DE102011111186A1 - Sonde zur Entnahme von Proben aus mit Gasblasen durchsetzten Probenmedien - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von Proben aus Probemedien, die mit Gasblasen durchsetzt sind, und den Weitertransport dieser Proben an eine Analysestation. Derartige Probemedien sind beispielsweise in Bioreaktoren und chemischen Reaktoren vorzufinden, bei denen Gase entstehen oder auch aus schnellen Rührvorgängen der Probemedien durch Untermischung von Gasen. Die Aufgabe wird durch eine doppellumige Sonde mit einer Entnahmekapsel gelöst. Die Entnahmekapsel wird zunächst mit Gasblasen durchsetzten Probemedium gefüllt. In der Entnahmekapsel findet eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und flüssigen Probemedium statt. Durch die doppellumige Sonde wird anschließend eine Probe durch den inneren Fluidleiter entnommen und durch eine Schlauch- und Rohrverbindung abtransportiert. Die Kompartimente haben in einer typischen Applikation der erfindungsgemäßen Entnahmesonde ein Volumen von 0,1 bis mehreren hundert Mikrolitern.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entnahme von Proben aus Probemedien, die mit Gasblasen durchsetzt sind. Derartige Probemedien sind beispielsweise in Bioreaktoren und chemischen Reaktoren vorzufinden, bei denen Gase entstehen oder auch aus schnellen Rührvorgängen der Probemedien durch die Untermischung von Gasen.
- Es ist bekannt, Probe in sogenannte Kompartimente einzuschließen, die durch Oberflächenspannung nicht mischbarer Fluide entstehen. Auf diese Weise können insbesondere kleine Probenmengen mit Volumina in der Größenordnung von 0,1 bis mehreren hundert Mikrolitern sicher voneinander getrennt und Querkontaminationen vermieden werden. Kompartimente lassen sich in Schläuchen mit Innendurchmessern von 0,05 bis ca. 2 mm aufbewahren, inkubieren, weiter transportieren und analysieren.
- Die Entnahme kleiner Probenmengen aus mit Gas durchsetzten Flüssigkeiten gestaltet sich schwierig, da vermieden werden muss, gleichzeitig Gas zu entnehmen. Auch ist zu sichern, dass bei sich verändernden Prozesszuständen innerhalb von Bioreaktoren die Probe dem aktuellen Zustand entspricht. Totvolumina müssen insbesondere bei kleinen Probemengen vermieden werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren vorzuschlagen, bei dem eine weitgehend gasfreie Entnahme einer Probe aus einem mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium erfolgt, zugleich gesichert wird, dass die Probe dem aktuellen Prozesszustand im Probenmedium entspricht und dass die Proben als eingebettetes Kompartiment weiter, beispielsweise zu einer Analysestation, transportiert werden können.
- Die Aufgabe wird durch eine doppellumige Sonde gelöst, die mit einer Entnahmekapsel verbunden ist. Die Entnahmekapsel wird zunächst mit Gasblasen durchsetzten Probemedium gefüllt. In der Entnahmekapsel findet eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und flüssigen Probemedium statt. Durch die doppellumige Sonde wird anschließend eine Probe durch den inneren Fluidleiter entnommen und durch eine Schlauch- und Rohrverbindung abtransportiert. Die Kompartimente haben in einer typischen Applikation der erfindungsgemäßen Entnahmesonde ein Volumen von 0,1 bis mehreren hundert Mikrolitern.
- Wenn das Probenmedium aus einer wässrigen Lösung mit Probenmaterial wie beispielsweise an-/organische Substanzen in beliebigen Aggregatzuständen, bioaktive Moleküle oder auch Zellen, Zellverbände oder Mikroorganismen besteht, bietet sich als Transportfluid für die Bewegung des Kompartimentes eine unpolare Flüssigkeit an. Auch Gase sind geeignet, um Kompartimente in Form von separaten Flüssigkeitströpfchen einzuschließen. Allerdings sind lange Gassäulen im Fluidleiter wegen ihrer Elastizität zu vermeiden, da dadurch keine sichere Positionierung des Kompartimentes im Fluidleiter und keine definierte Probemengenentnahme möglich sind. Durch eine Kombination eines Gases mit einer Transportflüssigkeit lassen sich diese Nachteile vermeiden. Als Transportflüssigkeit kann beispielsweise Nährlösung verwendet werden.
- Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Es zeigen:
-
1 Kompartimentenstrom -
2 Probenentnahmesonde -
3 Querschnitt der Entnahmekapsel entlang des Schnittes A-A in2 -
4 Anordnung der Entnahmesonde im Probenbehälter -
5 Entnahmekapsel mit Strömungsumkehr -
6 Gesamtanordnung des Probenentnahmesystems -
1 verdeutlicht den beispielhaften Aufbau des Kompartimentenstroms. In einem Fluidleiter9 befindet sich das Kompartiment6 , das durch zwei Blasen4a und4b eines vorzugsweise sterilen Gases eingeschlossen ist. In Richtung der saugenden Förderpumpe34 befindet sich im Fluidleiter beispielsweise Nährlösung, die als Transportflüssigkeit2 dient. - In
2 wird der Aufbau der Entnahmekapsel10 gezeigt. Sie besteht aus einem Kapselgehäuse11 , das ein Innenvolumen15 einschließt und mit verschiedenen Überströmöffnungen12 versehen ist, die zum Durchleiten von Flüssigkeiten und Gasen geeignet sind. Beispielsweise besitzt das Innenvolumen15 ein Volumen von ca. 1 ml und eine Höhe von 15 mm. - In einer vorteilhaften Ausführung befinden sich die Überströmöffnungen
12 im oberen Teil der Entnahmekapsel10 , sodass eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und Flüssigkeit im Innenvolumen15 begünstigt wird. Dabei wird in diesem Ausführungsbeispiel vorausgesetzt, dass die Applikation der Entnahmesonde41 senkrecht bzw. in einem Winkel kleiner 90 Grad zur Senkrechten in Richtung der Erdanziehung erfolgt. Die Überströmöffnungen sind vorteilhaft mit einem Querschnitt zu versehen, der einen sicheren Durchtritt von Gasblasen5 ermöglicht. Die Überströmöffnungen12 können vorteilhaft in der Form von Schlitzen mit einer Breite von 1 mm und einer Länge von 5 mm ausgebildet sein, wie in3 verdeutlicht wird. - Eine weitere Öffnung in der Entnahmekapsel
10 ist für die Durchführung13 des äußeren Fluidleiters20 vorgesehen. Der Fluidleiter20 ist gegenüber dem Gehäuse11 abgedichtet. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung endet der äußere Fluidleiter20 mit dem Abstand a über den Boden14 der Entnahmekapsel10 , wobei a sehr klein gegenüber der Höhe des Innenvolumens h ist. Dadurch wird begünstigt, dass Probe dicht über den Boden14 entnommen und die schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und Flüssigkeit genutzt wird. - Im inneren des äußeren Fluidleiters
20 befindet sich der innere Fluidleiter30 . Der innere Fluidleiter ist gegenüber dem äußeren Fluidleiter um den Betrag b zurückgesetzt, wobei b in verschiedenen Ausführungsbeispielen zwischen 0 bis 10 mm beträgt. Durch die Kombination von zwei konzentrisch angeordneten Fluidleitern20 und30 ergeben sich zwei Fluidpfade17 und18 , einer zwischen der Außenwandung des inneren Fluidleiters30 und der Innenwandung des äußeren Fluidleiters20 und ein weiterer innerhalb des inneren Fluidleiters30 Beide Fluidpfade17 und18 sind mit gesonderten Fluidanschlüssen22 und32 für ein erstes Fluid8 und ein zweites Fluid7 versehen. - Die Handhabung der Entnahmesonde
41 wird in4 gezeigt. In einem Probenbehälter40 befindet sich das Probenmedium1 , das mit Gasblasen5 durchsetzt ist. Die Entnahmekapsel (10 ) ist annähernd senkrecht in das Probenmedium1 eingetaucht. Im Innenvolumen15 der Entnahmekapsel10 befindet sich ebenfalls Probenmedium1 mit Gasblasen5 durchsetzt. In der Entnahmekapsel10 ist eine schwerkraftbedingte Entmischung von Gas und Flüssigkeit zu beobachten. Für eine optimale Funktion dieser schwerkraftbedingten Entmischung sollte die Höhe der Entnahmekapsel10 bei einer beispielsweise zylindrischen Ausführung mindestens das 1,5 fache des Durchmessers des Zylinders sein. Der äußere Fluidleiter20 ragt in das flüssige Probenmedium1 hinein. - Eine andere Ausführungsform einer Entnahmekapsel
110 ist in5 gezeigt. Durch eine Umlenkung116 in der Entnahmekapsel110 wird ein u-förmiges Kammervolumen115 gebildet, bei dem der innere und äußere Fluidleiter30 bzw.20 in das eine Ende des Kammervolumens115 eingeführt sind, die Einströmöffnung112 sich am anderen Ende des u-förmigen Kammervolumens115 befindet. Dadurch wird bei Ausblasen des Kammervolumens eine Strömungsumkehr bewirkt. - Die Applikation der Entnahmesonde für die Entnahme einer Probe aus dem Probenbehälter
40 , die Einbettung als Kompartiment6 in zwei Blasen eines (Steril-)Gases4 und den Transport zu einer Auswertestation42 verdeutlicht6 . Das Probenmedium1 befindet sich beispielsweise in einem Bioreaktor. Der Fluidanschluss22 des äußeren Fluidpfades17 ist über ein erstes Ventil23 mit einer Förderpumpe24 für (Steril-)Gas4 verbunden. Der innere Fluidpfad18 ist mit seinem Fluidanschluss32 über ein zweites Ventil33 mit einer Förderpumpe34 zum Absaugen des Kompartimentes6 und Transport zu einer Auswertestation42 sowie über ein drittes Ventil36 mit einer Förderpumpe35 für Transportflüssigkeit2 verbunden. - Nach dem Eintauchen der Entnahmekapsel
10 in das Probenmedium1 wird während eines Initialisierungsvorganges bei geschlossenen Ventilen23 und33 das Ventil36 geöffnet und durch die Förderpumpe35 Transportflüssigkeit2 in den inneren Fluidpfad18 gedrückt bis dieser vollständig gefüllt ist. - Der Probenentnahmezyklus beginnt bei geschlossenen Ventilen
33 und36 durch Öffnen des Ventils23 sowie Ausblasen des äußeren Fluidpfades17 und der Entnahmekapsel10 mit (Steril-)Gas4 . Das überschüssige (Steril-)Gas4 kann durch die Überströmöffnungen12 der Entnahmekapsel10 in den Probenbehälter40 entweichen. - Im zweiten Schritt der Probenentnahme wird eine kleine Menge (Steril-)Gas
4 in den inneren Fluidpfad18 eingesaugt, in dem das Ventil33 bei geschlossenen Ventilen23 und36 geöffnet wird und die Förderpumpe34 eine entsprechende Menge Transportflüssigkeit2 absaugt. - In einem dritten Schritt der Probenentnahme sind alle Ventile
23 ,33 und36 geschlossen, frisches Probemedium1 strömt über die Überströmöffnungen12 in die Entnahmekapsel10 . Der Nachströmvorgang kann in einer Ausführung der Erfindung durch Absaugen eines Gas/Flüssigkeitsgemisches durch den äußeren Fluidpfad17 mittels der Förderpumpe25 bei geöffneten Ventil23 unterstützt werden. Fluid8 strömt bis in den Auffangbehälter27 . Der Absaugvorgang wird durch Schließen des Ventils23 beendet, wenn das Probemedium1 die Entnahmekapsel10 vollständig gefüllt hat. - Nach einer kurzen Wartezeit zum Entmischen des Gas-/Flüssigkeitsgemisches in der Entnahmekapsel
10 wird im vierten Schritt der Probeentnahme eine definierte Menge Probenmedium1 in den inneren Fluidpfad18 bei geöffneten Ventil33 und geschlossenen Ventilen23 und36 eingesaugt. - Im fünften Schritt der Probenentnahme wird der Auffangbehälter
27 , der äußere Fluidpfad17 und die Entnahmekapsel10 wiederum mit (Steril-)Gas4 ausgeblasen und solange Sterilgas4 in den inneren Fluidleiter18 eingesaugt, bis sich das Probenkompartiment6 an der Auswertestation42 befindet. Die Auswertestation kann beispielsweise biologische, chemische, physikalische Analysen entsprechend dem bekannten Stand der Technik umfassen. - Danach kann die nächste Probenentnahme erfolgen, indem die Entnahmesonde wiederum, wie bereits beschrieben, initialisiert wird oder aber vorher die Fluidpfade
17 und18 und die Entnahmekapsel10 gespült werden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Probenmedium
- 2
- Transportflüssigkeit
- 4
- Sterilgas
- 5
- Gasblasen
- 6
- Kompartiment
- 7
- erstes Fluid (allgemein für inneren Fluidleiter)
- 8
- zweites Fluid (allgemein für äußeren Fluidleiter)
- 9
- Fluidleiter
- 10
- Entnahmekapsel
- 11
- Kapselgehäuse
- 12
- Überströmöffnungen
- 13
- Durchführung
- 14
- Boden
- 15
- Innenvolumen
- 17
- äußerer Fluidpfad
- 18
- innerer Fluidpfad
- 19
- Verbindungsleiter
- 20
- äußerer Fluidleiter
- 21
- distales Ende des äußeren Fluidleiter
- 22
- Fluidanschluss des äußeren Fluidpfades
- 23
- Ventil V1
- 24
- Förderpumpe für Gas
- 25
- 26
- Gasbehälter
- 27
- Auffangbehälter
- 30
- innerer Fluidleiter
- 31
- distales Ende des inneren Fluidleiters
- 32
- Fluidanschluss für inneren Fluidpfad
- 33
- Ventil V2
- 34
- Förderpumpe für Kompartimentenstrom
- 35
- Förderpumpe für Transportflüssigkeit
- 36
- Ventil V3
- 37
- Behälter für Transportflüssigkeit
- 40
- Probenbehälter
- 41
- Entnahmesonde
- 42
- Auswertestation
- 43
- Richtung der Erdanziehung
- 44
- Vertikalachse der Entnahmekapsel
- 110
- Entnahmekapsel Ausführungsvariante
- 111
- Kapselgehäuse Ausführungsvariante
- 112
- Einströmöffnung
- 115
- Innenvolumen
- 116
- Umlenkmittel
Claims (11)
- Sonde zur Entnahme Von Proben aus einem mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium in einem Probenbehälter, Einbettung der entnommenen Proben als Kompartimente in einen Fluidstrom und Transport der Proben zu einer Auswertestation, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entnahmekapsel (
10 ) mit Öffnungen (12 ) für das Durchströmen von mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium vorgesehen ist, eine weitere Öffnung in der Entnahmekapsel (10 ) für die Durchführung eines äußeren Fluidleiters (20 ) in das Innere der Entnahmekapsel (10 ) vorgesehen ist, innerhalb des äußeren Fluidleiters (20 ) ein innerer Fluidleiter (30 ) angeordnet ist, jeweils ein Ende des äußeren und inneren Fluidleiters über einen separaten Fluidanschluss (22 ) (32 ) verfügen, die jeweils anderen Enden (21 ) (31 ) der beiden Fluidleiter (20 ) (30 ) in die Entnahmekapsel (12 ) hineinragen und die Entnahmekapsel ganz oder teilweise in das Probenmedium (1 ) eingetaucht ist. - Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (
12 ) für das Durchströmen von mit Gasblasen durchsetztem Probenmedium in dem Teil der Entnahmekapsel (10 ) angeordnet sind, der beim Eintauchen in das Probenmedium sich bezogen auf die Richtung der Erdanziehung (43 ) oben befindet. - Sonde nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das in die Entnahmekapsel (
10 ) hineinragende Ende (21 ) des äußeren Fluidleiters (20 ) in dem Teil der Entnahmekapsel (10 ) endet, der beim Eintauchen in das Probenmedium (1 ) sich bezogen auf die Richtung der Erdanziehung (43 ) unten befindet. - Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Fluidleiter (
20 ) in einem Abstand (a) über den Boden (14 ) der Entnahmekapsel (10 ) endet, der dem 0,5 bis 2 fachen des Durchmessers des äußeren Fluidleiters (20 ) entspricht. - Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmekapsel (
10 ) die Form eines Zylinders hat, dessen Höhe mehr als das 1,5 fache des Durchmessers beträgt. - Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass durch Mittel zur Umlenkung (
116 ) der Strömungsrichtung von Fluiden in der Entnahmekapsel (110 ) ein u-förmiges Kammervolumen (115 ) ausgebildet ist, bei dem der innere Fluidleiter (30 ) und äußere Fluidleiter (20 ) in das eine Ende des Kammervolumens (115 ) eingeführt ist, die Einströmöffnung (112 ) sich am anderen Ende des u-förmigen Kammervolumens (115 ) angeordnet ist. - Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertikalachse (
44 ) der Entnahmekapsel (10 ) gegenüber der Richtung der Erdanziehung von 0° bis 80° geneigt ist. - Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidanschluss des äußeren Fluidpfades (
17 ) über ein erstes Ventil (23 ) mit einer Förderpumpe (24 ) für das Absaugen von Flüssigkeits-/Gasgemischen und einem Behälter (26 ) für Gas (4 ) verbunden ist. - Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidanschluss (
22 ) des inneren Fluidpfades (18 ) über ein zweites Ventil (33 ) mit einer Förderpumpe (34 ) für das Absaugen des Kompartimentes (6 ) und Transport zu einer Auswertestation (42 ) verbindet. - Verfahren zur Entnahme von mit Gasblasen durchsetzten Probenmedium (
1 ) aus einem Probenbehälter (40 ), Einbettung der entnommenen Proben als Kompartimente (6 ) in einen Fluidstrom und Transport der Proben zu einer Auswertestation (42 ) unter Verwendung der Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt der äußere Fluidpfad (17 ) und die Entnahmekapsel (10 ) mit Gas (4 ) ausgeblasen wird, in einem zweiten Schritt in den inneren Fluidpfad (18 ) durch eine Förderpumpe (34 ) eine definierte Menge an Gas (4 ) eingesaugt wird, in einem dritten Schritt die vollständige Füllung der Entnahmekapsel (10 ) mit frischem Probenmedium durch Absaugen des Gas-/Flüssigkeitsgemisches mittels einer Förderpumpe (24 ) unterstützt wird und/oder die Entnahmekapsel (10 ) sich mit frischen Probenmedium (1 ) über die Überströmöffnungen (12 ) in die Entnahmekapsel (10 ) füllt, im vierten Schritt eine definierte Menge Probenmedium (1 ) in den inneren Fluidpfad (18 ) durch eine Förderpumpe (34 ) eingesaugt wird, in einem fünften Schritt die Entnahmekapsel (10 ) durch Gas ausgeblasen wird und durch die Förderpumpe (34 ) das Probenkompartiment (6 ) bis zu einer Auswertestation (42 ) gesaugt wird. - Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Probenentnahme der innere Fluidleiter (
18 ) und die Verbindungsleitung (19 ) zur Auswertestation mit Transportflüssigkeit (2 ) gefüllt werden.
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