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 using the variable area principle. A rotameter consists of a float inside a tapered tube, and the upward force of a fluid passing through the tube dictates the position of the float. This creates a set operating range: the upward force of the fluid is a function of flow rate and density. The float rises and falls linearly with the volumetric flow passing through the meter. This relationship is valid only at the pressure and fluid of the rotameter was calibrated for. It rises as the velocity head and buoyancy of the fluid passing through the meter increase (it is worth noting that buoyancy is primarily relevant for liquids, as it is negligible for gases). As the force of the fluid equalizes with the downward force of gravity, the float reaches a steady state and provides a stable flow measurement. The volumetric flow represents the volume of gas flowing through the system per unit time (e.g. liters per minute).

Funktionsprinzip eines MEMS-Thermometer

MEMS (micro-electromechanical systems) thermal flow meters use thermal heating elements, temperature sensors, and thermal properties of a gas to measure mass flow rates. There are two ways to utilize this setup: directly in the main flow path, or in a bypass tube. 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.