Leitfähigkeits-Sensoren und Online Messung der Biomassenkonzentration

Konduktive Leitfähigkeitssensoren

• Elektrische Wiederstandsmessung
• Leitfähigkeit des Messmediums wird direkt (in der Lösung) gemessen 
• oft wird eine Wheatstone'sche Brückenschaltung verwendet und der unbekannte Wiederstand Ra bestimmt so dass gilt R1/R2 = Ra/Rm 
• Messzelle besteht im einfachsten Fall aus zwei gleichartigen Elektroden, die eine Wechselspannung angelegt wird. Aus dem durch die Ionen des Elektrolyten bewirkten Strom berechnet das Messgerät dann unter einbeziehung der Zellkonstanten den spezifischen Leitfähigkeitswert der Messlösung
• Zellkonstante (k) = Geometrie der Leitfähigkeitsmesszelle. Die Zellkonstante k ist definiert als Quotient aus Abstand und Fläche  k = L/A, sie ist von der Bauform der Messzelle abhängig. Wird oft über die Messung einer Standardlösung ermittelt. 
• spezifischer Leitwert (K) = G *(L/A) = G *k   

Induktive Leitfähigkeitssensoren

• Leitfähigkeit des Messmediums wird indirekt gemessen
• Durch einen in der Primärspule (Sender) fließenden Wechselstrom wird ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, welches im umgebenden Medium einen Strom induziert. Der Stromfluss im Medium erzeugt wiederum ein Magnetfeld welches in der Sekundärspule (Empfänger) des Sensors eine Spannung und damit einen Stromfluss induziert. Der gemessene Strom in der Sekundärspule ist dabei ein Maß für die Leitfähigkeit des Mediums.

Siehe auch: https://www.youtube.com/watch?v=5qxenj3NpE0

Konduktive Leitfähigkeitsmessung

• 2 Elektroden Messzelle oder auch 4 Elektroden-Messzelle 
• angelegte Wechselspannung  (Oszillator)

Induktive Leitfähigkeitsmessung 

• 2 Ringkernspulen (Transmitter, Receiver) 
• angelegte Wechselspannung (Oszillator)

• Überwachung der Reinheit von Wasser (Wasseraufbereitung in der pharmazeutischen Industrie, in der Halbleiter-Fertigung, Meerwasserentsalzung)
• Prozessüberwachung in der chemischen Industrie
• Überwachung von Oberflächenwasser oder industriellem Abwasser
• Steuerung der Neutralisation von Abwasser
• Überwachung und Steuerung der CIP-Reinigung und der nachfolgenden Spülprozesse (pharmazeutische Industrie, Lebensmittel- und Getränkeindustrie)
• Kontrolle der Enthärtung von Speisewasser (z.B. bei der Dampferzeugung für Kraftwerke)
• Konzentrationsbestimmung von Salzen oder Säuren

Vorteil

• Bei der induktiven Leitfähigkeitsmessung erfolgt die Messung indirekt (Ohne Kontakt mit dem Medium) daher ist der Sensor gegenüber Korrosion geschützt und können auch in aggressiven Medien eingesetzt werden. Sensoren werden zudem nicht beeinträchtigt von Ablagerungen auf der Oberfläche. 

Nachteil

• Der Nachteil der Leitfähigkeitsmessung ist  die Tatsache, dass sie nicht spezifisch ist. Es wird nur der totale Gehalt an Ionen bestimmt, jedoch nicht welche Ionen sich in der Flüssigkeit befinden. 
• In Lösungen mit hoher Leitfähigkeit entsteht, aufgrund der Wanderung der Ionen an die Platten mit entgegengesetzter Ladung, eine „Ionenwolke“, die die Elektroden abschirmt und mit der Zeit als zusätzlicher Widerstand die Messung beeinflusst. 
• Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit von Elektrolyten ist sehr gross. (Pro °C ca 2% Messfehler) 

Mit der Messung der Leitfähigkeit erhält man Informationen über den totalen Gehalt an Ionen in einer Lösung. Anders als bei der Messung pH-Sensoren oder ionenselektiven Elektroden, welche Informationen über ein spezifisches Ion liefern, ergibt die Leitfähigkeitsmessung Aufschluss über den Gehalt aller Ionen in Lösung.

TOC = total organic carbon

Der TOC-Wert wird indirekt gemessen, indem das organische Material (allgemeine Summenformel C_XH_YO_Z) durch Oxidation vollständig zu CO₂ oxidiert wird. Dies geschieht durch Bestrahlung unter hartem UV-Licht mit einer Wellenlänge von 185 und 254 nm. Ein hoher Gehalt an organischen Verunreinigungen führt somit über das Carbonat Gleichgewicht zu einer erhöhten Leitfähigkeit des Wassers. Wird die Leitfähigkeit vor und nach der UV-Bestrahlung gemessen, kann der TOC-Wert über die Differenz der beiden Leitfähigkeits-messungen ermittelt werden.

Mit der Ansprechzeit wird die Zeit angegeben, welche ein Sensor benötigt, um nach einer Konzentrationsänderung das neue Signal zu erreichen. Eine zunehmende Ansprechzeit ist oft ein Mass für die Alterung eines Sensors, da z.B. Matrixadsorptionen oder die Verarmung der Quellschicht (pH-Elektrode) die Ansprechzeit verlängern können. In langsamen Prozessen spielt die Ansprechzeit naturgemäss keine entscheidende Rolle. Ändern sich Konzentrationen hingegen sehr schnell, ist die Ansprechzeit ein wichtiges Kriterium im Anforderungsprofil eines Sensors.

Offline

• Trocken- und Feucht-Biomasse
• Zählkammer (mikroskopisch)

Online

• Durchflusszytometrie
• Fluoreszenzspektroskopie
• Trübung / optische Dichte
• Dielektrische Spektroskopie

Eine Küvette (Offline) oder in der Probe (Online) wird dabei Flüssigkeit von Licht der Intensität I₀ durchstrahlt (Wellenlänge in einem Bereich, in welchem keine Absorption stattfindet, z.B. 600 nm). Je höher die Anzahl suspendierter Partikel (bzw. Zellen), desto mehr Licht wird gestreut, und desto weniger Licht (Intensität I) erreicht den Detektor.

Angegeben wird der Messwert als Optische Dichte: OD = log (I₀/I)     Proben mit hoher Zelldichte (> 0.5 OD) müssen verdünnt werden

• Partikel mit Durchmessern grösser als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts streuen das Licht in Richtung der Lichtquelle zurück. Diese Rückwärtsstreuung kann erfasst werden, indem (a) das zurückgestreute Licht (z.B. durch Einkoppeln in eine optische Faser, Abbildung 12.1a) direkt gemessen wird oder (b) der Intensitätsverlust über eine definierte Weglänge gemessen wird 
• Partikel mit Durchmessern kleiner als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichts streuen das Licht seitwärts und vorwärts. Trübungssensoren, welche diese Art von Streulicht erfassen, eignen sich vor allem für die Messung von geringen Trübungen. Diese Sensoren werden z.B. in der Bierherstellung eingesetzt, um einen Filterdurchbruch zu erkennen. 

In der dielektrischen Spektroskopie wird in einer Zellsuspension ein elektrisches Wechselfeld angelegt. Grundsätzlich ist das Messverfahren ähnlich zur konduktiven Leitfähigkeitsmessung, wobei bei der dielektrischen Spektroskopie nicht bei einer konstanten Frequenz gearbeitet wird, sondern ein Frequenzbereich (typischerweise Radiofrequenzen im Bereich einiger MHz) abgetastet wird. Intakte, lebende Zellen verhalten sich in einem elektrischen Feld ähnlich ein Kondensator; sie werden durch die angelegte Spannung polarisiert. Bei tiefen Frequenzen leiten Kondensatoren keinen Strom; für Wechselstrom hoher Frequenzen hingegen werden sie elektrisch leitend. Tote Zellen lassen sich dagegen nicht polarisieren.

Messgrösse: Kapazität bzw. Impedanz  im elektrischen Wechselfeld

Messsignal beeinflusst durch

• Biomassenkonzentration (lebende Zellen)
• Zellgrösse und –morphologie
• Prozessabhängige Grösse (Leitfähigkeit, Temperatur, u.U. Begasung, Rührrate, etc.)