DE102008058785B4

DE102008058785B4 - Prozessmikroskope

Info

Publication number: DE102008058785B4
Application number: DE102008058785.0A
Authority: DE
Inventors: Uwe Hampel; Martin Tschofen; Frank Barthel
Original assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Current assignee: Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2028-11-25
Also published as: DE102008058785A1

Abstract

Prozessmikroskop zum Erfassen eines Prozessmediums mit einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, wobei – die Beleuchtungseinheit in einem ersten Wärmeleitzylinder (3) untergebracht ist, wobei der erste Wärmeleitzylinder (3) in einem ersten äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet ist, – die Kameraeinheit in einem zweiten Wärmeleitzylinder (3) untergebracht ist, wobei der zweite Wärmeleitzylinder (3) in einem zweiten äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet ist, – die Beleuchtungseinheit aus einer Lichtquelle (5) und einer Beleuchtungsoptik (6) besteht, die derart hintereinander innerhalb des ersten Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Beleuchtungsoptik (6) dem Prozessmedium zugewandt ist, und – die Kameraeinheit aus einer Kamera (10) und einer Abbildungsoptik (9) besteht, die derart hintereinander innerhalb des zweiten Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Abbildungsoptik (9) dem Prozessmedium zugewandt ist.

Description

Die Erfindung betrifft Anordnungen zur optischen Visualisierung und Vermessung von mikroskopischen Vorgängen in Prozessen bei hoher Temperatur und/oder hohem Druck.
In vielen Industriezweigen, wie der Chemie-, Bio-, Pharma-, Umwelt- und Energieverfahrenstechnik sind chemische und physikalische Prozesse mittels geeigneter Prozessinstrumentierung zu beobachten, zu überwachen und zu steuern. Dies trifft insbesondere auf Stoffgemischströmungen in der Chemieverfahrenstechnik, der Bioverfahrenstechnik und der Lebensmittelherstellung zu.
Mikroskopie-Beobachtungssysteme sind dabei von besonderem Interesse, da sie dynamische Vorgänge auf mikroskopischen Skalen, etwa die Vitalität von Mikroben, die Ausbildung von Biofilmen oder das Wachstum von Partikeln, einer Beobachtung zugänglich machen. Aus der Literatur ist eine Vielzahl prozessmikroskopischer Systeme bekannt. Zumeist bestehen diese Lösungen aus einer einfachen Kombination einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit mit einer abbildenden Optik. Alle bekannten Lösungen können nur bei ausreichend niedrigen Drücken und Temperaturen eingesetzt werden, da immer Teile des abbildenden Systems (Optiken, Kunststoffteile) bzw. Elektronikbestandteile (LED-Beleuchtung, Kamerakomponenten) Limitationen bezüglich des Drucks und hauptsächlich der Temperatur unterliegen.
Systemlösungen für Prozesse mit Temperaturen oberhalb 50°C sehen daher immer eine genügende räumliche Trennung der temperaturempfindlichen Bauteile vom Prozessort vor. Dies ist aber oft ein Nachteil, da besonders die Übertragung des Bildes vom Prozessort zur Kameraeinheit über lange Distanzen mittels einer temperaturunempfindlichen Optik zu hohen Lichtverlusten im Strahlengang führt. Dies kann unter Umständen dazu führen, dass aufgrund des Lichtverlustes lange Belichtungszeiten der Kamera erforderlich sind, die es nicht möglich machen, schnelle Prozesse scharf abzubilden.
Die DE 100 16 838 A1 beschreibt eine in-situ Mikroskopvorrichtung für Reaktoren mit einem Tauchrohr, das einen Einlass zum Einlassen von Probenmaterial oder Reinigungsmittel aufweist, einem Mikroskopaußenrohr und einer außerhalb des Tauchrohrs angeordneten Kamera. Die DE 100 52 384 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Ermitteln von Partikeleigenschaften in einem fluiden Medium, wobei die Vorrichtung mittels einer CCD-Kamera, einer Beleuchtungseinrichtung und eines optischen Filters zum Aufnehmen von Partikeln in einem Messvolumen ausgebildet ist. Die DE 40 32 002 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur mikroskopischen Analyse einer Kulturbrühe in einem Bioreaktor mit einer Lichtquelle, einem Mikroskop und einer Videokamera. Die DE 196 33 963 A1 betrifft eine Sonde zur optischen Erfassung fluidisierter Partikel oder Tropfen mit einer Fassung zur Befestigung an einer Kamera und einem stabförmigen Hohlkörper mit einer Lichtquelle, in dem ein Messvolumen ausgebildet ist. In „An in situ probe for on-line monitoring of cell density and viability an the basis of dark field microscopy in conjunction with image processing and supervised machine learning” (N. Wei et al., Biotechnology and bioengineering, Vol. 97, S. 1489 ff.) wird eine Vorrichtung zum Erfassen von Fermentationsprozessen mittels Dunkelfeldmikroskopie beschrieben. Die DE 29 45 241 A1 beschreibt eine kalorimetrische Sonde.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung für ein Prozessmikroskop anzugeben, bei dem die Kameraeinheit möglichst nah am Prozessort angeordnet ist. Dabei soll die Anordnung durch konstruktive Gestaltung in der Lage sein, die Kameraeinheit vor unzulässig hohen Temperaturen, die am Prozessort auftreten können, zu schützen und ohne gleichzeitig einen starken Wärmeentzug aus dem Prozessmedium über eine aktive Kühlung des Konstruktionsmaterials des Prozessmikroskops zu verursachen.
Die Erfindung betrifft Prozessmikroskope gemäß den unabhängigen Ansprüchen, Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Demgemäß können insbesondere die Nachteile bekannter Lösungen durch folgende Merkmale überwunden werden:

– Beleuchtungsoptik und Kamera sind in einem einzigen bzw. in getrennten Schutzkörpern untergebracht, innerhalb derer eine Vakuumkammer für eine optimale thermische Isolation sorgt.
– Die durch die Vakuumkammer gestrahlte bzw. über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme wird von den innen liegenden Strukturen des Prozessmikroskops über eine wärmeleitende Zylinderringstruktur und einen daran angeschlossenen Kühlkörper abgeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Abbildungen zeigen jeweils einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Prozessmikroskops
1: mit getrennter Beleuchtungs- und Kameraeinheit bzw.
2: mit verbundener Beleuchtungs- und Kameraeinheit.
Das Prozessmikroskop besteht aus einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, die getrennt (1) oder miteinander verbunden (2) angeordnet sein können. Vorteilhafterweise wird eine zylindrische Form für den Schutzkörper gewählt, deshalb ist im Weiteren von Schutzzylinder die Rede. Auch alle anderen inneren Komponenten, z. B. Wärmeleitzylinder, sind nicht an die zylindrische Form gebunden.
Die beiden Einheiten haben einen ähnlichen Aufbau. Sie bestehen aus einem äußeren Schutzzylinder (1), sowie einem innen liegenden Wärmeleitzylinder (3), der die optoelektronischen Funktionskomponenten umhüllt. Zwischen dem äußeren Schutzzylinder (1) und dem innen liegenden Wärmeleitzylinder (3) ist eine zylindrische Vakuumkammer (2) angeordnet, die eine thermische Isolation der inneren Komponenten gewährleistet. Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit sind jeweils vom Prozessmedium (12) durch Schutzfenster (7) getrennt, welche zum Beispiel aus Saphirglas bestehen können. Diese sind in geeigneter Weise, zum Beispiel durch eine Verschraubung über eine Dichtung (8) oder Verklebung oder Verschweißen oder ähnliches, mit dem äußeren Schutzzylinder (1) druckfest verbunden.
Innerhalb des Wärmeleitzylinders (3) sind die temperatur- und druckempfindlichen Komponenten angeordnet. Dies sind die Lichtquelle (5) mit vorgesetzter Beleuchtungsoptik (6) in der Beleuchtungseinheit sowie die Abbildungsoptik (9) und die Kamera (10) in der Kameraeinheit. Die elektrischen Kabel (11) verlassen die Beleuchtungseinheit bzw. die Kameraeinheit am prozessfernen Ende des Bauteils. Auf der dem Prozessort abgewandten Seite von Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit ist jeweils ein Kühlkörper (4) am äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet, der die durch die Vakuumkammer gestrahlte bzw. über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme vom Wärmeleitzylinder (3) an die Umgebung abführt. Die beiden Teile, Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit, des Prozessmikroskops sind einzeln in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Einschraubung in die Gefäßwand (13), in das Prozessmedium (12) eingebracht und gegenüberliegend angeordnet, so dass sich ein Beobachtungsspalt (14) im Prozessmedium (12) ergibt, in welchem das Prozessmikroskop Bilder aufzeichnen kann.
Für eine Variante mit verbundener Beleuchtungseinheit und Kameraeinheit (2) ist der Aufbau so gewählt, dass äußerer Schutzzylinder (1), Vakuumkammer (2) und Wärmeleitzylinder (3) die Komponenten Lichtquelle (5), Beleuchtungsoptik (6), Beobachtungsspalt (14), Abbildungsoptik (9) und Kamera (10) umhüllen. Der Beobachtungsspalt (14) ist als Durchbruch durch den äußeren Schutzzylinder sowie den Wärmeleitzylinder (3) gestaltet. Das Prozessmedium (12) kann diesen Durchbruch durchdringen. Der Durchbruch ist mit Material ausgekleidet, welches als Barriere zwischen Prozessmedium (12) und dem Volumen innerhalb des äußeren Schutzzylinders (1) dient. Das elektrische Kabel (11) der Beleuchtungseinheit wird zur Kameraeinheit durch die Vakuumkammer (2) oder einen zusätzlichen Kanal geführt. Die bzw. der Wärmeleitzylinder (3) ist ebenfalls mit einem externen Kühlkörper (4) verbunden.
Zusätzlich kann die Vakuumkammer bei beiden Varianten auch von einer Kühlflüssigkeit durchströmt werden, die zusätzlich zum Kühlkörper (4) verwendet wird.
Bezugszeichenliste

1: äußerer Schutzzylinder
2: Vakuumkammer
3: Wärmeleitzylinder
4: Kühlkörper
5: Lichtquelle
6: Beleuchtungsoptik
7: Schutzfenster
8: Dichtung
9: Abbildungsoptik
10: Kamera
11: elektrisches Kabel
12: Prozessmedium
13: Gefäßwand
14: Beobachtungsspalt

Claims

Prozessmikroskop zum Erfassen eines Prozessmediums mit einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, wobei – die Beleuchtungseinheit in einem ersten Wärmeleitzylinder (3) untergebracht ist, wobei der erste Wärmeleitzylinder (3) in einem ersten äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet ist, – die Kameraeinheit in einem zweiten Wärmeleitzylinder (3) untergebracht ist, wobei der zweite Wärmeleitzylinder (3) in einem zweiten äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet ist, – die Beleuchtungseinheit aus einer Lichtquelle (5) und einer Beleuchtungsoptik (6) besteht, die derart hintereinander innerhalb des ersten Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Beleuchtungsoptik (6) dem Prozessmedium zugewandt ist, und – die Kameraeinheit aus einer Kamera (10) und einer Abbildungsoptik (9) besteht, die derart hintereinander innerhalb des zweiten Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Abbildungsoptik (9) dem Prozessmedium zugewandt ist.
Prozessmikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten äußeren Schutzzylinder (1) und dem ersten Wärmeleitzylinder (3) sowie zwischen dem zweiten äußeren Schutzzylinder (1) und dem zweiten Wärmeleitzylinder (3) jeweils eine Vakuumkammer (2) angeordnet ist.
Prozessmikroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Wärmeleitzylinder (3) jeweils mit einem Kühlkörper (4) verbunden sind, der die durch die Vakuumkammer (2) gestrahlte und/oder über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme von dem jeweiligen Wärmeleitzylinder (3) an die Umgebung abführt.
Prozessmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmikroskop Schutzfenster (7) zum Trennen der Beleuchtungs- und der Kameraeinheit von dem Prozessmedium (12) aufweist.
Prozessmikroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste äußere Schutzzylinder und der zweite äußere Schutzzylinder jeweils eine zum Zuwenden zu dem Prozessmedium (12) vorgesehene Stirnseite aufweisen, die jeweils mit einem der Schutzfenster (7) versehen sind, welches mittels geeigneter Methoden druckdicht mit dem jeweiligen Schutzzylinder (1) verbunden ist, so dass ein Eindringen des Prozessmediums (12) in das Innere des jeweiligen Schutzzylinders (1) verhindert wird.
Prozessmikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem ersten äußerem Schutzzylinder (1) und dem ersten Wärmeleitzylinder (3) befindliche Raum und der zwischen dem zweiten äußeren Schutzzylinder (1) und dem zweiten Wärmeleitzylinder (3) befindliche Raum von einem Kühlmedium durchflossen wird.
Prozessmikroskop zum Erfassen eines Prozessmediums mit einer Beleuchtungseinheit und einer Kameraeinheit, wobei – die Beleuchtungseinheit und die Kameraeinheit in einem gemeinsamen Wärmeleitzylinder (3) untergebracht sind, wobei der Wärmeleitzylinder (3) in einem äußeren Schutzzylinder (1) angeordnet ist, – die Beleuchtungseinheit aus einer Lichtquelle (5) und einer Beleuchtungsoptik (6) besteht, die derart hintereinander innerhalb des Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Beleuchtungsoptik (6) dem Prozessmedium zugewandt ist, und – die Kameraeinheit aus einer Kamera (10) und einer Abbildungsoptik (9) besteht, die derart hintereinander innerhalb des Wärmeleitzylinders (3) angeordnet sind, dass beim Betreiben des Prozessmikroskops die Abbildungsoptik (9) dem Prozessmedium zugewandt ist.
Prozessmikroskop nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem äußeren Schutzzylinder (1) und dem Wärmeleitzylinder (3) eine Vakuumkammer (2) angeordnet ist.
Prozessmikroskop nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitzylinder (3) mit einem Kühlkörper (4) verbunden ist, der die durch die Vakuumkammer (2) gestrahlte und/oder über vorhandene Materialverbindungen geleitete Wärme von dem Wärmeleitzylinder (3) an die Umgebung abführt.
Prozessmikroskop nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmikroskop Schutzfenster (7) zum Trennen der Beleuchtungseinheit und der Kameraeinheit von dem Prozessmedium (12) aufweist.
Prozessmikroskop nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass – der äußere Schutzzylinder (1) sowie der Wärmeleitzylinder (3) zwischen der Beleuchtungsoptik (6) und der Abbildungsoptik (9) durchbrochen sind, so dass das Prozessmedium (12) innerhalb des Durchbruchs beobachtbar wird, – der Durchbruch innen mit Material auskleidet ist, welches eine druckdichte Barriere zwischen dem Prozessmedium (12) und dem Inneren des äußeren Schutzzylinders (1) bildet, – im Bereich des Durchbruchs jeweils direkt vor der Beleuchtungsoptik (6) und der Abbildungsoptik (9) die Schutzfenster (7) angeordnet sind, durch welche die Beobachtung des Prozessmediums (12) in dem durch den Durchbruch definierten Beobachtungsspalt (14) ermöglicht wird, und – zu der Lichtquelle (5) laufende elektrische Kabel (11) durch die Vakuumkammer (2), sofern rückbezogen auf Anspruch 8, oder einen zusätzlichen Kanal geführt sind.
Prozessmikroskop nach dem Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen dem Schutzzylinder (1) und dem Wärmeleitzylinder (3) befindliche Raum von einem Kühlmedium durchflossen wird.