DE102010063031A1

DE102010063031A1 - Potentiometrischer Sensor und Verfahren zur Inbetriebnahme eines potentiometrischen Sensors

Info

Publication number: DE102010063031A1
Application number: DE102010063031A
Authority: DE
Inventors: Thilo Trapp; Torsten Pechstein
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2012-06-14
Also published as: US20120152765A1; CN102565165A; US9217724B2; CN102565165B

Abstract

Ein potentiometrischer Sensor (1, 101) umfasst ein Gehäuse (6, 106), in dem ein Referenzhalbzellenraum (14, 114) und ein von diesem getrennter Messhalbzellenraum (8, 108) gebildet sind, wobei der Referenzhalbzellenraum (14, 114) einen Referenzelektrolyten (16, 116) und mindestens einen Teil einer ersten Ableitelektrode (17, 117) zum Ableiten eines Referenzpotentials enthält, und der Messhalbzellenraum (8, 108) durch eine Messmembran (9, 109), insbesondere eine pH-sensitive Glasmembran, flüssigkeitsdicht verschlossen ist, und einen Innenelektrolyten (12, 112) und mindestens einen Teil einer zweiten Ableitelektrode (11, 111) zum Ableiten eines Messhalbzellenpotentials aufweist, wobei sich durch eine Wand des Gehäuses (6, 106) eine in den Referenzhalbzellenraum (14, 114) mündende, gegenüber einem das Gehäuse (6, 106) umgebenden Medium (3, 103) verschlossene Durchgangsöffnung (15, 115) erstreckt, und wobei der potentiometrische Sensor (1, 101) Mittel zur Herstellung eines elektrolytischen Kontaktes durch die Durchgangsöffnung (15, 115) zwischen dem Referenzelektrolyten und dem das Gehäuse (6, 106) umgebenden Medium (3, 103) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen potentiometrischen Sensor, insbesondere zur Verwendung in der Einweg-Messtechnik für biologische, pharmazeutische oder biotechnologische Prozesse, umfassend ein Gehäuse, in dem ein Referenzhalbzellenraum und ein von diesem getrennter Messhalbzellenraum gebildet sind, wobei der Referenzhalbzellenraum einen Referenzelektrolyten und mindestens einen Teil einer ersten Ableitelektrode zum Ableiten eines Potentials der Referenzhalbzelle enthält, und der Messhalbzellenraum durch eine Messmembran, insbesondere eine pH-sensitive Glasmembran, flüssigkeitsdicht verschlossen ist, und einen Innenelektrolyten und mindestens einen Teil einer zweiten Ableitelektrode zum Ableiten eines Potentials der Messhalbzelle aufweist.
Pharmazeutische, chemische, biologische, biochemische oder biotechnologische Prozesse werden in zunehmendem Maße in Einwegbehältern (englischer Fachbegriff: disposables bzw. disposable bioreactors) als Prozessbehältern durchgeführt. Solche Einwegbehälter können beispielsweise flexible Behälter, z. B. Beutel, Schläuche oder Fermenter bzw. Bioreaktoren sein. Bioreaktoren oder Fermenter besitzen häufig Zu- und Ableitungen, die beispielsweise als Schläuche ausgestaltet sein können. In die Zu- und Ableitungen können auch feste Rohrstücke eingesetzt sein. Nach Beendigung eines Prozesses können die Einwegbehälter entsorgt werden. Auf diese Weise werden aufwendige Reinigungs- und Sterilisationsverfahren vermieden. Insbesondere wird durch den Einsatz von Einweg-Behältern das Risiko von Kreuzkontaminationen verhindert und damit die Prozesssicherheit erhöht.
Die in den Einwegbehältern durchgeführten Prozesse laufen in einem geschlossenen System, d. h. ohne Verbindung zur Umgebung außerhalb der Einwegbehälter ab. Da häufig sterile Bedingungen erforderlich sind, müssen die Einwegbehälter vor dem Einbringen der Prozessmedien sterilisiert werden. Zu diesem Zweck kommt in biochemischen, biologischen, biotechnologischen und pharmazeutischen Anwendungen häufig Gammastrahlung zum Einsatz. Auch während die Prozesse in einem Einwegfermenter oder Einwegreaktor ablaufen, muss das Eindringen von Fremdsubstanzen, insbesondere von Keimen, aus der Umgebung in das Innere des Prozessbehälters vermieden werden, um den Prozessablauf nicht zu beeinträchtigen oder zu verfälschen.
Um die Prozesse zu überwachen oder zu kontrollieren, kann es notwendig sein, physikalische oder chemische Messgrößen der in dem Prozessbehälter enthaltenen Medien zu messen. Zu überwachende Messgrößen können beispielsweise Temperatur, pH-Wert, Zelldichte, optische Transmission oder eine Konzentration einer chemischen Substanz, beispielsweise einer bestimmten Ionenart, eines bestimmten Elements oder einer bestimmten Verbindung, sein.
Eine Möglichkeit zur Messung zumindest einiger dieser Messgrößen besteht in der Verwendung optischer Sensoren. Beispielsweise können in dem Behälter optisch auslesbare sensorisch aktive Flächen (Fachbegriff: optische Sensorspots) angeordnet sein, die durch ein Fenster kontaktlos von außen angesprochen werden können. Die für die Sensorspots genutzten Fluoreszenzfarbstoffe sind jedoch empfindlich gegenüber der zur Sterilisation genutzten Gammastrahlung und auch gegenüber aggressiven chemischen Bedingungen, wie sie insbesondere bei der Aufreinigung der biotechnologisch hergestellten Produkte im Downstream-Prozess auftreten können. Eine andere Möglichkeit besteht in der Verwendung elektrochemischer, insbesondere potentiometrischer, Sensoren, insbesondere zur Bestimmung des pH-Werts oder einer Ionenkonzentration in dem Prozessmedium. Im Gegensatz zu optischen Sensoren ist es bei potentiometrischen Sensoren jedoch erforderlich, dass diese mit einem Eintauchbereich, der eine sensitive, z. B. pH-sensitive, Messmembran umfasst, in unmittelbaren Kontakt mit dem zu überwachenden Prozessmedium gebracht werden.
In der internationalen Patentanmeldung WO 2009/071829 A2 und der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 005 533 A1 sind aufwändige mechanische Kopplungssysteme beschrieben, die ein steriles Einführen eines extern sterilisierten Sensors in einen Einwegbehälter ermöglichen.
Aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2007 000 152 U1 ist eine Vorrichtung zur Befestigung einer optischen Sonde an einem Behälter mit flexibler Wand bekannt, bei der die Sonde mit einer rückwärtigen Teilfläche an einer Innenseite der Behälterwand anliegt und mit einem Zentralstück durch eine Öffnung der Behälterwand hindurchgeführt ist, wobei das Zentralstück durch eine Klemmung an der Behälterwand fixiert ist.
Um den Einsatz eines als Einweg-Fermenter oder Einweg-Bioreaktor dienenden Behälters besonders einfach zu gestalten, kann die potentiometrische Sonde bereits vor der Sterilisation, beispielsweise durch Bestrahlung mit Gammastrahlung, über einen Anschluss fest in eine Wand des Behälters eingebaut werden und für die Dauer der Lagerung und Verwendung darin verbleiben. Während die tatsächliche Einsatzzeit des Einwegbehälters nur wenige Wochen beträgt, können Lagerzeiten in der Größenordnung eines oder mehrerer Jahre auftreten.
Potentiometrische Sensoren, beispielsweise pH-Glaselektroden oder ionenselektive Elektroden, die häufig als Einstabmessketten ausgestaltet sind, weisen eine Referenz- und eine Messhalbzelle auf, die einen flüssigen oder gelartigen Innenelektrolyten enthalten. Der Innenelektrolyt der Referenzhalbzelle, auch als Referenzelektrolyt bezeichnet, steht über eine Überführung, beispielsweise ein poröses Diaphragma, in Kontakt mit der Umgebung der Referenzelektrode, um im Messbetrieb beim Eintauchen des potentiometrischen Sensors in ein zu überwachendes Prozessmedium einen elektrolytischen Kontakt zwischen dem Referenzelektrolyten und dem Prozessmedium zu gewährleisten. Dadurch besteht jedoch bei längerer Lagerung eines in einem Einwegbehälter integrierten Sensors die Gefahr, dass der Referenzelektrolyt austrocknet, oder dass zumindest Luft über die Überführung in den Referenzhalbzellenraum eindringt und den Kontakt des Referenzelektrolyten zur Umgebung unterbricht. Das Austrocknen kann zu einer Drift und/oder zur Verschlechterung der Messgenauigkeit des Sensors führen. Bei fortgeschrittenem Austrocknen des Referenzelektrolyten fällt die Referenzhalbzelle dauerhaft aus.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine potentiometrische Sonde anzugeben, die zur Überwachung einer physikalischen oder chemischen Messgröße eines zu überwachenden Messmediums in einem, insbesondere auch flexiblen, Prozessbehälter, beispielsweise einem Einweg-Fermenter oder Einweg-Bioreaktor, insbesondere auch in dessen Zu- oder Ableitungen, geeignet ist, und die auch bei langen Lagerungszeiten noch eine ausreichende Messqualität gewährleistet.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen potentiometrischen Sensor umfassend ein Gehäuse, in dem ein Referenzhalbzellenraum und ein von diesem getrennter Messhalbzellenraum gebildet sind,
wobei der Referenzhalbzellenraum einen Referenzelektrolyten und mindestens einen Teil einer in den Referenzelektrolyten eintauchenden ersten Ableitelektrode zum Ableiten eines Referenzpotentials enthält,
und der Messhalbzellenraum durch eine Messmembran, insbesondere eine pH-sensitive Glasmembran, flüssigkeitsdicht verschlossen ist, und einen Innenelektrolyten und mindestens einen Teil einer in den Innenelektrolyten eintauchenden zweiten Ableitelektrode zum Ableiten eines Messhalbzellenpotentials aufweist,
wobei sich durch eine Wand des Gehäuses eine in den Referenzhalbzellenraum mündende, gegenüber einem das Gehäuse umgebenden Medium zumindest zeitweise verschlossene Durchgangsöffnung erstreckt,
und wobei der potentiometrische Sensor Mittel zur Herstellung eines elektrolytischen Kontaktes durch die Durchgangsöffnung zwischen dem Referenzelektrolyten und dem das Gehäuse umgebenden Medium aufweist.
Durch den Referenzhalbzellenraum, den darin aufgenommenen Referenzelektrolyten und die in den Referenzelektrolyten eintauchende Ableitelektrode wird eine Referenzhalbzelle des potentiometrischen Sensors gebildet. Durch den Messhalbzellenraum, den darin aufgenommenen Innenelektrolyten und die darin eintauchende Ableitelektrode wird eine Messhalbzelle des potentiometrischen Sensors gebildet.
Die Referenzhalbzelle ist zunächst, insbesondere bis zur Inbetriebnahme, gegenüber der Umgebung des potentiometrischen Sensors vollständig abgeschlossen. Zur Herstellung des für die Messung erforderlichen elektrolytischen Kontaktes zwischen dem Referenzelektrolyten und einem das Gehäuse umgebenden Medium, z. B. einem zu überwachenden Prozessmedium, weist der Sensor Mittel auf, einen solchen Kontakt durch die Durchgangsöffnung zwischen dem Referenzhalbzellenraum und der Umgebung herzustellen. Unter einem elektrolytischen Kontakt wird eine Verbindung zwischen dem Referenzelektrolyten und dem Prozessmedium verstanden, die mindestens den Austausch von Ladungsträgern, insbesondere Ionen, zwischen dem Prozessmedium und dem Referenzelektrolyten erlaubt. Mögliche Ausgestaltungen dieser Mittel werden im Folgenden noch näher beschrieben. Indem es möglich ist, den elektrolytischen Kontakt erst bei Bedarf herzustellen, kann der Sensor beispielsweise während der Lagerung, d. h. vor der ersten Inbetriebnahme zur Überwachung eines biologischen, pharmazeutischen oder biotechnologischen Prozesses, komplett gegenüber der Umgebung geschlossen gehalten werden, um ein Austrocknen der Innenelektrolyten, insbesondere des Referenzelektrolyten, und eine damit einhergehende Einbuße der Messgenauigkeit zu verhindern. Idealerweise wird erst bei Inbetriebnahme der elektrolytische Kontakt hergestellt. Somit ist es möglich, die Innenelektrolyten über einen langen Zeitraum bei gleich bleibender Qualität zu lagern, so dass nach Inbetriebnahme eine Messung ausreichender Qualität gewährleistet ist.
Die Durchgangsöffnung kann zu diesem Zweck mindestens zeitweise mit einem oder mehreren Verschlussmitteln verschlossen sein, die dazu ausgestaltet sind, die Austrocknung der Referenzhalbzelle zu unterbinden oder zumindest zu verzögern. Unter der Austrocknung wird das Verdampfen und Entweichen einer Flüssigkeit, insbesondere eines Lösungsmittels, z. B. von Wasser, das einen Bestandteil des Referenzelektrolyten bildet, verstanden.
Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise als Durchgangsbohrung ausgestaltet sein.
Der potentiometrische Sensor kann eine mit der ersten und zweiten Ableitelektrode verbundene Messschaltung umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, eine Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotential und dem Messhalbzellenpotential zu erfassen und als Messsignal auszugeben und/oder weiterzuverarbeiten. Die Messschaltung kann insbesondere einen Analog/Digital-Wandler zur Digitalisierung der Messsignale aufweisen. Außerdem kann die Messschaltung einen Steckkontakt zur Verbindung des Sensors mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise mit einem herkömmlichen Messumformer, der mit dem Steckkontakt über eine Kabelverbindung verbunden werden kann, aufweisen.
Die Messschaltung und der Steckkontakt können in einem am der Messmembran gegenüberliegenden Ende des Sensors angeordneten Steckkopf integriert sein, der das Gehäuse für die Messschaltung und eine mechanische und/oder elektrische Schnittstelle zum Anschluss eines mit der übergeordneten Einheit verbunden mechanischen Gegenstück bildet. Die Mittel zur Schaffung eines elektrolytischen Kontaktes zwischen dem Referenzelektrolyten und dem Prozessmedium können durch Anschließen des Steckkopfes an das mechanische Gegenstück, beispielsweise einen Kabelanschluss, betätigbar sein. Das mechanische Gegenstück kann beispielsweise eine Buchse eines Kabelanschlusses sein, in die der Steckkopf des Sensors eingreift.
In einer Ausgestaltung kann die Durchgangsöffnung mittels einer elektrisch leitfähigen Folie. verschlossen sein, wobei die Mittel zur Schaffung eines elektrolytischen Kontaktes elektrische Anschlüsse an die leitfähige Folie umfassen, über die die Folie mit einem Stromimpuls beaufschlagbar ist. Durch Beaufschlagung mit einem Stromimpuls kann die Folie zerstört, z. B. durchgebrannt oder aufgeschmolzen werden, so dass eine Flüssigkeitspassage zwischen dem Referenzhalbzellenraum und der Umgebung außerhalb des Sensorgehäuses durch die Durchgangsöffnung entsteht, und so ein elektrolytischer Kontakt zwischen dem Referenzelektrolyten und einem Prozessmedium, in das der Sensor eintaucht, hergestellt wird.
In einer anderen Ausgestaltung ist die Durchgangsöffnung mit einer Wand, insbesondere einer Membran, einer Folie oder einem Stopfen verschlossen, wobei die Mittel zur Schaffung eines elektrolytischen Kontaktes durch die Durchgangsöffnung ein Stichwerkzeug, insbesondere eine Nadel oder eine Kanüle, umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, durch eine im wesentlichen axial bezüglich der Durchgangsöffnung verlaufende Bewegung die Wand oder den Stopfen zu durchstechen, und so eine Flüssigkeitspassage zwischen dem Referenzhalbzellenraum und der Umgebung des Gehäuses herzustellen.
In einer anderen Ausgestaltung ist durch die Durchgangsöffnung eine Schubstange geführt, welche einen ersten innerhalb des Referenzhalbzellenraums und zumindest teilweise durch die Durchgangsöffnung hindurch verlaufenden ersten Abschnitt und einen aus der Durchgangsöffnung in die Umgebung des Gehäuses hinausragenden zweiten Abschnitt aufweist,
wobei der Durchmesser der Schubstange im ersten Abschnitt kleiner ist als der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung und wobei der Durchmesser der Schubstange im zweiten Abschnitt größer ist als der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung. Der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt kann als radiale Schulter ausgestaltet sein, die in einer ersten Stellung vor Inbetriebnahme des Sensors außen an der Gehäusewand anliegt und die Durchgangsöffnung gegenüber der Umgebung des Sensorgehäuses verschließt. Vor Inbetriebnahme kann durch eine axiale Bewegung der Schubstange bezüglich der Durchgangsöffnung der zweite Abschnitt weiter nach außen geschoben werden, so dass die Schulter von der Gehäusewand abgehoben wird und einen Ringspalt zwischen der Schubstange und der Durchgangsöffnung freigibt, durch den ein Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Referenzhalbzellenraum und der Umgebung möglich ist.
In einer weiteren Ausgestaltung kann die Durchgangsöffnung durch eine Wand, eine Membran, eine Folie oder einen Stopfen aus einem Polymermaterial verschlossen sein, welches im Referenzelektrolyten unlöslich ist, und sich in Kontakt mit einem Prozessmedium, insbesondere einem Nährmedium für Mikroorganismen eines biotechnologischen Prozesses ionenleitfähig und fortschreitend auflöst.
Der Referenzelektrolyt kann durch ein Gemisch aus Ag/AgCl mit einem Gelbildner gebildet sein. Dabei kann ein Hohlraum innerhalb des Referenzhalbzellenraums teilweise mit festem AgCl/KCl und dem Gelbildner, beispielsweise Zellulose, gefüllt sein und so ausgebildet sein, dass über eine Öffnung später einzufüllendes Medium eindringen kann, so dass das KCl in Lösung geht. Die Ableitelektrode der Referenzhalbzelle ist so angeordnet, dass sie in Kontakt mit dem Hohlraum und dem darin aufgenommenen Elektrolyten steht.
Ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines potentiometrischen Sensors nach einer der voranstehend beschriebenen Ausgestaltungen zum Überwachen einer Messgröße in einem Prozess umfasst die Schritte:

– Bereitstellen des potentiometrischen Sensors in einem abgeschlossenen Prozessbehälter;
– In Kontakt bringen eines Eintauchbereichs des potentiometrischen Sensors, welcher die Messmembran und die Durchgangsöffnung umfasst, mit einem Prozessmedium eines in dem. Prozessbehälter durchzuführenden, insbesondere biotechnologischen Prozesses;
– Herstellen eines elektrolytischen Kontaktes zwischen dem Referenzelektrolyten und dem Prozessmedium.

Das Bereitstellen des Sensors in einem abgeschlossenen Prozessbehälter kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Sensor an in der Prozessbehälterwand vorgesehenen Anschlussmitteln befestigt wird und mit der Behälterwand fest verbunden bleibt. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Sensor stoffschlüssig fest mit der Behälterwand zu verbinden und in diese zu integrieren, beispielsweise durch Einkleben oder Einschweißen. Dabei wird der Sensor vorzugsweise so in der Behälterwand befestigt, dass mindestens ein zum Kontakt mit dem zu überwachenden Prozessmedium vorgesehener Eintauchbereich des Sensors in den Behälter hineinragt, während elektrische Anschlussmittel des Sensors über die die Messschaltung des Sensors mit einer übergeordneten Elektronik-Einheit verbunden werden kann, aus dem Behälter herausragen und/oder von außerhalb des Behälters zugänglich sind.
Der in dem Prozessbehälter bereitgestellte Sensor kann gleichzeitig mit dem Prozessbehälter sterilisiert werden, beispielsweise durch Bestrahlung mit Gammastrahlung, und im sterilisierten Zustand über lange Zeiträume, beispielsweise über einen Zeitraum von mehr als einem Monat, mehr als einem Jahr oder sogar mehrere Jahre gelagert werden.
Das Verfahren kann das Durchführen einer Ein-Punkt-Kalibrierung des potentiometrischen Sensors basierend auf einem von dem potentiometrischen Sensor in dem Prozessmedium erfassten Messwert umfassen.
Insbesondere kann die Ein-Punkt-Kalibrierung die Schritte umfassen:

– Erfassen eines Messwerts der Messgröße des Prozessmediums als aktueller Kalibriermesswert mittels des potentiometrischen Sensors,
– Aktualisieren einer in einem dem potentiometrischen Sensor zugeordneten Speicher, insbesondere in einer mit dem potentiometrischen Sensor verbundenen übergeordneten Einheit, hinterlegten, vorgegebenen Kennlinie, gemäß derer ein Signal des potentiometrischen Sensors auf einen Messwert abgebildet wird, anhand des aktuellen Kalibriermesswerts.

Der Begriff der Kalibrierung wird, insbesondere in der pH-Messung, häufig anders gebraucht, als allgemein üblich. Allgemein versteht man unter der Kalibrierung die Überprüfung der Anzeige eines Messgerätes mit einem Standard; die Abweichung zwischen wahrem Wert und Anzeigewert wird festgestellt. Das Angleichen des Anzeigewertes an den wahren Wert wird als Justieren bezeichnet. Die Kalibrierung beim pH-Sensor stellt strenggenommen eine Justierung dar. Da der Begriff Kalibrierung in der Elektrochemie weit verbreitet ist, wird er auch hier verwendet.
Die übergeordnete Einheit kann beispielsweise eine Datenverarbeitungsanlage, beispielsweise ein Messumformer sein, der mit der Messschaltung des potentiometrischen Sensors verbunden ist. Über die Verbindung werden Sensorsignale an die Datenverarbeitungsanlage ausgegeben, ggfs. über eine zwischengeschaltete weitere Schaltung, die die Sensorsignale weiter verarbeitet und/oder digitalisiert, und in der Datenverarbeitungslage anhand einer dort hinterlegten Kennlinie auf einen Messwert abgebildet. Die Kennlinie kann bei einem potentiometrischen pH-Sensor oder einer ionenselektiven Elektrode eine Gerade sein, deren Steigung vorgegeben ist, und deren Nullpunkt bzw. Achsenabschnitt anhand der Ein-Punkt-Kalibrierung unter Verwendung des aktuellen Kalibriermesswerts angepasst wird. Die Anpassung erfolgt anhand eines Vergleichs des aktuellen Kalibriermesswerts mit dem bekannten Wert der Messgröße in dem Prozessmedium. Der Wert der Messgröße in dem Prozessmedium kann beispielsweise aufgrund einer Referenzmessung bekannt sein. Häufig werden in Prozessen aber auch hinsichtlich bestimmter Messgrößen, wie beispielsweise hinsichtlich des pH-Werts, standardisierte Prozessmedien eingesetzt. Dann kann auf das Erfassen eines Referenzmesswerts verzichtet werden. Stattdessen kann der aktuelle Kalibriermesswert mit dem aufgrund der Spezifikation des Prozessmediums bekannten Messwert verglichen werden.
Das Prozessmedium kann ein Nährmedium für Mikroorganismen eines biotechnologischen Prozesses sein, dessen chemische. Zusammensetzung und dessen Wert der von dem Messgerät zu überwachenden Messgröße bekannt ist. Bei einem biotechnologischen Prozess, bei dem ein gewünschtes Produkt durch Mikroorganismen hergestellt wird, wird häufig ein Nährmedium für die Organismen zugeführt, das einer engen Spezifikation unterliegt. Ein wichtiger Parameter des Nährmediums ist beispielsweise auch der pH-Wert, der in der Regel individuell auf mindestens 0,1 bis 0,05 pH bekannt ist Anhand der bekannten Spezifikationen des Nährmediums kann somit durch Vergleich mit dem von dem Sensor im Nährmedium erfassten Messwert eine Ein-Punkt-Kalibration, beispielsweise in der voranstehend beschriebenen Weise durchgeführt werden.
Neben dem pH-Wert kann die durch den potentiometrischen Sensor zu überwachende Messgröße auch eine Ionenkonzentration des Messmediums sein.
Die Kennlinie kann beispielsweise eine Gerade sein, wobei anhand des aktuellen Kalibriermesswerts der Nullpunkt (Achsenabschnitt) der Geraden korrigiert wird.
Der Prozessbehälter kann ein Einweg-Behälter zur Verwendung in einem biotechnologischen Prozess, insbesondere ein flexibler Behälter, ein Beutel-Fermenter, ein Schlauch, oder eine Rohrverbindung sein.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines potentiometrischen Sensors in einer ersten Ausgestaltung vor Inbetriebnahme;
2 eine schematische Darstellung des potentiometrischen Sensors in der ersten Ausgestaltung nach Inbetriebnahme;
3 eine schematische Darstellung des potentiometrischen Sensors in einer zweiten Ausgestaltung vor Inbetriebnahme;
4 eine schematische Darstellung des potentiometrischen Sensors in der zweiten Ausgestaltung nach Inbetriebnahme.
In 1 ist als erstes Ausführungsbeispiel schematisch ein potentiometrischer pH-Sensor 1 dargestellt, der in der Wand eines flexiblen Einwegbehälters 2 fixiert ist. Im Einwegbehälter 2 ist ein Prozessmedium 3, im vorliegenden Beispiel ein Nährmedium für Mikroorganismen eines biotechnologischen Prozesses, enthalten. Der Sensor 1 kann in der Wand des Einwegbehälters 2 eingeschweißt, oder auch in einem Anschluss mechanisch lösbar fixiert sein. Der Sensor 1 umfasst eine Messhalbzelle 4 und eine Referenzhalbzelle 5, die in einem Gehäuse 6 aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus Glas und/oder Kunststoff, gebildet sind.
Die Messhalbzelle 4 weist ein inneres rohrförmiges Gehäuseteil 7, welches einen Messhalbzellenraum 8 umgibt, auf. Der Messhalbzellenraum 8 ist an seinem medienseitigen Ende durch eine pH-sensitive Messmembran 9 verschlossen und weist an seinem gegenüberliegenden Ende 10 einen nicht näher dargestellten Verschluss auf, durch den eine Ableitelektrode 11, die zur Ableitung des Messhalbzellenpotentials dient, geführt ist. Die Ableitelektrode 11 kann beispielsweise ein metallischer Draht, beispielsweise ein Silberdraht, sein. Der Verschluss kann durch eine Verklebung, eine Verschmelzung der Gehäusewand oder einen Stopfen gebildet sein. Der Messhalbzellenraum 8 ist zumindest teilweise mit einem Innenelektrolyten 12, vorzugsweise einer Pufferlösung, befüllt, in den die Ableitelektrode 11 eintaucht. Diese dient zur Ableitung des sich an der Messmembran 9 einstellenden Potentials, welches ein Maß für den H⁺- bzw. H₃O⁺-Ionen-Gehalt des Prozessmediums 3, d. h. für den pH-Wert des Prozessmediums 3, ist.
Die Referenzhalbzelle 5 weist einen von einem äußeren, eine Ringkammer bildenden Gehäuseteil 13 umgebenen Referenzhalbzellenraum 14 auf. Das ringförmige Gehäuseteil 13 umgibt das die Messhalbzelle 4 enthaltende rohrförmige Gehäuseteil 7 und ist mit diesem fest verbunden, so dass die Referenzhalbzelle 5 und Messhalbzelle 4 zusammen eine Einstabmesskette bilden. In einem zum Kontakt mit dem Prozessmedium 3 vorgesehenen medienseitigen Eintauchbereich des potentiometrischen Sensors 1 weist das ringkammerförmige Gehäuseteil 13 eine als Durchgangsbohrung ausgestaltete Durchgangsöffnung 15 auf, welche sich vom Referenzhalbzellenraum 14 durch eine, hier medienseitige, Wand des Gehäuseteils 13 zur Umgebung hin erstreckt, und so eine Verbindung zwischen dem im Gehäuseteil 13 gebildeten Referenzhalbzellenraum 14 und der Umgebung des Sensors 1, also dem Inneren des Prozessbehälters 2, bildet. Der Referenzhalbzellenraum 14 ist mindestens teilweise mit einem Referenzelektrolyten 16 gefüllt, in den eine als chloridierter Silberdraht ausgestaltete Ableitelektrode 17 eintaucht. Als Referenzelektrolyt 16 kann beispielsweise eine wässrige 3 M KCl-Lösung dienen.
Am vom Medium abgewandten, aus dem Einwegbehälter 2 herausragenden Ende des potentiometrischen Sensors ist ein Steckkopf 18 angeordnet. Der Steckkopf 18 umgibt und schützt eine darin untergebrachte Messschaltung 19, die mit der Ableitelektrode 11 der Messhalbzelle und der Ableitelektrode 17 der Referenzhalbzelle leitfähig verbunden ist, und die dazu ausgestaltet ist, eine Potentialdifferenz zwischen der Messhalbzelle 4 und der Referenzhalbzelle 5 zu erfassen und als Messsignal auszugeben. Optional kann die Messschaltung 19 einen Analog/Digital-Wandler zur Digitalisierung des Messsignals aufweisen. Der Steckkopf 18 bildet eine Schnittstelle zum Anschluss eines Anschlussgegenstücks beispielsweise eines Kabels, das den Sensor 1 mit einer übergeordneten Einheit, beispielsweise einem Messumformer, verbindet, um das Messsignal an die übergeordnete Einheit weiterzuleiten, die das Messsignal weiterverarbeitet.
Die Durchgangsöffnung 15 ist im Zustand vor Inbetriebnahme des Sensors 1, wie in 1 dargestellt, durch eine Membran 20, beispielsweise eine Polymermembran, verschlossen, die auf der Außenseite des Gehäuseteils 13 aufgebracht ist und die Durchgangsöffnung 15 vollständig überdeckt. Alternativ kann die Durchgangsöffnung 15 auch durch eine Metallfolie oder einen Stopfen verschlossen sein. Möglich ist es auch, anstelle einer Durchgangsöffnung 15 eine Sackbohrung vorzusehen, die so tief in die Gehäusewand hineinragt, dass referenzhalbzellenseitig oder umgebungsseitig nur eine dünne, membranartige Gehäusewand übrig bleibt, die die Bohrung gegenüber der Umgebung des Gehäuseteils 13 verschließt Die gegenüberliegende Gehäusewand des Gehäuseteils 13 weist eine weitere als Durchgangsbohrung ausgestaltete Durchgangsöffnung auf, durch die eine Schubstange 21 axial geführt ist, die an ihrem der Membran 20 zugewandten Ende ein Stichwerkzeug 22, beispielsweise eine. Nadel oder eine Kanüle, aufweist. An ihrem dem Stichwerkzeug 22 entgegengesetzten, aus dem Gehäuseteil 13 herausragenden Ende weist die Schubstange eine Verdickung auf, die als Anschlag für eine axiale Bewegung der Schubstange in Richtung der Membran 20 dient. Die Schubstange 21 ist mit einem innerhalb des Referenzhalbzellenraums 14 angeordneten, an der Gehäusewand des Gehäuseteils 13 fixierten Rückstellelement 23, das im hier gezeigten Beispiel als elastische Barriere ausgestaltet ist, fest verbunden. In der in 1 dargestellten Ruhelage der Schubstange 21 ist diese durch das Rückstellelement 23 in einer axialen Position gehalten, in der das Stichwerkzeug 22 in den Referenzhalbzellenraum 14 zurückgezogen ist. Vorzugsweise ist der Referenzhalbzellenraum 14 gegenüber der Umgebung des Prozessbehälters 2, beispielsweise durch ein in dem Ringspalt zwischen der Schubstange 21 und der weiteren Durchgangsöffnung angeordnetes Dichtelement (nicht dargestellt), abgedichtet, um die Sterilität des Behälterinneren zu gewährleisten.
In 2 ist schematisch die Inbetriebnahme des potentiometrischen Sensors 1 des ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Hierzu erfolgt durch Kraftausübung in Pfeilrichtung auf die Schubstange 21 eine axiale Bewegung der Schubstange 21 zur Membran 20 hin, so dass das Stichwerkzeug 22 in die Durchgangsöffnung 15 eingeführt wird und die Membran 20 durchsticht. Die Membran 20, und entsprechend auch eine alternativ verwendete Folie, Wand oder Stopfen, ist deshalb so dünn gestaltet, dass sie durch Kraftausübung auf die Schubstange durchstochen werden kann. Durch die vom Rückstellelement 23 auf die Schubstange 20 ausgeübte Rückstellkraft wird die Schubstange 21 wieder in ihre Ruhelage zurückbewegt. Durch die durchstochene Membran 20 ist nunmehr ein Flüssigkeitsaustausch, insbesondere ein Austausch von Ladungsträgern, zwischen dem Referenzhalbzellenraum 14 und der Umgebung des Gehäuses 6 möglich. Somit ist ein elektrolytischer Kontakt zwischen dem Referenzelektrolyten 16 und dem den Sensor 1 zumindest in dessen Eintauchbereich umgebenden Prozessmedium 3 hergestellt.
In 3 ist als zweites Ausführungsbeispiel ein potentiometrischer pH-Sensor 101 dargestellt, der ebenfalls fest in der Wand eines ein Prozessmedium 103 enthaltenden Einwegbehälters 102 integriert ist. Der Aufbau des Sensors 101 ist bezüglich der Ausgestaltung der Messhalbzelle 104 und der Referenzhalbzelle 105 im wesentlichen identisch mit dem Aufbau des im ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Sensors 1. Die Messhalbzelle 104 weist ebenfalls ein rohrförmiges, einen Messhalbzellenraum 108 umgebendes Gehäuseteil 107 auf. Der Messhalbzellenraum 108 ist an seinem medienseitigen Ende durch eine pH-sensitive Messmembran 109, beispielsweise eine Glasmembran, verschlossen und an seinem rückseitigen Ende durch einen Verschluss abgeschlossen, durch den eine Ableitelektrode 111 geführt ist. Im Messhalbzellenraum 108 befindet sich ein Innenelektrolyt 112, in den die Ableitelektrode 111 zur Ableitung des vom pH-Wert abhängigen Membranpotentials hineinragt. Die Referenzhalbzelle 105 weist wie die Referenzhalbzelle 5 des ersten Ausführungsbeispiels ein einen ringförmigen Referenzhalbzellenraum 114 bildendes Gehäuseteil 113 auf, welches mit dem Gehäuseteil 107 der Messhalbzelle 108 zur Bildung einer Einstabmesskette fest verbunden ist. Der Referenzhalbzellenraum 114 ist mindestens teilweise mit einem Referenzelektrolyten 116, beispielsweise 3 M KCl-Lösung, gefüllt, in den eine als chloridierter Silberdraht ausgestaltete Ableitelektrode 117 eintaucht. Am aus dem Einwegbehälter 102 herausragenden Ende des Sensors 101 ist ein Steckkopf 118 angeordnet, in dem eine mit den Ableitelektrode 111, 117 verbundene Messschaltung 119 aufgenommen ist. Der Steckkopf 118 dient wie im ersten Ausführungsbeispiel als Schnittstelle zur Verbindung mit einer übergeordneten Einheit, z. B. einem Messumformer, an den die von der Messschaltung 119 anhand der erfassten Potentialdifferenz zwischen den Ableitelektroden 111, 117 erzeugten und ausgegebenen Messsignale zur weiteren Verarbeitung weitergeleitet werden können.
Die mediumsseitige Wand des Gehäuseteils 113 weist eine in den Referenzhalbzellenraum 114 mündende, als Durchgangsbohrung ausgestaltete, Durchgangsöffnung 115 auf, durch die eine Schubstange 124 geführt ist. Die Schubstange 124 weist einen innerhalb des Referenzhalbzellenraums 114 angeordneten und durch die Durchgangsöffnung 115 verlaufenden ersten Abschnitt auf, dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser der Durchgangsöffnung 115. An diesen ersten Abschnitt schließt ein aus der Durchgangsöffnung 115 heraus ragender zweiter Abschnitt an, der als Verdickung 125 der Schubstange 124 ausgestaltet ist und einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Durchmesser der Durchgangsöffnung 115. Der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt bildet einen von außen gegen die Wand des Gehäuseteils 113 anliegenden Anschlag 125.
Die Schubstange 124 erstreckt sich durch eine weitere Durchgangsöffnung 126 in der gegenüberliegenden Wand des Gehäuseteils 113 und ragt aus dieser in die Sensorumgebung heraus. Der Ringspalt zwischen der Schubstange 124 und der Durchgangsöffnung 126 ist gegenüber der Umgebung des Behälters 102 abgedichtet, um einerseits die Dichtigkeit des Referenzhalbzellenraums 114 während der Lagerung des Sensors 1 und andererseits die Sterilität des Prozessbehälters 102 während des Prozesses zu gewährleisten. Am Ende der Schubstange 124 ist ein senkrecht zu dieser verlaufender Mitnahmestift 127 befestigt. In einem Abschnitt der weiteren Durchgangsöffnung 126 ist eine Feder 128 angeordnet, die an einem Ende mit der Schubstange 124 fest verbunden ist oder gegen eine radiale Schulter oder eine oder mehrere radial angeordnete Nasen der Schubstange 124 anliegt und sich an ihrem anderen Ende gegen eine als Verjüngung der weiteren Durchgangsöffnung 126 ausgestaltete Schulter abstützt.
Im in 3 dargestellten Zustand des Sensors 101 vor Inbetriebnahme ist die Feder 128 gegen diese Schulter vorgespannt, so dass der Anschlag 125 fest gegen die Außenseite des Gehäuseteils 113 anliegt. In diesem Zustand ist der Referenzhalbzellenraum 114 vollständig gegenüber der Umgebung, insbesondere gegenüber dem Prozessmedium 103 abgeschlossen.
Wird, wie in 4 dargestellt, bei Inbetriebnahme des Sensors 101 der Steckkopf 118 mit einem Gegenstück 129, beispielsweise einer Buchse eines Anschlusskabels 130 einer übergeordneten Einheit verbunden, wird der Mitnahmestift 127 von dem Gegenstück 129 in medienseitiger Richtung bewegt, so dass eine axiale Verschiebung der Schubstange 124 in medienseitiger Richtung bewirkt wird. Hierzu kann in dem Gegenstück 129 eine mit dem Mitnahmestift 127 zusammenwirkende Führung vorgesehen sein. Dabei wird die Feder 128 stärker gegen die in der weiteren Durchgangsöffnung 126 vorgesehene Schulter gespannt. Gleichzeitig wird die Schubstange 124 weiter in das Prozessmedium 103 geschoben, so dass der Anschlag 125 von der Durchgangsöffnung 115 abgehoben wird und zwischen der Schubstange 124 und der Innenwand der Durchgangsöffnung 115 ein Ringkanal freigegeben wird. Durch den Ringkanal ist ein Austausch von Flüssigkeit und insbesondere Ladungsträgern möglich, so dass zwischen dem Referenzelektrolyten 116 und dem Prozessmedium 103 ein elektrolytischer Kontakt hergestellt ist. Wird das Gegenstück 129 wieder vom Steckkopf 118 gelöst, bewirkt die Rückstellkraft der Feder 128 ein Zurückziehen der Schubstange 124 und damit einhergehend das erneute Verschließen der Durchgangsöffnung 115 durch den Anschlag 125.
Bei beiden hier beschriebenen Ausführungsbeispielen und bei den eingangs beschriebenen weiteren möglichen Ausgestaltungen des Sensors kann bei Inbetriebnahme, nach der Herstellung einer elektrolytischen Verbindung zwischen dem Referenzelektrolyten und dem Prozessmedium eine Ein-Punkt-Kalibrierung durchgeführt werden.
Im Folgenden wird im Detail ein Verfahren zur Inbetriebnahme des Sensors nach einem der beiden voranstehend ausführlich beschriebenen Ausführungsbeispiele oder nach einer der weiter oben beschriebenen weiteren möglichen Ausgestaltungen beschrieben.
Der Sensor wird zunächst in einem Prozessbehälter, insbesondere einem Einweg-Prozessbehälter, bereitgestellt. Hierzu wird er beispielsweise in einem dafür vorgesehenen Anschluss des Prozessbehälters fixiert oder fest mit der Prozessbehälterwand beispielsweise durch Schweißen oder Kleben verbunden. Dabei ragt ein Teil des Sensors, der den für den Kontakt mit dem später zu überwachenden Prozessmedium vorgesehenen Eintauchbereich umfasst, in das Innere des Prozessbehälters hinein. Der Eintauchbereich umfasst mindestens die sensitive Messmembran und die vor Inbetriebnahme noch verschlossene Durchgangsöffnung, über die später der elektrolytische Kontakt zwischen dem Referenzelektrolyten und dem Prozessmedium hergestellt wird. Ein anderer, rückseitiger Teil des Sensors, der mindestens den Steckkopf und einen rückseitigen Abschnitt der Schubstange umfasst, befindet sich außerhalb des Einweg-Behälters oder ist zumindest von außerhalb des Einweg-Behälters zugänglich.
Nach dem Bereitstellen des Sensors in dem Einweg-Behälter kann dieser mit dem Sensor einer Sterilisation, beispielsweise durch Bestrahlung mit Gamma-Strahlung, unterzogen werden. Danach wird der sterilisierte Behälter so lange gelagert, bis er zur Durchführung eines Prozesses zum Einsatz kommt. Da der Elektrolyt enthaltende Refernzhalbzellenraum vollständig gegenüber der Umgebung abgeschirmt ist, wird ein Austrocknen des Elektrolyten und eine damit einhergehende Verschlechterung der Messqualität bzw. das völlige Unbrauchbarwerden des Sensors vermieden.
Wenn der Einweg-Behälter schließlich zur Durchführung eines, beispielsweise biotechnologischen, Verfahrens zum Einsatz kommt, wird der Sensor in Betrieb genommen. Hierzu wird, wie voranstehend in verschiedenen Varianten beschrieben, eine Verbindung zwischen dem Referenzhalbzellenraum und dem Inneren des Prozessbehälters hergestellt, über die ein Austausch von Ladungsträgern, insbesondere von Ionen, erfolgen kann. Zusätzlich wird an den Sensorsteckkopf eine übergeordnete Einheit, beispielsweise ein Messumformer angeschlossen. Die übergeordnete Einheit besitzt eine Auswertungsschaltung zur Verarbeitung der vom Sensor erhaltenen Messsignale. Die Auswertungsschaltung ist in an sich bekannter Weise dazu ausgestaltet, einem Messsignal des Sensors anhand einer in ihrem Speicher hinterlegten Kennlinie einen Messwert der vom Sensor zu überwachenden Messgröße zuzuordnen. Handelt es sich beim dem Sensor um einen potentiometrischen pH-Sensor, wird als der Kennlinie in der Regel eine Gerade, die durch ihren Nullpunkt bzw. Abszissenabschnitt und eine Steigung beschrieben wird, angewendet.
Dem Prozessbehälter wird zunächst ein erstes Prozessmedium zugeführt. Vorzugsweise wird als erstes Prozessmedium eine Substanz zugeführt, die einen bekannten Wert der vom Sensor zu überwachenden Messgröße aufweist. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich auf die Überwachung des pH-Werts, gelten jedoch in gleicher Weise für die Überwachung anderer Messgrößen. Der pH-Wert des ersten Prozessmediums kann beispielsweise durch eine zuvor durchgeführte Referenzmessung ermittelt worden sein. Häufig werden auch Prozessmedien eingesetzt, die einer engen Spezifikation unterliegen. Dies gilt beispielsweise für Nährlösungen in biotechnologischen Prozessen. Die Nährlösungen sind hinsichtlich ihres pH-Werts auf Abweichungen von 0,1 bis 0,05 pH genau spezifiziert. Wenn eine elektrolytische Verbindung. zwischen dem Referenzelektrolyten des Sensors und dem ersten Prozessmedium hergestellt ist, kann das erste Prozessmedium, beispielsweise die Nährlösung, zur Durchführung einer Ein-Punkt-Kalibrierung des Sensors genutzt werden.
Zur Durchführung der Ein-Punkt-Kalibrierung wird mit dem Sensor der pH-Wert des Prozessmediums, beispielsweise der Nährlösung, erfasst und auf einen Messwert abgebildet.
Anhand des Vergleichs zwischen dem bekannten tatsächlichen pH-Wert des Nährmediums und dem anhand des Sensorsignals ermittelten pH-Wert wird die Kennlinie angepasst. Im vorliegenden Fall einer Geraden wird also der Nullpunkt bzw. der Abszissenabschnitt angepasst. Alternativ ist es auch möglich, das Messsignal des pH-Sensors mit einem aus dem bekannten pH-Wert des Prozessmediums, beispielsweise anhand der Nernst-Gleichung, errechneten theoretischen Signal zu vergleichen und anhand dieses Vergleichs den Nullpunkt bzw. den Abszissenabschnitt der Kennlinie anzupassen.
Bei wenig chemisch, mechanisch oder thermisch belasteten pH-Sensoren ist die Steigung im Bereich von 58–59 mV/pH nahe dem theoretischen Wert von 59,2 mV/pH bei 25°C. Da der Nullpunkt der beschriebenen pH-Sensoren mit einer pH-sensitiven Glasmembran in der Regel bei pH = 7 liegt, kommen Fehler durch eine unzureichend kalibrierte Steigung erst bei stark von pH = 7 abweichenden pH-Werten deutlich zum Tragen. Ein Fehler durch einen unzureichend kalibrierten Nullpunkt wirkt sich dagegen über den gesamten pH-Messbereich aus. Da insbesondere in biotechnologischen Prozessen, in denen Mikroorganismen zum Einsatz kommen, in der Regel der pH-Wert im Bereich von pH = 6 bis 8 gehalten wird, stellt ein unzureichend kalibrierter Nullpunkt hier den Hauptfehler dar. Eine Ein-Punkt-Kalibration in der hier beschriebenen Weise reicht deshalb in solchen Applikationen aus, um die wesentlichen, die Messgenauigkeit beeinträchtigenden Fehler auszugleichen.
Nach der erfolgten Ein-Punkt-Kalibrierung können weitere Prozessmedien, insbesondere in einer der beschriebenen biotechnologischen Applikationen die benötigten Mikroorganismen in den Einwegbehälter eingebracht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/071829 A2 [0006]
DE 102006005533 A1 [0006]
DE 202007000152 U1 [0007]

Claims

Potentiometrischer Sensor (1, 101) umfassend ein Gehäuse (6, 106), in dem ein Referenzhalbzellenraum (14, 114) und ein von diesem getrennter Messhalbzellenraum (8, 108) gebildet sind, wobei der Referenzhalbzellenraum (14, 114) einen Referenzelektrolyten (16, 116) und mindestens einen Teil einer in den Referenzelektrolyten (16, 116) eintauchenden ersten Ableitelektrode (17, 117) zum Ableiten eines Referenzpotentials enthält, und der Messhalbzellenraum (8, 108) durch eine Messmembran (9, 109), insbesondere eine pH-sensitive Glasmembran, flüssigkeitsdicht verschlossen ist, und einen Innenelektrolyten (12, 112) und mindestens einen Teil einer in den Innenelektrolyten (12, 112) eintauchenden zweiten Ableitelektrode (11, 111) zum Ableiten eines Messhalbzellenpotentials aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass sich durch eine Wand des Gehäuses (6, 106) eine in den Referenzhalbzellenraum (14, 114) mündende, gegenüber einem das Gehäuse (6, 106) umgebenden Medium (3, 103) mindestens zeitweise verschlossene Durchgangsöffnung (15, 115) erstreckt, und dass der potentiometrische Sensor (1, 101) Mittel zur Herstellung eines elektrolytischen Kontaktes durch die Durchgangsöffnung (15, 115) zwischen dem Referenzelektrolyten und dem das Gehäuse (6, 106) umgebenden Medium (3, 103) aufweist.
Potentiometrischer Sensor (1, 101) nach Anspruch 1, wobei der potentiometrische Sensor (1, 101) eine Messschaltung (19, 119) umfasst, welche mit der ersten (17, 117) und der zweiten Ableitelektrode (11, 111) verbunden ist, und welche dazu ausgestaltet ist, eine Potentialdifferenz zwischen dem Referenzpotential und dem Messhalbzellenpotential zu erfassen und als Messsignal auszugeben und/oder weiterzuverarbeiten.
Potentiometrischer Sensor (101) nach Anspruch 2, wobei die Messschaltung (119) in einem am der Messmembran (109) gegenüberliegenden Ende des Sensors (101) angeordneten Steckkopf (118) untergebracht ist, und wobei die Mittel zur Herstellung eines elektrolytischen Kontaktes durch Anschließen des Steckkopfs (118) an einen mit einer übergeordneten Einheit verbundenen Anschluss (129), beispielsweise einen Kabelanschluss, betätigbar sind.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Durchgangsöffnung mittels einer elektrisch leitfähigen Folie verschlossen ist, wobei die Mittel zur Schaffung eines elektrolytischen Kontaktes elektrische Anschlüsse an die leitfähige Folie umfassen, über die die Folie mit einem Stromimpuls beaufschlagbar ist, welcher zur Zerstörung bzw. zum Durchbrennen der Folie im Bereich der Durchgangsöffnung führt.
Potentiometrischer Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Durchgangsöffnung (15) mit einer Wand (20), insbesondere einer Membran, oder einem Stopfen verschlossen ist, wobei die Mittel zur Schaffung eines elektrolytischen Kontaktes durch die Durchgangsöffnung (15) ein Stichwerkzeug (22), insbesondere eine Nadel oder eine Kanüle, umfassen, welche dazu ausgestaltet ist, durch eine im wesentlichen axial bezüglich der Durchgangsöffnung (15) verlaufende Bewegung die Wand (20) oder den Stopfen zu durchstechen und so eine Flüssigkeitspassage zwischen dem Referenzhalbzellenraum und der Umgebung des Gehäuses (6) herzustellen.
Potentiometrischer Sensor (101) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei durch die Durchgangsöffnung (115) eine Schubstange (124) geführt ist, welcher einen ersten innerhalb des Referenzhalbzellenraums (114) und zumindest teilweise durch die Durchgangsöffnung (115) hindurch verlaufenden ersten Abschnitt und einen aus der Durchgangsöffnung (115) in die Umgebung des Gehäuses (106) hinausragenden zweiten Abschnitt aufweist, wobei der Durchmesser der Schubstange (124) im ersten Abschnitt kleiner ist als der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung (115) und wobei der Durchmesser der Schubstange (124) im zweiten Abschnitt größer ist als der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung (115).
Potentiometrischer Sensor nach Anspruch 1, wobei die Durchgangsöffnung durch eine Wand, Folie oder Membran oder einen Stopfen aus einem Polymermaterial verschlossen ist, welches im Referenzelektrolyten unlöslich ist, sich in Kontakt mit einem Prozessmedium, insbesondere einem Nährmedium für Mikroorganismen eines biotechnologischen Prozesses, ionenleitfähig und/oder fortschreitend auflöst.
Potentiometrischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Referenzelektrolyt gebildet wird durch ein Gemisch aus Ag/AgCl-Zellulose.
Verfahren zur Inbetriebnahme eines potentiometrischen Sensors (1, 101) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum Überwachen einer Messgröße in einem Prozess, umfassend die Schritte: – Bereitstellen des potentiometrischen Sensors (1, 101) in einem abgeschlossenen Prozessbehälter (2, 102); – In Kontakt bringen eines Eintauchbereichs des potentiometrischen Sensors (1, 101), welcher die Messmembran (9, 109) und die Durchgangsöffnung (15, 115) umfasst, mit einem Prozessmedium (3, 103) eines in dem Prozessbehälter (2, 102) durchzuführenden, insbesondere biotechnologischen Prozesses; – Herstellen eines elektrolytischen Kontaktes zwischen dem Referenzelektrolyten (16, 116) und dem Prozessmedium (3, 103).
Verfahren nach Anspruch 9, umfassend den weiteren Schritt: – Durchführen einer Ein-Punkt-Kalibrierung des potentiometrischen Sensors (1, 101) basierend auf einem von dem potentiometrischen Sensor (1, 101) in dem Prozessmedium erfassten Messsignal oder einem daraus abgeleiteten Messwert.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Ein-Punkt-Kalibrierung die Schritte umfasst: – Erfassen eines Messwerts der Messgröße des Prozessmediums (3, 103) als aktueller Kalibriermesswert mittels des potentiometrischen Sensors (1, 101), – Aktualisieren einer in einem dem potentiometrischen Sensor (1, 101) zugeordneten Speicher, insbesondere in einer mit dem potentiometrischen Sensor (1, 101) verbundenen übergeordneten Einheit, hinterlegten, vorgegebenen Kennlinie, gemäß derer ein Messsignal des potentiometrischen Sensors (1, 101) auf einen Messwert abgebildet wird, anhand des aktuellen Kalibriermesswerts.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Prozessmedium (3, 103) ein Nährmedium für Mikroorganismen eines biotechnologischen Prozesses ist, dessen chemische Zusammensetzung und dessen Wert der von dem Sensor (1, 101) zu überwachenden Messgröße bekannt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Messgröße der pH-Wert oder eine Ionenkonzentration ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Kennlinie eine Gerade ist, und wobei anhand des aktuellen Kalibriermesswerts der Nullpunkt (Achsenabschnitt) der Gerade korrigiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei der Prozessbehälter (2, 102) ein Einweg-Behälter zur Verwendung in einem biotechnologischen Prozess, insbesondere ein flexibler Behälter, ein Beutel-Fermenter, ein Schlauch, oder eine Rohrverbindung ist.