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Dokumentenidentifikation DE29718049U9 31.05.2007
Titel Analysevorrichtung
Anmelder Pöschl, Peter, 74544 Michelbach an der Bilz, DE;
Denk, Viktor, Prof. Dr.-Ing., 85402 Kranzberg, DE;
Back, Werner, Prof. Dr.-Ing., 85354 Freising, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Aktenzeichen 29718049
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 31.05.2007
Registration date 19.02.1998
Information on correction Berichtigung auf Seite 22, 23 der Beschreibung
Application date from patent application 09.07.1997
File number of patent application claimed EP 97 11 1670.2
IPC-Hauptklasse B01D 46/10(2006.01)A, F, I, 20070226, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B01D 46/24(2006.01)A, L, I, 20070226, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Analysevorrichtung zur Analyse eines in einer Hauptleitung eines Rohrleitungssystems strömenden Mediums, wobei das Medium insbesondere ein Lebensmittel ist.

Die representative Probeentnahme und Qualitätskontrolle von in Rohrleitungssystemen geförderten und verarbeiteten flüssigen Lebensmitteln ist ein grundsätzliches Problem der Lebensmittelindustrie. So ist z.B. der sichere Nachweis von Bierschädlingen eine Grundlage der mikrobiologischen Betriebskontrolle im Brauwesen. Hierfür ist die Entnahme von repräsentativen Proben selbst aus großen Chargen nötig, um auch Spurenkontaminationen nachweisen zu können.

Als Standardmethode für die repräsentative Probeentnahme großer Lebensmittelchargen ist die Membranfiltration anzusehen, die schon von vielen Autoren beschrieben wurde (Weinfurtner F., Richtlinien für Hefereinzucht, Biologische Brauerei-Betriebskontrolle, Disinfektionsmittelprüfung, 1957; De Clerk J., Lehrbuch der Brauerein Bd. II, 2. Auflage, Versuchs- und Lehranstalt für Brauerei, 1965; EBC, Analytika Microbiologica, Brauwissenschaft 30 Nr. 3, S. 65–77, 1977; Back W., Infektionsbekämpfung in Brauereien ohne eigene biologische Betriebskontrolle, Brauindustrie Nr. 11, S. 1108–1195, 1988) und es ermöglicht, größere Volumina von Flüssigkeiten durchzusetzen und somit die Mikroorganismen mechanisch anzureichern.

Es wurde jedoch schon in der vorstehenden Publikation von F. Weinfurtner darauf hingewiesen, daß bereits in der Probenahme eine Schwachstelle der biologischen Betriebskontrolle liegt. Mit einem einfachen Rechenbeispiel wird dabei die mangelhafte Erfassung der Mikroorganismen bei Spurenkontaminationen belegt. So werden z.B. in Brauereien Tropfflaschen zum Ziehen einer Durchschnittsprobe aus einer großen Charge verwendet. Aus dem Produktstrom in der Hauptleitung wird dabei in gewissen Zeitabständen eine geringe Flüssigkeitsmenge entnommen und in einen Auffangbehälter geleitet. Bei diesem Tropfflaschenverfahren, nach dem heute noch alle Probenahmesysteme in den Brauereien arbeiten, werden Spurenkontaminationen jedoch häufig nicht erfaßt.

Auf diesem Probenahmeverfahren mittels Tropfflasche beruht auch der von B. Birkenstock beschriebene automatische Probenehmer (B. Birkenstock, Automatisches Probenahmesystem, Brauwelt 120, Nr. 8, S. 240–245, 1980; DE-OS 29 07 558), der über zwei Zeituhren gesteuert wird. Die erste Uhr steuert dabei die Intervalle in denen ein Probevolumen abgezweigt wird, wohingegen die Menge des entnommenen Volumens über die zweite Zeituhr festgelegt wird, die die Öffnungsdauer eines Magnetventils regelt. Die Probe wird in einer maximal zwei Liter fassenden Flasche gesammelt, wobei die Befüllung und Entlüftung der Flasche über zwei Kanülen, die durch einen die Flasche abschließenden Gummistopfen gestochen sind, erfolgt. Dieses Probenahmesystem, weist gegenüber herkömmlichen Tropfflaschensystemen eine Verbesserung dahingehend auf, daß die Entnahme durch die Steuereinheit genau definiert ist, die Gefahr einer Sekundärinfektion durch die Verwendung von Kanülen minimiert wird und die Handhabung erleichert ist.

In jüngerer Vergangenheit befaßten sich mehrere Firmen mit der Verbesserung der Entnahmetechnik aus Rohrleitungssystemen. Bei allen Entwicklungen blieb jedoch das Grundprinzip der Probenahme, daß die Proben in ein Sammelgefäß geleitet und erst später im Labor durch eine Membranfiltration verarbeitet werden, unverändert.

Die nachfolgend aufgeführten neuentwickelten Probeentnahmesysteme werden in H. Pittner, Vergleich von Probenahmesystemen unter besonderer Berücksichtigung strömungsmechanischer Verhältnisse, Diplomarbeit am Lehrstuhl für Technologie der Brauerei I, TU München, 1992 verglichen, und festgestellt, daß die Nachweisraten bei diesen Systemen untereinander vergleichbar sind.

  • – Probeentnahmesystem KonPro: Die Entnahme erfolgt aus der Mitte der Produktleitung durch eine Kanüle, mit der eine Gummimembran durchstochen wird. Der Volumenstrom wird mittels einer peristaltischen Pumpe, die zeitgesteuert fördert, aktiv transportiert.
  • – Probeentnahmesystem Simplex: Die Entnahme erfolgt aus dem Randbereich der Produktleitung durch eine aufgeschweißte Abzweigung. Zwei Zeituhren steuern ein Membranventil, wodurch die Menge des entnommenen Volumens geregelt wird. Durch die Druckdifferenz zwischen der Produktleitung und dem Atmosphärendruck fließt die Flüssigkeit in das Aufnahmegefäß.
  • – Probeentnahmesystem Tuchenhagen: Durch einen Krümmer, der in die Leitungsmitte hineinreicht, wird die Flüssigkeit in eine Tropfflasche entnommen. In dieser herrscht der gleiche Druck wie in der Produktleitung. Durch ein Membranventil wird der Druck in der Flasche abgesenkt, so daß eine Druckdifferenz entsteht, die zu einem Volumenstrom in die Flasche führt.

Mittlerweile haben die Firmen SIMPLEX und Tuchenhagen ihre Probeentnahmesysteme weiter verbessert, ohne jedoch vom Prinzip des Sammelbehälters abzuweichen (Dahlenkamp W., Automatischer Probenehmer Simplex, Schreiben der Olper Maschinen- und Armaturen-Fabrik, 1993; Tuchenhagen, Varivent-Probenahmetechnik, Selbstverlag Tuchenhagen 1992). Die vorstehend genannten Probeentnahmesysteme weisen jedoch alle den Nachteil auf, daß – bedingt durch die Verwendung einer Tropfflasche – die Probemenge auf 2 Liter begrenzt ist und es sich um getaktete Probenahme handelt, d.h. es existieren Zeiträume, in denen kein zu testendes Medium zur Probenahme entnommen wird.

Weiterhin wurde auf dem EBC–Kongreß 1975 in Nizza von Molzahn ein Membranfilter vorgestellt, der eine kontinuierliche und repräsentative Probenahme ermöglicht (Molzahn S.W., Portno A.D., New Advances in microbiological Quality Control, Proceedings of the 15th. Congress, European Brewery Convention, 1975). Es handelt sich hierbei um ein auf eine Rolle gewickeltes Membrandband bei dem eine peristaltische Pumpe für einen kontinuierlichen Volumenstrom durch die Membran sorgt. Die sterile Membran wird mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit abgerollt und nach der Filtration wieder auf einer zweiten Rolle aufgerollt. Mit Hilfe dieser Probenahmeapparatur ist es möglich, die mikrobiologische Reinheit als Funktion der Zeit aufzuzeichnen.

Ein weiteres, mit der Qualitätskontrolle von in Rohrleitungssystemen geförderten und verarbeiteten flüssigen Lebensmitteln verknüftes Problem ist, daß in diesen Rohrleitungssystemen sehr große Volumina (im Brauwesen bis hin zu 500 hl pro Stunde) gefördert werden. Zur Durchführung einer aussagekräftigen Qualitätskontrolle, insbesondere über Bestandteile, Verunreinigungen und Mikroorganismen im Spurenbereich, ist eine ausreichende Probeentnahmemenge (ca. möglichst 0,01 bis 0,05 % des Hauptstroms) unerläßlich. Für die vorstehend erwähnten Fördermengen bedeutet dies, daß für ein kontinuierliches und aussagekräftiges Nachweisverfahren bis hin zu 50 l pro Stunde pro Analyseverfahren entnommen werden muß. Einer Rückführung des getesteten abgezweigten Mediums (Lebensmittels), um dadurch das Analyseverfahren unabhängig von der Probeentnahmemenge zu machen, steht jedoch die in der Lebensmittelindustrie weitverbreitete Befürchtung, daß hierdurch Verunreinigungen in das Medium eingetragen werden, entgegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Nachweis von Spurenkontaminationen in Rohrleitungssystemen zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch eine Analysevorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Gemäß der Erfindung wird eine Analysevorrichtung zur Analyse eines in einer Hauptleitung eines Rohrleitungssystems strömenden Lebensmittels zur Verfügung gestellt, mit einer in die Hauptleitung mündenden, eine Pumpe und ein Nachweiselement aufweisenden Entnahmeleitung, wobei

  • – die in die Hauptleitung mündenden Entnahmeleitung einen Eintrittsrohrabschnitt aufweist, dessen Längsachse im wesentlichen parallel zur Längsachse der Hauptleitung ausgerichtet ist und dessen Eintrittsöffnung im wesentlichen quer zur Längsachse der Hauptleitung (in Strömungsrichtung geöffnet) ausgerichtet ist,
  • – die Pumpe eine Stauwirkung im Bereich der Eintrittsöffnung vollständig oder zumindest weitgehend verhindert, jedoch eine Senkenströmung zuläßt (d.h. eine Saugpumpe) und
  • – das Nachweiselement eine oder mehrere auswechselbare Filtervorrichtungen aufweist.

Mit der Analysevorrichtung gemäß der Erfindung wird der Nachweis insbesondere dadurch verbessert, daß durch sie in der Hauptleitung keine Störungen im Bereich der Entnahmeöffnung auftreten, die durch Stau- und Randeffekte bedingt wären.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Analysevorrichtung ist die Längsachse des Eintrittsrohrabschnitts exakt parallel und die Eintrittsöffnung senkrecht zur Längsachse der Hauptleitung ausgerichtet. Die Eintrittsöffnung befindet sich vorzugsweise im Zentrum der Hauptleitung, wodurch Randwirkungseffekte ausgeschlossen werden.

Eine Störung durch Stau- und Randeffekte wird insbesondere durch eine Pumpe vermieden, die derart regelbar ist, daß der auf den wirksamen Querschnitt der Eintrittsöffnung bezogene Volumenstrom in der Entnahmeleitung größer oder gleich dem auf dem Rohrquerschnitt der Hauptleitung bezogenen Volumenstrom in der Hauptleitung ist. Dabei ist die Förderleistung der Pumpe entweder manuell oder mittels eines Meßfühlers, der den Volumenstrom in der Hauptleitung bestimmt, auf den Volumenstrom in der Hauptleitung einstellbar, so daß eine Staupunktsströmung im Bereich des Eintrittsrohrabschnitts verhindert wird. Geeignete Pumpen umfassen Kreiselpumpen, Schwingkolbenpumpen, Membranpumpen und Zahnradpumpen.

Das strömende Medium, das mit der erfindungsgemäßen Analysevorrichtung analysiert werden kann, ist vorzugsweise ein Lebensmittel, wie z.B. Wasser, Fruchtsäfte, Milchprodukte und alkoholische Getränke, insbesondere Bier.

Das Nachweiselement der Analysevorrichtung ist so ausgebildet, daß beim Nachweisvorgang eine Kontamination des zurückgeführten Medium ausgeschlossen ist. Vorzugsweise hat das Nachweiselement eine oder mehrere Filtervorrichtungen sowie Schnellkupplungsanschlüsse und Absperrvorrichtungen zum schnellen und kontaminationsfreien Austausch der Filtervorrichtungen. Geeignete Filtervorrichtungen können dabei sowohl Einzelfilter als auch mehrere aufeinander abgestellte Filtertypen sein (z.B. eine Vorfilter-Hauptfilter-Kombination), die jedoch die geforderte Filtrationskapazität (im Bereich von möglichst 0,01–0,05 % des Hauptstromes, d.h. bei einer Förderleitung der Hauptleitung von 500 hl/h eine Filtrationskapazität von z.B. 25 l/h) aufweisen müssen. Bevorzugte Filterformen sind spezielle Flachmembranfilter und Kerzenfilter, die zur Erleichterung der Handhabung und des Auswechselvorgangs vorzugsweise sich in Cassetten inklusive Halterung und Transportvorrichtung befinden.

Als Filtermaterialien in den Filtern können alle handelsüblichen Materialien verwendet werden, vorausgesetzt, daß der Filter gegenüber dem zu analysierenden Medium bei der herrschenden Temperatur stabil ist. Für Lebensmittel ist dabei eine hinreichende Säuren- und Basenstabilität erforderlich, was z.B. bei Filtern aus Polysulfonmembranen und Mischvliesmembranen (aus Zellulose-Mischestern, die durch ein Polyestervlies verstärkt sind) und eine Vorfilter-Hauptfilter-Kombination mit einem Glasfaser-Vorfilter und einen Hauptfilter aus Polyestermaterial gewährleistet ist. Die effektive Porengröße der verwendeten Filter ist abhängig von dem jeweiligen Nachweisproblem. Für den Nachweis von Mikroorganismen ist eine Porengröße zwischen 0,1 und 1,5 &mgr;m, insbesondere 0,2, 0,45 und 0,65 &mgr;m, je nach nachzuweisendem Mikroorganismus geeignet. Zum Nachweis von Hefezellen in Bier ist eine Porengröße von 0,65 &mgr;m bevorzugt.

Die erfindungsgemäße Analysevorrichtung ist zum Nachweis von Mikroorganismen in einem in einer Hauptleitung eines Rohrleitungssystems strömenden Lebensmittel einsetzbar. Dabei wird

  • a) aus der Hauptleitung des Rohrleitungssystems eine geringe Menge des Lebensmittels über die Entnahmeleitung der Analysevorrichtung abgezweigt,

    die abgezweigte Menge des Lebensmittels durch eine einen Filter enthaltende Filtervorrichtung geführt,

    das filtrierte Lebensmittel mittels einer Rückleitung in die Hauptleitung des Rohrleitungssystems zurückgeführt,
  • b) der Filter aus der Filtervorrichtung entnommen und
  • c) der entnommene Filter in Kontakt mit einer Nährlösung bebrütet.

Durch Steuerung der in der Analysevorrichtung vorhandenen Pumpe wird gewährleistet, daß die entnommene Probe repräsentativ ist. Die Entnahme (Austausch) des Filters aus der Filtervorrichtung, die Überführung in eine geeignete Bebrütungsvorrichtung und der anschließende Bebrütungsvorgang hat dabei so zu erfolgen, daß dabei weder die Filtervorrichtung noch der entnommene Filter bei der Überführung in die Bebrütungsvorrichtung mit Verunreinigungen (Keimen) in Berührung kommt.

Die Nährlösung für die Bebrütung der Filter, Bebrütungstemperatur und -dauer ist an das jeweilige Nachweisproblem anzupassen. Für den Nachweis von Mikroorganismen im Bier wird bevorzugt ein NBB-Nährmedium (Fa. Döhler, Darmstadt, DE) verwendet. Die Bebrütungstemperatur bei der Verwendung von NBB-Nährmedium beträgt 20°C bis 35°C, insbesondere 28°C, bei einer Bebrütungsdauer von wenigen Stunden bis mehreren Tagen (z.B. 5 Tage) je nach Kontaminationsstärke. Bei anderen Lebensmitteln werden gemäß der dort vorkommenden Keime entsprechend geeignete Medien eingesetzt.

Mit einer solchen Bebrütung des aus der Filtervorrichtung entnommenen Filters kann für Bier eine Nachweisempfindlichkeit (vorausgesetzt Gleichverteilung) von ≤ 1 Keim pro Liter in der Hauptleitung transportiertes Bier erzielt werden.

Mit der Analysevorrichtung gemäß der Erfindung wird der Nachweis insbesondere dadurch verbessert, daß ein empfindlicher, kontinuierlicher Nachweis von Verunreinigungen (Mikroorganismen) gewährleistet wird, ohne daß dazu große Probenmengen erforderlich wären. Dadurch ist ein kostengünstiger Nachweis möglich.

Eine bevorzugte Ausführungsform einer Analysevorrichtung der vorliegenden Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figur beschrieben.

Die Figur zeigt eine Analysevorrichtung 10 zur Analyse eines in einer Hauptleitung 12 eines Rohrleitungssystems strömenden Mediums mit einer Probeentnahmevorrichtung 14, die eine Entnahmeleitung 16 mit einer Pumpe 18 umfaßt.

Die Hauptleitung 12 in dem Rohrleitungssystem, die hohe Förderleistungen (z.B. 500 hl/h) aufweist, besteht aus einem lebensmitteltauglichen, d.h. einem gegenüber dem zu fördernden Medium inerten und druckfesten (Fördergeschwindigkeit in der Hauptleitung z.B. 2 m/s) Material, z.B. Edelstahl, mit entsprechenden Rohrdurchmessern.

Gleiche Materialanforderungen wie für die Hauptleitung 12 gelten auch für die Entnahmeleitung 16. Neben Edelstahl sind für die Entnahmeleitung 16 jedoch auch druckfeste Schläuche aus Plastikmaterial (PVC DN 10) verwendbar. Der Durchmesser der Entnahmeleitung liegt, bedingt durch Durchflußraten bis hin zu 50 l/h (z.B. 0,1 % des Hauptstroms).

Die Entnahmeleitung 16 weist einen Eintrittsrohrabschnitt 20 auf, dessen Längsachse im wesentlichen parallel zur Längsachse der Hauptleitung 12 ausgerichtet ist und dessen Eintrittsöffnung 22 im wesentlichen quer zur Längsachse der Hauptleitung 12 ausgerichtet ist. Für den Eintrittsrohrabschnitt 20 gelten die gleichen Materialerfordernisse wie für die Entnahmeleitung. Aufgrund der erforderlichen Steifheit des Eintrittsrohrabschnitts 20 besteht dieser jedoch vorzugsweise aus Edelstahl. Die Größe der Eintrittsöffnung 22 ist dabei abhängig von der Querschnittsfläche der Hauptleitung 12, der in der Hauptleitung geförderten Stoffmenge und der abzuzweigenden Stoffmenge und wird betriebsspezifisch angepaßt.

Mit der Pumpe 18 ist dabei der auf den wirksamen Querschnitt der Eintrittsöffnung 22 bezogene Volumenstrom in der Entnahmeleitung 16 größer oder gleich dem auf den Rohrquerschnitt der Hauptleitung 12 bezogenen Volumenstrom in der Hauptleitung 12 regelbar. Die verwendete Pumpe 18 weist eine hinreichende Förderleistung (z.B. bei 500 hl/h und 0,05 % Abzweigung mindestens 25 l/h) auf. Dies wird durch geeignete Pumpen, z.B. Kreiselpumpen, Schwingkolbenpumpen, Membranpumpen oder Zahnradpumpen gewährleistet. Die Förderung der Pumpe 18 wird entweder manuell oder über eine geeignete Vorrichtung geregelt, entsprechend dem Volumenstrom in der Hauptleitung 12.

Neben der Pumpe 18 weist die Entnahmeleitung 16 der Entnahmevorrichtung 14 in der Analysevorrichtung 10 noch ein Nachweiselement 24 auf. Dieses Nachweiselement 24 umfaßt ein Gehäuse, in dem eine oder mehrere Filtereinheiten über Schnellkupplungen an die Entnahmeleitung angeschlossen werden können. Die Filtereinheiten bestehen z.B. aus Polysulfonmembranen, Mischvliesmembranen und Vorfilter-Hauptfilter-Kombinationen mit einem Glasfaser-Vorfilter und einem Polyester-Hauptfilter, die zur besseren Handhabbarkeit in Filtercassetten angeordnet sind.

Die Analysevorrichtung 10 weist weiterhin eine zur Hauptleitung 12 zurückführende Rückleitung 26 auf. Für die Rückleitung 26 gelten die selben Materialanforderungen wie für die Entnahmeleitung 16.


Anspruch[de]
Analysevorrichtung zur Analyse eines in einer Hauptleitung (12) eines Rohrleitungssystems strömenden Lebensmittels, mit einer in die Hauptleitung (12) mündenden, eine Pumpe (18) und ein Nachweiselement (24) aufweisenden Entnahmeleitung (16), wobei

– die in die Hauptleitung (12) mündenden Entnahmeleitung (16) einen Eintrittsrohrabschnitt (20) aufweist, dessen Längsachse im wesentlichen parallel zur Längsachse der Hauptleitung (12) ausgerichtet ist und dessen Eintrittsöffnung (22) im wesentlichen quer zur Längsachse der Hauptleitung (12) ausgerichtet ist,

– die Pumpe (18) eine Stauwirkung im Bereich der Eintrittsöffnung (22) vollständig oder zumindest weitgehend verhindert, jedoch eine Senkenströmung zuläßt und

– das Nachweiselement (24) eine oder mehrere auswechselbare Filtervorrichtungen aufweist.
Analysevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (18) derart ausgelegt ist, daß der auf den wirksamen Querschnitt der Eintrittsöffnung (22) bezogene Volumenstrom in der Entnahmeleitung (16) größer oder gleich dem auf den Rohrquerschnitt der Hauptleitung (12) bezogenen Volumenstrom in der Hauptleitung (12) wird. Analysevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichet, daß von der Pumpe (18) aus eine Rückleitung (26) zur Hauptleitung (12) führt. Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtervorrichtung einen Flachmembranfilter oder einen Kerzenfilter umfaßt. Analysevorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter aus Polysulfonmembranen oder Mischvliesmembranen besteht. Analysevorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Filter eine Porengröße zwischen 0,1 und 1,5 &mgr;m aufweist. Analysevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das strömende Lebensmittel Bier ist.






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