Geschichte der Technik: Temperaturregler

Mit Robert Koch beginnt die Geschichte der Mikrobiologie und die Entwicklung der entsprechenden Methoden. AtmoSAFE unternimmt heute eine Reise von der Temperaturregelung in gasbeheizten Brutschränken bis hin zur Erfindung und Patentierung der mechanischen Temperaturregelung durch Willi Memmert.

Die zweite Hälfte des 19. Jahrhunderts war eine aufregende Zeit für die Wissenschaft. Max von Pettenkofer, Rudolf Virchow, Robert Koch und Louis Pasteur, um nur einige zu nennen, erreichten jeder für sich bahnbrechende Erfolge bei der Erforschung von Krankheitsursachen und der Weiterentwicklung der Hygiene. Die Berliner Charité, das Robert-Koch-Institut und das Institut Pasteur begründeten ihren Weltruf.

Insbesondere Robert Koch, der neben Louis Pasteur als Begründer der Mikrobiologie gilt, widmete sich mit großer Leidenschaft der Weiterentwicklung mikrobiologischer Methoden. Für die Kultivierung von Bakterien ersetzte er die bis dahin gebräuchliche Fleischbrühe als Nährboden durch mit Gelatine angereicherte, feste und transparente Medien, und auch die Perfektionierung des Brutschranks wurde durch seine Forschungen mitbestimmt.

Brutschrank von Robert Koch im Deutschen medizinhistorischen Museum in Ingolstadt

Brutschrank von Robert Koch im Deutschen medizinhistorischen Museum in Ingolstadt

 

Gasbetriebene Temperaturregler nach Lautenschläger

Das Maß aller Dinge bei den Laborgeräten war in dieser Zeit die Berliner Firma Lautenschläger. Die Brutschränke wurden immer mit einer konstanten Temperatur betrieben, denn eine Temperaturregelung auf mehrere Temperaturen war noch nicht möglich. Isoliert waren die „Thermostate“ mit Asbest oder Linoleum, ein Wassermantel sorgte für die Wärmeübertragung in den Innenraum, beheizt wurde mit Gas und auch Doppeltüren, die inneren aus Glas, waren schon eine Selbstverständlichkeit. Die Kalibrierung des Temperaturreglers war allerdings deutlich aufwändiger als heute. Der Lautenschläger‘sche „Thermoregulator“ (siehe Abb. 2) bestand aus einem unten geschlossenen Glasrohr [G], um das das Wasser des Wassermantels im Brutschrank zirkulieren konnte, einem Regulierraum [R], einem verschiebbaren Metallrohr [Z] und einer mit Quecksilber gefüllten Glasspirale [S] am unteren Ende des Glasrohres. Das Gas wurde bei [B] zugeleitet und bei [A] abgeleitet. Da die Ausdehnung von Quecksilber direkt proportional zur Temperatur ist, stieg dieses bei steigender Temperatur im Glasrohr nach oben, verschloss die Öffnung [U] des Zuleitungsrohres [Z], so dass die Gaszufuhr nur noch auf kleiner Flamme über eine Nebenleitung erfolgte. Sank die Temperatur im Wassermantel wieder unter den gewünschten Sollwert, fiel das Quecksilber und die Hauptgasleitung wurde erneut zum Nachheizen geöffnet. „Kalibriert“ wurde die Temperaturregelung vorher in einem Wasserbad, das etwas höher temperiert war als die gewünschte konstante Temperatur im Brutschrank. Das Zuleitungsrohr [Z] wurde soweit nach unten geschoben, bis die Gasflamme gerade anfing kleiner zu werden. Der Wassermantel des Brutschranks wurde mit Wasser gefüllt, das der Solltemperatur entsprach. Anschließend setzte man den Regulator in das Wasser im Brutschrank und verband ihn mit der Gaszufuhr.

Abb. 1: Brutschrank der Firma Lautenschläger

Abb. 1: Brutschrank der Firma Lautenschläger

Abb. 2: Thermoregulator nach Lautenschläger

Abb. 2: Thermoregulator nach Lautenschläger 

 

Mechanischer Temperaturregler Willi Memmert

Auch als Willi Memmert im Jahr 1947 seinen ersten Heißluftsterilisator auslieferte, herrschten unruhige Zeiten. Mit dem Bau jenes Aeolus hatte für den Memmert-Firmengründer eine neue Leidenschaft begonnen, die schon Robert Koch bewegt hatte und die die Entwickler bei Memmert bis heute antreibt: die Temperatur möglichst gleichmäßig im Innenraum eines Brutschranks, Heißluftsterilisators oder Trockenschranks zu verteilen. Es sollte Willi Memmert mit Bravour gelingen und er meldete seine bahnbrechenden Erfindungen bereits zu Beginn der 50er Jahre zum Patent an. Bis in die frühen 90er Jahre, als Memmert als einer der ersten Hersteller weltweit einen eigenentwickelten PID-Regler für die Temperaturregelung einsetzte, garantierte das Prinzip seines mechanischen Temperaturreglers einzigartige Präzision.

Abb. 3: Aeolus, der erste Heißluftsterilisator aus dem Hause Memmert

Abb. 3: Aeolus, der erste Heißluftsterilisator aus dem Hause Memmert

 

 

Der Brutschrank wird zum Regelglied

Die besten Erfindungen zeichnen sich oft durch geniale Einfachheit aus. Willi Memmert nutzte die Tatsache, dass Metallflächen, also auch der Innenraum eines Brutschranks oder Trockenschranks, sich durch Wärme ausdehnen. Er schaltete der Rückwand eine beheizte Platte vor, die einen Reglerstab mit größerer Hitzebeständigkeit trug. Dehnte sich die Platte aufgrund der Hitze aus, wurde der Reglerstab nach oben bewegt, zwei auf einer Art Wippe befestigte Kontakte berührten sich und ein Relais wurde eingeschaltet, das die Stromzufuhr für die Heizung unterbrach. Der Brutschrank oder Trockenschrank selbst wurde also quasi als Regelglied eingesetzt. Der Weg von der Heizung zum Regler war auf das kleinstmögliche Maß reduziert, und die Nachteile der bis dato üblichen Regelverzögerung und Regelungenauigkeit durch den Umweg über in den Innenraum hineinragende Temperaturfühler wurden umgangen.

Abb. 4 Memmert Trockenschrank aus dem Jahr 1950 mit Vertiefungen im Innenraum

Abb. 4: Memmert Trockenschrank aus dem Jahr 1950 mit Vertiefungen im Innenraum

 

Individuelle Eichung der Memmert-Geräte

Mit dem Aufkommen von einstellbaren Brutschränken, Sterilisatoren und Trockenschränken ließ Willi Memmert einen Drehknopf patentieren, mit dem auch die exakte Einstellung der Temperatur mit einer Genauigkeit kleiner ± 0,5 Grad Celsius möglich war. Von Wettbewerbsgeräten wurden in der Regel gedruckte oder gravierte Skalen verwendet. Die Nachteile lagen auf der Hand: jedes Gerät war in der damaligen Zeit Herstellungstoleranzen unterworfen und mit einer festen Temperaturskala war eine nachträgliche Eichung der Geräte nicht mehr möglich. Es war und ist die Memmert‘sche Firmenphilosophie niemals auf Kosten der Genauigkeit bei der Herstellung zu sparen und so wurde bis zur Einführung der digitalen Regelung jedes Memmert-Gerät individuell, also von Hand, geeicht. Die Temperatur im Innenraum wurde gemessen und auf dem Drehknopf anschließend an der entsprechenden Position auf der Skala markiert.

Doch die Temperaturregelung trug nur zur Hälfte zur Präzision der Brutschränke, Heißluftsterilisatoren und Trockenschränke aus dem Hause Memmert bei. Die andere Hälfte ist dem einzigartigen Heizkonzept geschuldet. Bereits ab den frühen 50er Jahren versah man die Wände der Innenräume gleichmäßig mit Vertiefungen, in die die Heizelemente eingelegt wurden. Zum einen vergrößerte sich dadurch die Oberfläche für die Wärmeübertragung, zum anderen konnten die Bleche darauf abgelegt werden und als dritter und entscheidender Vorteil erfolgte die Wärmestrahlung gleichmäßig von allen Seiten des Innenraums.

Der Wille, Wissen ständig zu erweitern, machte Willi Memmert zu einem Pionier in der Temperiertechnik und Memmert zum Technologieführer bei Temperiergeräten. Weitere Antworten auf die Frage, warum Memmert Brutschränke, Heißluftsterilisatoren und Wärmeschränke auch heute noch so einzigartig präzise sind, gibt es auf der Memmert-Homepage.

 

Bildnachweis:  Lehrbuch der Mikrobiologie, Friedberger und Pfeiffer, 1918; Deutsches medizinhistorisches Museum in Ingolstadt

Abb. 4: Schema des mechanischen Reglers von Willi Memmert (Stand 60er Jahre)

Abb. 4: Schema des mechanischen Reglers von Willi Memmert (Stand 60er Jahre)

Abb. 5 Querschnitt durch eine Vertiefung des Innenraums mit innenliegendem Heizelement

Abb. 5: Querschnitt durch eine Vertiefung des Innenraums mit innenliegendem Heizelement