Bioprozessierung: Rotameter vs. thermische Durchflussmesser vs. laminare DP-Durchflussmesser

In jedem Bioprozess werden Durchflussmesser für die Beschickung von Bioreaktoren, für die Filtration und Chromatographie sowie für die Überwachung kritischer Prozessparameter benötigt. Hier bieten wir einen Vergleich der Funktionsprinzipien und Hauptmerkmale von drei Durchflussmessertechnologien: Rotameter, thermische MEMS-Massendurchflussmesser und laminare DP-Massendurchflussmesser. Anschließend stellen wir empfohlene Anwendungsfälle für jede Technologie in Bioprozessanwendungen vor.

Funktionsprinzip des Rotameters

Rotameter messen volumetrischer Durchfluss nach dem Prinzip der variablen Fläche. Ein Rotameter besteht aus einem Schwebekörper in einem sich verjüngenden Rohr, und die Aufwärtskraft einer Flüssigkeit, die durch das Rohr fließt, bestimmt die Position des Schwebekörpers. Dadurch wird ein fester Betriebsbereich geschaffen: Die Aufwärtskraft der Flüssigkeit ist eine Funktion der Durchflussmenge und der Dichte. Der Schwebekörper hebt und senkt sich linear mit dem durch den Zähler fließenden Volumenstrom. Diese Beziehung ist nur bei dem Druck und der Flüssigkeit gültig, für die der Schwebekörper-Durchflussmesser kalibriert wurde. Der Schwebekörper steigt mit zunehmender Fallhöhe und dem Auftrieb des durch den Zähler strömenden Fluids (es sei darauf hingewiesen, dass der Auftrieb in erster Linie für Flüssigkeiten relevant ist, während er für Gase vernachlässigbar ist). Wenn sich die Kraft der Flüssigkeit mit der nach unten gerichteten Schwerkraft ausgleicht, erreicht der Schwebekörper einen stabilen Zustand und liefert eine stabile Durchflussmessung. Der volumetrische Durchfluss gibt das Gasvolumen an, das pro Zeiteinheit durch das System fließt (z. B. Liter pro Minute).

Funktionsprinzip eines MEMS-Thermometer

Thermische Durchflussmesser auf MEMS-Basis (mikroelektromechanische Systeme) nutzen thermische Heizelemente, Temperatursensoren und die thermischen Eigenschaften eines Gases, um Massendurchflussraten zu messen. Es gibt zwei Möglichkeiten, diesen Aufbau zu nutzen: direkt im Hauptdurchflussweg oder in einem Bypassrohr. BASIS Thermische MEMS-Massendurchflussmesser messen den Durchfluss direkt im Durchflussweg.

MEMS-Kalorimetrische Sensoren Massendurchflussmengen messen mit symmetrischen Thermopiles vor und hinter dem Heizelement. Das Heizelement wird mit Strom versorgt, um die Temperaturdifferenz konstant zu halten. Wenn kein Gas fließt, zeigen die Sensoren den gleichen Wert an. Wenn Gas strömt, wandert das erhitzte Gas stromabwärts, und der stromabwärts gelegene Sensor ist heißer als der stromaufwärts gelegene Sensor.

Durchflussmesser mit laminarem Differenzdruck (DP) Funktionsprinzip

Diese Massendurchflussmesser Maßnahme Differenzdruck über einen Strömungskörper. Dieser Messwert wird mit Hilfe der Hagen-Poiseuille-Gleichung in einen Volumendurchfluss umgerechnet. Schließlich wird der Massendurchsatz wird berechnet unter Verwendung der volumetrischen Durchflussmenge, der momentanen Flüssigkeitstemperatur und des absoluten Drucks.

Während der Volumendurchfluss das Volumen des durch ein System strömenden Gases angibt, steht der Massendurchfluss für die Anzahl der strömenden Gasteilchen. Dies ist wichtig, da Gase komprimierbar sind und sich das Gasvolumen mit den Temperatur- und Druckbedingungen ändert, während die Masse dies nicht tut. Mit Massedurchflussmessern lassen sich daher Durchflussmengen messen und bei einer Vielzahl von Prozessbedingungen vergleichen. Der Massendurchfluss wird entweder als standardisierter Volumendurchfluss (z. B. Standardliter pro Minute) oder als "echter" Massendurchfluss in Gewicht pro Zeit (z. B. Gramm pro Minute) angezeigt.

Vergleich der Merkmale

In der folgenden Tabelle werden die wichtigsten (technischen und sonstigen) Merkmale von Rotametern, laminaren DP-Massendurchflussmessern und thermischen Durchflussmessern verglichen.

Geräteempfehlungen für Bioprozessanwendungen

Rotameter bieten Einfachheit und niedrige Kosten, während Alicats wahrscheinlich für Bioprozessumgebungen vorteilhaft sind, die für prozessanalytische Technologie (PAT) oder Pharma 4.0 optimiert sind. Die nachstehende Tabelle enthält Geräteempfehlungen für Ihre Bioprozess-Durchflussmessgeräte auf der Grundlage Ihrer Prozessentwicklungsprioritäten.