CZ31480U1 - Průtoková měřící cela pro měření elektrochemických charakteristik koagulujících kapalin - Google Patents

Description

Technické řešení se týká návrhu průtokové cely pro měření elektrochemických vlastností koagulujících kapalin v potravinářství a jiných oborech. Průtoková cela je navržena s ohledem na automatické čištění koagulátu a modulární řešení umožňující různé zapojení měřicích obvodů a automatizaci přípravy vzorku.

Dosavadní stav techniky

S potřebou analýzy koagulujících kapalin, případně samotného procesu koagulace (srážení) se můžeme setkat v mnoha průmyslových oborech. V potravinářství se např. jedná o proces srážení mléka pomocí syřidla, ale i jiné výrobní postupy, při kterých vznikají míšením tekutých komponent vysoce viskózní, případně pevné látky (cukrovinky, omáčky, majonézy). Obdobně v kosmetickém průmyslu vznikají spojením různých fází výrobního procesu látky s jinou konzistencí, než původní komponenty (gely, masti).

Výrobní procesy pracující s kapalinami jsou obvykle snadněji automatizovatelné, včetně údržby výrobní linky, proto panuje snaha o přesun pokud možno největší části výrobního procesu do této fáze. Procesy koagulace často bývají energeticky náročné (např. probíhají za vyšších teplot) a nevratné (mléko, kosmetika), a proto je vhodné znát jejich přesný průběh před nastavením výrobní technologie.

Analytické metody koagulace kapalin naráží na několik praktických i technologických problémů. Jedním z nich je např. nestálost kvality vstupních surovin (mléko, syřidlo), dále propustnost těchto analytických metod ve smyslu počtu vzorků, které je možno zpracovat v určitém časovém úseku (měřicí zařízení, případně vzorkovnici je nutno vyjmout, vyčistit od koagulátu; vzorek je nutno poměrně složitě připravit míšením různých komponent v přesném čase a za různých podmínek - např. teplotních).

V současné době nejpoužívanější standardní metoda pro určení času koagulace (nikoliv tak jejího průběhu) je stále prosté měření času do úplné koagulace vzorku po smíchání obou fází. Omezení, subjektivita a přesnost této metody jsou však zjevné.

V současné době se pro analýzu koagulujících látek a procesu koagulace používají řešení na různém principu. Jedním z nich je např. nefelo-turbidometrický snímač koagulace mléka (UACH AV ČR, v.v.i., MILCOM a.s., ing. Přibyla, ing. Černý, 2000), který používá princip měření rozptylu světla v postupně koagulujícím vzorku a z něj odvozuje informaci o průběhu, resp. času koagulace. Zařízení je postaveno pro analýzu 1 vzorku v čase, je opatřeno stacionární měřicí celou (vzorkovnici), kterou je po dokončení procesu koagulace nutno vyjmout a vyčistit, případně pro další vzorek použít celu novou. Příprava vzorku je poměrně náročná na obsluhu a sestává z napipetování (dávkování) vzorku mléka do vzorkovnice a synchronizaci vstříknutí syřidla do vzorku a počátku monitorování samotné reakce. Z popisu je tak jasné, že řešení je omezeno s výše uvedenými výhradami na analýzu koagulace mléka, což ostatně deklaruje.

Dalším řešením pro analýzu procesu koagulace, resp. učení přesného času koagulace (De Marchi, Cassandro, 2002-2004) je např. přístroj Lactodynamograph V2 (FOSS Electric, DK). Přístroj používá sadu mechanických elementů pro současnou analýzu 4 vzorků mléka s adicí syřidla. Elementy jsou elektricky rozpohybovány stejnou silou v průběhu analýzy. Odpor, který klade mechanicky koagulát elementům je následně elektronicky změřen a převeden pro počítačové interpretace celého průběhu reakce. Samotná analýza má pak podobná omezení jako výše popsané řešení (nutnost čistit mechanické měřicí elementy i vzorkovnice, uživatelsky náročná

- 1 CZ 31480 U1 příprava vzorku, vysoké ovlivnění výsledků analýzy vnějšími podmínkami).

Další možností pro určení průběhu a času koagulace kapalin jsou běžně používané viskozimetry, které ale slouží pro určení viskozity stabilního vzorku v čase a jejich využití pro monitoring procesu, případně kontinuální analýzu se kvůli jejich primárnímu určení jeví jako nemožné.

Elektrochemické vlastnosti kapalin popisují vhodně jejich složení, strukturní uspořádání a dynamiku reakcí v nich, v závislosti na volbě měřené veličiny. Mezi tyto metody lze zařadit např. přesné měření vodivosti, odporu kapalin, dále pak určení impedančního spektra při průchodu elektrického proudu o různých frekvencích a spektra fázového posunu. Mezi tyto metody lze zařadit i metody nepřímé - FTIR spektroskopii (Bentley Instruments lne., USA, 2017). Spektrální kalibrací FTIR přístroje je možné s jistou pravděpodobností určit parametry koagulace mléka (Delta Instruments, ICAR 2017; Bentley Instruments, 2017) či jeho strukturních vlastností (velikost tukových částic ve vzorku); případně NIR spektroskopii (AfiLab, 2012).

Také přístrojová technika implementující tato řešení, je však, a priori určena pro jiné druhy analýz a její technické provedení tak neumožňuje např. sledovat průběh reakce v čase.

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje průtoková měřící cela pro měření elektrochemických charakteristik koagulujících kapalin podle tohoto technického řešení, jehož podstata spočívá vtom, že tělo cely je složeno ze dvou zrcadlově stejných elementů s montážními otvory standartního průměru a zavitu, které umožňují snadné rozebrání a složení cely. Z obou stran k tělu přes těsnění přiléhají vstupní a výstupní části. Výstupní část je navržena s větším průměrem, aby byl usnadněn prostup koagulátu. Vstupní část naopak obsahuje úzký vstup pro vstup komponent (směsi, která koaguluje), případně detergentu. Vzhledem k umístění vstupu pro detergent a tvaru vstupní části dochází k turbulenci vstupní kapaliny, která v případě detergentu usnadňuje narušení koagulátu přítomného v měřicím prostoru, případně při vstupu analytu pomáhá důkladnému promíchání vstupních komponent.

Výstupní část a vstupní část jsou spojeny s tělem měřící cely pomocí montážních otvorů, přes dvě silikonová či pryžová těsnění a pevný mezikus, zajišťující izolaci. Mezi tělo měřicí cely a těsnění jsou vloženy 2 sady elektrod, pro měření elektrochemických charakteristik kapaliny uvnitř měřícího prostoru.

Mezi těsnění a tělo cely je možno umístit zrcadlově referenční elektrody pro vstup elektrického proudu do analytu v měřicím prostoru. Měřicí cela obsahuje čistící element umožňující její automatické čištění vnitřního prostoru pro případ, že proces koagulace je v průběhu analýzy ukončen. Podélné části jsou vyrobeny z magneticky aktivního materiálu. Cívka tvořená návinem měděného drátu vytváří při zapojení ke zdroji elektrického proudu magnetické pole, a tím roztáčí čistící element uvnitř cely, který rozruší koagulát uvnitř měřícího prostoru pomocí podélných i příčných segmentů. Se současným vstupem detergentu toto řešení umožňuje celu vyčistit před vstupem nového vzorku a zajistit tak samotné průtočné řešení analýzy. Samotný čisticí element, který tvoří rotor takto zapojeného elektromotoru, je svým středem ukotven ve vstupní části měřící cely a jeho stabilitu uvnitř měřicího prostoru zajišťuje dále přesný rozměr, případně ukotvení na druhé straně cely přiléhající na výstupní část měřící cely.

Technické řešení prezentované v tomto dokumentu odstraňuje nevýhody stávajících řešení, především pro použití analýzy koagulujících kapalin a průběhu této reakce pomocí měření elektrochemických charakteristik těchto kapalin.

Technické řešení představuje měřicí celu navrženou speciálně pro průtokovou analýzu koagulujících kapalin, čímž je umožněna automatizace přípravy vzorku a vyšší propustnost

-2CZ 31480 U1 analytického zařízení, které ji využívá.

Pro případ nutnosti celu vyčistit mechanicky, je tato vyrobena jako modulární celek umožňující snadné rozložení, vyčištění a opětovné složení.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže objasněno pomocí výkresů, kde obr. 1 představuje perspektivní pohled na provedení technického řešení a řez ilustrující vnitřní uspořádání měřicí cely, obr. 2 je čelní zobrazení měřicí cely a boční řez ilustrující vnitřní uspořádání jednotlivých komponent, na obr. 3 je pohled na sestavu v reálném provedení, obr. 4 je perspektivní technický výkres, čelní a boční projekce technického řešení s vyznačením jednotlivých částí cely, obr. 5 je detail vnitřního uspořádání měřicí cely, perspektivní projekce a modely z čelního a bočního pohledu s vyznačením vnitřních částí cely, obr. 6 představuje uspořádání těsnících elementů a měřicích elektrod vzhledem k tělu cely, obr. 7 představuje detail čisticího elementu, obr. 8 je vstupní část měřicí cely se vstupem pro analyt, detergent, různé projekce a její řez.

Příklady uskutečnění technického řešení

Tělo 1 měřící cely je složeno ze dvou zrcadlově stejných elementů s montážními otvory 10 standartního průměru a závitu, které umožňují snadné rozebrání a složení cely. Z obou stran k tělu 1 přes těsnění 3 přiléhají vstupní 8 a výstupní 4 části. Výstupní část 4 je navržena s větším průměrem, aby byl usnadněn prostup koagulátu. Vstupní část 8 naopak obsahuje úzký vstup 11 pro vstup komponent (směsi, která koaguluje), případně detergentu. Detailní nákres této vstupní části 8 a vstupu 11 je uveden na obr. 8. Vzhledem k umístění vstupu 11 a tvaru vstupní části 8, dochází k turbulenci vstupní kapaliny, která v případě detergentu usnadňuje narušení koagulátu přítomného v měřicím prostoru, případně při vstupu analytu pomáhá důkladnému promíchání vstupních komponent.

Výstupní část 4 a tělo 1 a zrcadlově pak tělo 1 a vstupní část 8 jsou spojeny pomocí montážních otvorů 10 přes dvě silikonová či pryžová těsnění 6 a pevný těsnící díl 7 zajišťující izolaci. Mezi tělo 1 měřicí cely a těsnění 6 jsou vloženy 2 sady 5 elektrod umožňující měření elektrochemických charakteristik kapaliny uvnitř měřícího prostoru. Detailní rozkres řešení je na obr. 6.

Mezi těsnění 3 a tělo 1 cely je možno umístit zrcadlově referenční elektrody 2, pro vstup elektrického proudu do analytu v měřicím prostoru. Zapojení těchto elektrod 2 je patrné na obr. 4 a 5.

Měřicí cela obsahuje čistící element 9 umožňující její automatické čištění, pro případ, že proces koagulace je v průběhu analýzy ukončen. Tento element 9 je detailně vyobrazen na obr. 7. Podélné části jsou vyrobeny z magneticky aktivního materiálu. Cívka 12 elektromotoru je tvořená návinem měděného drátu, vytváří při zapojení ke zdroji elektrického proudu magnetické pole, a tím roztáčí čistící element 9 uvnitř cely, který rozruší koagulát uvnitř měřícího prostoru pomocí podélných i příčných segmentů. Se současným vstupem detergentu toto řešení umožňuje celu vyčistit před vstupem nového vzorku a zajistit tak samotné průtočné řešení analýzy. Samotný čisticí element 9, který tvoří rotor takto zapojeného elektromotoru, je svým středem ukotven ve vstupní části 8 a jeho stabilitu uvnitř měřicího prostoru zajišťuje přesný rozměr, případně ukotvení na druhé straně cely, přiléhající na výstupní část 4. Zapojení čisticího elementu 9 mezi sady elektrod 5 a pevný těsnící díl 7 je zobrazeno na obr. 5 a na řezech zobrazených na obr. 1 a 2.

Příklady uskutečnění technického řešení jsou vyobrazeny na modelech na obr. 1. Tělo 1_ měřicí

-3 CZ 31480 U1 cely je možno vyrobit z polyakrylátu či jiného čirého nevodivého materiálu. Za tohoto předpokladu je možno využít pro analýzu vlastností koagulujících kapalin také např. metody turbido-nbefelometrie, či jiné optické metody.

Výstupní část 4 a vstupní část 8 jsou vyrobeny z pevného materiálu (plast, hliník). Materiál cívky 12 může být např. měděný drát malého průměru. Čistící element 9 je vyroben z magneticky aktivního materiálu. Měřicí elektrody 5 a referenční elektrody 2 jsou vyrobeny např. z mědi, zlata či platiny. Těsnění 6 a 3 je vyrobeno ze silikonu či pryže s vhodnými odlitky pro uložení sady měřících elektrod 5.

Cela má navržen speciální vstup 11 pro čistící detergent, který podporuje jeho průnik do koagulátu v cele. Cela je navržena pro modulární 2-, 3-, případně 4-pólové zapojení měřicích obvodů pro určení elektrochemických charakteristik koagulující kapaliny a jejich změn v průběhu reakce (spektrum impedance a posunu fáze při různých frekvencích elektrického proudu, odporu, vodivosti, případně dalších parametrů).

Průmyslová využitelnost

Technické řešení je průmyslově využitelné v analyzátorech koagulace či procesu koagulace v potravinářství a kosmetickém průmyslu. Umožňuje vysokou průchodnost počtu vzorků díky automatickému čištění měřicí cely od koagulátu. Umožňuje na vysokém počtu analyzovaných vzorků měřit proces koagulace analytů složených z různých komponent a podle průběhu tohoto procesu a výsledků analýz nastavit optimálně výrobní technologii.

NÁROKY NA OCHRANU

Claims (4)

1. Průtoková měřící cela pro měření elektrochemických charakteristik koagulujících kapalin, vyznačující se tím, že tělo (1) měřící cely je složeno ze dvou zrcadlově stejných elementů s montážními otvory (10), přičemž z obou stran ktělu (1), přes těsnění (3) přiléhají vstupní (8) a výstupní (4) části, kdy výstupní část (4), je s větším průměrem, pro usnadnění prostup koagulátu a vstupní část (8) naopak obsahuje úzký vstup (11) pro vstup komponent, tj. směsi, která koaguluje, případně detergentu, přičemž výstupní část (4) a tělo (1) a vstupní část (8) a tělo (1) jsou spojeny pomocí montážních otvorů (10) přes dvě silikonová či pryžová těsnění (6) a pevný těsnící díl (7), přičemž mezi tělo (1) měřicí cely a těsnění (6) jsou vloženy 2 sady (5) měřících elektrod pro měření elektrochemických charakteristik kapaliny uvnitř měřícího prostoru.

2. Průtoková měřící cela podle nároku 1, vyznačující se tím, že mezi těsnění (3) a tělo (1) cely jsou umístěny zrcadlově referenční elektrody (2) pro vstup elektrického proudu do analytu v měřicím prostoru, pro 2-, 3- a 4-pólové zapojení měřicích obvodů.

3. Průtoková měřící cela podle nároku 1, vyznačující se tím, že tělo (1) měřící cely obsahuje čistící element (9) pro automatické čištění vnitřního měřícího prostoru cely od vzniklého koagulátu.

4. Měřící cela podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsahuje vstup (11) pro detergent, způsobující při vstupu kapaliny turbulenci ve vnitřním prostoru cely, pro usnadnění narušení vzniklého koagulátu.