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Welchen Vorteil bieten ein Massendurchflussregler mit dicht schließendem Regelventil für Ihre Prozesse?

Zunächst eine kurze Einführung, welche Art von Bioprozessen die Brooks Instrument SLA Serie Biotech besonders gut unterstützt. 

Die Rolle des Massendurchflussreglers (MFC) in der Bioprozesstechnik

Typische Bioreaktoren sind Behälter, in denen Mikroorganismen (z.B. Hefe, Bakterien, Säugetierzellen, etc.) im Batch-Verfahren gezüchtet werden. Ein Bioreaktor wird mit einer lebenden Zellkultur besät und mit einem Nährstoff (z.B. Glukose, Glycerin/Methanol) und Spurenelementen versorgt. Man kann dazu Zellen einfacher Prokaryonten (Bakterien) oder komplexerer Eukaryonten (Hefe, Pflanze, Säugetier, etc.) verwenden.

Vor allem Eukaryonten reagieren extrem sensibel auf instabile Umgebungsbedingungen. Wenn jedoch alles passt, vollbringen sie biochemische Höchstleistungen, zu denen einfachere Zellen nicht in der Lage sind. Dazu gehören z.B. "Postprozesse" wie die Glykolisierung, also die Bindung von Zuckerketten an Proteine. Mit Hilfe dieser Prozesse können Proteine wie Insulin, monoklonale Antikörper, Wachstumshormone, Antibiotika oder Impfstoffe produziert werden.

Ein Bioreaktor ist mit Sensoren für gelösten Sauerstoff (DO), den pH-Wert und die Temperatur ausgestattet. Außerdem verfügt er über eine Nährstoffzufuhr, eine Zufuhr für Überlagerungs- und Treibgas sowie ein Misch-/Rührwerk.

Eine präzise Steuerung des Sauerstoffgehalts (Anreicherung mit O2 oder Reduzierung mit N2) reguliert die Zellwachstumsrate, reduziert die Entstehung toxischer Nebenprodukte und erhöht dadurch den Ertrag des Bioreaktors.

Eine enge Führung des pH-Wertes (z.B. über CO2-Zufuhr mit N2-'Make-up') ist ebenfalls wichtig, um beispielsweise die Aktivität von Proteinasen zu hemmen. Durch die Zufuhr von Säuren und Basen in die Lösung kann der pH-Wert gezielt gesteuert werden. Das muss jedoch in Maßen erfolgen, denn diese Substanzen können auf empfindliche Zellen von Säugetieren sehr aggressiv wirken.

Auch die Drehzahlregelung des Rührwerks (Impeller) ist wichtig, um die Gasaufnahme zu erhöhen (zu viel Rühren kann allerdings empfindliche Zellen zerstören). Ein CO2-Abgasanalysator kann dazu beitragen, die Gesamtatmung (Kohlenstoffkreislauf) zu ermitteln und über die Kontrolle der Nährstoffzufuhr zu einer besser kontrollierten Zellwachstumsrate führen.

Bei diesen Prozessen hilft Brooks Instrument Ihnen, optimale Resultate zu erzielen. Massendurchflussregler (MFCs) werden häufig zur Steuerung des „gelösten Sauerstoffs“ (DO = „Dissolved Oxygen“) und des potenziellen Wasserstoffs (pH) in einem Bioreaktor verwendet. (Siehe Darstellung in Abbildung 1).

MFCs kombinieren einen Durchflusssensor, ein Regelventil und eine On-Board-Steuerung in einem einzigen Gerät. Dieses Gerät kann die Durchflussrate eines bestimmten Mediums messen und eine vom Nutzer definierte Durchflussrate exakt einhalten. Wenn Sie wissen möchten, wie unsere MFCs funktionieren, schauen Sie sich unser Video zur Theorie der Funktionsweise thermischer MFCs an.

Welche Merkmale eines MFC sind für Bioprozesse wichtig?

Das Ventil in einem Massedurchflussregler hat eine wichtige Aufgabe: Es muss den Durchfluss über ein breites Spektrum an Betriebszuständen auf Bruchteile eines Prozentsatzes präzise regeln – und dabei möglichst wenig Strom verbrauchen. Diese Anforderungen führen dazu, dass das Ventil mit sehr geringen Kräften arbeitet, was die zum Absperren verfügbare Kraft limitiert.

Bioreaktor mit Massenflussreglern

In Abbildung 1 sind die Ventile geöffnet. Die Massendurchflussregler erhalten die Sollwerte für die Gaszufuhr von der Steuerung und liefern Gas sowohl an den Verteiler als auch an den Overlay/Kopfgasraum.Sie sehen die Gasblasen aus dem Verteiler am Boden des Behälters aufsteigen.


Um das nominelle Abschaltverhältnis zu erfüllen, muss das Steuerungsventil des MFC in der Lage sein, unterhalb des Mindestdurchflusses abzuschalten, der zur Erfüllung des Abschaltverhältnisses erforderlich ist. So muss zum Beispiel ein 10 slpm (10.000 sccm) Instrument mit einer 100:1-Abschaltung unter 10 slpm/100 (10.000 sccm/100) oder 100 sccm heruntergefahren werden.

Selbst wenn das Steuerventil um den Faktor 4 dichter ist als erforderlich, wird es immer noch 25 sccm durchlassen. Diese Leckage erfüllt zwar die Vorgaben, lässt jedoch eine nicht zu vernachlässigende Menge an unerwünschtem Gas durch. Das kann zu erheblichen Problemen im Gesamtprozess führen. 

Bioreaktor mit Massenflussreglern

In Abbildung 2 sind die Ventile geöffnet, die Massendurchflussregler werden vom Steuersystem auf „Null“ geregelt. Dennoch sehen Sie kleine Gasblasen aus dem Verteiler am Boden des Behälters aufsteigen. Es handelt sich um eine kleine Menge Gas, das durch die MFC-Steuerventile austritt. In vielen Fällen ist diese störende Leckage für die MFC zu klein, um sie zu messen, aber dennoch groß genug, um ein Störfaktor zu sein.


Mehr als ärgerlich – Wie vermeiden Sie störende Leckagen? 

Bevor wir uns der Lösung zuwenden, betrachten wir die vielen unerwünschten Auswirkungen eines lästigen Lecks:

  1. Gas wird verbraucht, selbst wenn der MFC "aus" ist. Das ist ärgerlich, wenn die Gaszufuhr über Nacht entleert wird oder der Prozess für längere Zeit abgeschaltet wird.
  2. Störende Undichtigkeit: Dies kann als Qualitätsproblem angesehen werden, wenn im Sichtfenster des Bioreaktors Blasen zu sehen sind, auch wenn das Gas abgeregelt ist. (Abbildung 2).
  3. Nachrüstung eines Absperrventil wird erforderlich, wenn für jeden MFC gewährleistet sein muss, dass das Gas komplett abgesperrt werden kann.
  4. Die Gefahr, dass im Prozess unverträgliche Gemische entstehen.
  5. Unerwünschte Druckerhöhung im Abflussrohr: Falls der Ausgang des MFC mit einem Niederdruck-Einwegschlauch an den Prozess angeschlossen ist, kann der Ausgangsschlauch dem Eingangsdruck des MFC ausgesetzt werden. Dieser Druck kann die Druckfestigkeit des Einwegschlauchs übersteigen.
  6. Unerwünschte Druckerhöhung in der Prozesskammer: Wenn es sich bei der Prozesskammer um eine Einwegkammer für Niederdruck handelt, kann sie bis zum Eingangsdruck des MFC unter Druck gesetzt werden. Dieser kann die Druckfestigkeit der Kammer übersteigen.
  7. Unerwünschte Änderungen im Prozess: Wenn es sich um eine kleine Menge an Flüssigkeit handelt, die kontinuierlich in den Prozess strömt, obwohl kein Zufluss stattfinden soll, kann dies die Prozessergebnisse beeinträchtigen. Bei einem Bioreaktor beeinflusst dies sowohl die DO- als auch die pH-Werte.
  8. Scheinbarer Drift bei einem Nullsignal: Kleine Lecks am Steuerventil können als Änderung des Nulldurchflusses beim MFC erscheinen. Dies kann so aussehen, als ob das MFC-Durchflusssignal driftet, auch wenn der MFC tatsächlich den am Ventil vorbeifließenden Fluss korrekt meldet.

Brooks Instrument hat das Problem der Undichtigkeit erkannt und es gelöst. Der Prozess der Ventilmontage wurde dafür entscheidend verbessert. So kann die Undichtigkeit am Steuerventil wesentlich besser kontrolliert werden.

Die für biotechnologische Anwendungen hergestellten Ventile werden dazu zunächst mechanisch auf eine Toleranz von 0,0001" (ein Zehntausendstel Zoll) eingestellt. Damit kann ein „leckagefreies Absperren" bei gleichzeitiger präziser Durchflusskontrolle gewährleistet werden.

Darüber hinaus wird jedes Ventil auf einem speziellen Ventilprüfstand strömungstechnisch getestet, um eine optimale Leistung über einen möglichst großen Bereich zu gewährleisten.

Diese zusätzlichen Schritte verbessern sowohl die Steuerleistung der MFC als auch die Vermeidung störender Leckagen, wodurch oft die Notwendigkeit einzelner Absperrventile entfällt. (siehe Abbildung 3).

Bioreaktor mit Massenflussreglern

In Abbildung 3 sind keine einzelnen Absperrventile mehr nötig, was die Gesamtkosten des Systems reduziert. Die Massendurchflussregler empfangen von der Steuerung das Signal, die Gasabgabe auf Null herunter zu regeln und wirken in diesem Fall als Absperrventile. Es steigen nun keine Gasblasen mehr aus dem Verteiler am Boden des Behälters auf.


Wenn Sie mehr über unseren präzisen Umgang mit Regelbereich und Leckage erfahren möchten, sehen Sie sich die Brooks Instrument Modellfamilie SLA5800 (IP40-Gehäuse) oder SLAMF (IP66-Gehäuse) mit den Biotech-Optionen an. Diese Geräte zeichnen sich durch einen Regelbereich von bis zu 250:1 und eine Leckage am Steuerventil von unter 0,005 sccm aus. Das sind nur einige der vielen positiven Merkmale, die für Ihre Bio-Prozessanwendungen besonders wertvoll sind. Um zu ermitteln, welche SLA-Serie Biotech sich für Ihren Prozess am besten eignet, nutzen Sie unseren Produktselektor.

 

Joe Dille
Leitender Maschinenbauingenieur, Product Engineering Group

Joe ist der leitende Maschinenbauingenieur für die Product Engineering Group. Er ist seit 36 Jahren bei Brooks tätig.

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