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Flüssigkeiten misst das System ohne Kontakt mit dem Medium oder Produkt per Ultraschallverfahren.

| von Hubert Jakob, Produktmanagement, Bernward Reszel, Sensorapplikation, EM-Tec
  • Im Hygienebereich arbeiten Betreiber häufig mit Verfahren, bei denen das präzise Dosieren von Ausgangs- und Zwischenstoff entscheidend ist. Für den Prozess als solchen, aber auch für die Wirtschaftlichkeit. Denn die verwendeten Substanzen sind oft hochpreisig.
  • Die hierfür erforderlichen Messungen können Betreiber mithilfe verschiedener Methoden durchführen, allerdings sind die häufig mit verschiedenen Nachteilen behaftet. Das nun vorgestellte Messverfahren räumt damit auf.

In flüssigkeitsbasierten Herstellungsmethoden hat sie eine zunehmende Bedeutung: die Prozess-Sensorik. Zum Einsatz kommt sie beispielsweise bei der Fermentierung, bei Prozessen mit Mikroorganismen oder bei der Getränkeherstellung- und Mischung. Insbesondere bei zu- und abführenden Flüssigkeitssystemen, die den Durchfluss mittels Pumpen oder Ventilen aktiv oder passiv beeinflussen, spielt eine kontinuierliche Störüberwachung von Schlauchsystemen auf Leerlauf oder Okklusion, die Regelung des geförderten Flusses oder die Erfassung applizierter oder entnommener Flüssigkeitsmengen im häufig aseptischen Produktionsprozess eine wichtige Rolle. Dabei ist das exakte Dosieren der teilweise sehr hochwertigen Ausgangs- oder Zwischenprodukte erforderlich, da diese großen Einfluss auf die Qualität beziehungsweise das Einhalten einer gleichbleibenden Produktformulierung haben. Auch ist eine prozesssichere wirtschaftliche Herstellungsweise ein nicht unwesentlicher Aspekt.

Dokumentierte Qualität

Mit der für die speziellen Anwendungsbedingungen geeigneten Fluss-Sensorik kann eine automatische Prozesskontrolle durch die Ansteuerung von Pumpen oder Ventilen den Durchfluss genau steuern oder regeln. Kritische Prozessschritte lassen sich somit exakt überwachen und rückführbar dokumentieren – wodurch sich Betreiber langfristig Wettbewerbsvorteile sichern können.
Hinzu kommt die Einhaltung der Anforderungen der „guten Herstellungspraxis“ (Good Manufacturing Practice, GMP/cGMP), die in vielen Bereichen der Lebensmittel- und Pharmaproduktion Pflicht ist. Das Messen von Durchflüssen ist an unterschiedlichen Stellen im Prozessablauf notwendig, sei es beim Vorbereiten oder Anmischen der Rezepturen mit Rohmaterialien, Pufferlösungen oder in anschließenden Veredelungsschritten, beispielsweise der Aufkonzentration von Medien über Membranfilter oder bei Chromatographieanwendungen. Flüssigkeiten werden hierbei sowohl durch Rohre als auch durch unterschiedlichste flexible Schlauchtypen geleitet. Besonders in Prozessen mit hohen Anforderungen bezüglich der Hygiene und Sterilität ist beispielsweise das Reinigen von Edelstahlrohren sehr aufwendig und damit teuer, um die notwendige Reinheit zu erreichen. Oftmals kommen dann – wenn möglich – flexible Schlauchsysteme für den einmaligen Gebrauch zum Einsatz, da die strengen Anforderungen somit einfacher und mit geringerem Zeit- und Kostenaufwand für den Anwender zu erfüllen sind. Im Pharmabereich kommen bei Single-use-Systemen praktisch nur flexible Schläuche zum Einsatz.

Emtec

Das Verfahren ermöglicht zuverlässige Flussmessung.

Ansprüche an die Durchflussmessung

Um einen Volumenstrom von Flüssigkeiten zu messen, gibt es eine ganze Reihe unterschiedlicher Verfahren, die mehr oder weniger für den Einsatz in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie geeignet sind. Da sehr hohe Anforderungen an die Durchflussmessung bestehen, sollte diese präzise sein, einen hohen Messbereich bei hoher Auflösung haben und möglichst wenig in den eigentlichen Prozess eingreifen. Idealerweise erfolgt diese also beispielsweise ohne Medienkontakt und ohne eine Erhöhung von Totvolumina. Sofern Pumpen zum Einsatz kommen, können Anwender den Volumenstrom grundsätzlich einfach, aber indirekt auf Basis der Drehzahl oder der erforderlichen elektrischen Energie einstellen. Der Einsatz zusätzlicher Messmittel ist hier nicht erforderlich. Da dies jedoch bei den häufig verwendeten Rollerpumpen praktisch nur mit einer relativ hohen Ungenauigkeit möglich ist, erfordert es eine permanente Nachkalibrierung, da diese den Schlauch ungleichmäßig auswalken. Auch gibt es bei Zentrifugalpumpen eine Gegendruckabhängigkeit des erzeugten Flusses, der anhand der Pumpenlast nicht richtig abzuschätzen ist.

Bisherige Messmethoden

Eine weitere indirekte Möglichkeit Flussraten zu ermitteln, stellt der Einsatz von Waagen an Behältnissen dar, sofern die Dichte bekannt ist. Waagen sind generell sehr präzise Messinstrumente, allerdings gibt es auch hier eine Reihe von Nachteilen. Zum einen lässt sich nur die Gewichtsveränderung eines kompletten Behälters oder Reaktorgefäßes bestimmen, das heißt parallel zugeführte Medien lassen sich in der Regel nicht ohne weitere ermitteln; außer diese würden immer zeitlich nacheinander zugesetzt. Weiterhin muss die Dynamik des Messbereichs der Waage für das Gesamtgewicht des Behälters inklusive der angebauten Zusetzelemente, wie möglicherweise Rührer, Halterungen für weitere kleiner Behälter etc. ausgelegt sein, was auf Kosten der Auflösung geht.
Das Kalibrieren der mechanischen Waagen ist regelmäßig zu prüfen und mechanisch ungünstige Aufbauten und Umgebungsbedingungen können das Messergebnis beeinflussen, und schränken die Integration ein. Gerade bei großen Behältern in die Unternehmen beispielsweise umpumpen, fällt auch der Raumbedarf der Waagenmechanik entsprechend groß aus.
Durchflussmesser auf Basis eines Laufrades oder einer Turbine sind zwar einfach und kostengünstig, deren Einsatz ist jedoch mit einer Reihe von Nachteilen verbunden, die sich speziell in der Pharma- und Lebensmittelindustrie negativ auswirken können. Aufgrund des Aufbaus kommt es hier immer zu einem Kontakt der rotierenden Teile mit dem Medium. Das bedeutet, dass Betreiber die Sensoren entsprechend sterilisieren und sicherstellen müssen, dass aufgrund der verwendeten Materialen keine „Leachables“ das Medium verunreinigen. Weiterhin können Turbinenräder – abhängig vom Medium – leicht verklumpen und zu ungewollten Materialanlagerungen führen oder Gasansammlungen entstehen, die die Genauigkeit beeinflussen. Mechanische Scherspannungen und Kavitation können Zellen oder deren Membranen zerstören und damit die Ausbeute im Prozess signifikant negativ beeinflussen. Bei Inline-Sensoren muss der Anwender auch den Flüssigkeitskreislauf auftrennen, um den Sensor einzusetzen oder auszutauschen. Dies ist besonders bei sterilen, toxischen, hochreaktiven oder anderen gefährlichen Medien ein kritischer Punkt, da nicht nur der Austausch einen entsprechenden Aufwand und Prozessunterbrechung erfordert. Zudem besteht an den Kupplungen die Gefahr von Leckagen oder Bruch. Der Einbau dieser Art von Sensorik vergrößert prinzipiell auch das Totvolumen, das Unternehmen gerade bei sehr teuren Produkten möglichst gering halten möchte.

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Mit dem System können Betreiber den Durchfluss in flexiblen Schläuchen exakt und hygienisch bestimmen.(Bilder: EM Tec)

Messen mit Ultraschall

Das Ultraschall-Laufzeit-Differenzverfahren hat sich seit vielen Jahren sowohl in der Industrie als auch Medizin und medizinischen Forschung etabliert. Dieses Durchfluss-Messverfahren gehört zu den am universellsten einsetzbaren Techniken und liefert genaue und verlässliche Messdaten. Bei den speziell für flexible Schläuche konstruierten Sensoren kommen mehrere Piezokeramiken zum Einsatz, die in einem festen Gehäuse in einem speziellen Winkel zum eingelegten Schlauch angeordnet sind. Der Anwender legt den Schlauch in den Messkanal des sogenannten Clamp-On Sensors ein und verriegelt diesen. So durchschallt das System das fließende Medium im gesamten Schlauchquerschnitt, sodass das resultierende Schallsignal alle Strömungsanteile komplett erfasst – wodurch sich die Störempfindlichkeit verringert. Das System sendet die ungefährlichen Ultraschall-Impulse von der einen zur anderen, schräg gegenüberliegenden Piezokeramik, wobei alle Keramiken sowohl als Sender, als auch als Empfänger fungieren. Die Auswerteelektronik ermittelt die Laufzeit eines jeden Impulses, wobei Ultraschallsignale in Flussrichtung eine kürzere Laufzeit haben als das entsprechende Signal in entgegengesetzter Richtung. Die sich ergebenden Laufzeitdifferenzen mit und entgegen der Flussrichtung verhalten sich proportional zum Durchfluss. Abhängig von der Art des Aufbaus der Sensoren, den mechanischen Dimensionen und der konkreten Kalibrierung lassen sich Genauigkeiten im Bereich weniger Prozent realisieren. Die eingebrachte Ultraschallenergie ist dabei so gering, dass es zu keiner Schädigung des Mediums oder dessen Bestandteilen, beispielsweise Zellen kommt.

Wartungsfreier Einsatz

Da die Messung ohne mechanische beziehungsweise bewegliche Teile erfolgt, ist das System in der betrieblichen Anwendung so gut wie wartungsfrei. Auch verstellt sich ein Ultraschallsystem praktisch nicht von selbst. Eine regelmäßige messtechnische Kontrolle sollte dennoch erfolgen, sofern diese nicht bereits durch anderweitige Regularienen vorgeschrieben ist. Da die Keramiken im Wesentlichen gleichartig altern, jede Keramik als Sender und Empfänger verwendet wird und sich die Effekte damit kompensieren, spielt die Alterung derselben nur eine untergeordnete Rolle. Außerdem ist das Verfahren von der elektrischen Leitfähigkeit oder den optischen Eigenschaften eines Mediums oder Schlauches unabhängig und bei unterschiedlichen Viskositäten und Mediendichten einsetzbar.

Einfache Praxis-Integration

Das Em-Tec Biopro-TT-Messsystem für flexible Schläuche besteht aus einem desinfizierbaren Clamp-on Transducer und einem Flowtrack-Flowmeter mit der Messelektronik. Die Integration des Clamp-on Transducer erfolgt hygienisch und medienkontaktfrei durch einfaches Einlegen der Schläuche. Diese Schläuche müssen in der Pharma- und Lebensmittelindustrie spezielle Anforderungen wie chemische Beständigkeit oder USP-Zulassung erfüllen. Für Schlauch-Innendurchmesser von 1/32“ (0,8 mm) bis 1-1/4“ (31,8 mm) und Flüsse von wenigen ml/min bis zu 100 l/min stehen verschiedene Sensorgrößen zur Verfügung; projektspezifisch kann der Hersteller auch höhere Flüsse oder Sensorsonderbauformen realisieren. Aufgrund der Vielzahl der unterstützen Schlauchgrößen ist es beispielsweise möglich, die Durchflussmessung bereits im Labormassstab in der Prozessentwicklung und deren Automation einzusetzen und anschließend für die Produktionsanwendung mit entsprechend größeren Sensoren zu transferieren. Die verschiedenen Sensoren lassen sich – je nach Kundenwunsch – auf bis zu sieben verschiedene Kombinationen aus Schlauchmaterialien und Medien unterschiedlicher Temperaturen kalibrieren. Medien können sowohl pur als auch als Emulsion vorliegen oder beispielsweise Salze, Kohlenhydrate, Alkohole, Proteine oder zelluläre Bestandteile enthalten. Die Montage erfordert keinerlei Werkzeuge und ist sehr einfach an vielen Stellen am Schlauch möglich.
Um eine optimale und einfache Integration in die Prozessautomation zu ermöglichen, stehen verschiedene Flowmeter-Varianten mit Standardschnittstellen (4…20 mA/RS-232) zur Verfügung. Die Tischvariante können Betreiber aufgrund einer Anzeige- und Bedienoberfläche zudem autark als eigenständiges Messgerät, beispielsweise für Laboraufbauten betreiben. Bei Systemen, die an mehreren Stellen Fluss messen sollen, können für diesen Fall optimierte Flowmeter zu Einsatz kommen, die nur eine Schnittstelle im Rahmen der Prozesssteuerung erfordern, beispielsweise auf Basis TCP/IP und eines entsprechenden Industrieprotokolls wie Modbus oder Profibus. Zur Integration in eigene Systeme / Produkte steht auch die kompakte Basisfluss-Messelektronik zur Verfügung. Die Kalibrierung des Systems ist auf nationale beziehungsweise internationale Standards rückzuführen, was eine für den GMP-Einsatz grundlegende Notwendigkeit ist. Das Messsystem kommt ohne Disposables aus und ist deshalb im langjährigen Einsatz sehr wirtschaftlich.

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