Temperaturüberwachung Sensor in der Erbse

Um präzise Überwachung und Steuerung aller Parameter zu haben, müssen die Sensoren dicht an dem Geschehen sitzen.
Um eine präzise Überwachung und Steuerung aller Parameter zu garantieren, müssen die Sensoren nah am Geschehen sitzen.

In der Biotechnologie laufen hochkomplexe Prozesse ab. Optimale Ergebnisse sind nur bei präziser Überwachung und Steuerung aller Parameter zu erhalten. Die Sensoren dafür müssen so nah wie möglich am Geschehen sitzen, etwa als kleine Kugeln, die in der zu überwachenden Flüssigkeit schwimmen.

Die wichtigste Größe bei Brau-, Gär- oder Koch-Verfahren ist die Temperatur. Schon kleinste Abweichungen vom Sollwert können zu unerwünschten Ergebnissen führen. Üblicherweise sitzen die Sensoren dafür an der Außenwand des Reaktorgefäßes. Die Wärmeverteilung ist im gesamten Volumen aber nicht immer gleichmäßig. Tief im Inneren kann die Temperatur durchaus anders sein als weiter außen. Sensoren an längeren Armen, die bis in die Mitte hineinragen, sind nicht in jedem Fall möglich und manchmal sogar störend.

Die Lösung dieses Problems sind kleine energieautarke Sensoreinheiten, die sich in der Flüssigkeit verteilen. Solche gibt es bereits in vielfältigen Formen. Weil sie in einer Flüssigkeit herumschwimmen sollen, muss ihr Gewicht so getrimmt sein, dass sie die gleiche Dichte haben und so weder zu Boden sinken noch auf der Oberfläche treiben.

Und sie sollen so klein wie irgend möglich sein, damit sie den Prozess nicht beeinflussen. Erfolg in dieser Richtung können die Forscher der Arbeitsgruppe um Dr. Christian Hedayat am Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) an der Außenstelle in Paderborn verbuchen. Zusammen mit den Projektpartnern (Technische Universität Dresden, IMST in Kamp-Lintfort, SAAS in Bannewitz, Ökoplast in Mittweida und e-nema in Schwentinental) haben sie die Miniaturisierung bis zum Äußersten getrieben: Die „Sens-o-Spheres“ genannten Sensoreinheiten – ein vom BMBF gefördertes Verbundprojekt – haben die Form von Kunststoffkugeln mit einem Durchmesser von nur 7,8 mm – etwa so groß wie eine Erbse. Der Temperaturfühler sitzt mit auf dem steuernden Mikrocontroller-Chip – ein extrem leistungssparender Typ mit minimaler Eigenerwärmung, die den Messwert nicht verfälscht. Die erreichbare Messauflösung liegt bei 0,1 K.

Erst fischen, dann aufladen

Zum Betrieb dient die kleinste derzeit auf dem Markt verfügbare Lithium-Ionen-Zelle mit einer Kapazität von 1 mAh. Dies reicht für etwa 500 Mess- und Sendevorgänge, anschließend muss sie wieder aufgeladen werden. Schwimmend im Bioreaktor ist das nicht zu machen; dazu werden die Sensoren erst herausgefischt und dann in eine passende Halterung gesetzt. Die winzigen Temperaturmesser enthalten miniaturisierte Induktionsspulen, in das die Ladestation von außen ein magnetisches Wechselfeld im MHz-Bereich einstrahlt. Die induzierte Spannung lädt dann nach Gleichrichtung den Akku auf.

Für eine optimale Kopplung müssten die Spulenachsen parallel liegen. Das ist wegen der Kugelform aber selten, vielmehr haben sie statistisch verteilte Ausrichtungen. Damit unabhängig von dieser immer eine Spannung entsteht, sind fünf Spulen eingebaut und in ausgeklügelter Weise miteinander verschaltet. Die optimale Form haben die Paderborner Forscher in ausgiebigen Simulationen ermittelt.

Die Erregerspulen werden mit zwei um 90° versetzten Phasen angesteuert, sodass das Magnetfeld in seiner Ausrichtung rotiert und somit alle möglichen stochastischen Ausrichtungen erfasst. Während die Kugeln in der Ladevorrichtung sitzen, ist auch eine Kommunikation in Gegenrichtung möglich – für Programmierungs- und Reset-Zwecke. Nach dem Aufladen schalten sie sich zunächst aus; mit einem speziellen Puls lassen sie sich dann reaktivieren, sobald sie wieder in dem Bioreaktor eingeführt werden.

Die Datenübertragung nach außen zum Empfänger läuft auf der verbreiteten ISM-Frequenz 433 MHz, die Antenne ist räumlich von den Ladespulen getrennt. Weil UHF-Wellen in Wasser und biologischen Lösungen stark gedämpft werden, hat man zunächst die vorliegenden Ausbreitungseigenschaften eingehend untersucht. Wie sich dabei gezeigt hat, kommt außen in etwa ein bis zwei Meter Entfernung noch ein verwertbares Signal an.

In Zukunft darf die Biosuppe im Reaktor also kräftig gären, ohne dass man befürchten muss, dass der Prozess in die Irre läuft.