DE102007053221B4

DE102007053221B4 - Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung des Wachstums einer biologischen Substanz in einem Medium

Info

Publication number: DE102007053221B4
Application number: DE102007053221.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Lopatin Sergej; Alexander Müller; Thorsten Springmann; Albrecht Kahlert; Thomas Vogt
Original assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser SE and Co KG
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2015-08-20
Anticipated expiration: 2027-11-07
Also published as: WO2009060002A1; DE102007053221A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Wachstums einer biologischen Substanz in einem Medium (3), wobei mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei die mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) abgegriffen werden, und wobei mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) in Hinsicht auf das Wachstum der biologischen Substanz ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zumindest einen Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) eine Aussage über die Dichte des Mediums (3) gewonnen wird, dass die gewonnene Aussage über die Dichte mit einem hinterlegten Wert der Dichte des Mediums (3) verglichen wird, und dass ausgehend von dem Vergleich das Wachstum der biologischen Substanz bestimmt und/oder überwacht wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Wachstums einer biologischen Substanz in einem Medium. Bei der biologischen Substanz handelt es sich beispielsweise um Sporen, Pilze, Schimmel oder um Hefen.
In vielen Anwendungen der modernen Prozess- und Automatisierungstechnik kann es beispielsweise zu einer Verschimmelung des Wassers oder anderen Lösungen kommen. Handelt es sich beispielsweise um stehendes oder schlecht belüftetes Süßwasser, so können sich Bakterien oder Sporen bilden. Dies führt jedoch zu einer Reduktion der Wasserqualität, weshalb es sehr wichtig ist, dass diese Verschimmelung möglichst frühzeitig erkannt wird. Ein anderes Anwendungsfeld ist beispielsweise die Gärung in der Lebensmittelindustrie.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für die Prozess- und Automatisierungstechnik ein Verfahren vorzuschlagen, mit welchem das Vorhandensein von biologischen Substanzen bestimmt bzw. überwacht werden kann.
Die Erfindung löst die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Wachstums einer biologischen Substanz in einem Medium, wobei mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei die mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit abgegriffen werden, und wobei mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit in Hinsicht auf die Konzentration der biologischen Substanz ausgewertet wird. Bei der biologischen Substanz handelt es sich beispielsweise um Sporen, Pilze, Bakterien, Schimmel oder um Hefen. Insbesondere wird die Anwesenheit der Substanz in der Nähe oder auf der mechanisch schwingfähigen Einheit erkannt bzw. detektiert. Für das Wachstum der Substanz wird somit die relative Konzentration in der Nähe der mechanisch schwingfähigen Einheit bzw. das Maß des Anhaftens der Substanz an der schwingfähigen Einheit ausgewertet bzw. verwendet. Alternativ für die Formulierung: „Bestimmung und/oder Überwachung des Wachstums” ließe sich auch angeben, dass die Konzentration der biologischen Substanz bestimmt und/oder überwacht wird, wobei Konzentration jedoch üblicherweise mit einer homogenen Verteilung assoziiert ist. Bestimmbar ist insbesondere die Konzentration der biologischen Substanz auf der Oberfläche der mechanisch schwingfähigen Einheit. Anstelle des Wachstums ließe sich auch die Formulierung „Wachstumsgrad” verwenden. Allgemein werden viskoelastische Eigenschaften des Mediums in der Nähe der mechanisch schwingfähigen Einheit bestimmt bzw. überwacht und davon ausgehend wird auf die Quantität der biologischen Substanz rückgeschlossen.
In der modernen Prozess- und Automatisierungstechnik ist es beispielsweise bekannt, mit den Schwingungen von mechanisch schwingfähigen Einheiten Prozessgrößen, wie Füllstand, Dichte oder Viskosität zu bestimmen bzw. zu überwachen. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit, bei welcher es sich beispielsweise um eine so genannte Schwinggabel oder um einen Einstab oder um einen Membranschwinger handelt, sehr sensibel auf die Eigenschaften des sie berührenden Mediums reagieren. So ist es beispielsweise möglich, ausgehend von der Schwingungsfrequenz die Dichte des Mediums, in welchem sich die mechanisch schwingfähige Einheit befindet, zu bestimmen.
Andererseits ist es aus den Druckschriften DE6903535T2 , US5135852A , oder JP2006078181A oder US2005/0016276A1 bekannt geworden, einen solchen mechanischen Resonator zum Nachweis von Bakterien- oder Pilzwachstum durch Ablagerungen von Komplexen aus dem jeweiligen Metabolit und einem für diesen Metaboliten empfindlichen Polymer auf dem mechanischen Resonator zu verwenden, wobei das Bakteriums- bzw. Pilzwachstum durch eine durch die Massenänderung am mechanischen Resonator hervorgerufene Frequenzänderung nachgewiesen wird. Ähnlich schlägt die JP2006275798A vor, zum Bestimmen eines Zellvolumens anhand der Schwingungscharakteristiken des piezoelektrischen Elements Zellen auf einer Elektrode eines piezoelektrischen Elements zu immobilisieren.
In den Druckschriften US6336353B2 , US6393895B1 , US6494079B1 , oder WO2006/078229A1 ist wiederum offenbart, physikalische, chemische oder elektrische Eigenschaften eines Fluids mittels einem oder mehrerer zusammen angeordneter gleich oder unterschiedlich ausgestalteter mechanischer Resonatoren zu bestimmen. Die jeweilige Eigenschaft wird basierend auf der Antwort des Resonators auf ein bestimmtes Anregesignal mittels eines geeigneten Auswerteverfahrens ermittelt. Dagegen beschreibt die DE4334834A1 einen Biosensor mit einem als Schwingkreis angeordneten Piezoelement, von dem eine Messoberfläche mit dem zu untersuchenden Fluid und mit eine Reaktionskomponente benetzt wird, und mittels welchem anhand von Änderungen der Schwingkreisparameter Viskositäts- und/oder Dichteänderungen des zu untersuchenden Fluids gemessen werden.
Die DE69026622T2 offenbart schließlich eine Vorrichtung zur Beurteilung einer Eigenschaft eines Mediums, in der eine lokalisierte Erwärmung, die beispielsweise durch eine chemische Reaktion hervorgerufen wird, die Veränderung der Resonanzfrequenz eines vibrierenden Elements bewirkt.
Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass aus der zumindest einen Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähiger Einheit eine Aussage über die Dichte des Mediums gewonnen wird, dass die gewonnene Aussage über die Dichte mit einem hinterlegten Wert der Dichte des Mediums verglichen wird, und dass ausgehend von dem Vergleich das Wachstum der biologischen Substanz bestimmt und/oder überwacht wird. Es wird somit verwendet, dass anhand der Schwingungen zunächst eine Aussage über die „scheinbaren Dichte des Mediums gewonnen wird. Diese Aussage wird dann mit einem für die „echte” oder „wahre” Dichte des Mediums hinterlegten Wert verglichen. Der hinterlegte Wert ergibt sich beispielsweise durch eine passende Messung, durch eine Regulierung oder Steuerung der Dichte oder durch das Wissen über die Dichte und die Einstellung des Mediums auf diesen Wert. Anhand des Vergleichs zwischen dem „scheinbaren” Wert, welcher sich aus der Messung über die mechanisch schwingfähige Einheit ergibt, und dem hinterlegten, d. h. echten Wert wird dann eine Aussage über das Wachstum der biologischen Substanz bzw. über das Maß der Anhaftung der Substanz an der mechanisch schwingfähigen Einheit gewonnen. Dabei wird vorausgesetzt, dass die biologische Substanz mit der mechanisch schwingfähigen Einheit derartig wechselwirkt, dass die Substanz Auswirkungen auf die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit hat.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Dichte des Mediums mit einer Dichtemesseinheit bestimmt und/oder überwacht wird, und dass ausgehend von der Messung der Dichtemesseinheit der Wert der Dichte des Mediums hinterlegt wird. In dieser Ausgestaltung wird somit die „echte” Dichte des Mediums über eine Dichtemesseinheit, welche vorzugsweise verschieden zu der mechanisch schwingfähigen Einheit ist, direkt gemessen und der „echte” Dichtewert wird dann für die Bestimmung des Wachstums der Substanz herangezogen.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass es sich bei der biologischen Substanz um einen Pilz und/oder um ein Bakterium handelt.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass es sich bei der biologischen Substanz um eine zur Kristallisation neigende Substanz handelt.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit zu mechanischen Schwingungen in ihrer Grundmode angeregt wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass über die Schwingfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit die Aussage über die Dichte des Mediums gewonnen wird. Hierbei handelt es sich, wie oben beschrieben, um die scheinbare Dichte des Mediums, wobei die biologische Substanz dazu beiträgt, dass nicht die echte Dichte gemessen bzw. überwacht wird.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel oder um einen Einstab oder um einen Membranschwinger handelt.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen naher erläutert. Es zeigt:
1: eine schematische Darstellung des prinzipiellen Messaufbaus, und
2: den zeitlichen Verlauf der Dichtemessung.
In der 1 ist der Anwendungsfall zu sehen, in welchem es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 um eine so genannte Schwinggabel handelt. Diese Schwinggabel ist an der Wandung eines Behälters 2 angebracht, in welchem sich das in diesem Fall flüssige Medium 3 befindet. In dem Medium 3 findet beispielsweise ein biologischer Prozess statt, d. h. es bilden sich beispielsweise Bakterien und/oder Sporen als eine Art von Pilzen bzw. allgemein als biologische Substanz. In einer weiteren Anwendung kann es auch zu einer Kristallisation einer Substanz in dem Medium 3 kommen.
Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 ist vorzugsweise vollständig von dem Medium 3 bedeckt, so dass die Auswirkung des Grades der Bedeckung auf die charakteristischen Größen der mechanischen Schwingungen keine Auswirkungen haben bzw. so dass diese Auswirkung konstant ist. Bei den Kenngrößen der mechanischen Schwingungen handelt es sich um die Frequenz, die Amplitude und auch um die Phase relativ zu einem Anregungssignal.
Die mechanisch schwingfähige Einheit 1 wird beispielsweise über ein Anregungssignal, bei welchem es sich um eine elektrische Wechselspannung handelt, zu mechanischen Schwingungen angeregt, wofür vorzugsweise ein piezoelektrisches Element zur Übertragung zwischen dem elektrischen Signal und der mechanischen Schwingung dient. Umgekehrt empfängt das piezoelektrische Element die mechanischen Schwingungen und wandelt diese in ein Empfangssignal, bei welchem es sich vorzugsweise ebenfalls um eine elektrische Wechselspannung handelt, um.
Aus den so empfangenen mechanischen Schwingungen, d. h. aus dem Empfangssignal wird vorzugsweise eine Aussage über die Dichte des Mediums 3 gewonnen.
Handelt es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 – wie hier – um eine Schwinggabel mit zwei Gabelzinken und schwingt die Gabel mit der Resonanzfrequenz der Grundmode in einer Flüssigkeit als Medium 2, so hängt die Resonanzfrequenz von dem Massenträgheitsmoment der Gabel, von der Dichte des Mediums und von der Projektionsfläche der schwingenden Elemente, d. h. der beiden Gabeln oder Zinken ab. Die Dichte des Mediums lässt sich über folgende Formel bestimmen:
Dabei sind K₁, K₂ und K₃ sensorspezifische Konstanten, und F_F ist die Schwingfrequenz der Schwinggabel im Medium.
Die Parameter K₁ und K₂ sind sehr empfindlich in Bezug auf die rheologischen Eigenschaften des Mediums in einer dünnen Schicht auf den schwingenden Elementen der Stimmgabel (Zinken). Bildet die biologische Substanz eine Schicht auf den Zinken, so ändert sich die Visko-Elastizität des Mediums lokal auf den Zinken. Als Folge ändern sich die Parameter K₁ und K₂ so, dass die scheinbare Dichte eine Abweichung von der eigentlichen Flüssigkeitsdichte im Behälter 2 aufweist. Dadurch lässt sich das Bakterien- oder Sporenwachstum feststellen. Die Parameter K₁ und K₂ können durch die Stimmgabelgeometrie verbessert werden. Beispielsweise steigt die Empfindlichkeit, wenn das Massenträgheitsmoment der Stimmgabel abnimmt.
Die Aussage über die Dichte anhand der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 hängt von der eigentlichen Dichte des Mediums 3 ab und auch davon, ob es durch das Wachstum der biologischen Substanz zu einer Beeinflussung der Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 kommt. D. h. in Abhängigkeit von der Art der biologischen Substanz und deren Wachstum zeigen sich Änderungen bei den Schwingungen bzw. davon ausgehend bei der „Dichte” des Mediums. Aufgrund der Abhängigkeit von diesen zusätzlichen Größen handelt es sich somit nicht um die eigentliche Dichte, sondern um eine scheinbare Dichte. Sind Aussagen über die eigentliche Dichte des Mediums 3 vorhanden bzw. wird diese Dichte direkt gemessen oder kann sichergestellt werden, dass die Dichte sich nicht ändert, so kann aus der über die mechanisch schwingfähige Einheit 1 ermittelten Dichte eine Aussage über das Wachstum bzw. über einen Absterbeprozess der Substanz in dem Medium 3 bzw. in der zusätzlichen Ausgestaltung des Grades der Kristallisation getätigt werden. Für die Messung der eigentlichen Dichte des Mediums 3 ist hier eine Dichtemesseinheit 4 vorgesehen, welche direkt die „wahre” oder „echte” Dichte misst und deren Messungen im Wesentlichen unabhängig vom Wachstum der biologischen Substanz sind. Dabei ist vorausgesetzt, dass es über das Wachstum der Substanz bzw. über die Kristallisation zu einem direkten Kontakt mit der mechanisch schwingfähigen Einheit 1 kommt. Die einzelnen Dichtewerte werden hier einer Auswerteeinheit 5 zugeführt, welche eine Änderung des Wachstums bzw. den Wert des Wachstums angibt.
Es besteht auch die Möglichkeit, mit einem zweiten Sensor 4 durch zyklisches Reinigen den tatsächlichen Mediumsdichtewert zu erfassen, während man mit dem beschriebenen Sensor 1 langfristig die Veränderung der Mediumsqualität betrachten kann. Die tatsächliche Mediumsdichte kann mit einem Coriolis-Messgerät als Referenzdichte periodisch ausgewertet werden und mit der scheinbaren Dichte der Stimmgabel verglichen wenden.
Die scheinbare Dichte ändert sich auch, wenn die Flüssigkeit einen Ansatz, Bodensatz oder Kristalle bildet. Damit können besonders die langsamen Kristallisationsprozesse oder die Sedimentation in Chemie oder eine Schleimablagerung beobachtet werden.
Beispielhafte Anwendungsgebiete der vorgeschlagenen Lösung sind: Biochemie, Pharma (Biochemische Prozesse); Lebensmittelindustrie (Gärungsprozesse); Chemie (Ansatz, Sedimentation, Filtration) oder Wasser/Abwasser. Die Dichteauswertung mittels einer Stimmgabel erlaubt dabei jeweils das Wachstum einer biologischen Substanz wie Bakterien oder Schimmel in Flüssigkeiten festzustellen.
In der 2 ist graphisch aufgetragen, wie sich die mit der mechanisch schwingfähigen Einheit gemessene Dichte (Y-Achse; Änderung in g/cm³ relativ zum Sollwert des Mediums) über die Zeit (X-Achse; Tage) ändert, wenn es sich bei dem Medium beispielsweise um Süßwasser (Normierung auf 20,0°C, abgekocht) handelt. Wie deutlich zu erkennen, ändert sich die scheinbare Dichte mit der Zeit, was darauf zurückzuführen ist, dass es zu Schimmel- bzw. Bakterienwachstum an den Sensorflächen der mechanisch schwingfähigen Einheit kommt. Wird die mechanisch schwingfähige Einheit gereinigt, so ist der gemessene Wert wiederum gleich dem Sollwert. Es lässt sich somit das Wachstum der biologischen Substanz durch eine steigende Abweichung der Dichte erkennen, wenn bekannt ist, dass im Behälter keine Veränderung der Mediumsdichte stattfindet.
Bezugszeichenliste

1: Mechanisch schwingfähige Einheit
2: Behälter
3: Medium
4: Dichtemesseinheit
5: Auswerteeinheit

Claims

Verfahren zur Bestimmung und/oder Überwachung mindestens des Wachstums einer biologischen Substanz in einem Medium (3), wobei mindestens eine mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, wobei die mechanischen Schwingungen von der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) abgegriffen werden, und wobei mindestens eine Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) in Hinsicht auf das Wachstum der biologischen Substanz ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der zumindest einen Kenngröße der mechanischen Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) eine Aussage über die Dichte des Mediums (3) gewonnen wird, dass die gewonnene Aussage über die Dichte mit einem hinterlegten Wert der Dichte des Mediums (3) verglichen wird, und dass ausgehend von dem Vergleich das Wachstum der biologischen Substanz bestimmt und/oder überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Mediums mit einer Dichtemesseinheit (4) bestimmt und/oder überwacht wird, und dass ausgehend von der Messung der Dichtemesseinheit (4) der Wert der Dichte des Mediums (3) hinterlegt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der biologischen Substanz um einen Pilz und/oder um ein Bakterium und/oder um eine zur Kristallisation neigende Substanz handelt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch schwingfähige Einheit (1) zu mechanischen Schwingungen in ihrer Grundmode angeregt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über die Schwingfrequenz der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) die Aussage über die Dichte des Mediums (3) gewonnen wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit (1) um eine Schwinggabel oder um einen Einstab oder um einen Membranschwinger handelt.