die Zellkultivierung beeinflusst, ist die Zusammensetzung der in der flüssigen Phase gelösten Gase in dem Bioreaktor. Diese bestehen in der Regel aus den Komponenten Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid. Um
Unklarheiten zu vermeiden, wird dann von gelöstem Sauerstoff, gelöstem Stickstoff und gelöstem Kohlendioxid (engl. „dissolved“ und entsprechend DO bzw. DO2 oder DCO2 bzw. DCO2) gesprochen. In der Regel ist die Zusammensetzung des gewünschten Gasgemischs im Bioreaktor bekannt und wird gezielt beeinflusst bzw. eingestellt oder bereitgestellt, um gewünschte Ergebnisse in der Zellkultur zu erhalten. Insbesondere ist die Biotech-Industrie auf eine präzise Kontrolle des CO2-Gehalts in Bioreaktoren wie insbesondere Inkubatoren, Fermentationsbehältern und anderen Geräten angewiesen, um das Wachstum und die Entwicklung von Zellen, Geweben und Organismen zu unterstützen. Gründe für die Messung von CO2 in einem Bioreaktor bei einer Zellkultivierung sind insbesondere: ^ eine hohe CO2-Akkumulation verändert Zellen und die Produktqualität und Produktivität ^ eine geringe CO2-Konzentration beeinflusst ebenfalls die Produktivität ^ es wurde eine Korrelation zwischen Biomasse-Wachstum und CO2- Evolutionsrate (CER) festgestellt Eine CO2 Akkumulation kann durch Strippung reduziert werden. Aufgelöstes CO2 kann leicht die Zellmembran durchdringen und den intrazellulären pH-Wert beeinflussen, was direkte Einflüsse auf Zellmechanismen hat. Durch eine Online-Bestimmung von CO2 in Bioreaktoren (Prozess-Messung) lassen sich somit die Prozesse in Bioreaktoren wesentlich verbessern und/oder optimieren. Es ist somit erwünscht, dass die Messergebnisse unmittelbar, mit sehr kurzen Ansprechzeiten vorliegen. Weiter sollen die Messungen wirtschaftlich und einfach durchführbar und möglichst genau sein. Die derzeit auf dem Markt befindlichen CO2-Sensoren sind jedoch oft teuer, anfällig für Drift und Ungenauigkeit und müssen häufig kalibriert werden. Dies kann zu kostspieligen Ausfallzeiten und Schwankungen in den
Versuchsergebnissen führen. Zusätzlich sind die bekannten Sensoren anfällig für reaktive Gase und langsam in ihrer Ansprechzeit. Angewendete Verfahren zur Messung von CO2 im Zusammenhang mit Bioreaktionen sind insbesondere: Severinghaus, siehe [4] und [13], NDIR (non- dispersive infrared), siehe [5], TDL (tunable diode laser), siehe [6], PAS (photo acoustic), siehe [7], TC (thermal conductivity) und BGA (blood gas analysis with Severinghaus); siehe hierzu auch [8]. Gemäß [13] soll auch ein Sensor verwendbar sein, der gelöstes CO2 optochemisch zu messen, wobei der Sensor ein CO2-sensitives Chromophor aufweisen soll. Tunable diode laser (TDL) oder auch Tubable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) sind Verfahren, mit denen aus einer gemessenen Absorption auf die Konzentration oder Dichte des zu untersuchenden Gases bzw. Gasbestandteils geschlossen wird. TDLs sind nur auf etwa 2% genau, erfordern verhältnismäßig lange Weglängen (>50mm), erreichen eine maximale Wiederholbarkeit von 0.75% und sind vergleichsweise groß und teuer. Dafür ist die Messung sehr schnell (<10 Sekunden Ansprechzeit). Eine weitere Möglichkeit ist die Anregung des Gases oder Gasbestandteils CO2 im Infrarotbereich. Dadurch entsteht ein Geräusch, welches gemessen werden kann. Diese photo-akustische Messung ist allerdings deutlich langsamer als ein TDL. Reaktionszeiten von zwei Minuten werden nur ohne eine sterilisierbare Trennmembrane erreicht. Gerade im Bereich hoher Feuchtigkeit stößt die Messtechnik an ihre Grenzen. Ansprechzeiten von drei Minuten sind realistisch. Eine Sensorik für den traditionellen Bereich basiert z.B. auf NDIR (non-dispersive infrared). Versuche mit Geräten der ersten Generation zeigten Ansprechzeiten von rund 10 Minuten (Zeitpunkt: Ende 2021). Andere Anbieter von Bio-Prozess-Behältern (BPC Bio Process Containers), die auch die SUB inklusive Sensorik anbietet, setzt auf eine Fluorophor-basierende Technologie. Ähnlich wie bei den folgenden «Severinghaus» Elektroden wird hier eigentlich der pH-Wert eines Elektrolyten (Bicabonat) gemessen. Das heißt, das
CO2 muss erst durch Trennmembrane diffundieren, dann einen Fluorophor «beeinflussen», um dann einen Puffer zu verschieben, um daraus letztendlich eine pH Messung zu ermöglichen. Die Genauigkeit der Geräte wird dabei mit 3% bei 0- 10% CO2 Bereich angegeben. Eine Messung bis 15% ist wohl möglich. Erfahrungen von Anwendern berichten von einer Ansprechzeit im Bereich von über 5 Minuten. Die Geräte basieren auf PDMS-basierte (polydimethylsiloxane) Messungen und in wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird gar von 10 Minuten geschrieben. Die am häufigsten anzutreffende Messmethode ist die Sensorik in Form der Severinghaus Elektrode. Das Severinghaus-Prinzip beruht auf einer pH-Sonde, die in eine Bicarbonat-Elektrolytlösung eingetaucht ist, die in einer CO2- durchlässigen Membran untergebracht ist. Wenn CO2 mit dem Bicarbonatpuffer ein Gleichgewicht einstellt, wird der pH-Wert durch die Bildung von Kohlensäure gesenkt, und die pH-Änderung wird dann mit einer CO2-Konzentration korreliert. Sonden, die auf dem Severinghaus-Prinzip beruhen, werden in der biopharmazeutischen Industrie als Inline-Sensoren für die Echtzeitdetektion verwendet und sind zu einem Goldstandard in der Analytik geworden. Die Literaturstelle [13] zielt darauf ab, bei einem Einweg-Bioreaktor die handelsüblichen Sensoren für Sauerstoff und CO2 zu verwenden. Diese etablierten Systeme beruhen auf Verfahren, bei denen die in dem Medium (M) befindlichen oder gelösten Gaskomponenten herausgelöst, dann in einem Polymer gebunden und dann darin bestimmt werden oder erneut in ein definiertes Fluid (zum Beispiel Bicarbonatpuffer oder spezielle Elektrolyte) abgegeben werden. Kosten, Handling und Wartungsaufwand waren wahrscheinlich ein Grund, warum die CO2-Messung so lange in ihrer Adaption benötigte. Blutgasanalyse ist ebenfalls eine Form des Severinghaus-Prinzips und immer offline und somit ausserhalb des Bioprozesses.
Praktisch kaum bedeutend ist die Messung über die Thermische Leitfähigkeit (TC), vornehmlich in der Lebensmittelindustrie angewendet und dort nur in Prozessen, bei welchen das Gas oder der Gasmix genau bekannt ist, wie zum Beispiel bei der Verpackung unter Schutzgas oder bei der Abfüllung von Getränken – insbesondere Bieren. Trotz der kritischen Bedeutung des CO2-Gehalts in Kulturmedien wurde dieser Messung in der Vergangenheit wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Ein Grund dafür war der Mangel an zuverlässigen Sensoren und Messmethoden. Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, mit relativ einfachen Mitteln schnell durchzuführende und zuverlässige Messverfahren und Messvorrichtungen zur Bestimmung von Konzentrationen von kritischen Gasen in Prozessen zur Verfügung zu stellen. Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung ein Messverfahren nach Anspruch 1 sowie eine Messvorrichtung nach dem Nebenanspruch. Vorteilhafte Verwendungen sind Gegenstand der weiteren Nebenansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer Gasmischung bekannter Zusammensetzung in einer flüssigen Lösung in einem Reaktionsraum, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Messkammer, die durch eine flüssigkeitsundurchlässige und gasdurchlässige Trennmembran von dem Reaktionsraum getrennt ist, b) Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer und c) Bestimmen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente aus den in Schritt b) gemessenen Werten und aus den molaren Massen der Gaskomponenten der Gasmischung.
Die Messkammer ist vorzugsweise sehr klein. Dadurch ergeben sich besonders schnelle Reaktionszeiten und kurze Messzeiten. Änderungen in der Konzentration in der Lösung werden sehr schnell auf das sehr kleine Messkammervolumen übertragen. Bei einigen Ausführungsformen ist das Messkammervolumen V kleiner als 5000 mm3. Insbesondere ist V kleiner 3000 mm3 oder kleiner als 1000 mm3 oder deutlich kleiner als 100 mm3. Die untere Grenze des Messkammervolumens richtet sich nach der Miniaturisierbarkeit der verfügbaren Sensoren für Gasdichte, Druck und Temperatur. Die untere Grenze ist beispielsweise 0,5 mm3, je nach eingesetztem Sensor auch 1 mm3 oder 2 mm3. Es ist insbesondere bevorzugt, dass Schritt a) den Schritt umfasst: a1) Bereitstellen der Messkammer (16) mit einem Messkammervolumen V, wobei gilt 0,5 mm3 ≤ V ≤ 15 mm3, insbesondere 1 mm3 ≤ V ≤ 10 mm3, und bevorzugt 2 mm3 ≤ V ≤ 5 mm3. Es werden die physikalischen Größen Gasdichte, Druck und Temperatur bestimmt. Somit sind für die Messung keine chemischen Umwandlungen notwendig, was ebenfalls zur Zuverlässigkeit und schnellen Messung beiträgt. Die verwendeten Sensoren sind insbesondere Sensoren, die in geringen Ausmaßen hergestellt werden können. Insbesondere werden für die Gasdichtemessung Schwingquarze oder Stimmgabel-Sensoren verwendet. Stimmgabel-Gasdichte- Sensoren sind für andere technische Gebiete, insbesondere für die Überwachung von Isoliergasen bei elektrischen Schaltanlagen, bekannt und auf dem Markt erhältlich. Es ist bevorzugt, dass Schritt b) den Schritt umfasst: b1) Messen der Gasdichte mittels eines Stimmgabel-Gasdichtesensors und/oder einer Schwingquarzes. Insbesondere wird eine Schwingquarz-Stimmgabel eingesetzt. Insbesondere wird diese möglichst weit miniaturisiert.
Bei einigen Ausführungsformen ist das Messverfahren zur Messung einer – sich vorzugsweise bei einer Bioreaktion ändernden – Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer Gasmischung bekannter Zusammensetzung in einem Bioreaktor ausgebildet und umfasst die Schritte: a) Bereitstellen einer Messkammer, die durch eine gasdurchlässige Trennmembran von dem Innenraum des Bioreaktors getrennt ist, b) Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und/oder der Temperatur T in der Messkammer und c) Bestimmen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente aus den in Schritt b) gemessenen Werten und/oder aus den (aufgrund der bekannten Zusammensetzung bekannten) molaren Massen der Gaskomponenten der Gasmischung. Insbesondere ist die zu messende Gaskomponente CO2. Anstoß zur Entwicklung von Ausführungsformen der Erfindung war und ist das Interesse an der Konzentration der gesuchten gelösten Gaskomponente in der flüssigen Phase. Das Messverfahren gemäß der Erfindung ist somit dazu eingerichtet, die Konzentration der gesuchten gelösten Gaskomponente in der flüssigen Phase zur bestimmen. Das Messverfahren funktioniert aber ebenso für Messungen in der Gaszufuhr und der Abgasmessung in Bioreaktoren, Fermentern oder auch Reaktoren für z. B. Gassynthese. Bei besonders bevorzugten Ausführungsformen wird die Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer in der flüssigen Phase in dem Reaktionsraum, wie insbesondere Bioreaktor, gelösten Gasmischung bekannter Zusammensetzung gemessen. Vorzugsweise ist die Trennmembran mit der flüssigen Phase in dem Reaktionsraum, z.B. Bioreaktor, in Kontakt. Besonders bevorzugt liegt die gesamte dem Inneren des Reaktionsraums zugewandte Oberfläche der Messmembran in der flüssigen Phase. Besonders bevorzugt wird die Messmembran in einem Bereich der unteren Hälfte oder des unteren Drittels des Reaktionsraums angebracht oder bereitgestellt.
Beispiele für den Reaktionsraum sind ein Bioreaktor, ein Einwegbioreaktor, ein Bioreaktor mit weniger als 10 mm Durchmesser, ein Reaktionsraum in der Lebensmittelindustrie, ein Reaktionsraum zur Getränkeherstellung, ein Reaktionsraum in einer Brauerei, ein Reaktionsraum in einer Kläranlage, ein Reaktionsraum einer Abwasseraufbereitungsanlage, ein Reaktionsraum einer CO2-Exktraktionsanlage, ein Reaktionsraum in der Prozessanalytik, eine Rohrleitung, eine Wasserrohrleitung. Der Begriff „gasdurchlässige Trennmembran“ bedeutet, dass die Trennmembran für die Gaskomponenten der Gasmischung durchlässig ist. Bei den Verfahren gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird nicht ein Analyt oder eine der Gaskomponenten, sondern es werden sämtliche im Medium befindliche Analyten oder Gaskomponenten zusammen gemessen. Mindestens zwei der physikalischen oder chemischen Eigenschaften des Gasgemisches werden dabei bestimmt (z.B. Dichte, Druck, thermische Leitfähigkeit, elektrische Leitfähigkeit und/oder Temperatur, oder andere). Insbesondere wird die Dichte zusammen mit einem der anderen genannten physikalischen Eigenschaften bestimmt. Bei einigen Ausführungsformen werden die in dem Medium, das in dem Bioreaktor enthalten ist, befindlichen oder gelösten Gaskomponenten herausgelöst und dann in einer Messkammer direkt bestimmt. Dabei wird in der fluiden Phase gemessen. Hierzu ist bei einigen Ausführungsforme vorgesehen, dass die Trennmembran ein Kompositmerterial, welches unter anderem ein Polymer behinhaltet, ist, dass nicht flexibel ist. Die Steifigkeit von dieser Trennmembran gewährleistet eine stabile Messung bei Schwankungen des Prozessdruckes (vgl. heutige konventionelle Membrane). In einigen Ausführungsformen wird die Membran versteift und/oder verstärkt. Während in Sensoren zu Gasanalyse bei Bioreaktoren gemäß dem Stand der Technik der Analyt in einem Polymer oder dergleichen gebunden wird, verschieben sich bei Ausführungen der Erfindung alle Gaskomponenten durch Diffusion in die Messkammer. Bei Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, dass nicht ein Analyt bestimmt wird, sondern alle gelösten Gase in der Messkammer gemessen und dann eine
dieser Komponenten bestimmt werden kann. Bei einer CO2-Bestimmung beispielsweise ist man nicht darauf beschränkt, CO2 in einem Luftgemisch zu bestimmen, sondern man könnte auch den CO2-Gehalt in einem Wasserstoff- Methan-Gemisch bestimmen. Auch andere Gase als CO2 können bestimmt werden. Vorzugsweise enthält die Trennmembran eine Versteifung und/oder eine Verstärkung. Vorzugsweise ist die Trennmembran nicht dehnbar. Vorzugsweise ist die Trennmembran steif und nicht flexibel. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Fluid in der Messkammer charakterisiert. Bei einigen Ausführungsformen hat das Reaktionssystem eine gasdichte Konstruktion, so dass kein Gas aus der Messkammer nach außen gelangen kann. Bei einigen Ausführungsformen ist die Messkammer nach außen hin gasdicht und lediglich zum Innenraum des Bioreaktors über die gasdurchlässige Trennmembran verbunden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Messkammer so ausgebildet, dass Gas nur durch die gaspermeable Membran aus dem Medium in dem Reaktionsraum in die Messkammer gelangen kann, die so ausgebildet ist, dass sie gegenüber der Umgebung abgedichtet ist. Es ist bevorzugt, dass die Gasmischung wenigstens eine weitere Gaskomponente aus der Gruppe enthält, die Luft, technische Luft, getrocknete Luft und eine Mischung aus O2 und N2 aufweist. Meist werden Bioreaktoren oder andere Reaktionsräume mit einer flüssigen Phase betrieben, bei der eine vorbestimmte Gasmischung eingeleitet wird. Insbesondere wird der z.B. als Bioreaktor ausgebildete Reaktionsraum mit Luft betrieben, oder mit einer gezielt eingeleiteten Mischung aus O2 , N2, CO2 und/oder andere Gase. Vorzugsweise umfasst das Messverfahren: Messen eines weiteren physikalischen Parameters der Gasmischung. Insbesondere wird eine weitere physikalische Eigenschaft oder eine weitere Gaskomponente gemessen. Durch die weitere Messung einer weiteren
physikalischen Eigenschaft oder einer Gaskomponente kann zum Beispiel eine weitere Gaskomponente genau bestimmt werden. Vorzugsweise umfasst das Messverfahren: Messen der relativen Feuchte. Die Bestimmung der Konzentration der zu messenden Gaskomponente, insbesondere CO2, erfolgt in Abhängigkeit des gemessenen Feuchtewerts. Innerhalb der flüssigen Phase ist die Feuchte und damit der Partialdruck eine Funktion in Abhängigkeit der Temperatur, allerdings muss die zu messende Gaskomponente auf der gegenüberliegenden Seite der Trennmembran in der Messkammer keinesfalls 100% sein. Vorzugsweise umfasst das Messverfahren: Messen des Gehalts eines weiteren Gases in der Gasmischung, wie beispielsweise der Gehalt an O2. Insbesondere lässt sich damit die durchschnittliche molare Masse der Gasmischung genauer bestimmen, was das Messergebnis verbessert. Dies gilt für alle Komponenten des Gasgemisches. Es ist bevorzugt, dass die Gasmischung in die zu messenden Gaskomponente und einer Komponentengruppe mit den weiteren Komponenten der Gasmischung gruppiert wird, dass die nach Konzentration der Komponenten gewichtete mittlere molare Masse der Komponentengruppe ermittelt wird und dass in Schritt c) die Konzentration der zu messenden Gaskomponente aus der molaren Masse der zu messenden Gaskomponente und der gewichteten mittleren molare Masse bestimmt wird. Der entsprechende Schritt ist beispielsweise auf einem ganz anderen technischen Gebiet – der Bestimmung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit eines als Gasmischung vorliegenden Isoliergases in elektrischen Schaltanlagen – beispielsweise aus [9] bekannt. Es ist bevorzugt, dass in Schritt b) die Gasdichte mittels eines Schwingquarzes und mehr bevorzugt mittels einer Stimmgabel gemessen wird. Beispielsweise lässt sich ein aus [12] bekannter Schwingquarz einsetzen. Messungen der Gasdichte mittels eines Schwingquarz-Sensors sind auch aus [9] bis [11] auf dem Gebiet der
Gasdichtemessung an Isoliergasen in elektrischen Schalt- und Verteilungsanlagen (Hochspannungstechnik) bekannt. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Reaktionsverfahren zum Durchführen einer Reaktion in einem Reaktionsraum, umfassend Messen einer Konzentration einer Gaskomponente der Gasmischung in dem Reaktionsraum durch Durchführen des Messverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und Durchführen weiterer Schritte des Reaktionsverfahrens in Abhängigkeit von der Messung. Bei einigen Ausführungsformen ist das Reaktionsverfahren ein Bioreaktionsverfahren zum Durchführen einer Bioreaktion in einem Bioreaktor, umfassend Messen einer Konzentration einer Gaskomponente der Gasmischung in dem Bioreaktor durch Durchführen des Messverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen und Durchführen weiterer Schritte des Bioreaktionsverfahrens in Abhängigkeit von der Messung. Insbesondere wird eine Zellkultivierung in dem Bioreaktor durchgeführt und unter Messung der Konzentration an CO2, besonders bevorzugt unter Messung der Konzentration von DCO2, mittels der hier vorgestellten Messmethoden gesteuert. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Messvorrichtung zur Messung einer Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer Gasmischung bekannter Zusammensetzung in einem Reaktionsraum, umfassend: eine Messkammer mit einer gasdurchlässigen Trennmembran zum Trennen der Messkammer vom Innenraum des Reaktionsraums, eine Messeinrichtung zum Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer und eine Auswerteeinrichtung, die zum Bestimmen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente aus den durch die Messeinrichtung gemessenen Werten und aus den molaren Massen der Gaskomponenten der Gasmischung eingerichtet ist.
Bei einigen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung eingerichtet zur Messung einer – sich vorzugsweise bei einer Bioreaktion ändernden – Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer Gasmischung bekannter Zusammensetzung in einem Bioreaktor, und umfasst: eine Messkammer mit einer gasdurchlässigen Trennmembran zum Trennen der Messkammer vom Innenraum des Bioreaktors, eine Messeinrichtung zum Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer und eine Auswerteeinrichtung, die zum Bestimmen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente aus den durch die Messeinrichtung gemessenen Werten und aus den molaren Massen der Gaskomponenten der Gasmischung eingerichtet ist. Der Begriff „gasdurchlässige Trennmembran“ bedeutet, dass die Trennmembran für alle Gaskomponenten des Gasgemischs durchlässig ist. Die Trennmembran ist derart ausgebildet, dass sie eine Konvektion des Gasgemischs in die Messkammer zulässt. Bei einigen Ausführungsformen weist die Trennmembran eine Versteifung oder Verstärkung auf und/oder ist nicht flexibel und auch nicht dehnbar. Insbesondere wenn das Messkammervolumen sehr klein ist, lassen sich sehr kurze Reaktionszeiten erreichen, z.B. weniger als 60s in der flüssigen Phase. Es ist daher bevorzugt, dass die Messkammer ein Messkammervolumen von weniger als 5000 mm3, insbesondere weniger als 3000 mm3, vorzugsweise weniger als 1000 mm3, bevorzugt weniger als 100 mm3 hat. Die Untergrenze für Messkammervolumen richtet sich nach der Miniaturisierbarkeit der Sensoren, insbesondere des Gasdichtesensors und beträgt beispielsweise 0,5 mm3, 1 mm3 oder 2 mm3. Bei einigen Ausführungsformen hat die Messkammer ein Messkammervolumen V mit 0,5 mm3 ≤ V ≤ 15 mm3, insbesondere 1 mm3 ≤ V ≤ 10 mm3, und bevorzugt 2 mm3 ≤ V ≤ 5 mm3.
Bei einigen Ausführungsformen weist die Messeinrichtung einen Schwingquarz und/oder einen Stimmgabel-Sensor zum Messen der Gasdichte auf. Insbesondere wird eine Schwingquarz-Gabel verwendet. Bei einigen Ausführungsformen hat die Messvorrichtung eine weitere Messeinrichtung zum Messen einer weiteren physikalischen Eigenschaft oder eines weiteren physikalischen Parameters der Gasmischung. Vorzugsweise weist die Messvorrichtung eine Feuchtemesseinrichtung zum Messen der relativen Feuchte auf. Vorzugsweise weist die Messvorrichtung eine Gasgehaltsmesseinrichtung zum Messen des Gehalts wenigstens eines weiteren Gases in der Gasmischung auf. Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, die Konzentration in Abhängigkeit von der Messung der weiteren physikalischen Eigenschaft, von der Messung der Feuchtemesseinrichtung und/oder von der Messung der Gasgehaltsmesseinrichtung zu bestimmen. Es ist bevorzugt, dass die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist, die Konzentration von CO2 in einer O2 und N2 enthaltenden Atmosphäre in dem beispielsweise als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum zu bestimmen. Besonders bevorzugt ist die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet, von den Konzentrationen von CO2 in einer O2 und N2 enthaltenden Atmosphäre innerhalb der Messkammer auf den Partialdruck und somit die Konzentration des gelösten CO2 in der flüssigen Phase des Reaktionsraums zu schließen. Vorzugsweise ist die Messvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen zum Durchführen eines Messverfahrens nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen ausgebildet. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Reaktionssystem zum Durchführen einer Reaktion, umfassend einen Reaktionsraum und eine Messvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, wobei die Messkammer durch die Trennmembran vom Inneren des Reaktionsraums getrennt ist.
Beispiele für den Reaktionsraum sind: ein Bioreaktor, ein Einwegbioreaktor, ein Bioreaktor mit weniger als 10 mm Durchmesser, ein Reaktionsraum in der Lebensmittelindustrie, ein Reaktionsraum zur Getränkeherstellung, ein Reaktionsraum in einer Brauerei, ein Reaktionsraum einer Kläranlage, ein Reaktionsraum einer Abwasseraufbereitungsanlage, ein Reaktionsraum einer CO2-Exktraktionsanlage, ein Reaktionsraum in der Prozessanalytik, eine Rohrleitung und eine Wasserrohrleitung. Bei einigen Ausführungsformen ist das Reaktionssystem ein Bioreaktionssystem zum Durchführen einer Bioreaktion, wie insbesondere einer Zellkultivierung oder einer Fermentierung, umfassend: einen Bioreaktor und eine Messvorrichtung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen, wobei die Messkammer durch die Trennmembran vom Inneren des Bioreaktors getrennt ist. Es ist bevorzugt, dass der Bioreaktor ein Einwegreaktor ist. Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung eine Verwendung einer Messvorrichtung, die eine durch eine gasdurchlässige Trennmembran begrenzte Messkammer und eine Messvorrichtung zum Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer aufweist, zur Messung einer Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer Gasmischung in einem durch die Trennmembran von der Messkammer getrennten Reaktionsraum, wie insbesondere einem Bioreaktor. Besonders bevorzugt wird die Messvorrichtung zur Messung einer Konzentration einer zu messenden Gaskomponente einer im flüssigen Medium des Reaktionsraums (z.B. Bioreaktor) gelösten Gasmischung verwendet. Bei den Ausführungsformen der Verfahren und Vorrichtungen und Systeme der Erfindung wird auch eine Temperaturmessung durchgeführt. Die Messkammer ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass deren Temperatur schneller als der Temperaturgradient der Reaktion in dem Reaktionraum ansteigen kann. Auch dies wird durch ein kleines Messkammervolumen unterstützt.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Messung der Konzentration einer Gaskomponente, insbesondere dem gelösten CO2 in der flüssigen Phase, in einem beispielsweise als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum, vorzugsweise mittels eines Kombisensors. Die Zusammenhänge zwischen den Einflussgrößen Dichte, Druck/Partialdruck, Gasdichte sowie deren Abhängigkeit von Temperatur und relativer Feuchte sind bekannt. Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird mit Hilfe einer gasdurchlässigen Trennmembran das Henry'sche Gesetz angewendet, wonach der Partialdruck eines Gases über und in einer Flüssigkeit gleich und direkt proportional zur Konzentration des Gases in der Flüssigkeit ist. Dichte, Temperatur, (optional) relative Feuchte und absoluter Druck des Gasgemisches zwischen Trennmembran und Messgerät werden bestimmt. Bei hinreichend genauer Bestimmung kann so auf den Partialdruck einzelner Gaskomponenten geschlossen werden, insbesondere wenn sich diese in ihrer molaren Masse signifikant unterscheiden und/oder in zwei Gruppen eingeteilt werden können. Beispielsweise liegt eine Signifikanz bereits bei einem Unterschied von 12 g/mol vor – die Literaturstelle [9] spricht von MA-MB >20 g/mol. Mit bevorzugten Ausgestaltungen lässt sich eine fabrikkalibrierte Messeinrichtung, welche für den Endanwender kalibrationsfrei ist, gestalten. Einige Ausführungsformen sehen die Möglichkeit der Kopplung des elektrischen Gerätes (der Messvorrichtung) mit einem Sauerstoffsensor vor. Dadurch ist aufgrund einer genaueren Bestimmung der effektiven molaren Masse einer Komponentengruppe der Gasmischung eine Steigerung der Genauigkeit möglich. Vorzugsweise wird wegen der großen wirtschaftlichen Bedeutung für Zellkultivierung oder dergleichen in Bioreaktoren durchzuführenden Bioreaktionen eine Konzentration von DCO2 gemessen. Die Messung der Konzentration von DCO2 ist auch bei anderen Reaktionen, wie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, der Getränkeherstellung, der Umwelttechnik, der
Abwasseraufbereitung usw. interessant und mit den hier vorgestellten Verfahren und Vorrichtungen durchführbar. Selbstverständlich können auch andere Gaskonzentrationen mit dem gleichen Prinzip gemessen werden. Z.B. wäre das Messverfahren auch für gelösten Ammoniak und Aceton in der flüssigen Phase möglich, sofern die Trennmembran kompatibel ist. Auch Anwendungen im Bereich der Biogasproduktion (Methan und Kohlendioxid mit Spuren von Stickstoff, Sauerstoff, Schwefelwasserstoff, Wasserstoff und Ammoniak) und der Biokraftstoffproduktion, bei der CO2 und Methan CH4 eine Schlüsselrolle spielen, sind möglich. Im Folgenden wird das Prinzip und der Aufbau anhand des Beispiels einer CO2- Messung näher erläutert. Wenngleich dabei insbesondere ein Bioreaktor als Beispiel für den Reaktionsraum herangezogen wird, sollte klar sein, dass der Reaktionsraum bei anderen Ausführungsformen der Erfindung auch anders aufgebaut ist. Beispiele für mögliche Reaktionsräume sind oben aufgeführt. Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt: Fig.1 eine schematische Blockdarstellung von Ausführungsformen einer Messvorrichtung zur Messung der Konzentration einer gelösten Gaskomponente in einem beispielsweise als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum; Fig.2 eine schematische Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung einer Gruppierung von Gaskomponenten einer Gasmischung mit der zu messenden Gaskomponente in Kompenentengruppen im Verlauf der Auswertung von Messsignalen eines Sensors der Messvorrichtung; Fig.3 eine Blockdarstellung eines Bioreaktorsystems mit einem Bioreaktor und der Messvorrichtung; Fig.4 eine schematische Darstellung eines Einwegbioreaktors mit einer Kupplung zum Ankuppeln der Messvorrichtung;
Fig.5 einen Schnittdarstellung durch die Kupplung von Fig.4; Fig.6 eine Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels der Kupplung zusammen mit einem Trennmembranmodul; und Fig.7 eine weitere schematische Blockdarstellung mit einer Prinzipdarstellung des Messprinzips gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung; und Fig.8 eine mikroskopische Fotografie eines Ausführungsbeispiels einer als Kombisensor ausgebildeten Messeinrichtung der Messvorrichtung. In Fig.1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 10 dargestellt, wobei weitere optionale Komponenten weiterer möglicher Ausführungsbeispiele der Messvorrichtung 10 mit gestrichelten Linien dargestellt sind. Fig.1 ist eine rein schematische Blockdarstellung zur Verdeutlichung des Prinzips der Messvorrichtung 10, wobei die Größenverhältnisse nicht real dargestellt sind. Die Messvorrichtung 10 ist zur Messung einer Konzentration einer zu messenden gelösten Gaskomponente Z einer gelösten Gasmischung 12, 12b bekannter Zusammensetzung in einem beispielsweise als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum 14 ausgebildet. Beispielsweise befindet sich in dem Reaktionsraum 14 eine vorbestimmte oder geregelte Atmosphäre (gasförmige Phase - Gasmischung 12a -) mit den Komponenten X, Y und Z. Zum Beispiel befindet sich in dem beispielsweise als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum Luft mit erhöhtem Anteil von CO2 oder eine sonstige, z.B. technisch hergestellte Mischung aus O2, N2 und CO2. Demnach ist zum Beispiel eine in der flüssigen Phase gelöste Gasmischung 12b mit dem Komponenten X=O2, Y=N2 und Z=CO2 in dem Reaktionsraum 14 enthalten. Die Messvorrichtung 10 ist zum Messen der Konzentration einer der Gaskomponenten in einer flüssigen Lösung in dem Reaktionsraum ausgebildet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Messvorrichtung 10 zum Messen der Konzentration von CO2, mehr insbesondere
in der flüssigen Phase gelöstem CO2, d.h. DCO2, in dem Reaktionsraum 14 ausgebildet. Die Messvorrichtung 10 ist in dem dargestellten Beispiel als elektrisches Gerät mit einem Kombisensor 22 zur Ermittlung der Konzentration von CO2 ausgebildet. Der Reaktionsraum 14 ist ein Behälter mit Prozessmedium (flüssig und gasförmig). Beispiele für den Reaktionsraum 14 werden hiernach noch näher erläutert. Insbesondere wird in dem bei einigen Ausführungsbeispielen als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum 14 eine Bioreaktion, nämlich eine Zellkultivierung oder eine Fermentation durchgeführt, wobei der Gehalt an DCO2 bestimmt werden soll und zur Steuerung/Kontrolle der Bioreaktion verwendet werden soll. Die Messvorrichtung 10 weist eine Messkammer 16 mit einer gasdurchlässigen Trennmembran 18 zum Trennen der Messkammer 16 vom Innenraum des Reaktionsraums 14 auf. Im Betrieb ist die Trennmembran 18 vollflächig in Kontakt mit der flüssigen Phase in dem Reaktionsraum 14. Die gelösten Gaskomponenten der Gasgemischung 12b in der flüssigen Phase werden von der Trennmembran 18 durchgelassen, so dass sich eine der in der flüssigen Phase gelösten Gasmischung 12b entsprechende Gasmischung 12c in der Messkammer 16 befindet. Die Trennmembran 18 ist für alle Gaskomponenten der Gasmischung durchlässig und ermöglicht eine Konvektion. Die Trennmembran 18 ist bei einigen Ausführungen weder flexibel noch dehnbar und weist hierzu eine Verstärkung und/oder eine Versteifung (nicht dargestellt) auf. Die Messkammer 16 ist mit möglichst kleinem Messkammervolumen V ausgebildet. Insbesondere ist das Messkammervolumen V weniger als 5000 mm3, vorzugsweise weniger als 4000 mm3, weniger als 3000 mm3 und mehr insbesondere weniger als 500 mm3, insbesondere weniger als 100 mm3. Die Messkammer 16 ist insbesondere so klein, wie dies eine Miniaturisierung der im Folgenden näher erläuterten Messeinrichtung 20 zulässt. Beispielsweise liegen Untergrenzen für das Messkammervolumen V je nach Miniaturisierungsgrad bei 0,5 mm3 bis 2 mm3.
Die Messvorrichtung 10 weist eine Messeinrichtung 20 zum Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer auf. Insbesondere ist die Messeinrichtung 20 als Kombisensor 22 ausgebildet. Der Kombisensor 22 weist einen an sich bekannten Temperatursensor 24, einen an sich bekannten Drucksensor 26 und einen Gasdichtesensor 28 auf. Der Gasdichtesensor 28 ist, wie dies insbesondere aus [12], auf die für weitere Einzelheiten verwiesen wird, bekannt ist, ein vorzugsweise als Stimmgabel ausgebildeter Schwingquarzsensor, bei dem die Gasdichte über die Differenz der Schwingfrequenzen einer dem Messmedium ausgesetzten Quarzschwinggabel und einer in einem Referenzvolumen schwingenden Quarzschwinggabel ermittelt wird. Es wird für weitere Einzelheiten zu diesem Messprinzip auf die Literaturstellen [9] bis [12] verwiesen. Die unterschiedlichen Sensoren 24, 26, 28 können in einem Sensorgehäuse oder auch getrennt vorgesehen sein; sie sind derart ausgebildet, dass sie die Temperatur T, den Druck p und die Gasdichte ρ der sich innerhalb der Messkammer 16 befindlichen Gasmischung 12c messen. Weiter weist die Messvorrichtung 10 eine Auswerteeinrichtung 30 auf, die zum Bestimmen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente Z aus den durch die Messeinrichtung 20 gemessenen Werten und aus den molaren Massen der Gaskomponenten X, Y, Z der Gasmischung 12c eingerichtet ist. Die Auswerteeinrichtung 30 ist zum Beispiel Teil einer Analyse- und Kontrolleinheit 32, die einen Prozessor 34 und einen Speicher 36 aufweist. Die Auswerteeinrichtung 30 ist mit entsprechenden Computerprogrammen programmiert, um die im Folgenden noch näher dargestellten Auswertungen zum Bestimmen der Konzentration von CO2 aus den gemessenen Werten T, p und ρ durchzuführen. Die Messergebnisse hängen von den Einflussgrößen Temperatur und Feuchte ab. Um diese Beeinflussung zu verringern, weisen einige Ausführungsformen der Messvorrichtung 10 optional einen oder mehrere zusätzliche Filter 38 und/oder eine Heizung 40 auf. Bei einigen Ausführungsformen der Messvorrichtung 10 ist optional ein Feuchtesensor 42 zur Messung der relativen Feuchte φ in der Messkammer 16 vorgesehen. Einige Ausführungsformen der Messvorrichtung 10
können einen optionalen externen Sensor 44 zur Erfassung einer weiteren Gaskomponente Y, insbesondere DO2, in dem Reaktionsraum 14 aufweisen Im Betrieb des Reaktionsraums 14 wird ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration einer zu messenden Gaskomponente Z einer Gasmischung 12b bekannter Zusammensetzung in einer flüssigen Lösung in dem Reaktionsraum 14 durchgeführt, umfassend: a) Bereitstellen einer Messkammer 16, die durch eine gasdurchlässige Trennmembran 18 von dem Innenraum des Reaktionsraums 14 getrennt ist, b) Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer 16 und c) Bestimmen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente Z aus den in Schritt b) gemessenen Werten und aus den molaren Massen der Gaskomponenten X, Y, Z der Gasmischung 12c (= 12b). Im Folgenden werden die physikalischen Zusammenhänge der bei bevorzugten Ausführungsformen durchgeführten Messungen näher erläutert. Kohlendioxid wird typischerweise als Gas angetroffen. Daher ist die Messung von Kohlendioxid in Prozessen eine Messung des Drucks, den das Kohlendioxid entweder im Gas oder in der Flüssigkeit, in der es gelöst ist, ausübt. Die relevanten physikalisch-chemischen Gesetze sind: ^ Dalton Gesetz (Daltonsches Gesetz, Gesetz der Partialdrücke) und ^ Henry-Gesetz (Henry’sche Gesetz) ^ Mass balance (Massenerhaltungssatz) Dalton Gesetz (Daltonsches Gesetz, Gesetz der Partialdrücke):
Der Gesamtdruck setzt sich additiv aus den Partialdrücken der einzelnen Gaskomponenten zusammen. Die Summe aller Partialdrücke ergibt den Gesamtdruck. Der Partialdruck entspricht dem Druck, der die einzelne
Gaskomponente bei alleinigem Vorhandensein im betrachteten Volumen ausüben würde. Das Maß, in dem Gase mit anderen Stoffen reagieren, diffundieren und sich in Flüssigkeiten lösen, wird von ihrem Partialdruck bestimmt und nicht von ihrer Konzentration in Gasmischungen oder Flüssigkeiten. Demnach gilt für trockene Luft (pWasser=0): PGesamt Luft = pStickstoff + pSauerstoff + pKohlendioxid + pArgon + pSpurengase Bei einem Luftdruck von 1013 mbar (hPa) wird 0.038% dieses Drucks durch Kohlendioxid beigetragen. Nach Dalton ist pKohlendioxid also 0.385 mbar. Wegen dem geringen Volumenprozentanteil von Kohlendioxid in der Luft, und der erhöhten erwarteten Konzentration von Kohlendioxid in der Prozessanwendung, empfiehlt sich Luft nicht als Gas für die Kalibration. Ein Gasgemisch bestehend aus 5% Kohlendioxid, 20% Sauerstoff und 75% Stickstoff ist in beiderlei Hinsicht vorteilhafter. Nach Dalton ergeben sich unter Normalbedingungen (1013 mbar und 25°C) für ein trockenes Gas: pKohlenstoff von 50.65 mbar, pSauerstoff von 202.60 mbar und pStickstoff von 759.75 mbar Henry-Gesetz: Nach dem Henry-Gesetz löst sich in einer Flüssigkeit jedes einzelne Gas entsprechend seinem Partialdruck in der Gasphase. Nach Eintritt des Verteilungsgleichgewichts hat jedes einzelne Gas den gleichen Partialdruck in der Gasphase und in der Flüssigkeit. Mit Hilfe der gasdurchlässigen Trennmembran 18 wird das Henry’sche Gesetz an dem Bioreaktor 14 angewendet, wonach der Partialdruck eines Gases über und in einer Flüssigkeit gleich und direkt proportional zur Konzentration des Gases in der Flüssigkeit ist. Gasdichte ρ, Temperatur T, optional relative Feuchte φ und absoluter Druck p des Gasgemisches 12c zwischen Trennmembran 18 und
Messeinrichtung 20 werden bestimmt. Bei hinreichend genauer Bestimmung kann so auf den Partialdruck einzelner Gaskomponenten pX, pY, pZ geschlossen werden, sofern sich diese in ihrer molaren Masse signifikant unterscheiden. Insbesondere werden hierzu die Gaskomponenten X, Y und Z des Gasgemisches in zwei Gruppen A, B eingeteilt, wie dies in Fig.2 angedeutet ist. Beispielsweise werden die Komponenten X und Y, also hier z.B. Sauerstoff und Stickstoff, in einer Komponentengruppe A mit dem Partialdruck pA=pX+pY eingereiht und die zu messende wenigstens eine Gaskomponente Z, wie hier z.B. Kohlenstoffdioxid, wird in einer Komponentengruppe B eingereiht. Für die Komponentengruppe A wird die nach Konzentration der Komponenten X, Y gewichtete mittlere molare Masse ermittelt. Die molare Masse der Komponente Z ist bekannt. Daraus kann man, wie dies näher in [9] ausgeführt ist, den Partialdruck der Komponentengruppe B und somit den Partialdruck der Komponente Z (hier Kohlenstoffdioxid) und damit die Konzentration bestimmen. Die Prinzipskizze von Fig.1 zeigt eine schematische Darstellung eines beispielhaften elektrischen Apparates zur Realisierung der Messvorrichtung 10. Dabei ist die Ausführung des Behälters mit dem Prozessmedium (flüssig oder gasförmig) unerheblich. Es lässt sich somit gerade auch eine Gaskonzentration einer Gaskomponente einer Gasmischung in einer flüssigen Lösung bestimmen. Der elektrische Apparat ist über einen Prozessanschluss, der mit der gasdurchlässigen Trennmembran 18 versehen ist, mit dem Behälter mit dem Prozessmedium (=Bioreaktor 14) verbunden. Der Prozessanschluss mit der gasdurchlässigen Trennmembran 18 bildet eine Kupplung 48 zwischen dem Behälter mit dem zu charakterisierenden Medium und der Messvorrichtung 10. Das Gasgemisch 12b des Prozessmediums diffundiert durch die gasdurchlässige Trennmembran 18 in die Messkammer 16. Aufgrund der Einflussgrößen Temperatur und Feuchte kann es vorteilhaft oder für bestimmte Anwendungsfälle auch erforderlich sein, die Messvorrichtung 10 mit den zusätzlichen Filtern 38 und der Heizung 40 auszurüsten, insbesondere um Kondensation innerhalb der Messkammer 16 und auf den Oberflächen der Sensoren 22, 24, 26, 28 zu vermeiden.
Die z.B. als Sensorpaket oder Kombisensor 22 ausgebildete Messeinrichtung 20 bestimmt die Dichte ρ, den absoluten Druck p, die Temperatur T und hier auch die relative Feuchte φ des Gasgemisches 12c. Die Signale werden in der Auswerteeinrichtung 30 der Messvorrichtung 10 zwischengespeichert und im Prozessor 34 verarbeitet. Die Komponenten X, Y, Z des Gasgemisches, ihre Anteile und die Genauigkeit der Sensoren 24, 26, 28, 42 im Sensorpaket sind die Einflussgrößen für die genaue Bestimmung des Partialdrucks pB der Komponente B. Bei einigen Ausführungen ist die Messeinrichtung 20 als Rho-p-T-Sensor mit den Gaskomponenten CO2, O2 und N2 zur Bestimmung und Komponentenanalyse ausgebildet. Die molaren Massen der Gaskomponenten sind: CO2: 44g/mol O2: 32g/mol N228 g/mol. Die drei Komponenten werden zwei zu definierenden Komponentengruppen A und B zugeordnet. Die molaren Massen MA und MB werden als bezüglich ihrer relativen Konzentrationen gewichtete mittlere molare Masse berücksichtigt, so wie dies in [9] für O2, N2 und «C5» zur Ermittlung der dielektrischen Durchschlagfestigkeit durchgeführt worden ist. Ein Bioreaktor 14 hat eine höhere Konzentration von CO2. CO2 wird hier z.B. der Komponentengruppe B zugeordnet, und N2 und O2 der Komponentengruppe A. Im Folgenden werden Beispiele für die Bestimmung der Konzentration von CO2 in einem Gasgemisch 12 in Form von Luft erläutert. Beispiel 1: Ein mittels der Trennmembran 18 an die Messvorrichtung 10 mit der Messkammer 16 angeschlossener Behälter wird mit trockener Luft gefüllt. Ein Gasmischer fügt
solange Kohlenstoffdioxid zu, bis 5 Volumen-% Kohlenstoffdioxid enthalten sind. Anschließend wird die Messung durchgeführt. Die Bedingungen sind: ^^^^^=1013,25 mbar T=30°C rH = φ = 0% Die Sensoren liefern im Idealfall die folgenden Signale: Dichtesensor: 1194,085354 g/m3 Drucksensor: 1013,25 mbar Temperatursensor: 30°C Feuchtesensor: 0% Die Konzentration wird unter Anwendung der allgemeinen Gasgleichung ermittelt: ^^ ൌ ^^ ⋅ ^^ ^^ ⋅ ^^ wobei R die universelle Gaskonstante (R= 8.31446 ^ ^^^⋅^und M die molare Masse der Gasmischung darstellt. Diese Gleichung lässt sich nach der molaren Masse auflösen. Im Prozessor wird demnach die molare Masse M ermittelt durch ^^ ൌ ^^ ⋅ ^^ ⋅ ^^ ^^^^^ Dies ergibt einen Wert von M= 29,70204501 g/mol. Für den auf CO2 anfallenden Anteil ^^ ^^^ைమder molaren Masse des CO2 gilt: ^^ ^^^ைమ ൌ ^^ െ ^^^௨^௧ Für trockene Luft wurde eine mittlere molare Masse MLuft=28,949 g/mol ermittelt. Dies ergibt für den auf CO2 anfallenden Anteil der molaren Masse: ΔMCO2=0,753045011g/mol.
Daraus kann man mit Hilfe eines entsprechenden Faktors k, der die Erhöhung der molaren Masse des Gasgemischs pro Zugabe von 1% CO2 angibt, die Konzentration des CO2 ermitteln. Dieser Kalibrierfaktor k lässt sich gemäß der folgenden Tabelle ermitteln: O2 31,998 g/mol Luft 28,949 g/mol k N2 28,0134 g/mol 5 Vol-% CO2 29,702045 g/mol 0,150609 CO2 44,0099 g/mol 10 Vol-% CO2 30,45509 g/mol 0,150609 Ar 40 g/mol 15 Vol-% CO2 31,208135 g/mol 0,150609 20 Vol-% CO2 31,96118 g/mol 0,150609 Tabelle 1: Bei Luft ergibt sich eine molare Masse von MLuft=28,949 g/mol. Erhöht man den Anteil von CO2 auf 10 Vol-% ergibt sich für die gesamte molare Masse M=90%*MLuft+10%*MCO2=30,45509 g/mol, also eine Differenz von 1,50609g/mol zu MLuft. Pro Prozent CO2 ergibt dies eine Erhöhung um 0,150609 g/mol. Mit dem Faktor k=0,150609 g/(mol*Vol-%) ergibt sich somit aus dem ermittelten Anteil der molaren Masse die Konzentration von CO2: cCO2= ΔMCO2 : k= 0,753045011g/mol : 0,150609 g/(mol*Vol-%)= 5,00000007 Vol- %. Will man den Partialdruck pCO2 angeben, ergibt dies pCO2=p*cco2=1013,25 mbar*0.05=50,6625007 mbar. Bei einer Genauigkeit (bezogen auf den Messwert) von 0,50% für den Dichtesensor 28, 0,50% für den Drucksensor 26, 0,15°C für den Temperatursensor 24 und 3% für den Feuchtesensor 42 lässt sich abschätzen, dass die Messvorrichtung 10 bei einer Konzentration von 5% CO2 Werte zwischen 2,94 % und 7,08% liefert und Partialdruckwerte zwischen 29,8 mbar und 71,7 mbar liefert. Beispiel 2:
Es erfolgt eine Gasmessung wie in Beispiel 1. Der Behälter ist mit trockener Luft gefüllt. Der Gasmischer fügt so lange CO2 zu, bis 20 Vol.-% CO2 enthalten sind. Die Bedingungen sind: pAbs=1013,25 mbar T=30°C rH = φ = 0% Die Sensoren liefern im Idealfall die folgenden Signale: Dichtesensor: 1284,90738 g/m3 Drucksensor: 1013,25 mbar Temperatursensor: 30°C Feuchtesensor: 0% Im Prozessor wird die molare Masse M wiederum ermittelt durch
Dies ergibt einen Wert von M= 31,96118 g/mol. Für den auf CO2 anfallenden Anteil der molare Masse des CO2 gilt: ^^ ^^^ைమ ൌ ^^ െ ^^^௨^௧ Für trockene Luft ist mittlere molare Masse MLuft=28,949 g/mol. Dies ergibt für den auf CO2 anfallenden Anteil der molaren Masse: ΔMCO2= 3,01218g/mol. Mit dem Faktor k=0,150609 g/(mol*Vol-%) ergibt sich somit aus dem ermittelten Anteil der molaren Masse die gemessene Konzentration von CO2: cCO2= ΔMCO2 : k= 3,01218g/mol : 0,150609 g/(mol*Vol-%)= 20 Vol-%. Will man den Partialdruck pCO2 angeben, ergibt dies pCO2=p*cco2=1013,25 mbar*0,2= 202,65 mbar.
Unter Berücksichtigung der oben genannten Genauigkeiten der Sensoren 24, 26, 28, 42 sind reale Messwerte für die Konzentration im Bereich von 17,78% bis 22,24% und reale Messwerte für den Partialdruck zwischen 180,2 mbar und 225,3 mbar zu erwarten. Beispiel 3: Im Beispiel 3 wird aufgezeigt, wie der Wert des Feuchtigkeitssensor berücksichtigt werden kann. Es erfolgt eine Gasmessung wie in Beispiel 1. Der Behälter ist hier mit feuchter Luft mit rH= φ=50% gefüllt. Der Gasmischer fügt so lange CO2 zu, bis 5 Vol.-% CO2 enthalten sind. Die Bedingungen sind: p=1034,34 mbar T=35°C rH = φ = 50% Die Sensoren liefern im Idealfall die folgenden Signale: Dichtesensor: 1174,710287 g/m3 Drucksensor: 1034,34 mbar Temperatursensor: 35°C Feuchtesensor: 50% Aus der relativen Feuchte und den bekannten Werten für den temperaturabhängigen Sättigungsdruck pm(T) lässt sich der Partialdruck des Wasserdampfs pw mit pw=pm(T)* φ berechnen. Im Prozessor wird zunächst der auf die trockene Luft entfallende Druck mit pAbs=p-pw=1013,25 mbar berechnet. Dann wird wiederum die molare Masse des Gasgemischs
^^ ൌ ^^ ⋅ ^^ ⋅ ^^ ^^ ൌ 27,702045 ^^/ ^^ ^^ ^^ ^^^ errechnet. Für den auf CO2 anfallenden Anteil der molare Masse des CO2 gilt: ^^ ^^^ைమ ൌ ^^ െ ^^^௨^௧ Für trockene Luft wurde eine mittlere molare Masse MLuft=28,949 g/mol ermittelt. Dies ergibt für den auf CO2 anfallenden Anteil der molaren Masse von ΔMCO2=0,753045011g/mol. Mit dem Faktor k=0,150609 g/(mol*Vol-%) ergibt sich somit aus dem ermittelten Anteil der molaren Masse die Konzentration von CO2: cCO2= ΔMCO2 : k= 0,753045g/mol : 0,150609 g/(mol*Vol-%)= 5,00000 Vol-%. Will man den Partialdruck pCO2 angeben, ergibt dies pCO2=p*cco2=1034,34 mbar*0,05=51,717 mbar. Bei einer Genauigkeit (bezogen auf den Messwert) von 0,50% für den Dichtesensor 28, 0,50% für den Drucksensor 26, 0,15°C für den Temperatursensor 24 und 3% für den Feuchtesensor 42 lässt sich abschätzen, dass die Messvorrichtung 10 bei einer Konzentration von 5% CO2 und 50% Luftfeuchtigkeit Werte zwischen 2,68 % und 7,35% liefert und Partialdruckwerte zwischen 27,7 mbar und 76,0 mbar liefert. Die Abweichung von den realen Werten ist direkt abhängig von der Genauigkeit, mit der die Messungen für Gasdichte ρ, Temperatur T, optional relative Feuchte φ und absoluter Druck p ausgeführt werden können. In Fig.3 ist ein Beispiel für ein beispielsweise als Bioreaktorsystem ausgebildetes Reaktionssystem 50 gezeigt, in dem die Messvorrichtung 10 verwendet wird. Das Reaktorsystem weist den z.B. als Bioreaktor oder dergleichen ausgebildeten Reaktionsraum 14 und die Messvorrichtung 10 auf. In dem Reaktionsraum 14 sind ein Rührwerk 52 mit Antrieb 54, ein pH-Sensor 56 und ein DO-Sensor 58 zum
Erfassen von gelöstem Sauerstoff (Beispiel für externen Sensor 44) vorgesehen. Weiter sind über Ventile steuerbare Zuläufe für Dampf 62, Wasser 64, saures Medium 66, alkalisches Medium 68, Nährlösung 70 und Luft 72 sowie ein über ein Ventil gesteuerter Abzug für Abgas 74 vorgesehen. Messsignalleitungen, die Werte an Sender und Regler 78 übermitteln sind mit strichpunktierten Linien wiedergegeben, während Steuersignalleitungen von diesen Sendern und Reglern 78 an die entsprechenden Ventile bzw. sonstige Aktoren (z.B. den Antrieb 54) mit gestrichelten Linien wiedergegeben sind. Beispielsweise wird in dem als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum 14 eine bestimmte Zellkultivierung mit vorbestimmten Prozessparametern durchgeführt. Wie man Fig.3 entnehmen kann, kann der von der Messeinrichtung 20 gelieferte Wert der CO2-Konzentration unmittelbar z.B. zur Regelung der Nährstoffzugabe – Nährlösung 70 – herangezogen werden. Der Wert des Sauerstoffsensor 58 kann der Auswerteeinrichtung 30 zugeführt werden, um so eventuelle Änderungen der molaren Masse der Komponentengruppe A (hier Luft mit sich entsprechend änderndem Sauerstoffanteil) einzubringen. Beispiele für den Reaktionsraum sind ein Bioreaktor, ein Einwegbioreaktor 80, ein Bioreaktor mit weniger als 10 mm Durchmesser, ein Reaktionsraum in der Lebensmittelindustrie, ein Reaktionsraum zur Getränkeherstellung, ein Reaktionsraum in einer Brauerei, ein Reaktionsraum in einer Kläranlage, ein Reaktionsraum einer Abwasseraufbereitungsanlage, ein Reaktionsraum einer CO2-Exktraktionsanlage, ein Reaktionsraum in der Prozessanalytik, eine Rohrleitung, eine Wasserrohrleitung. Im Folgenden wird eine Umstellung auf Einwegbioreaktoren (SUBs) und Bio Process Containers (BPC) erläutert
Traditionelle biopharmazeutische und biotechnologische Prozesse verwenden seit langem Bioreaktoren aus Edelstahl oder Glas für die Mehrzahl der Chargenproduktionen, wie z.B. der in Fig.3 angegebene Bioreaktor. Die Verwendung von Einweg-Bioreaktoren 80 hat jedoch zugenommen, hauptsächlich aufgrund der Vorteile, die sie für Skalierbarkeit, Flexibilität und Kosten mit sich bringen. Obwohl die Verwendung von SUBs 80 einige wesentliche Vorteile für bestimmte Chargenproduktionen bringt, bringt sie auch einzigartige Herausforderungen mit sich – insbesondere im Hinblick auf die Messung der Umgebung innerhalb des SUBs während der Produktion. Ein Parameter, der davon besonders betroffen ist, ist die CO2-Messung. Ein Blick auf die Kataloge des Who ist Who der Prozessanalytik zeigt: Es gibt Lösungen für die Bestimmung des CO2-Gehalts für die traditionellen Prozesse, nicht aber für die SUBs. Da SUBs in der Regel vorsterilisiert und produktionsbereit an Pharmaunternehmen und Biotechunternehmen geliefert werden, ist es erforderlich, dass die Sensoren entweder vor der Lieferung im Bioreaktor 80 installiert wurden oder in den Reaktor eingesetzt werden können, ohne die sterilisierte Innenumgebung zu beeinträchtigen. Für den Weg der Installation vor der Lieferung des SUBs 80 gibt es bisher keine viablen Lösungen. Eine Installation von Messtechnik vor Ort, ohne die sterilisierte Innenumgebung zu beeinflussen, lässt sich derzeit nur mit großen Einbußen bezüglich Kosten und Messperformance bewerkstelligen. Bevorzugte Ausgestaltungen des Messverfahrens und der Messvorrichtung 10 adressieren beide Wege und insbesondere die Möglichkeit der Installation einer Trennmembrane 18 in den SUB 80 noch vor der Lieferung des SUB 80 an den Endanwender. Fig.4 zeigt stark schematisiert einen Einwegbioreaktor 80 mit bereits angebrachter Kupplung 48. Die Fig.5 zeigt einen Schnitt durch die Kupplung 48 und Fig.6 zeigt eine Ansicht der Kupplung mit einem aufgebrachten Trennmembran-Modul 82.
Zwei der kritischsten Parameter in einem Bioreaktor, DO und pH, können durch den Einsatz von CO2-Messtechnik ergänzt werden – so wie es in den traditionellen Prozessen getan wird. Die gezeigten Ausführungen der Kupplung 48 mit Trennmembran 18 sind keinesfalls die einzige Möglichkeit der Ausführung. Bei einigen Ausführungsformen genügt die Ausführung in der Größe einer Nadel. Wie oben beschrieben, werden die Bestandteile X, Y, Z des Gases 12c bei bevorzugten Ausführungsformen in Gruppen A, B zusammengefasst. Daraus lässt sich mit der Beschreibung des Messprinzips darauf schließen, dass Wissen über einzelne Bestandteile X, Y, Z des Gases 12a, 12b und 12c sich unter Umständen enorm auf die Genauigkeit der Messung auswirken kann. Es gibt beispielsweise Nischen-Anwendungen, welche reinen Sauerstoff oder eine erhöhte Sauerstoffkonzentration aufweisen. Das Signal der Messtechnik – DO-Sensor 58 oder anderer externer Sensor 44 –, welche Sauerstoffkonzentration misst und überwacht, kann in den Kombisensor 22 über eine Schnittstelle eingespielt werden. Die Genauigkeit wird so erhöht. Ein ähnliches Szenario ist dann interessant, wenn besonders schwere VOCs (flüchtige organische Verbindungen) im Prozess vorhanden sind und überwacht werden. Zur Verbesserung der Prozessführung in Bioreaktoren (14), insbesondere bei einer Zellkultivierung oder Fermentation, schaffen einige Ausführungsformen der Erfindung ein Messverfahren zur Messung einer Konzentration (cz) einer zu messenden Gaskomponente (Z) einer Gasmischung (12, 12a, 12b und 12c) bekannter Zusammensetzung in einer Lösung in einem Bioreaktor (14), umfassend: a) Bereitstellen einer Messkammer (16), die durch eine gasdurchlässige Trennmembran (18) von dem Innenraum des Bioreaktors (18) getrennt ist, b) Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer (16) und
c) Bestimmen der Konzentration (cz) der zu messenden Gaskomponente (Z) aus den in Schritt b) gemessenen Werten und molaren Massen der Gaskomponenten (X, Y, Z) der Gasmischung. Gelöstes CO2 (dCO2) ist ein wichtiger Parameter zum Verständnis des Ablaufs jedes biotechnologischen Prozesses. Es werden daher insbesondere Lösungen zum Bestimmen des Anteils von CO2 in flüssigen Lösungen vorgeschlagen. Die Verfahren und Vorrichtungen sind aber auch zur Bestimmung der Konzentration anderer Gaskomponenten geeignet und bei einigen Ausführungsformen auch dazu eingerichtet. Die Bestimmung von gelösten Gaskomponenten in flüssigen Proben war bisher besonders schwierig. Bisherige Bestimmungen erfolgten in der Regel indirekt, z.B. über den pH-Wert. Die Sensoren mussten häufig kalibriert werden, waren relativ ungenau und hatten sehr lange Ansprechzeiten und waren anfällig für Störungen durch andere Gase, die den pH-Wert beeinflussten. Fig.7 verdeutlicht das Messprinzip einiger bevorzugter Ausgestaltungen der Messvorrichtung. Die flüssige Probe wird durch die flüssigkeitsundurchlässige und gasdurchlässige Trennmembran 18 von der Messkammer 16 getrennt, wo die Dichte der Gaskomponenten in der Gasphase gemessen wird. Die Gasdichte GD wird durch eine Quartzkristallmikrowaage (Englisch: Quartz Crystal Microbalance Density Measurement) QCM gemessen. Wie in dem Graph rechts in Fig.7 gezeigt, ist die erhaltene Signaldifferenz in der Frequenz (Differenz-Frequenz) df proportional zur Dichte des Gases, was in diesem Fall proportional zur Menge CO2 in der Lösung ist. Das Messprinzip benötigt keine chemischen Zwischenschritte, es wird nur in der Gasphase durch eine Trennmembran 18 im Gleichgewicht mit der Lösung gemessen. Es ergibt sich ein sehr kleiner Messfehler (z.B. +/- 5 mbar bei einem nicht optimierten System). Versuche haben Ansprechzeiten von nur 4s plus der Zeit für die Diffusion durch die Trennmembran 18 ergeben. Die Messeinrichtung 20 lässt sich auch als Kombisensor 22 sehr stark miniaturisieren. Fig.8 zeigt eine mikroskopische Aufnahme eines Ausführungsbeispiels für die als Kombisensor 22 ausgebildete Messeinrichtung
mit dem Quartzschwinger (in Form einer Stimmgabel) als Gasdichtesensor 28, und einem kombinierten Druck- und Temperatursensor 24, 26 sowie einem optionalen Feuchtesensor 42 auf dessen Seite. Es sind Durchmesser des Sensorkopfes von weniger als 1 mm erreichbar, so dass das Messkammervolumen V sehr klein ausgebildet werden kann. Die Sensoren 28, 24, 26, 42 sind auf einer Platine (PCB) 84 angeordnet, auf deren Rückseite ein Chip mit der Auswerteeinrichtung 30 oder von Teilen davon angeordnet werden kann. Dieser in Fig.8 gezeigte Sensorkopf sitzt auf einer Halterung, mit der der Kombisensor 22 an dem Einwegbioreaktor 80 oder einem anderen Reaktionsraum mit der Trennmembran 18 dazwischen angeordnet werden kann. Die Messung benötigt nach der erstmaligen Kalibration im Herstellwerk keine weiteren Kalibrierungen mehr. Das Konstruktion ist einfach und mit industriell auf dem Markt erhältlichen Bauteilen aufbaubar. Die Trennmembran 18 ist entfernbar angebracht. Es wird nur physikalisch gemessen, es sind insbesondere keine nasschemischen Prozesse notwendig. Das Signal ist linear und mit schnellen Ansprechzeiten im Bereich weniger Sekunden erhältlich. Sauer oder basisch reagierende weitere Gaskomponenten haben keine Einfluss auf die Messung. Der Gasdichtesensor 28 weist eine Quartzkristallstimmgabel auf, die oszilliert. Eine Erhöhung der Gasdichte verringert die Schwingfrequenz. Mögliche Anwendungen sind CO2-Messungen in biochemischen Prozessen, insbesondere in Bioreaktoren, auch gerade in Einwegbioreaktoren 80. Weitere mögliche Anwendungen sind die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Wasserwirtschaft (Abwasserentsorgung und Trinkwasserversorgung), CO2- Capture und CO2-Speicherung, sowie direkte Messung von CO2-Emissionen in der Industrie. Auch in der Energieversorgung ist eine Anwendung möglich, z.B. bei Anwendungen, wo aus überschüssiger erneuerbarer Energie, Methan oder sonstige Kohlenwasserstoffgase für spätere Energieerzeugung hergestellt wird, oder bei der Erzeugung von Brennstoff aus Algenkulturen. Bezugszeichenliste: 10 Messvorrichtung
Gasmischung a Gasmischung in gasförmiger Phase des Bioreaktorsb in flüssiger Phase des Bioreaktors gelöste Gasmischungc Gasmischung in Messkammer Reaktionsraum (z.B. Bioreaktor oder dergleichen) Messkammer Trennmembran Messeinrichtung Kombisensor Temperatursensor Drucksensor Gasdichtesensor Auswerteeinrichtung Analyse- und Kontrolleinheit Prozessor Speicher Filter Heizung Feuchtesensor externer Sensor Kupplung Reaktionssystem (z.B. Bioraktorsystem oder dergleichen) Rührwerk Antrieb pH-Sensor DO-Sensor Dampf Wasser saures Medium alkalisches Medium Nährlösung Luft Abgas Sender und Regler
80 Einweg-Bioreaktor 82 Trennmembran-Modul 84 Platine X, Y, Z Gaskomponenten A, B Gaskomponentengruppen cX Konzentration Gaskomponente X cY Konzentration Gaskomponente Y cZ Konzentration Gaskomponente Z cA Konzentration Gaskomponentengruppe A cB Konzentration Gaskomponentegruppe B pB Partialdruck Gaskomponentengruppe B GD Gasdichte df Differenz Frequenz QCM
Trafag AG 10210139 P-WO Industriestrasse 11 CH-8608 Bubikon Switzerland Measuring method and measuring device for measuring a gas concentration in a reaction chamber, for example a bioreactor The invention relates to a measuring method for measuring a concentration (changing, for example, during a reaction, in particular a bioreaction, such as in particular a cell cultivation or fermentation) of a gas component to be measured of a gas mixture of known composition in a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor or the like. In particular, the invention relates to a measuring method for measuring a CO2 concentration in a bioreactor or in a reaction chamber in the food or beverage industry or in wastewater treatment plants. The invention further relates to a reaction method, in particular a bioreaction method, in particular a cell cultivation method or fermentation method, which is carried out in a reaction chamber, such as in particular a bioreactor, using the measuring method. The invention further relates to a measuring device for measuring a concentration (changing, for example, during a reaction, in particular a bioreaction) of a gas component to be measured, in particular CO2, of a gas mixture of known composition in a reaction chamber such as a bioreactor. The invention further relates to a reaction system, in particular a bioreaction system, comprising a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor and such a measuring device, as well as the use of a measuring device. For the technological background and the state of the art, reference is made to the following literature: [1] Wikipedia “Bioreactor”, https://de.wikipedia.org/wiki/Bioreaktor, downloaded on March 20, 2023 [2] Wikipedia “Disposable bioreactor”, https://de.wikipedia.org/wiki/Einwegbioreaktor, downloaded on March 20, 2023 [3] Wikipedia “Cell culture”, https://de.wikipedia.org/wiki/Zellkultur, downloaded on March 20, 2023 [4] Wikipedia “Severinghaus electrode, https://de.wikipedia.org/wiki/Severinghaus-Elektrode, downloaded on March 20, 2023 [5] Wikipedia “Non-dispersive infrared sensor”; https://de.wikipedia.org/wiki/Nichtdispersiver_Infrarotsensor, downloaded on 20.03.2023 [6] Wikipedia “Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy”, https://de.wikipedia.org/wiki/Tunable_Diode_Laser_Absorption_Spectrosc opy, downloaded on 20.03.2023 [7] Wikipedia “Photoacoustic spectroscopy”, https://de.wikipedia.org/wiki/Photoakustische_Spektrskopie, downloaded on 20.03.2023 [8] Z. Hetzler et al., “Flexible sensor patch for continuous carbon dioxide monitoring”; Front Chem.2022; 10: 983523; published online, 2022 Sep 27; doi: 10.3389/fchem.2022.983523 [9] US 9903903 B2 [10] A. Kramer, Th. A. Paul, “High-precision density sensor for concentration monitoring of binary gas mixtures, Sensors and Actuators, A202 (2013) 52-56, http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2013. 02.010; published on March 7, 2013; [11] Th. A. Paul et al. “SF 6 concentration sensor for gas-insulated switchgear”, Sensors and Actuators, A206 (2014) 51-56; http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2013.11.024; published on November 28, 2013 [12] “Monitoring of insulating gas density”; company brochure of Trafag AG with the printing note “11/2022 H70558a”, https://media.trafag.com/literature/brochure/H70558a_DE_Gas_Density_B rochure_hires.pdf; downloaded on March 20, 2023 [13] DE 102020110349 B4 [14] US 2016/0349176 A1 The reference [13] describes a bioreaction system in which a CO 2 concentration is measured using a known CO 2 sensor, in particular a Severinghaus probe. The reference [14] describes a gas analysis system for analyzing the concentration of several gas components in a gas mixture for energy supply, in which hydrogen is mixed with the components of natural gas or liquefied gas. For this purpose, the proportions of those gas components that absorb infrared light are determined using infrared spectrometry, and a gas density measurement is carried out in order to determine the proportions of those gas components that do not absorb infrared light from the results of the infrared spectrometry and the gas density measurement. The method is carried out at an energy supplier in order to control the addition of hydrogen to the natural gas. Preferred embodiments of the invention relate to methods and devices for measuring a gas concentration in bioreactors or other reaction spaces for carrying out bioprocesses. In particular, the methods and devices are designed to determine the gas concentration of one or more gas components of a gas mixture contained in a liquid, in particular dissolved. The determination of gas concentrations in liquid media is particularly interesting for bioreactions, where the CO2 content in a bioreactor and in particular in a liquid contained in the bioreactor is of particular interest. Bioreactions are, for example, processes in which at least one component is transformed by a cell, a microorganism or by interactions thereof. Other areas of application for the methods and devices according to embodiments of the invention are chemical processes, processes in the food industry including beverage production, e.g. breweries, processes in energy generation and processes for packaging food. According to the literature reference [1], a bioreactor, often also referred to as a fermenter, is a container in which certain microorganisms, cells or small plants are cultivated (also: fermented) under the best possible process conditions. The operation of a bioreactor is therefore an application of biotechnology that uses or makes biological processes (bioconversion, biocatalysis) usable in technical facilities. Important factors that can be controlled or monitored in most bioreactors are the composition of the nutrient medium (also nutrient solution or substrate), the composition of the gaseous phase in the bioreactor, in particular the oxygen supply, temperature, pH value, sterility and others. The purpose of cultivation in a bioreactor can be the extraction of cells or components of the cells or the extraction of metabolic products. These can be used, for example, as active ingredients in the pharmaceutical industry or as basic chemicals in the chemical or biochemical industry. The breakdown of chemical compounds can also take place in bioreactors, for example. B. in wastewater treatment in sewage treatment plants. A wide variety of organisms are cultivated in bioreactors for different purposes. Examples of the use of bioreactors are given in [1] and [3]. Bioreactors can be made from stainless steel or glass for multiple use (in the biotech industry), for example. However, disposable bioreactors made of plastic have also been increasingly used recently, see [1] and [2] and [13]. In some embodiments of the invention, bioreactors can also be used in environmental technology and disposal technology, for example for biomass production or for the decomposition of biowaste, and can also be made from cheaper materials such as concrete. In a bioreactor there are up to three phases: solid (biomass), liquid (nutrient medium) and gaseous (for example air, oxygen, carbon dioxide, nitrogen). Their distribution is controlled in the bioreactor using various measures. One factor that influences cell cultivation is the composition of the gases dissolved in the liquid phase in the bioreactor. These usually consist of the components oxygen, nitrogen and carbon dioxide. To avoid any confusion, we then speak of dissolved oxygen, dissolved nitrogen and dissolved carbon dioxide (English: “dissolved” and correspondingly DO or DO 2 or DCO2 or DCO 2 ). As a rule, the composition of the desired gas mixture in the bioreactor is known and is specifically influenced, adjusted or provided in order to obtain the desired results in cell culture. In particular, the biotech industry relies on precise control of the CO 2 content in bioreactors such as incubators, fermentation vessels and other equipment in order to support the growth and development of cells, tissues and organisms. Reasons for measuring CO 2 in a bioreactor during cell cultivation are in particular: ^ high CO 2 accumulation changes cells and product quality and productivity ^ low CO 2 concentration also affects productivity ^ a correlation has been found between biomass growth and CO 2 evolution rate (CER) CO 2 accumulation can be reduced by stripping. Dissolved CO 2 can easily penetrate the cell membrane and affect the intracellular pH value, which has a direct influence on cell mechanisms. By determining CO 2 in bioreactors online (process measurement), the processes in bioreactors can be significantly improved and/or optimized. It is therefore desirable that the measurement results are available immediately, with very short response times. Furthermore, the measurements should be economical and easy to carry out and as accurate as possible. However, the CO 2 sensors currently on the market are often expensive, prone to drift and inaccuracy and must be calibrated frequently. This can lead to costly downtime and fluctuations in the test results. In addition, the known sensors are susceptible to reactive gases and have a slow response time. The methods used to measure CO2 in connection with bioreactions are in particular: Severinghaus, see [4] and [13], NDIR (non-dispersive infrared), see [5], TDL (tunable diode laser), see [6], PAS (photo acoustic), see [7], TC (thermal conductivity) and BGA (blood gas analysis with Severinghaus); see also [8]. According to [13], a sensor can also be used to measure dissolved CO2 optochemically, whereby the sensor should have a CO2 -sensitive chromophore. Tunable diode laser (TDL) or tubable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) are methods with which the concentration or density of the gas or gas component to be examined is deduced from a measured absorption. TDLs are only accurate to about 2%, require relatively long path lengths (>50mm), achieve a maximum repeatability of 0.75% and are comparatively large and expensive. However, the measurement is very fast (<10 seconds response time). Another possibility is to excite the gas or gas component CO 2 in the infrared range. This creates a noise that can be measured. However, this photo-acoustic measurement is significantly slower than a TDL. Response times of two minutes can only be achieved without a sterilizable separation membrane. The measurement technology reaches its limits, especially in the area of high humidity. Response times of three minutes are realistic. Sensor technology for the traditional area is based on NDIR (non-dispersive infrared), for example. Tests with first-generation devices showed response times of around 10 minutes (time: end of 2021). Other suppliers of bio-process containers (BPC Bio Process Containers), which the SUB also offers including sensors, rely on fluorophore-based technology. Similar to the following «Severinghaus» electrodes, the pH value of an electrolyte (bicabonate) is actually measured here. This means that CO2 must first diffuse through a separating membrane, then "influence" a fluorophore in order to then move a buffer, ultimately enabling a pH measurement. The accuracy of the devices is stated as 3% in the 0-10% CO2 range. A measurement of up to 15% is probably possible. Users' experiences report a response time of over 5 minutes. The devices are based on PDMS-based (polydimethylsiloxane) measurements and scientific publications even mention 10 minutes. The most common measurement method is the sensor in the form of the Severinghaus electrode. The Severinghaus principle is based on a pH probe that is immersed in a bicarbonate electrolyte solution that is housed in a CO2 -permeable membrane. When CO2 reaches equilibrium with the bicarbonate buffer, the pH is lowered by the formation of carbonic acid, and the pH change is then correlated with a CO2 concentration. Probes based on the Severinghaus principle are used in the biopharmaceutical industry as inline sensors for real-time detection and have become a gold standard in analytics. The reference [13] aims to use the commercially available sensors for oxygen and CO2 in a disposable bioreactor. These established systems are based on processes in which the gas components present or dissolved in the medium (M) are dissolved out, then bound in a polymer and then determined therein or released again into a defined fluid (for example bicarbonate buffer or special electrolytes). Costs, handling and maintenance effort were probably one reason why CO2 measurement took so long to adapt. Blood gas analysis is also a form of the Severinghaus principle and is always offline and therefore outside the bioprocess. Measurement using thermal conductivity (TC) is of little practical importance. It is used primarily in the food industry and only in processes where the gas or gas mix is precisely known, such as packaging under protective gas or bottling drinks - especially beer. Despite the critical importance of the CO2 content in culture media, little attention was paid to this measurement in the past. One reason for this was the lack of reliable sensors and measuring methods. The object of the invention is to provide measuring methods and measuring devices for determining concentrations of critical gases in processes that can be carried out quickly and reliably using relatively simple means. To solve this problem, the invention creates a measuring method according to claim 1 and a measuring device according to the auxiliary claim. Advantageous uses are the subject of the further auxiliary claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the subclaims. According to a first aspect, the invention provides a measuring method for measuring a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture of known composition in a liquid solution in a reaction space, comprising the steps: a) providing a measuring chamber which is separated from the reaction space by a liquid-impermeable and gas-permeable separating membrane, b) measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber and c) determining the concentration of the gas component to be measured from the values measured in step b) and from the molar masses of the gas components of the gas mixture. The measuring chamber is preferably very small. This results in particularly fast reaction times and short measuring times. Changes in the concentration in the solution are transferred very quickly to the very small measuring chamber volume. In some embodiments, the measuring chamber volume V is less than 5000 mm 3 . In particular, V is less than 3000 mm 3 or less than 1000 mm 3 or significantly less than 100 mm 3 . The lower limit of the measuring chamber volume depends on the miniaturization of the available sensors for gas density, pressure and temperature. The lower limit is, for example, 0.5 mm 3 , or 1 mm 3 or 2 mm 3 depending on the sensor used. It is particularly preferred that step a) comprises the step: a1) providing the measuring chamber (16) with a measuring chamber volume V, where 0.5 mm 3 ≤ V ≤ 15 mm 3 , in particular 1 mm 3 ≤ V ≤ 10 mm 3 , and preferably 2 mm 3 ≤ V ≤ 5 mm 3 . The physical quantities gas density, pressure and temperature are determined. Thus, no chemical conversions are necessary for the measurement, which also contributes to reliability and rapid measurement. The sensors used are in particular sensors that can be manufactured in small dimensions. In particular, quartz oscillators or tuning fork sensors are used for gas density measurement. Tuning fork gas density sensors are known for other technical fields, in particular for monitoring insulating gases in electrical switchgear, and are available on the market. It is preferred that step b) comprises the step: b1) measuring the gas density by means of a tuning fork gas density sensor and/or a quartz oscillator. In particular, a quartz tuning fork is used. In particular, this is miniaturized as much as possible. In some embodiments, the measuring method for measuring a concentration of a gas component to be measured in a gas mixture of known composition - preferably changing during a bioreaction - is designed in a bioreactor and comprises the steps: a) providing a measuring chamber which is separated from the interior of the bioreactor by a gas-permeable separating membrane, b) measuring the gas density ρ, the gas pressure p and/or the temperature T in the measuring chamber and c) determining the concentration of the gas component to be measured from the values measured in step b) and/or from the molar masses of the gas components of the gas mixture (known due to the known composition). In particular, the gas component to be measured is CO2. The impetus for developing embodiments of the invention was and is the interest in the concentration of the dissolved gas component sought in the liquid phase. The measuring method according to the invention is thus designed to determine the concentration of the dissolved gas component sought in the liquid phase. However, the measuring method also works for measurements in the gas supply and exhaust gas measurement in bioreactors, fermenters or reactors for e.g. gas synthesis. In particularly preferred embodiments, the concentration of a gas component to be measured in a gas mixture of known composition dissolved in the liquid phase in the reaction chamber, such as in particular the bioreactor, is measured. Preferably, the separation membrane is in contact with the liquid phase in the reaction chamber, e.g. the bioreactor. Particularly preferably, the entire surface of the measuring membrane facing the interior of the reaction chamber is in the liquid phase. Particularly preferably, the measuring membrane is attached or provided in an area of the lower half or the lower third of the reaction chamber. Examples of the reaction space are a bioreactor, a disposable bioreactor, a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction space in the food industry, a reaction space for beverage production, a reaction space in a brewery, a reaction space in a sewage treatment plant, a reaction space in a wastewater treatment plant, a reaction space in a CO2 extraction plant, a reaction space in process analytics, a pipeline, a water pipeline. The term “gas-permeable separation membrane” means that the separation membrane is permeable to the gas components of the gas mixture. In the methods according to embodiments of the invention, not one analyte or one of the gas components is measured, but all analytes or gas components in the medium are measured together. At least two of the physical or chemical properties of the gas mixture are determined (e.g. density, pressure, thermal conductivity, electrical conductivity and/or temperature, or others). In particular, the density is determined together with one of the other physical properties mentioned. In some embodiments, the gas components contained in or dissolved in the medium contained in the bioreactor are extracted and then directly determined in a measuring chamber. Measurements are taken in the fluid phase. For this purpose, in some embodiments, the separation membrane is a composite material that contains, among other things, a polymer that is not flexible. The rigidity of this separation membrane ensures stable measurement in the event of fluctuations in the process pressure (cf. today's conventional membranes). In some embodiments, the membrane is stiffened and/or reinforced. While in sensors for gas analysis in bioreactors according to the prior art, the analyte is bound in a polymer or the like, in embodiments of the invention all gas components are displaced into the measuring chamber by diffusion. In embodiments of the invention, it is provided that not one analyte is determined, but rather all dissolved gases in the measuring chamber are measured and then a of these components can be determined. In a CO2 determination, for example, one is not restricted to determining CO2 in an air mixture, but one could also determine the CO 2 content in a hydrogen-methane mixture. Gases other than CO2 can also be determined. Preferably, the separation membrane contains a stiffener and/or a reinforcement. Preferably, the separation membrane is not stretchable. Preferably, the separation membrane is stiff and not flexible. In some embodiments, a fluid is characterized in the measuring chamber. In some embodiments, the reaction system has a gas-tight construction so that no gas can escape from the measuring chamber to the outside. In some embodiments, the measuring chamber is gas-tight to the outside and is only connected to the interior of the bioreactor via the gas-permeable separation membrane. In some embodiments, the measuring chamber is designed such that gas can only pass from the medium in the reaction space into the measuring chamber through the gas-permeable membrane, which is designed such that it is sealed from the environment. It is preferred that the gas mixture contains at least one further gas component from the group comprising air, technical air, dried air and a mixture of O2 and N2. Bioreactors or other reaction chambers are usually operated with a liquid phase in which a predetermined gas mixture is introduced. In particular, the reaction chamber, designed as a bioreactor, for example, is operated with air, or with a specifically introduced mixture of O2, N2, CO2 and/or other gases. Preferably, the measuring method comprises: measuring a further physical parameter of the gas mixture. In particular, a further physical property or a further gas component is measured. By further measuring a further physical property or a gas component, for example, another gas component can be determined precisely. The measuring method preferably comprises: measuring the relative humidity. The concentration of the gas component to be measured, in particular CO 2 , is determined as a function of the measured humidity value. Within the liquid phase, the humidity and thus the partial pressure is a function of the temperature, although the gas component to be measured on the opposite side of the separating membrane in the measuring chamber does not have to be 100%. The measuring method preferably comprises: measuring the content of another gas in the gas mixture, such as the O 2 content. In particular, this allows the average molar mass of the gas mixture to be determined more precisely, which improves the measurement result. This applies to all components of the gas mixture. It is preferred that the gas mixture is grouped into the gas component to be measured and a component group with the other components of the gas mixture, that the average molar mass of the component group weighted according to the concentration of the components is determined and that in step c) the concentration of the gas component to be measured is determined from the molar mass of the gas component to be measured and the weighted average molar mass. The corresponding step is known, for example, in a completely different technical field - the determination of the electrical breakdown strength of an insulating gas present as a gas mixture in electrical switchgear - for example from [9]. It is preferred that in step b) the gas density is measured by means of a quartz oscillator and more preferably by means of a tuning fork. For example, a quartz oscillator known from [12] can be used. Measurements of the gas density using a quartz oscillator sensor are also known from [9] to [11] in the field of Gas density measurement of insulating gases in electrical switching and distribution systems (high-voltage technology) is known. According to a further aspect, the invention creates a reaction method for carrying out a reaction in a reaction chamber, comprising measuring a concentration of a gas component of the gas mixture in the reaction chamber by carrying out the measuring method according to one of the preceding embodiments and carrying out further steps of the reaction method depending on the measurement. In some embodiments, the reaction method is a bioreaction method for carrying out a bioreaction in a bioreactor, comprising measuring a concentration of a gas component of the gas mixture in the bioreactor by carrying out the measuring method according to one of the preceding embodiments and carrying out further steps of the bioreaction method depending on the measurement. In particular, cell cultivation is carried out in the bioreactor and controlled by measuring the concentration of CO 2 , particularly preferably by measuring the concentration of DCO2, using the measuring methods presented here. According to a further aspect, the invention provides a measuring device for measuring a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture of known composition in a reaction space, comprising: a measuring chamber with a gas-permeable separating membrane for separating the measuring chamber from the interior of the reaction space, a measuring device for measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber and an evaluation device which is set up to determine the concentration of the gas component to be measured from the values measured by the measuring device and from the molar masses of the gas components of the gas mixture. In some embodiments, the measuring device is designed to measure a concentration of a gas component to be measured in a gas mixture of known composition in a bioreactor, which concentration preferably changes during a bioreaction, and comprises: a measuring chamber with a gas-permeable separating membrane for separating the measuring chamber from the interior of the bioreactor, a measuring device for measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber and an evaluation device which is designed to determine the concentration of the gas component to be measured from the values measured by the measuring device and from the molar masses of the gas components of the gas mixture. The term "gas-permeable separating membrane" means that the separating membrane is permeable to all gas components of the gas mixture. The separating membrane is designed in such a way that it allows convection of the gas mixture into the measuring chamber. In some embodiments, the separating membrane has a stiffening or reinforcement and/or is not flexible and also not stretchable. Particularly when the measuring chamber volume is very small, very short reaction times can be achieved, e.g. less than 60 s in the liquid phase. It is therefore preferred that the measuring chamber has a measuring chamber volume of less than 5000 mm 3 , in particular less than 3000 mm 3 , preferably less than 1000 mm 3 , preferably less than 100 mm 3 . The lower limit for the measuring chamber volume depends on the miniaturizability of the sensors, in particular the gas density sensor, and is, for example, 0.5 mm 3 , 1 mm 3 or 2 mm 3 . In some embodiments, the measuring chamber has a measuring chamber volume V with 0.5 mm 3 ≤ V ≤ 15 mm 3 , in particular 1 mm 3 ≤ V ≤ 10 mm 3 , and preferably 2 mm 3 ≤ V ≤ 5 mm 3 . In some embodiments, the measuring device has a quartz oscillator and/or a tuning fork sensor for measuring the gas density. In particular, a quartz oscillator fork is used. In some embodiments, the measuring device has a further measuring device for measuring a further physical property or a further physical parameter of the gas mixture. Preferably, the measuring device has a humidity measuring device for measuring the relative humidity. Preferably, the measuring device has a gas content measuring device for measuring the content of at least one further gas in the gas mixture. Preferably, the evaluation device is designed to determine the concentration depending on the measurement of the further physical property, the measurement of the humidity measuring device and/or the measurement of the gas content measuring device. It is preferred that the evaluation device is designed to determine the concentration of CO2 in an atmosphere containing O2 and N2 in the reaction chamber designed, for example, as a bioreactor. The evaluation device is particularly preferably designed to use the concentrations of CO 2 in an atmosphere containing O 2 and N 2 within the measuring chamber to determine the partial pressure and thus the concentration of dissolved CO 2 in the liquid phase of the reaction chamber. Preferably, the measuring device according to one of the above embodiments is designed to carry out a measuring method according to one of the above embodiments. According to a further aspect, the invention provides a reaction system for carrying out a reaction, comprising a reaction chamber and a measuring device according to one of the above embodiments, wherein the measuring chamber is separated from the interior of the reaction chamber by the separating membrane. Examples of the reaction space are: a bioreactor, a disposable bioreactor, a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction space in the food industry, a reaction space for beverage production, a reaction space in a brewery, a reaction space in a sewage treatment plant, a reaction space in a wastewater treatment plant, a reaction space in a CO2 extraction plant, a reaction space in process analytics, a pipeline and a water pipeline. In some embodiments, the reaction system is a bioreaction system for carrying out a bioreaction, such as in particular cell cultivation or fermentation, comprising: a bioreactor and a measuring device according to one of the preceding embodiments, wherein the measuring chamber is separated from the interior of the bioreactor by the separation membrane. It is preferred that the bioreactor is a disposable reactor. According to a further aspect, the invention provides a use of a measuring device which has a measuring chamber delimited by a gas-permeable separating membrane and a measuring device for measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber, for measuring a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture in a reaction chamber separated from the measuring chamber by the separating membrane, such as in particular a bioreactor. The measuring device is particularly preferably used to measure a concentration of a gas component to be measured of a gas mixture dissolved in the liquid medium of the reaction chamber (e.g. bioreactor). In the embodiments of the methods and devices and systems of the invention, a temperature measurement is also carried out. The measuring chamber is preferably designed in such a way that its temperature can rise faster than the temperature gradient of the reaction in the reaction chamber. This is also supported by a small measuring chamber volume. Preferred embodiments of the invention relate to the measurement of the concentration of a gas component, in particular the dissolved CO 2 in the liquid phase, in a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor, preferably by means of a combination sensor. The relationships between the influencing variables density, pressure/partial pressure, gas density and their dependence on temperature and relative humidity are known. In preferred embodiments of the invention, Henry's law is applied with the aid of a gas-permeable separation membrane, according to which the partial pressure of a gas above and in a liquid is equal and directly proportional to the concentration of the gas in the liquid. Density, temperature, (optional) relative humidity and absolute pressure of the gas mixture between the separation membrane and the measuring device are determined. With sufficiently precise determination, the partial pressure of individual gas components can be deduced, in particular if they differ significantly in their molar mass and/or can be divided into two groups. For example, a difference of just 12 g/mol is significant - the literature reference [9] speaks of MA-MB >20 g/mol. With preferred embodiments, a factory-calibrated measuring device can be designed which is calibration-free for the end user. Some embodiments provide the possibility of coupling the electrical device (the measuring device) with an oxygen sensor. This makes it possible to increase the accuracy due to a more precise determination of the effective molar mass of a component group of the gas mixture. Preferably, a concentration of DCO 2 is measured due to the great economic importance for cell cultivation or similar bioreactions carried out in bioreactors. The measurement of the concentration of DCO 2 is also possible in other reactions, such as in the food industry, beverage production, environmental technology, Waste water treatment, etc. is interesting and can be carried out using the methods and devices presented here. Of course, other gas concentrations can also be measured using the same principle. For example, the measuring method would also be possible for dissolved ammonia and acetone in the liquid phase, provided the separation membrane is compatible. Applications in the field of biogas production (methane and carbon dioxide with traces of nitrogen, oxygen, hydrogen sulphide, hydrogen and ammonia) and biofuel production, in which CO2 and methane CH4 play a key role, are also possible. The principle and structure are explained in more detail below using the example of a CO2 measurement. Although a bioreactor is used in particular as an example for the reaction chamber, it should be clear that the reaction chamber is also constructed differently in other embodiments of the invention. Examples of possible reaction chambers are listed above. Exemplary embodiments are explained in more detail below using the attached drawings. These show: Fig. 1 a schematic block diagram of embodiments of a measuring device for measuring the concentration of a dissolved gas component in a reaction chamber designed, for example, as a bioreactor; Fig.2 is a schematic diagram illustrating a grouping of gas components of a gas mixture with the gas component to be measured in component groups during the evaluation of measurement signals from a sensor of the measuring device; Fig.3 is a block diagram of a bioreactor system with a bioreactor and the measuring device; Fig.4 is a schematic diagram of a disposable bioreactor with a coupling for coupling the measuring device; Fig.5 is a sectional view through the coupling of Fig.4; Fig.6 is a sectional view of an embodiment of the coupling together with a separation membrane module; and Fig.7 is a further schematic block diagram with a basic representation of the measuring principle according to further embodiments of the invention; and Fig.8 is a microscopic photograph of an embodiment of a measuring device of the measuring device designed as a combination sensor. Fig.1 shows an embodiment of a measuring device 10, with further optional components of further possible embodiments of the measuring device 10 being shown with dashed lines. Fig.1 is a purely schematic block diagram to illustrate the principle of the measuring device 10, with the size relationships not actually shown. The measuring device 10 is designed to measure a concentration of a dissolved gas component Z to be measured of a dissolved gas mixture 12, 12b of known composition in a reaction chamber 14 designed, for example, as a bioreactor. For example, in the reaction chamber 14 there is a predetermined or regulated atmosphere (gaseous phase - gas mixture 12a -) with the components X, Y and Z. For example, in the reaction chamber, which is designed as a bioreactor, there is air with an increased proportion of CO2 or another, e.g. technically produced mixture of O2, N2 and CO2. Accordingly, for example, a gas mixture 12b dissolved in the liquid phase with the components X=O 2 , Y=N 2 and Z=CO 2 is contained in the reaction chamber 14. The measuring device 10 is designed to measure the concentration of one of the gas components in a liquid solution in the reaction chamber. In some embodiments, the measuring device 10 is designed to measure the concentration of CO 2 , more particularly CO2 dissolved in the liquid phase, i.e. DCO2, is formed in the reaction chamber 14. In the example shown, the measuring device 10 is designed as an electrical device with a combination sensor 22 for determining the concentration of CO2. The reaction chamber 14 is a container with process medium (liquid and gaseous). Examples of the reaction chamber 14 are explained in more detail below. In particular, a bioreaction, namely cell cultivation or fermentation, is carried out in the reaction chamber 14, which in some embodiments is designed as a bioreactor, wherein the content of DCO2 is to be determined and used to control/monitor the bioreaction. The measuring device 10 has a measuring chamber 16 with a gas-permeable separating membrane 18 for separating the measuring chamber 16 from the interior of the reaction chamber 14. During operation, the separation membrane 18 is in full contact with the liquid phase in the reaction chamber 14. The dissolved gas components of the gas mixture 12b in the liquid phase are allowed to pass through the separation membrane 18, so that a gas mixture 12c corresponding to the gas mixture 12b dissolved in the liquid phase is located in the measuring chamber 16. The separation membrane 18 is permeable to all gas components of the gas mixture and enables convection. In some designs, the separation membrane 18 is neither flexible nor stretchable and for this purpose has reinforcement and/or stiffening (not shown). The measuring chamber 16 is designed with the smallest possible measuring chamber volume V. In particular, the measuring chamber volume V is less than 5000 mm 3 , preferably less than 4000 mm 3 , less than 3000 mm 3 and more, in particular less than 500 mm 3 , in particular less than 100 mm 3 . The measuring chamber 16 is in particular as small as a miniaturization of the measuring device 20 explained in more detail below allows. For example, lower limits for the measuring chamber volume V are 0.5 mm 3 to 2 mm 3 , depending on the degree of miniaturization. The measuring device 10 has a measuring device 20 for measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber. In particular, the measuring device 20 is designed as a combination sensor 22. The combination sensor 22 has a known temperature sensor 24, a known pressure sensor 26 and a gas density sensor 28. The gas density sensor 28 is, as is known in particular from [12], to which reference is made for further details, a quartz oscillator sensor, preferably designed as a tuning fork, in which the gas density is determined via the difference in the oscillation frequencies of a quartz oscillator fork exposed to the measuring medium and a quartz oscillator fork oscillating in a reference volume. For further details on this measuring principle, reference is made to the literature references [9] to [12]. The different sensors 24, 26, 28 can be provided in a sensor housing or separately; they are designed in such a way that they measure the temperature T, the pressure p and the gas density ρ of the gas mixture 12c located within the measuring chamber 16. The measuring device 10 also has an evaluation device 30 which is set up to determine the concentration of the gas component Z to be measured from the values measured by the measuring device 20 and from the molar masses of the gas components X, Y, Z of the gas mixture 12c. The evaluation device 30 is, for example, part of an analysis and control unit 32 which has a processor 34 and a memory 36. The evaluation device 30 is programmed with appropriate computer programs in order to carry out the evaluations described in more detail below for determining the concentration of CO 2 from the measured values T, p and ρ. The measurement results depend on the influencing variables temperature and humidity. In order to reduce this influence, some embodiments of the measuring device 10 optionally have one or more additional filters 38 and/or a heater 40. In some embodiments of the measuring device 10, a humidity sensor 42 is optionally provided for measuring the relative humidity φ in the measuring chamber 16. Some embodiments of the measuring device 10 can have an optional external sensor 44 for detecting a further gas component Y, in particular DO2, in the reaction chamber 14. During operation of the reaction chamber 14, a measuring method for measuring a concentration of a gas component Z to be measured of a gas mixture 12b of known composition in a liquid solution is carried out in the reaction chamber 14, comprising: a) providing a measuring chamber 16 which is separated from the interior of the reaction chamber 14 by a gas-permeable separating membrane 18, b) measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber 16 and c) determining the concentration of the gas component Z to be measured from the values measured in step b) and from the molar masses of the gas components X, Y, Z of the gas mixture 12c (= 12b). The physical relationships of the measurements carried out in preferred embodiments are explained in more detail below. Carbon dioxide is typically encountered as a gas. Therefore, the measurement of carbon dioxide in processes is a measurement of the pressure exerted by the carbon dioxide either in the gas or in the liquid in which it is dissolved. The relevant physico-chemical laws are: ^ Dalton's law (law of partial pressures) and ^ Henry's law (Henry's law) ^ Mass balance (law of conservation of mass) Dalton's law (law of partial pressures): The total pressure is made up of the partial pressures of the individual gas components. The sum of all partial pressures gives the total pressure. The partial pressure corresponds to the pressure that the individual gas component would exert if it were present alone in the volume under consideration. The extent to which gases react with other substances, diffuse and dissolve in liquids is determined by their partial pressure and not by their concentration in gas mixtures or liquids. Therefore, for dry air (pwater=0): P total air = p nitrogen + p oxygen + p carbon dioxide + p argon + p trace gases At an air pressure of 1013 mbar (hPa), 0.038% of this pressure is contributed by carbon dioxide. According to Dalton, p carbon dioxide is therefore 0.385 mbar. Due to the low volume percentage of carbon dioxide in air, and the increased expected concentration of carbon dioxide in the process application, air is not recommended as a gas for calibration. A gas mixture consisting of 5% carbon dioxide, 20% oxygen and 75% nitrogen is more advantageous in both respects. According to Dalton, under normal conditions (1013 mbar and 25°C) for a dry gas, the following results: p carbon of 50.65 mbar, p oxygen of 202.60 mbar and p nitrogen of 759.75 mbar Henry's Law: According to Henry's Law, each individual gas dissolves in a liquid according to its partial pressure in the gas phase. After the distribution equilibrium has been reached, each individual gas has the same partial pressure in the gas phase and in the liquid. With the help of the gas-permeable separation membrane 18, Henry's Law is applied to the bioreactor 14, according to which the partial pressure of a gas above and in a liquid is equal and directly proportional to the concentration of the gas in the liquid. Gas density ρ, temperature T, optionally relative humidity φ and absolute pressure p of the gas mixture 12c between the separation membrane 18 and measuring device 20 are determined. With sufficiently accurate determination, the partial pressure of individual gas components pX, pY, pZ can be determined, provided that they differ significantly in their molar mass. In particular, the gas components X, Y and Z of the gas mixture are divided into two groups A, B, as indicated in Fig.2. For example, the components X and Y, in this case oxygen and nitrogen, are classified in a component group A with the partial pressure pA=pX+pY and the at least one gas component Z to be measured, such as carbon dioxide, is classified in a component group B. For component group A, the average molar mass weighted according to the concentration of components X, Y is determined. The molar mass of component Z is known. From this, as explained in more detail in [9], the partial pressure of component group B and thus the partial pressure of component Z (in this case carbon dioxide) and thus the concentration can be determined. The schematic diagram in Fig. 1 shows a schematic representation of an example of an electrical device for implementing the measuring device 10. The design of the container with the process medium (liquid or gaseous) is irrelevant. This makes it possible to determine a gas concentration of a gas component of a gas mixture in a liquid solution. The electrical device is connected to the container with the process medium (=bioreactor 14) via a process connection provided with the gas-permeable separation membrane 18. The process connection with the gas-permeable separating membrane 18 forms a coupling 48 between the container with the medium to be characterized and the measuring device 10. The gas mixture 12b of the process medium diffuses through the gas-permeable separating membrane 18 into the measuring chamber 16. Due to the influencing factors of temperature and humidity, it may be advantageous or, for certain applications, also necessary to equip the measuring device 10 with the additional filters 38 and the heater 40, in particular to avoid condensation within the measuring chamber 16 and on the surfaces of the sensors 22, 24, 26, 28. The measuring device 20, designed as a sensor package or combination sensor 22, for example, determines the density ρ, the absolute pressure p, the temperature T and here also the relative humidity φ of the gas mixture 12c. The signals are temporarily stored in the evaluation device 30 of the measuring device 10 and processed in the processor 34. The components X, Y, Z of the gas mixture, their proportions and the accuracy of the sensors 24, 26, 28, 42 in the sensor package are the influencing variables for the precise determination of the partial pressure p B of component B. In some versions, the measuring device 20 is designed as a Rho-pT sensor with the gas components CO 2 , O 2 and N 2 for determination and component analysis. The molar masses of the gas components are: CO2: 44g/mol O 2 : 32g/mol N228 g/mol. The three components are assigned to two component groups A and B to be defined. The molar masses M A and M B are taken into account as the average molar mass weighted with respect to their relative concentrations, as was done in [9] for O 2 , N 2 and «C5» to determine the dielectric breakdown strength. A bioreactor 14 has a higher concentration of CO2. CO2 is assigned here, for example, to component group B, and N2 and O2 to component group A. Examples of determining the concentration of CO2 in a gas mixture 12 in the form of air are explained below. Example 1: A container connected to the measuring device 10 with the measuring chamber 16 by means of the separating membrane 18 is filled with dry air. A gas mixer adds Carbon dioxide is added until it contains 5% carbon dioxide by volume. The measurement is then carried out. The conditions are: ^^ ^^^ =1013.25 mbar T=30°C rH = φ = 0% The sensors ideally deliver the following signals: Density sensor: 1194.085354 g/m 3 Pressure sensor: 1013.25 mbar Temperature sensor: 30°C Humidity sensor: 0% The concentration is determined using the general gas equation: ^ ^ ൌ ^^ ⋅ ^^ ^ ^ ⋅ ^^ where R is the universal gas constant (R= 8.31446 ^ ^ ^^⋅^ and M is the molar mass of the gas mixture. This equation can be solved for the molar mass. In the processor, the molar mass M is therefore determined by ^ ^ ൌ ^^ ⋅ ^^ ⋅ ^^ ^ ^^^^ This results in a value of M= 29.70204501 g/mol. For the CO 2 of the molar mass of CO 2 is: ^^ ^^ ^ ைమ ൌ ^^ െ ^^ ^௨^௧ For dry air, an average molar mass M air =28.949 g/mol was determined. This gives the molar mass portion attributable to CO2: ΔMCO2=0.753045011g/mol. From this, the concentration of CO2 can be determined using a corresponding factor k, which indicates the increase in the molar mass of the gas mixture per addition of 1% CO2. This calibration factor k can be determined according to the following table: O 2 31.998 g/mol Air 28.949 g/mol k N2 28.0134 g/mol 5 vol-% CO2 29.702045 g/mol 0.150609 CO2 44.0099 g/mol 10 vol-% CO2 30.45509 g/mol 0.150609 Ar 40 g/mol 15 vol-% CO2 31.208135 g/mol 0.150609 20 vol-% CO2 31.96118 g/mol 0.150609 Table 1: For air, the molar mass is M Air = 28.949 g/mol. If the proportion of CO2 is increased to 10 vol-%, the total molar mass is M=90%*Mair+10%*MCO2=30.45509 g/mol, which is a difference of 1.50609g/mol to M air . For each percent of CO2, this results in an increase of 0.150609 g/mol. With the factor k=0.150609 g/(mol*vol-%), the concentration of CO2 thus results from the determined proportion of the molar mass: c CO2 = ΔM CO2 : k= 0.753045011g/mol : 0.150609 g/(mol*vol-%)= 5.00000007 vol-%. If you want to specify the partial pressure p CO2 , this results in pCO2=p*cco2=1013.25 mbar*0.05=50.6625007 mbar. With an accuracy (based on the measured value) of 0.50% for the density sensor 28, 0.50% for the pressure sensor 26, 0.15°C for the temperature sensor 24 and 3% for the humidity sensor 42, it can be estimated that the measuring device 10 delivers values between 2.94% and 7.08% at a concentration of 5% CO 2 and delivers partial pressure values between 29.8 mbar and 71.7 mbar. Example 2: A gas measurement is carried out as in example 1. The container is filled with dry air. The gas mixer adds CO2 until 20 vol.% CO2 is contained. The conditions are: pAbs=1013.25 mbar T=30°C rH = φ = 0% The sensors ideally deliver the following signals: Density sensor: 1284.90738 g/m 3 Pressure sensor: 1013.25 mbar Temperature sensor: 30°C Humidity sensor: 0% In the processor, the molar mass M is again determined by This gives a value of M = 31.96118 g/mol. The following applies to the portion of the molar mass of CO2 that is attributable to CO2: ^^ ^^ ^ைమ ൌ ^^ െ ^^ ^௨^௧ For dry air, the average molar mass M air = 28.949 g/mol. This gives the portion of the molar mass that is attributable to CO2: ΔM CO2 = 3.01218g/mol. With the factor k = 0.150609 g/(mol*Vol-%), the measured concentration of CO 2 results from the determined portion of the molar mass: cCO2 = ΔMCO2 : k = 3.01218g/mol : 0.150609 g/(mol*Vol-%) = 20 Vol-%. If you want to specify the partial pressure p CO2 , this results in p CO2 =p*c co2 =1013.25 mbar*0.2= 202.65 mbar. Taking into account the above-mentioned accuracies of the sensors 24, 26, 28, 42, real measured values for the concentration in the range of 17.78% to 22.24% and real measured values for the partial pressure between 180.2 mbar and 225.3 mbar are to be expected. Example 3: Example 3 shows how the value of the humidity sensor can be taken into account. A gas measurement is carried out as in Example 1. The container is filled with moist air with rH= φ=50%. The gas mixer adds CO 2 until 5 vol.% CO 2 is contained. The conditions are: p=1034.34 mbar T=35°C rH = φ = 50% The sensors ideally deliver the following signals: Density sensor: 1174.710287 g/m 3 Pressure sensor: 1034.34 mbar Temperature sensor: 35°C Humidity sensor: 50% From the relative humidity and the known values for the temperature-dependent saturation pressure pm(T), the partial pressure of the water vapor pw can be calculated with pw=pm(T)* φ. In the processor, the pressure of the dry air is first calculated with pAbs=p-pw=1013.25 mbar. Then the molar mass of the gas mixture is again calculated. ^^ ൌ ^^ ⋅ ^^ ⋅ ^^ ^ ^ ൌ 27.702045 ^^/ ^^ ^^ ^^ ^^^ was calculated. The following applies to the portion of the molar mass of CO2 that is due to CO2: ^^ ^^ ^ைమ ൌ ^^ െ ^^ ^௨^௧ For dry air, an average molar mass Mair=28.949 g/mol was determined. This gives the portion of the molar mass of ΔM CO2 =0.753045011g/mol that is due to CO 2 . With the factor k=0.150609 g/(mol*Vol-%), the concentration of CO 2 is calculated from the determined molar mass fraction: cCO2= ΔMCO2 : k= 0.753045g/mol : 0.150609 g/(mol*Vol-%)= 5.00000 Vol-%. If you want to specify the partial pressure p CO2 , this results in pCO2=p*cco2=1034.34 mbar*0.05=51.717 mbar. With an accuracy (based on the measured value) of 0.50% for the density sensor 28, 0.50% for the pressure sensor 26, 0.15°C for the temperature sensor 24 and 3% for the humidity sensor 42, it can be estimated that the measuring device 10 delivers values between 2.68% and 7.35% at a concentration of 5% CO 2 and 50% air humidity and delivers partial pressure values between 27.7 mbar and 76.0 mbar. The deviation from the actual values is directly dependent on the accuracy with which the measurements for gas density ρ, temperature T, optionally relative humidity φ and absolute pressure p can be carried out. Fig. 3 shows an example of a reaction system 50 designed, for example, as a bioreactor system, in which the measuring device 10 is used. The reactor system has the reaction chamber 14 designed, for example, as a bioreactor or the like, and the measuring device 10. In the reaction chamber 14, a stirrer 52 with drive 54, a pH sensor 56 and a DO sensor 58 are Detection of dissolved oxygen (example of external sensor 44) is provided. Inlets for steam 62, water 64, acidic medium 66, alkaline medium 68, nutrient solution 70 and air 72 that can be controlled via valves are also provided, as is an exhaust for exhaust gas 74 that is controlled via a valve. Measuring signal lines that transmit values to transmitters and controllers 78 are shown with dash-dotted lines, while control signal lines from these transmitters and controllers 78 to the corresponding valves or other actuators (e.g. the drive 54) are shown with dashed lines. For example, a specific cell cultivation with predetermined process parameters is carried out in the reaction chamber 14 designed as a bioreactor. As can be seen from Fig.3, the value of the CO2 concentration provided by the measuring device 20 can be used directly, for example, to regulate the addition of nutrients - nutrient solution 70. The value of the oxygen sensor 58 can be fed to the evaluation device 30 in order to incorporate possible changes in the molar mass of component group A (here air with a correspondingly changing oxygen content). Examples of the reaction chamber are a bioreactor, a disposable bioreactor 80, a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction chamber in the food industry, a reaction chamber for beverage production, a reaction chamber in a brewery, a reaction chamber in a sewage treatment plant, a reaction chamber in a wastewater treatment plant, a reaction chamber in a CO2 extraction plant, a reaction chamber in process analytics, a pipeline, a water pipeline. A switch to disposable bioreactors (SUBs) and bio process containers (BPC) is explained below. Traditional biopharmaceutical and biotechnology processes have long used stainless steel or glass bioreactors for the majority of batch production, such as the bioreactor shown in Fig.3. However, the use of single-use bioreactors 80 has increased, mainly due to the advantages they bring for scalability, flexibility and cost. Although the use of SUBs 80 brings some significant advantages for certain batch productions, it also brings unique challenges - especially with regard to measuring the environment inside the SUB during production. One parameter that is particularly affected by this is CO2 measurement. A look at the catalogs of the Who's Who of process analytics shows: There are solutions for determining the CO2 content for the traditional processes, but not for the SUBs. Since SUBs are usually delivered to pharmaceutical companies and biotech companies pre-sterilized and ready for production, it is necessary that the sensors have either been installed in the bioreactor 80 before delivery or can be inserted into the reactor without affecting the sterilized internal environment. There are currently no viable solutions for the installation before delivery of the SUB 80. Installing measurement technology on site without affecting the sterilized internal environment can currently only be achieved with major losses in terms of costs and measurement performance. Preferred embodiments of the measurement method and the measuring device 10 address both paths and in particular the possibility of installing a separation membrane 18 in the SUB 80 before the SUB 80 is delivered to the end user. Fig.4 shows a highly schematic view of a disposable bioreactor 80 with a coupling 48 already attached. Fig.5 shows a section through the coupling 48 and Fig.6 shows a view of the coupling with a separation membrane module 82 attached. Two of the most critical parameters in a bioreactor, DO and pH, can be supplemented by the use of CO2 measurement technology - as is done in traditional processes. The shown designs of the coupling 48 with separation membrane 18 are by no means the only possible design. In some embodiments, a needle-sized design is sufficient. As described above, the components X, Y, Z of the gas 12c are grouped into groups A, B in preferred embodiments. From this, and with the description of the measurement principle, it can be concluded that knowledge about individual components X, Y, Z of the gas 12a, 12b and 12c can have an enormous effect on the accuracy of the measurement. For example, there are niche applications that have pure oxygen or an increased oxygen concentration. The signal from the measurement technology - DO sensor 58 or other external sensor 44 - which measures and monitors oxygen concentration can be fed into the combination sensor 22 via an interface. This increases the accuracy. A similar scenario is interesting when particularly heavy VOCs (volatile organic compounds) are present in the process and are monitored. To improve the process control in bioreactors (14), in particular in cell cultivation or fermentation, some embodiments of the invention provide a measuring method for measuring a concentration (cz) of a gas component (Z) to be measured of a gas mixture (12, 12a, 12b and 12c) of known composition in a solution in a bioreactor (14), comprising: a) providing a measuring chamber (16) which is separated from the interior of the bioreactor (18) by a gas-permeable separating membrane (18), b) measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber (16) and c) Determining the concentration (cz) of the gas component (Z) to be measured from the values measured in step b) and molar masses of the gas components (X, Y, Z) of the gas mixture. Dissolved CO2 (dCO2) is an important parameter for understanding the course of any biotechnological process. Solutions for determining the proportion of CO2 in liquid solutions are therefore proposed in particular. However, the methods and devices are also suitable for determining the concentration of other gas components and, in some embodiments, are also set up for this purpose. The determination of dissolved gas components in liquid samples has so far been particularly difficult. Previous determinations were generally made indirectly, e.g. via the pH value. The sensors had to be calibrated frequently, were relatively inaccurate and had very long response times and were susceptible to interference from other gases that influenced the pH value. Fig.7 illustrates the measuring principle of some preferred embodiments of the measuring device. The liquid sample is separated from the measuring chamber 16 by the liquid-impermeable and gas-permeable separation membrane 18, where the density of the gas components in the gas phase is measured. The gas density GD is measured by a Quartz Crystal Microbalance Density Measurement (QCM). As shown in the graph on the right in Fig.7, the obtained signal difference in frequency (difference frequency) df is proportional to the density of the gas, which in this case is proportional to the amount of CO2 in the solution. The measuring principle does not require any intermediate chemical steps, it is only measured in the gas phase through a separation membrane 18 in equilibrium with the solution. This results in a very small measurement error (e.g. +/- 5 mbar for a non-optimized system). Tests have shown response times of only 4s plus the time for diffusion through the separation membrane 18. The measuring device 20 can also be greatly miniaturized as a combination sensor 22. Fig.8 shows a microscopic image of an embodiment of the measuring device designed as a combination sensor 22 with the quartz oscillator (in the form of a tuning fork) as a gas density sensor 28, and a combined pressure and temperature sensor 24, 26 as well as an optional humidity sensor 42 on its side. Diameters of the sensor head of less than 1 mm are achievable, so that the measuring chamber volume V can be made very small. The sensors 28, 24, 26, 42 are arranged on a circuit board (PCB) 84, on the back of which a chip with the evaluation device 30 or parts thereof can be arranged. This sensor head shown in Fig.8 sits on a holder with which the combination sensor 22 can be arranged on the disposable bioreactor 80 or another reaction chamber with the separation membrane 18 in between. After the initial calibration in the manufacturing plant, the measurement does not require any further calibration. The construction is simple and can be built using industrially available components on the market. The separation membrane 18 is attached so that it can be removed. Only physical measurements are taken, and no wet chemical processes are necessary. The signal is linear and available with fast response times in the range of a few seconds. Other gas components that react acidically or alkaline have no influence on the measurement. The gas density sensor 28 has a quartz crystal tuning fork that oscillates. An increase in the gas density reduces the oscillation frequency. Possible applications are CO 2 measurements in biochemical processes, in particular in bioreactors, especially in disposable bioreactors 80. Other possible applications are the food and beverage industry, water management (wastewater disposal and drinking water supply), CO 2 capture and CO2 storage, as well as direct measurement of CO2 emissions in industry. Applications in energy supply are also possible, e.g. in applications where methane or other hydrocarbon gases are produced from excess renewable energy for later energy generation, or in the production of fuel from algae cultures. List of reference symbols: 10 Measuring device Gas mixture a Gas mixture in the gaseous phase of the bioreactor b Gas mixture dissolved in the liquid phase of the bioreactor c Gas mixture in the measuring chamber Reaction chamber (e.g. bioreactor or similar) Measuring chamber Separating membrane Measuring device Combined sensor Temperature sensor Pressure sensor Gas density sensor Evaluation device Analysis and control unit Processor Storage Filter Heating Humidity sensor External sensor Coupling Reaction system (e.g. bioreactor system or similar) Stirrer Drive pH sensor DO sensor Steam Water Acidic medium Alkaline medium Nutrient solution Air Exhaust gas Transmitter and controller 80 Disposable bioreactor 82 Separation membrane module 84 Circuit board X, Y, Z Gas components A, B Gas component groups c X Concentration of gas component X cY Concentration of gas component Y cZ Concentration of gas component Z c A Concentration of gas component group A c B Concentration of gas component group B pB Partial pressure of gas component group B GD Gas density df Difference frequency QCM
Claims
Trafag AG 10210139 P-WO Industriestrasse 11 CH-8608 Bubikon Schweiz Ansprüche: 1. Messverfahren zur Messung einer Konzentration (cz) einer zu messenden Gaskomponente (Z) einer Gasmischung (12b) bekannter Zusammensetzung in einer flüssigen Lösung in einem Reaktionsraum (14), umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Messkammer (16), die durch eine flüssigkeitsundurchlässige und gasdurchlässige Trennmembran (18) von dem Reaktionsraum (18) getrennt ist, b) Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer (16) und c) Bestimmen der Konzentration (cz) der zu messenden Gaskomponente (Z) aus den in Schritt b) gemessenen Werten und aus den molaren Massen der Gaskomponenten (X, Y, Z) der Gasmischung. 2. Messverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) den Schritt umfasst: a1) Bereitstellen der Messkammer (16) mit einem Messkammervolumen V von weniger als 5000 mm3, vorzugsweise weniger als 1000 mm3, und vorzugsweise mit 5 mm3 ≤ V ≤ 15 mm3, insbesondere 1 mm3 ≤ V ≤ 10 mm3, und bevorzugt 2 mm3 ≤ V ≤ 5 mm3. 3. Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) den Schritt umfasst: b1) Messen der Gasdichte mittels eines Stimmgabel-Gasdichtesensors. 4. Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum ausgewählt wird aus einer Gruppe, die einen Bioreaktor,
einen Einwegbioreaktor, einen Bioreaktor mit weniger als 10 mm Durchmesser, einen Reaktionsraum in der Lebensmittelindustrie, einen Reaktionsraum zur Getränkeherstellung, einen Reaktionsraum in einer Brauerei, einen Reaktionsraum einer Kläranlage, einen Reaktionsraum einer Abwasseraufbereitungsanlage, einen Reaktionsraum einer CO2- Exktraktionsanlage, einen Reaktionsraum in der Prozessanalytik, eine Rohrleitung und eine Wasserrohrleitung umfasst. 5. Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu messende Gaskomponente (Z) 5.1 eine sich bei der Reaktion in dem Reaktionsraum (14), insbesondere einer Bioreaktion in dem als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum (14), ändernde Gaskomponente der Gasmischung (12b) und/oder 5.2 CO2 ist. 6. Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmischung (12b) wenigstens eine weitere Gaskomponente (X, Y) aus der Gruppe enthält, die Luft, technische Luft, getrocknete Luft und/oder eine Mischung aus O2 und N2 aufweist. 7. Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen der Schritte: 7.1 Messen der relativen Feuchte und/oder 7.2 Messen des Gehalts eines weiteren Gases in der Gasmischung wobei Schritt c) in Abhängigkeit des in Schritt 7.1 oder 7.2 gemessenen Wertes bestimmt wird. 8. Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasmischung (12b) in die zu messende Gaskomponente (Z) und eine Komponentengruppe (A) mit den weiteren Komponenten (X, Y) der Gasmischung (12b) gruppiert wird, dass die nach Konzentration der Komponenten (X, Y)
gewichtete mittlere molare Masse der Komponentengruppe (A) ermittelt wird und dass in Schritt c) die Konzentration der zu messenden Gaskomponente (Z) aus der molaren Masse der zu messenden Gaskomponente (Z) und der gewichteten mittleren molare Masse bestimmt wird. 9. Messverfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt b) die Gasdichte mittels eines Schwingquarzes gemessen wird. 10. Reaktionsverfahren zum Durchführen einer Reaktion in einem Reaktionsraum (14), umfassend Messen einer Konzentration einer Gaskomponente der Gasmischung (12b) in dem Reaktionsraum (14) durch Durchführen des Messverfahrens nach einem der voranstehenden Ansprüche und Durchführen weiterer Schritte des Reaktionsverfahrens in Abhängigkeit von der Messung. 11. Reaktionsverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsverfahren ein in dem als Bioreaktor ausgebildeten Reaktionsraum durchgeführtes Bioreaktionsverfahren zur Durchführung einer Bioreaktion ist. 12. Bioreaktionsverfahren nach Anspruch 11, wobei die Bioreaktion eine Zellkultivierung in dem Bioreaktor (14) beinhaltet. 13. Messvorrichtung (10) zur Messung einer Konzentration (cZ) einer zu messenden Gaskomponente (Z) einer Gasmischung (12b) bekannter Zusammensetzung in einem Reaktionsraum (14), umfassend: eine Messkammer (16) mit einer gasdurchlässigen Trennmembran (18) zum Trennen der Messkammer (16) vom Innenraum des Reaktionsraums (14), eine Messeinrichtung (20) zum Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer (16) und eine Auswerteeinrichtung (30), die zum Bestimmen der Konzentration der zu messenden Gaskomponente aus den durch die Messeinrichtung (20)
gemessenen Werten und aus den molaren Massen der Gaskomponenten der Gasmischung (12b) eingerichtet ist. 14. Messvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Messkammer (16) ein Messkammervolumen V hat, wobei gilt 0,5 mm3 ≤ V ≤ 15 mm3, insbesondere 1 mm3 ≤ V ≤ 10 mm3, und bevorzugt 2 mm3 ≤ V ≤ 5 mm3. 15. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (20) einen Schwingquarz und/oder einen Stimmgabel- Sensor zum Messen der Gasdichte aufweist. 16. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, gekennzeichnet durch 16.1 eine Feuchtemesseinrichtung (42) zum Messen der relativen Feuchte und/oder 16.2 eine Gasgehaltsmesseinrichtung (44, 58) zum Messen des Gehalts wenigstens eines weiteren Gases in der Gasmischung; wobei die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, die Konzentration in Abhängigkeit von der Messung der Feuchtemesseinrichtung und/oder der Gasgehaltsmesseinrichtung zu bestimmen. 17. Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, die Konzentration von CO2 in einer O2 und N2 enthaltenden Atmosphäre in dem Reaktionsraum (14) zu bestimmen. 18. Messvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden Ansprüche, ausgebildet zum Durchführen eines Messverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10. 19. Reaktionssystem (50) zum Durchführen einer Reaktion, umfassend
einen Reaktionsraum (14) und eine Messvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die Messkammer (16) durch die Trennmembran (18) vom Inneren des Reaktionsraums (14) getrennt ist. 20. Reaktionssystem (50) nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktionsraum ausgewählt ist aus der Gruppe, die die einen Bioreaktor, einen Einwegbioreaktor (80), einen Bioreaktor mit weniger als 10 mm Durchmesser, ein Reaktionsraum in der Lebensmittelindustrie, einen Reaktionsraum zur Getränkeherstellung, einen Reaktionsraum in einer Brauerei, einen Reaktionsraum einer Kläranlage, einen Reaktionsraum einer Abwasseraufbereitungsanlage, einen Reaktionsraum einer CO2- Exktraktionsanlage, einen Reaktionsraum in der Prozessanalytik, eine Rohrleitung und eine Wasserrohrleitung umfasst. 21. Verwendung einer Messvorrichtung (10), die eine durch eine gasdurchlässige Trennmembran (18) begrenzte Messkammer (16) und eine Messvorrichtung (10) zum Messen der Gasdichte ρ, des Gasdrucks p und der Temperatur T in der Messkammer (16) aufweist, zur Messung einer Konzentration (cZ) einer zu messenden Gaskomponente (Z) einer Gasmischung (12b) in einem durch die Trennmembran (18) von der Messkammer (16) getrennten Reaktionsraum (14).
Trafag AG 10210139 P-WO Industriestrasse 11 CH-8608 Bubikon Switzerland Claims: 1. Measuring method for measuring a concentration (cz) of a gas component (Z) to be measured of a gas mixture (12b) of known composition in a liquid solution in a reaction space (14), comprising the steps: a) providing a measuring chamber (16) which is separated from the reaction space (18) by a liquid-impermeable and gas-permeable separating membrane (18), b) measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber (16) and c) determining the concentration (c z ) of the gas component (Z) to be measured from the values measured in step b) and from the molar masses of the gas components (X, Y, Z) of the gas mixture. 2. Measuring method according to claim 1, characterized in that step a) comprises the step: a1) providing the measuring chamber (16) with a measuring chamber volume V of less than 5000 mm 3 , preferably less than 1000 mm 3 , and preferably with 5 mm 3 ≤ V ≤ 15 mm 3 , in particular 1 mm 3 ≤ V ≤ 10 mm 3 , and preferably 2 mm 3 ≤ V ≤ 5 mm 3 . 3. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that step b) comprises the step: b1) measuring the gas density by means of a tuning fork gas density sensor. 4. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the reaction space is selected from a group comprising a bioreactor, a disposable bioreactor, a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction chamber in the food industry, a reaction chamber for beverage production, a reaction chamber in a brewery, a reaction chamber of a sewage treatment plant, a reaction chamber of a wastewater treatment plant, a reaction chamber of a CO2 extraction plant, a reaction chamber in process analytics, a pipeline and a water pipeline. 5. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas component (Z) to be measured is 5.1 a gas component of the gas mixture (12b) which changes during the reaction in the reaction chamber (14), in particular a bioreaction in the reaction chamber (14) designed as a bioreactor and/or 5.2 CO2. 6. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas mixture (12b) contains at least one further gas component (X, Y) from the group comprising air, technical air, dried air and/or a mixture of O2 and N2. 7. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized by at least one of the steps: 7.1 measuring the relative humidity and/or 7.2 measuring the content of a further gas in the gas mixture, wherein step c) is determined depending on the value measured in step 7.1 or 7.2. 8. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that the gas mixture (12b) is grouped into the gas component (Z) to be measured and a component group (A) with the further components (X, Y) of the gas mixture (12b), that the concentration of the components (X, Y) weighted average molar mass of the component group (A) is determined and in step c) the concentration of the gas component (Z) to be measured is determined from the molar mass of the gas component (Z) to be measured and the weighted average molar mass. 9. Measuring method according to one of the preceding claims, characterized in that in step b) the gas density is measured by means of a quartz crystal. 10. Reaction method for carrying out a reaction in a reaction chamber (14), comprising measuring a concentration of a gas component of the gas mixture (12b) in the reaction chamber (14) by carrying out the measuring method according to one of the preceding claims and carrying out further steps of the reaction method depending on the measurement. 11. Reaction method according to claim 10, characterized in that the reaction method is a bioreaction method carried out in the reaction chamber designed as a bioreactor for carrying out a bioreaction. 12. Bioreaction method according to claim 11, wherein the bioreaction includes cell cultivation in the bioreactor (14). 13. Measuring device (10) for measuring a concentration (cZ) of a gas component (Z) to be measured of a gas mixture (12b) of known composition in a reaction chamber (14), comprising: a measuring chamber (16) with a gas-permeable separating membrane (18) for separating the measuring chamber (16) from the interior of the reaction chamber (14), a measuring device (20) for measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber (16) and an evaluation device (30) for determining the concentration of the gas component to be measured from the values measured by the measuring device (20). measured values and from the molar masses of the gas components of the gas mixture (12b). 14. Measuring device according to claim 13, characterized in that the measuring chamber (16) has a measuring chamber volume V, where 0.5 mm 3 ≤ V ≤ 15 mm 3 , in particular 1 mm 3 ≤ V ≤ 10 mm 3 , and preferably 2 mm 3 ≤ V ≤ 5 mm 3 . 15. Measuring device according to one of claims 13 or 14, characterized in that the measuring device (20) has a quartz oscillator and/or a tuning fork sensor for measuring the gas density. 16. Measuring device (10) according to one of claims 13 to 15, characterized by 16.1 a humidity measuring device (42) for measuring the relative humidity and/or 16.2 a gas content measuring device (44, 58) for measuring the content of at least one further gas in the gas mixture; wherein the evaluation device (30) is designed to determine the concentration depending on the measurement of the humidity measuring device and/or the gas content measuring device. 17. Measuring device (10) according to one of claims 13 to 16, characterized in that the evaluation device (30) is designed to determine the concentration of CO2 in an O2 and N2-containing atmosphere in the reaction chamber (14). 18. Measuring device (10) according to one of the preceding claims, designed to carry out a measuring method according to one of claims 1 to 10. 19. Reaction system (50) for carrying out a reaction, comprising a reaction chamber (14) and a measuring device (20) according to one of claims 13 to 18, wherein the measuring chamber (16) is separated from the interior of the reaction chamber (14) by the separating membrane (18). 20. Reaction system (50) according to claim 19, characterized in that the reaction chamber is selected from the group comprising a bioreactor, a disposable bioreactor (80), a bioreactor with a diameter of less than 10 mm, a reaction chamber in the food industry, a reaction chamber for beverage production, a reaction chamber in a brewery, a reaction chamber of a sewage treatment plant, a reaction chamber of a wastewater treatment plant, a reaction chamber of a CO2 extraction plant, a reaction chamber in process analytics, a pipeline and a water pipeline. 21. Use of a measuring device (10) which has a measuring chamber (16) delimited by a gas-permeable separating membrane (18) and a measuring device (10) for measuring the gas density ρ, the gas pressure p and the temperature T in the measuring chamber (16), for measuring a concentration (c Z ) of a gas component (Z) to be measured of a gas mixture (12b) in a reaction space (14) separated from the measuring chamber (16) by the separating membrane (18).
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102023107132 | 2023-03-21 | ||
DE102023107132.7 | 2023-03-21 | ||
DE102023108866 | 2023-04-06 | ||
DE102023108866.1 | 2023-04-06 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2024194443A1 true WO2024194443A1 (en) | 2024-09-26 |
Family
ID=90545061
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/EP2024/057687 WO2024194443A1 (en) | 2023-03-21 | 2024-03-21 | Method and device for measuring a gas concentration in a reaction chamber |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
WO (1) | WO2024194443A1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19624844A1 (en) * | 1994-12-21 | 1998-01-02 | Euroferm Gmbh | Gas partial pressure measuring point in contact with boundary layer of light-conductor, |
US20160349176A1 (en) | 2015-05-25 | 2016-12-01 | Yokogawa Electric Corporation | Multi-component gas analysis system and multi-component gas analysis method |
US9903903B2 (en) | 2011-12-13 | 2018-02-27 | Abb Technology Ag | Method and device for determining an operating parameter of a fluid insulated electrical apparatus |
CN110208350A (en) * | 2019-05-21 | 2019-09-06 | 海南聚能科技创新研究院有限公司 | CO in a kind of measurement liquid2Concentration sensor |
EP3611490A1 (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-19 | Air Products And Chemicals, Inc. | Method and apparatus for using a gas density sensor to measure and control gas mixture composition |
DE102020110349B4 (en) | 2020-04-15 | 2022-01-20 | Mettler-Toledo Gmbh | Sensor mount for using a conventional sensor with a single-use bioreactor while preserving the sterility of the single-use bioreactor |
-
2024
- 2024-03-21 WO PCT/EP2024/057687 patent/WO2024194443A1/en unknown
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE19624844A1 (en) * | 1994-12-21 | 1998-01-02 | Euroferm Gmbh | Gas partial pressure measuring point in contact with boundary layer of light-conductor, |
US9903903B2 (en) | 2011-12-13 | 2018-02-27 | Abb Technology Ag | Method and device for determining an operating parameter of a fluid insulated electrical apparatus |
US20160349176A1 (en) | 2015-05-25 | 2016-12-01 | Yokogawa Electric Corporation | Multi-component gas analysis system and multi-component gas analysis method |
EP3611490A1 (en) * | 2018-08-09 | 2020-02-19 | Air Products And Chemicals, Inc. | Method and apparatus for using a gas density sensor to measure and control gas mixture composition |
CN110208350A (en) * | 2019-05-21 | 2019-09-06 | 海南聚能科技创新研究院有限公司 | CO in a kind of measurement liquid2Concentration sensor |
DE102020110349B4 (en) | 2020-04-15 | 2022-01-20 | Mettler-Toledo Gmbh | Sensor mount for using a conventional sensor with a single-use bioreactor while preserving the sterility of the single-use bioreactor |
Non-Patent Citations (10)
Title |
---|
A. KRAMERTH. A. PAUL: "High-precision density sensor for concentration monitoring of binary gas mixtures", SENSORS AND ACTUATORS, vol. A202, 7 March 2013 (2013-03-07), pages 52 - 56 |
TH. A. PAUL ET AL.: "SF concentration sensor for gas-insulated switchgear", SENSORS AND ACTUATORS, vol. A206, 2014, pages 51 - 56 |
WIKIPEDIA, BIOREAKTOR, 20 March 2023 (2023-03-20), Retrieved from the Internet <URL:https://de.wikipedia.org/wiki/Bioreaktor> |
WIKIPEDIA, EINWEGBIOREAKTOR, 20 March 2023 (2023-03-20) |
WIKIPEDIA, NICHTDISPERSIVER INFRAROTSENSOR, 20 March 2023 (2023-03-20) |
WIKIPEDIA, PHOTOAKUSTISCHE SPEKTROSKOPIE, 20 March 2023 (2023-03-20) |
WIKIPEDIA, SEVERINGHAUS-ELEKTRODE, 20 March 2023 (2023-03-20) |
WIKIPEDIA, TUNABLE DIODE LASER ABSORPTION SPECTROSCOPY, 20 March 2023 (2023-03-20), Retrieved from the Internet <URL:https://de.wikipedia.org/wiki/Tunable_Diode_Laser_Absorption_Spectroscopy> |
WIKIPEDIA, ZELLKULTUR, 20 March 2023 (2023-03-20), Retrieved from the Internet <URL:https://de.wikipedia.org/wiki/Zellkultur> |
Z. HETZLER ET AL.: "Flexible sensor patch for continuous carbon dioxide monitoring", FRONT CHEM., vol. 10, 27 September 2022 (2022-09-27), pages 983523 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Parajuli | Biogas measurement techniques and the associated errors | |
DE102011007011A1 (en) | Analyzer for the automated determination of a measured variable of a liquid sample | |
Cadena et al. | 54 A NOVEL APPROACH TO SIMPLIFIED RESPIROMETRIC OXYGEN DEMAND DETERMINATIONS | |
DE102014106916A1 (en) | Device for the automated determination of at least two different process parameters | |
DE202010017957U1 (en) | Non-invasive sensor of bioprocess parameters | |
EP0821231B1 (en) | Apparatus for analysing liquids | |
Mahmoodi et al. | Analytical methods in biogas production | |
EP3296387A1 (en) | Method for monitoring bio processes | |
WO2024194443A1 (en) | Method and device for measuring a gas concentration in a reaction chamber | |
Bohatka | Process monitoring in fermentors and living plants by membrane inlet mass spectrometry | |
EP0995098A1 (en) | Method and device for taking series of samples | |
DE102019130236A1 (en) | Method and system for making a solution | |
KR101894124B1 (en) | A reactor for determining concentration or mass transfer coefficient of methane in liquid sample and a method for determining concentration or mass transfer coefficient of methane in liquid sample by using the same | |
DE19850720A1 (en) | Method for controlling the fuel concentration in an alcohol or ether fuel mixture containing fuel and water in a fuel cell and fuel cell system | |
CN103969154B (en) | Measuring method for biogas production activity of anaerobic sludge and measuring device | |
EP0905229B1 (en) | Process and device to determine and control the physiologic condition of microbial cultures | |
DE19917955C2 (en) | Method and device for the short-term determination of the biological oxygen demand | |
Hayward et al. | Tandem mass spectrometry for on-line fermentation monitoring | |
EP3292563A1 (en) | Online mass spectrometer for real-time detection of volatile components from the gas and liquid phase for process analysis | |
EP1179174A2 (en) | Device and method for monitoring and controlling biologically active fluids | |
DE102007063440B4 (en) | Screening system for the implementation and direct analysis of biological, biochemical and chemical synthesis and reaction reactions | |
DE19605753C2 (en) | Method and device for the detection of metabolically active, undamaged, unstressed microorganisms - quantitatively and qualitatively in the "sub-ppb range" within minutes | |
DE102004063110B3 (en) | Bacteria or germ concentration measurement method, for application to a painting plant, in which the evolution of gases from a paint sample are evaluated over time under controlled conditions to determine germ concentrations | |
Liu et al. | The new Gas Endeavour system from Bioprocess Control AB for in vitro assessment of animal feeds | |
DE102005020985A1 (en) | Method for sampling and sampling device |