Effizientere Durchflussregelung für Bioreaktoren und Bioprozesssysteme

Effizientere Durchflussregelung für Bioreaktoren und Bioprozesssysteme

Eine Demonstration der Kosten- und Komplexitätsreduzierung für Gaseingänge durch den Einsatz von differenzdruckbasierten Massendurchflussreglern mit hohem Regelbereich für mehrere Gase.

 

Mic Chaudoir, Ph.D.

Chip Stacy, AbbVie, leitender Ingenieur für digitale Systeme

Da der Bedarf an wirksamen und spezifischen Arzneimitteln steigt, haben sich die Arzneimittelhersteller den Biologika zugewandt, um den wachsenden Bedarf zu decken und Behandlungen für komplexe und derzeit unbehandelbare Krankheiten wie Krebs und zahlreiche genetische Krankheiten zu finden. Biologika und Biosimilars unterscheiden sich von herkömmlichen Arzneimitteln mit kleinen Molekülen dadurch, dass sie in lebenden Zellen gezüchtet und nicht durch chemische Prozesse hergestellt werden. Dieses Wachstum findet in einer kontrollierten Umgebung statt, die als Bioreaktor bezeichnet wird.

Die Umgebung von Bioreaktoren stellt Prozess- und Automatisierungsexperten vor einige einzigartige Herausforderungen. Bioprozesstechniken erfordern ausgeklügelte Kontrollsysteme, spezielle Materialien und komplexe Gasregelungssysteme. Da die Organismen im Bioreaktor wachsen, kann der Bedarf an Massenströmen innerhalb des Reaktors exponentiell ansteigen, mehr als bei den meisten üblichen chemischen und industriellen Prozessen.

Abbildung 1 zeigt ein typisches Gaszufuhrschema für einen weltweit führenden Hersteller biologischer Produkte. Man beachte, dass diese Konstruktion High-Flow- und Low-Flow-Leitungen sowohl für Sauerstoff als auch für Prozessluft erfordert. Diese Vielzahl von Massendurchflussleitungen ist aufgrund des begrenzten regelbaren Bereichs der verwendeten Massendurchflussregler erforderlich. Bei den Sauerstoffdurchflussleitungen ist beispielsweise ein Regler für Durchflussmengen unter 35 SLPM und ein anderer für Durchflussmengen unter 100 SLPM zu verwenden. Diese Durchflussbereiche implizieren einen regelbaren Bereich von höchstens 50:1 für den angegebenen Regler. Alicat empfahl, die Konstruktion durch die Verwendung von Alicat-Massendurchflussreglern zu vereinfachen, wie in Abbildung 2 dargestellt. Die neuesten Massedurchflussregler von Alicat haben einen regelbaren Bereich von bis zu 10.000:1, was weit über den 50:1 liegt, der für eine Konstruktion mit zwei Durchflussbereichen erforderlich ist, und eine Verbesserung gegenüber den früher von Alicat angebotenen 200:1 darstellt.

A diagram of flow paths, showing three gases (CO2, O2, and air) flowing through 5 flow controllers, where O2 and air need two controllers apiece to accomodate both high flow (up to 100 SLPM) and low flow (up to 35 SLPM).

Abbildung 1: Rohrleitungs- und Instrumentierungsplan für das ursprüngliche Gaseinleitungsschema eines Bioreaktors.

A diagram of flow paths, showing three gases (CO2, O2, and air) flowing through three flow controllers with high turndown ratios, which is simpler than requiring more devices with a narrower flow range.

Abbildung 2: Vereinfachtes Rohrleitungs- und Instrumentenschema für die Gaszufuhr in einen Bioreaktor unter Verwendung von Alicat-Durchflussmessern mit hohen kontrollierbaren Messbereichen.

Bioreaktoren haben in der Regel einen Speisedruck von etwa 50 psig oder weniger. Tabelle 1 zeigt den Durchflussfehler eines Standardreglers der Alicat Bio-Serie 10 SLPM (Standardliter pro Minute), wenn er unter typischen Bedingungen von 10 SLPM auf 1 SCCM heruntergeregelt wird.

Gewünschte Durchflussmenge (SLPM) Durchflussfehler (SLPM) Fehler in % Durchfluss
10 ± 0.06 0.6%
1 ± 0.01 1.0%
0.1 ± 0.01 10%
0.01 ± 0.01 100%
0.001 ± 0.01 1000%
Tabelle 1: Durchflussmenge vs. Genauigkeit für einen Alicat BIOC-10SLPM Massendurchflussregler.

 

Praktisch jeder moderne Massendurchflussregler ist unabhängig von der verwendeten Messtechnik in der Mitte und am oberen Ende seines spezifizierten Durchflussbereichs angemessen. Der hier besprochene Alicat-Massendurchflussregler hat jedoch einen Massendurchflussfehler von nur ±0,6 % am oberen Ende der Skala und nur 1 % Fehler bei 1 SLPM. Die oben gezeigte Vereinfachung des Durchflussbereichs wird durch den hohen Genauigkeitsgrad bei sehr niedrigen Durchflüssen ermöglicht. Ein Alicat-Massedurchflussregler hat einen Fehler von weniger als 10 % der gewünschten Durchflussmenge bei einem Turndown von 100:1. Selbst bei einem Turndown von 1000:1 beträgt der Durchflussfehler nur ±0,01 SLPM bei einem Durchflussregler mit 10 SLPM. Der Biologika-Hersteller konnte daher die Gesamtzahl der für diese Konstruktion benötigten Durchflussleitungen von 5 auf 3 reduzieren, indem er einen Alicat-Massendurchflussregler mit differenzdruckbasierter Messung verwendete. Dies ermöglicht eine Kosteneinsparung von 33 % bei Teilen, Bauzeit und Steuerungssystemen für diesen Teil des Bioreaktors. Darüber hinaus vereinfacht dies die Konstruktion, erhöht die Redundanz und verringert die Anzahl der potenziellen Fehlerpunkte im System.

Viele der oben genannten Vorteile werden durch die laminare Durchflussmesstechnik von Alicat ermöglicht. Diese Technologie bietet nicht nur sehr hohe kontrollierbare Bereiche, sondern ist auch für jedes kontrollierte Gas gleich genau, ohne dass ungenaue K-Faktoren oder andere Kompensationstechniken erforderlich sind. Das bedeutet, dass weniger Ersatzgeräte benötigt werden, da jedes Gerät mit jedem Gas und bei einer großen Bandbreite von Durchflüssen gleich gut arbeiten kann. Der Gaswechsel über die Gasauswahlfunktion von Alicat erfolgt einfach über das Display und die Tasten auf der Vorderseite des Geräts oder über analoge, serielle oder industrielle Kommunikation. All dies kann ohne Verlust der Genauigkeit oder Notwendigkeit einer Neukalibrierung erfolgen.

Andere Massendurchflussregler verwenden in der Regel die thermische Messtechnik. Diese Methode hat sich zwar seit langem bewährt (sie geht auf das Jahr 1911 zurück), aber thermische Geräte können nicht schnell reagieren, da die Sensormasse sich in der Temperatur ändern muss, um den Messwert zu ändern. Während neuere thermische Geräte aufgrund von Vorhersagealgorithmen schneller reagieren, kann die Differenzdruckmethode von Alicat innerhalb von 1 ms auf Regelungsänderungen reagieren – mehr als 1000-mal schneller als thermische Geräte reagieren können. Thermische Geräte reagieren auch empfindlich auf Verunreinigungen durch Prozesswasser, da das Vorhandensein von Wasser die Messung und Kalibrierung des beheizten Durchflusssensors beeinflusst. Die Massendurchflusstechnik von Alicat ist relativ unempfindlich und wird durch eine vorübergehende Verunreinigung mit Wasser nicht beschädigt.

Die Massedurchflussregler und -messgeräte von Alicat verfügen über zusätzliche Funktionen, die eine überragende Genauigkeit und einfache Bedienung ermöglichen. Die Geräte können an Ort und Stelle oder vor Ort mit der verfügbaren Alicat-Software und den Kalibrierstandards kalibriert werden, unabhängig davon, ob die Geräte über analoge, digitale oder industrielle Kommunikationsprotokolle gesteuert werden. Unter den gleichen Bedingungen kann ein Alicat-Durchflussregler auch mehrere Parameter gleichzeitig melden. So kann ein Alicat-Durchflussregler beispielsweise Massendurchfluss, Druck, Ventilantriebsspannung und Temperatur ausgeben – alles gleichzeitig. Um die Fehlersuche und -prüfung zu erleichtern, sind die Geräte mit einem TFT-Farbdisplay ausgestattet. Der Bildschirm kann um 180 Grad gedreht werden (was eine einfache Verwendung mit dem Alicat-Gerät ermöglicht, das in beliebiger Richtung installiert werden kann), und die Geräte können sowohl lokal über Tasten und den Bildschirm als auch über Ihr Kommunikationsprotokoll gesteuert werden.

Die Steuerungen und Messgeräte von Alicat ermöglichen einfache und effiziente Konstruktionen. Die Bio-Serie umfasst Optionen für ein vollständig ASME BPE 2016-konformes Design, zertifizierte USP Class VI-Elastomere und ein Industrieprotokoll Ihrer Wahl. Wählen Sie den beispiellosen regelbaren Bereich der neuesten Alicat-Massedurchflussregler und -Zähler, um Ihre Bioprozesskosten zu senken und gleichzeitig die Systemleistung und Zuverlässigkeit zu verbessern.