Impedimetrischer Inline-Biofilmsensor
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Annekatrin Delan
Annekatrin Delan beendete ihr Physikstudium in Chemnitz an der TU Chemnitz-Zwickau als Dipl.-Phys. 1993. Seit 2005 arbeitet sie als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Dresden, Institut für Festkörperelektronik. Ihre derzeitigen Arbeitsfelder sind Beschichtungen für die Optik und Sensorik sowie die Sensorentwicklung.
M. Eng. Michael Becker ist Projektingenieur für Elektrotechnik bei 4H-JENA engineering GmbH. Sein Arbeitsfeld ist Entwurf, Simulation und Umsetzung digitaler und analoger Schaltungen.
Dipl.-Ing. Michael Boer ist Geschäftsführer der 4H-JENA engineering GmbH.
Dr. Marion Frant ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. im Fachbereich Biowerkstoffe. Frau Dr. Frant untersucht unter Anwendung von Biofilmmodellen und der Impedanzspektroskopie die Interaktionen an der Grenzfläche von Material und Mikroorganismen.
Dr. Uwe Schirmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. im Fachbereich Biowerkstoffe. Herr Dr. Schirmer bearbeitet On- und Offline-Analysen von adhärierenden Bakterienpopulation mit Hilfe von In vitro – Biofilmsimulationen unter der Anwendung bakterieller Mischkulturen.
Margarita Günther ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Festkörperelektronik der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Dresden.
Hauptarbeitsgebiete: Sensoren und Funktionsmaterialien für Umweltüberwachung und für klinische Anwendungen; Realisierung, Entwicklung und messtechnische Charakterisierung der Sensoren und Sensorschichten; Einsatz sensitiver Hydrogele in biochemischen Sensoren.
and
Gerald Gerlach
Gerald Gerlach ist Professor für Festkörperelektronik an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Dresden und dort auch Direktor des gleichnamigen Instituts.
Hauptarbeitsgebiete: Sensor- und Halbleitertechnologie, Simulation und Modellierung mikromechanischer Bauelemente, Entwicklung von Festkörpersensoren mit dem Schwerpunkt pyroelektrische Infrarot- sowie piezoresistive Feuchte- und Gassensoren.
Zusammenfassung
In diesem Beitrag wird ein Sensorsystem zum Nachweis bakterieller Kontaminationen in wasserführenden Anlagen der Trinkwasserversorgung und in technischen Wasserkreisläufen vorgestellt, das eine schwellwertbasierte permanente Überwachung der Trinkwasserinstallationen ermöglicht. Der Aufbau basiert auf einem Zwei-Sensoren-Prinzip mit einem Messsensor, der eine poröse Polyamid 12-Substratfalle als Detektionsort für die Biofilmbildung enthält, und einem Referenzsensor. Als Trägermaterialien für die Substratfalle wurden geeignete dreidimensionale Geometrien entwickelt und mittels additiven Fertigungsverfahren realisiert. Dabei ist es gelungen, einen optimalen Kompromiss zwischen fluidisch optimierter 3D-Struktur und der technologischen Realisierbarkeit mittels 3D-Druck zu finden. Im Ergebnis entstand eine fluidische Falle für Mikroorganismen, durch die das entsprechende Leitungswasser geführt wird und auf deren Oberfläche sich eine angereicherte Mikroorganismenpopulation als Biofilm auf dem Substratmaterial ausbildet. Die Anbindung des Sensors an eine Mess-, Steuerungs- und Regelungs- (MSR-)Technik ist über eine Datenschnittstelle gewährleistet, wo auch der Vergleich der impedimetrischen Messdaten zwischen Mess- und Referenzkanal erfolgt. Wenn das Differenzsignal einen Schwellenwert erreicht, kann eine frühzeitige Behandlung von Komponenten des Wasserkreislaufes weit vor dem Eintreten möglicher gesundheitlicher Beeinträchtigungen durch Wasserkontaminationen durchgeführt werden. Die Sensoren sind als austauschbare Einheiten nach Bewuchs mit Biofilmen konzipiert. Für den Einsatz in Trinkwasserinstallationen entsprechen Sensor, Beschichtung und Sensorträger den hygienischen Anforderungen der Trinkwasserverordnung.
Abstract
In this paper, a novel sensor system for the detection of bacterial contamination in drinking water supply equipment and in technical water recirculation systems is presented, which allows a permanent monitoring of the drinking water piping. The implemented measuring system is based on the two-sensors principle with the main sensor containing a porous polyamide substrate trap serving as a trap for microorganisms, which can grow and build a biofilm, and a reference sensor. The three-dimensional structure of the substrate trap was designed and implemented by means of additive manufacturing. As a result, it was possible to find an optimal compromise between fluidically optimized 3D structure and technological feasibility using 3D printing. The sensor was connected to a process measuring and control unit using a data interface. This enabled the comparison of the impedimetric signals of the measuring and reference channels as well as a difference signal output. The antibacterial treatment of the water recirculation components should be performed if the difference signal of the sensor exceeds a given threshold value. This early maintenance prevents a health threat due to water contamination. The sensor system is designed as an interchangeable unit. Its components fulfil the hygienic requirements of the Drinking Water Guidelines for the use in drinking water piping.
Funding source: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Award Identifier / Grant number: FKZ ZF4190805MD9
Award Identifier / Grant number: ZF4674402MD9
Award Identifier / Grant number: ZF4115804MD9
Award Identifier / Grant number: ZF4019608MD9
Funding statement: Die Autoren danken dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) für die Förderung des ZIM-Verbundprojektes „Entwicklung eines Inline-Sensors zur permanenten Kontrolle und Beurteilung der Ausbildung und Entwicklung von Biofilmen in wasserführenden Rohrleitungssystemen (Inline-Biofilm-Sensor)“ (FKZ ZF4190805MD9, ZF4674402MD9, ZF4115804MD9 und ZF4019608MD9).
Über die Autoren
Annekatrin Delan beendete ihr Physikstudium in Chemnitz an der TU Chemnitz-Zwickau als Dipl.-Phys. 1993. Seit 2005 arbeitet sie als wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Dresden, Institut für Festkörperelektronik. Ihre derzeitigen Arbeitsfelder sind Beschichtungen für die Optik und Sensorik sowie die Sensorentwicklung.
M. Eng. Michael Becker ist Projektingenieur für Elektrotechnik bei 4H-JENA engineering GmbH. Sein Arbeitsfeld ist Entwurf, Simulation und Umsetzung digitaler und analoger Schaltungen.
Dipl.-Ing. Michael Boer ist Geschäftsführer der 4H-JENA engineering GmbH.
Dr. Marion Frant ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. im Fachbereich Biowerkstoffe. Frau Dr. Frant untersucht unter Anwendung von Biofilmmodellen und der Impedanzspektroskopie die Interaktionen an der Grenzfläche von Material und Mikroorganismen.
Dr. Uwe Schirmer ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. im Fachbereich Biowerkstoffe. Herr Dr. Schirmer bearbeitet On- und Offline-Analysen von adhärierenden Bakterienpopulation mit Hilfe von In vitro – Biofilmsimulationen unter der Anwendung bakterieller Mischkulturen.
Margarita Günther ist wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Festkörperelektronik der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik an der Technischen Universität Dresden.
Hauptarbeitsgebiete: Sensoren und Funktionsmaterialien für Umweltüberwachung und für klinische Anwendungen; Realisierung, Entwicklung und messtechnische Charakterisierung der Sensoren und Sensorschichten; Einsatz sensitiver Hydrogele in biochemischen Sensoren.
Gerald Gerlach ist Professor für Festkörperelektronik an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Dresden und dort auch Direktor des gleichnamigen Instituts.
Hauptarbeitsgebiete: Sensor- und Halbleitertechnologie, Simulation und Modellierung mikromechanischer Bauelemente, Entwicklung von Festkörpersensoren mit dem Schwerpunkt pyroelektrische Infrarot- sowie piezoresistive Feuchte- und Gassensoren.
Literatur
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© 2022 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Boston
Articles in the same Issue
- Frontmatter
- Editorial
- 15th Sensor-Symposium Dresden
- Beiträge
- Photopolymer composite magnetic actuators for cell-based biosensors
- Impedimetrischer Inline-Biofilmsensor
- Ultra-low noise current meter for measuring quickly changing currents from attoampere to nanoampere
- Concept and realization of a modular and versatile platform for metal oxide semiconductor gas sensors
- Electromechanical properties of housed piezoelectric CTGS resonators at high temperatures – Modeling of housing influence
- Potential of flexible and highly sensitive sensors based on polymer-carbon-nanomaterials composites: towards a new generation of sensors
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