DE2257838C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Zeit- und Temperaturbedingungen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Zeit- und Temperaturbedingungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 2.

Beim Umgang mit empfindlichen Stoffen und Produkten, deren Haltbarkeit davon abhängig ist, daß bestimmte Zeit- und Temperaturbedingungen aufrechterhalten werden, ist es wichtig, daß man überwachen und feststellen kann, ob der Stoff oder das Produkt den beabsichtigten Bedingungen ausgesetzt worden ist oder nicht. Mehrere verschiedene Verfahren und Vorrichtungen hierzu sind bereits vorgeschlagen worden. Die Überwachung verwendet dabei beispielsweise eine mechanische, elektroiytische oder bakterielle Anzeige. Indessen sind die vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen mit gewissen Nachteilen behaftet, so daß sie in gewerblicher Hinsicht ohne Erfolg geblieben sind. Unter anderem waren sie allzu teuer oder haben nicht in befriedigender Weise funktioniert. Vor allem ist es aber schwierig gewesen, die Zeitüberwachung durchzuführen. Dieses Problem kann jedoch durch die Verwendung eines enzymatischen Prozesses gelöst werden, bei welchem sich in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur ein Reaktionsprodukt bildet, welches zur Anzeige ausgenutzt wird.

Als Beispiel sei Urease erwähnt, welche bei ihrer s Einwirkung auf Harnstoff Ammoniak bildet, das mittels eines pH-Indikators nachgewiesen bzw. angezeigt wird. Der Zusammenhang zwischen Temperatur und dem Logarithmus der Zeit ist hierbei linear. Durch Zusatz eines Puffers kann die Umschlagzeit des Indikators

ίο verlängert werden, d. h, der lineare Zusammenhang wird parallel versetzt

Diese enzymatischen Reaktionen stimmen aber oft nicht mit den erwünschten Bedingungen überein. Liegt beispielsweise eine gute Übereinstimmung zwischen der Umschlagszeit des Indikators bei niedrigen Temperaturen vor, so erhält man meistens eine allzu lange Umschlagszeit bei höheren Temperaturen. Diese Abweichung von der Zeit-Temperaturabhängigkeit des Indikators von der erwünschten wird gewissermaßen dadurch korrigiert, daß die enzymatische Überwachung bei niedrigen Temperaturen einen linearen Zusammenhang zwischen Temperatur und log Zeit aufweist, welcher einen anderen, weniger negativen Neigungskoeffizienten besitzt als der lineare Zusammenhang bei hohen Temperaturen. Die Neigung dieser Kurven bei niedrigen Temperaturen wird von chemischen Zusammenhängen bestimmt und läßt sich nur innerhalb ziemlich enger Grenzen variieren. Es ist deshalb notwendig, die Zeit-Temperaturabhängigkeit der Überwachung in besserer Weise der erwünschten anpassen zu können, d. li. an die Zeit-Temperaturabhängigkeit des zu überwachenden Stoffes. Durch diese Anpassung soll bei hohen Temperaturen ein rascherer Umschlag zustande gebracht werden.

Aus dem schwedischen Patent 3 46 162 (= DE-OS 20 10 938), welches sich mit der enzymatischen Überwachung der obengenannten Art befaßt, und aus der schwedischen Patentanmeldung 9 715/70, nunmehr SW-PS 3 51 494, welche sich mit einer zeit-temperaturabhängigen Überwachung befaßt, wobei die miteinander reagierenden Stoffe von einer halbdurchlässigen Membrane getrennt gehalten werden, geht hervor, daß deren Durchlässigkeit mit steigender Temperatur zunimmt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine befriedigende Anpassung der Zeit-Temperaturabhängigkeit eines Überwachungsmittels zu schaffen und somit die Nachteile der früher vorgeschlagenen Überwachungsmittel zu beseitigen.

Gelöst wird diese Aufgabe bei dem Verfahren nach Anspruch 1 dadurch, daß in die Reaktionszone eine zusätzliche, mit steigender Temperatur zunehmende Zuschußmenge an Reaktionsprodukt eingeführt wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bestehend aus zwei Kammern, die mittels eines temperaturgeregelten Ventilorgans miteinander verbunden sind, wobei die eine Kammer eine Reaklionszone darstellt, die einen zeit-temperaturabhängigen, enzymatischen Indikator

bo enthält, welcher aus Enzym, Substrat, Lösungsmittel, Indikationsstoff und gegebenenfalls einem Puffer besteht, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer eine Quelle enthält, die das bei der enzymatischen Reaktion in der ersten Kammer

(,5 entstehende Reaktionsprodukt zusätzlich liefert.

Das Enzym kann Urease, das Substrat Harnstoff, das Reaktionsprodukt Ammoniak und der IndikationsstoFf ein pH-Indikator sein

Die obengenannte Quelle kann dasselbe Enzym und Substrat wie in der Reaktionszone enthalten, weiche als eine Funktion von Zeit und Temperatur das dann der Reaktionszone zuzuführende Reaktionsprodukt erzeugen.

Das temperaturgeregelte Ventilorgan besteht vorzugsweise aus einer halbdurchlässigei; Membrane, deren Durchlässigkeit mit steigender Temperatur zunimmt oder aus einer Bimetallfeder.

Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 Anzeigecharakteristiken eines bekannten enzymatischen Indikators,

Fig.2 die Charakteristik des erfindungsgemäßen Indikators, is

Fig.3 —5 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Von den beiden in F i g. 1 dargestellten Anzeigecharakteristiken ist A eine Charakteristik für einen Indikator mit keinem oder nur einem geringen Zusatz eines Puffers, während B eine Charakteristik Für einen indikator mit einem größeren Pufferzusatz ist. Wie aus der Figur ersichtlich, und wie bereits erwähnt, wird die Charakteristik durch den Zusatz eines Puffers gegen längere Umschlagzeit parallel verschoben. Aus der Figur geht ebenfalls hervor, daß die Charakteristik aus zwei Kurvenzweigen zusammengesetzt ist, die im wesentlichen gerade Linien darstellen, wobei für die Charakteristik A der Abschnitt a'die Kennlinie für hohe Temperaturen ist, während der Abschnitt a" die Kennlinie für niedrige Temperaturen ist. Dasselbe gilt für die Charakteristik Bund die Kurvenzweige Z?'bzw. b".

Wie oben erwähnt, hat man die Kennlinie bisher nur durch einen Pufferzusatz, d.h. durch Parallelverschiebung der Charakteristik, beeinflussen oder anpassen können. Die Neigung der Kurvenzweige a' bzw. b' konnte nicht beeinflußt werden, während die Neigung der Kurvenzweige a"bzw. 6"nur in geringem Umfang beeinflußt werden konnte.

Angestrebt wird ein Indikator mit einer Charakteristik hauptsächlich in Übereinstimmung mit A bzw. B, der aber bei hohen Temperaturen eine kürzere Umschlagzeit als A bzw. B hat, d. h. eine andere Neigung des Kurvenzweiges a'bzw. £>'. Wie bereits erwähnt, wird dies dadurch erzielt, daß dem enzymatischen Indikator als eine Funktion der Temperatur eine zusätzliche Menge des Reaktionsprodukts von einer Quelle zugeführt wird, die ein solches Reaktionsprodukt enthält oder es erzeugt. Hierdurch erhält man eine zusammengesetzte Anzeigecharakteristik, die bei niedrigen Temperaturen der obengenannten Kennlinie gemäß F i g. 1 entspricht, jedoch infolge der zusätzlichen Menge an Reaktionsprodukt bei hohen Temperaturen eine andere Neigung erhält, wie aus F i g. 2, Kurve E, hervorgeht. F i g. 2 zeigt auch, wie diese neue Kennlinie £ aus der Kennlinie Cdes »Hauptindikators« gemäß F i g. 1 und aus der Kurve D für die zusätzliche Menge an Reaktionsprodukt zusammengesetzt wird. Das Aussehen der Kurve D hängt von der im folgenden «ι beschriebenen, besonderen Ausbildung des erfindungsgemäßen Indikators ab, welcher eine zunehmende Zuschußmenge an Reaktionsprodukt bei zunehmender Temperatur erhält. Es leuchtet ein, daß man durch Änderung der Form der Kurve D die Kurve E in 1,, verschiedener Weise ändern kann, so daß der gewünschte Verlauf erhalten wird.

Unter Hinweis auf Fig. 3—5 sind nun im folgenden einige bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Die Anzeigevorrichtung gemäß F i g. 3 umfaßt einen Behälter, der aus zwei Kammern 1 und 2 besteht, die von einer Wand 3 getrennt sind. Die Kammern 1 und 2 sind nach außen hin von Außenwänden 7 und 8 aus einem undurchlässigen Werkstoff, beispielsweise einem geeigneten Kunststoff, gebildet Die Kammer 1 enthält zwei Kapseln 4 und 5, welche Enzym bzw. Substrat sowie ein Lösungsmittel, einen Indikator und gegebenenfalls einen Puffer enthalten. In der Kammer 2 befindet sich eine Kapsel 6, die das Reaktionsprodukt enthält, das sich bei der Reaktion zwischen dem Enzym und dem Substrat bildet. Die obengenannte Trennwand 3 besteht aus einem halbdurchlässigen Membranematerial wie Polyäthylen niederer Dichte oder Celluloseacetat, das eine mit steigender Temperatur zunehmende Durchlässigkeit aufweist

Die Funktion der in F i g. 3 veranschaulichten Vorrichtung, in der das Enzym Urease, das Substrat Harnstoffe, das gebildete Reaktionsprodukt Ammoniak und der Indikationsstoff ein pH-Indikator ist, ist folgende: die Vorrichtung wird durch Zerdrücken der Kapseln 4, 5 und 6 aktiviert. Dabei werden Urease und Harnstoff in der Kammer 1 zusammengeführt, und der enzymatische. Prozeß wird eingeleitet, so daß Ammoniak gebildet wird. Die enzymatische Reaktion in der Kammer 1 weist dabei eine Charakteristik entsprechend der Kurve A, ßoder Cin F i g. 1 bzw. 2 auf. Die Kammer 2 enthält gleichzeitig Ammoniak, welches beim Zerdrükken der Kapsel 6 freigegeben worden ist. Das Ammoniak dringt durch die Membrane 3 in die Kammer 1 als eine Funktion der Temperatur hinein. Nimmt man die Zeit, in welcher eine gewisse Menge Ammoniak durch die Membrane 3 in die Kammer 1 eindringt als eine Funktion der Temperatur, so erhält man eine Kurve entsprechend Din F i g. 2.

Wie aus F i g. 2 ersichtlich, ist der bei niedrigen Temperaturen zugeführte Ammoniakzuschuß vernachlässigbar, während der Zuschuß bei hohen Temperaturen die Reaktion in der Kammer 1 aktiv beeinflußt. Man erhält eine Kennlinie entsprechend der Kurve £

Fig.4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung, die im wesentlichen der in Fig.3 entspricht. Indessen unterscheidet sie sich dadurch, daß die Reaktionsproduktquelle in der Kammer 2 nicht direkt das Reaktionsprodukt Ammoniak selbst enthält, sondern dasselbe Enzym und Substrat wie in der Kammer 1, d. h. im vorliegenden Fall Urease und Harnstoff. Das Enzym und Substrat in der Kammer 2 sind in Kapseln 9 und 10 eingeschlossen, die bei der Aktivierung gleich den Kapseln 4 und 5 der Kammer 1 zerdrückt werden. Nach der Aktivierung werden das Enzym und Substrat in der Kammer 2, wie das Enzym und Substrat in der Kammer 1, als eine Funktion von Zeit und Temperatur das Reaktionsprodukt Ammoniak erzeugen, welches durch die Membrane 3 in die Kammer 1 eindringt. Die Vorrichtung gemäß F i g. 4 entspricht somit der der F i g. 3, abgesehen davon, daß das Reaktionsprodukt der Kammer 2 nicht fertig vorliegt, sondern erst erzeugt wird.

F i g. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anzeigevorrichtung. Diese unterscheidet sich von den beiden vorher beschriebenen Vorrichtungen hauptsächlich dadurch, daß die als zeitgeregeltes Ventilorgan wirkende Membrane 3 durch eine Bimetallfeder ti ersetzt ist. Bei niedrigen Temperaturen ruht die Bimetallfeder 11 gegen einen

Sitz 12 und verhindert dadurch die Verbindung zwischen d,en Kammern 1 und 2. Bei zunehmender Temperatur wird die Bimetallfeder immer mehr gebogen und hebt sich vom Sitz 12 ab, wie dies in F i g. 5 gezeigt ist. Hierdurch entsteht eine Verbindung zwischen den Kammern 1 und 2, und diese Verbindung wird mit zunehmender Temperatur größer. In dieser Weise wird die Zuschußmenge Reaktionsprodukt in der Kammer 2 der Kammer 1 als eine Funktion der Temperatur zugeführt, wie bei den Vorrichtungen gemäß F i g. 3 bzw. 4. Wie bei den vorher beschriebenen Vorrichtungen kann natürlich die Quelle 6 des Reaktionsproduktes in der Kammer 2 das fertige Reaktionsprodukt selbst sein, wie in F i g. 5 veranschaulicht ist, oder aus Enzym und Substrat bestehen, welche dieses Reaktionsprodukt bilden.

Das System Urease-Harnstoff kann auch durch andere geeignete enzymatische Systeme ersetzt werden. Als Ventilorgan zwischen der Kammer 1 und 2 kann jedes beliebige Ventilorgan benutzt werden welches als eine Funktion der Temperatur die Verbindung zwischen den Kammern 1 und 2 regelt.

Die Erfindung hat einen weiten Verwendungsbereich der allgemein alle Arten von empfindlichen Stoffen unc Erzeugnissen umfaßt. Beispielsweise läßt sich die Erfindung zur Überwachung von Lebensmitteln, Arz neimitteln, photographischen Filmen, lagerungsemp findlichen, chemischen Stoffen, wie Sprengstoffen usw benutzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Überwachung der Zeit- und Temperaturbedingungen bei der Lagerung von empfindlichen Stoffen und Erzeugnissen, bei welchen ein Enzym als eine Funktion von Zeit und Temperatur in einer Reaktionszone auf ein Substrat unter Bildung eines Reaktionsprodukts einwirkt, das vermittels eines Indikators nachgewiesen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in die Reaktionszone eine zusätzliche, mit steigender Temperatur zunehmende Zuschußmenge an Reaktionsprodukt eingeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus zwei Kammern, die mittels eines temperaturgeregelten Ventilorgans miteinander verbunden sind, wobei die eine Kammer eine Reaktionszone darstellt, die einen zeittemperaturabhängigen, enzymatischen Indikator enthält, welcher aus Enzym, Substrat, Lösungsmittel, Indikationsstoff und gegebenenfalls einem Puffer besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Kammer (2) eine Quelle (6, 9, 10) enthält, die das bei der enzymatischen Reaktion in der ersten Kammer (1) entstehende Reaktionsprodukt zusätzlich liefert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Enzym Urease, das Substrat Harnstoff, das Reaktionsprodukt Ammoniak und der Indikationsstoff ein pH-Indikator ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (9, 10) dasselbe Enzym und Substrat wie in der Reaktionszone enthält, welche als eine Funktion von Zeit und Temperatur das dann der Reaktionszone zuzuführende Reaktionsprodukt erzeugen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilorgan (3) eine halbdurchlässige Membran ist, deren Durchlässigkeit mit steigender Temperatur zunimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilo/gan (11) eine Bimetalifeder ist.