Füllstand und Schaum auf engstem Raum

Zur Detektion von Schaum als Störgröße ist in der Pharmaindustrie der Einsatz von konduktiven oder kapazitiven Grenzstandsonden Stand der Technik. Die Messverfahren haben sich über Jahrzehnte bewährt, lassen aber keine kontinuierliche Verfolgung der Schaumhöhe zu, was immer wieder Probleme bereitet. So besteht bei Fermentationsprozessen häufig das Risiko, dass nicht erkannter Schaum in den Abluftfilter eines Bioreaktors steigt und zu einem Verblocken des Filters führt. Der daraus resultierende sehr schnelle Druckanstieg im Reaktor macht die weitere Regelung des Sauerstoffgehalts des flüssigen Mediums praktisch unmöglich. Als Resultat muss im schlechtesten Fall ein kompletter Batch verworfen werden. Dies kann im pharmazeutischen Umfeld einen Produktionsausfall von mehreren Millionen Euro bedeuten.

Die kapazitive Füllstandmessung basiert auf dem Kondensatorprinzip. Die Sonde erfasst den Schaum nur dann, wenn er eine ausreichend große Änderung des elektrischen Feldes bewirkt. Schäume, die beispielsweise sehr großporig oder nicht leitfähig sind, erzeugen keine ausreichende Kapazitätsänderung und sind entsprechend nicht zuverlässig detektierbar bzw. verfolgbar.

Konduktive Sonden detektieren ausschließlich leitfähige Schäume und können in diesem Fall als zuverlässige Grenzschalter eingesetzt werden. Ein durchgängiges Hygienekonzept, das den modernen Anforderungen z. B. nach ASME BPE entspricht, gibt es für diese Geräte bis dato allerdings nicht. Bei konduktiven Sonden ist der Übergang zwischen der leitenden metallischen Spitze und der sie umgebenden Isolierung (z. B. PTFE oder PFA) hygienisch bedenklich, da es zu Spaltbildung kommt. Die Industrie akzeptiert allerdings dieses Risiko, da es designtechnisch derzeit keine Alternativen gibt.

Schwierig wird die Schaumdetektion insbesondere dann, wenn veränderliche Schaumbedingungen während des Prozessverlaufes auftreten. Zum Beispiel können die Schaumdichte und Porengröße in unterschiedlichen Prozessphasen variieren. In der Regel macht all dies eine Qualifizierung des Messsystems für den entsprechenden Prozess mit seinen individuellen Schaumcharakteristika nötig.

Ein geeignetes Messgerät für schaumbildende Fermentationsprozesse ist das nach dem Laufzeitverfahren arbeitende geführte Radarmessgerät Levelflex FMP53 von Endress+Hauser. Bei diesem Gerät werden hochfrequente Radarimpulse (1,5 GHz) auf eine Sonde eingekoppelt und entlang des Sondenstabs geführt. Die Impulse werden von der Medienoberfläche reflektiert, von der Auswerteelektronik empfangen und in die Füllstandinformation umgesetzt. Die Entfernung zur entsprechenden Oberfläche ist dabei proportional zur Laufzeit des Impulses. Es gilt: Je länger die Dauer von Erzeugung bis Wiedereintritt des Impulses ist, desto länger ist die zurückgelegte Strecke und desto geringer der Füllstand im Behälter.

Eminent wichtig für Herstellungsprozesse in der Pharmaindustrie ist bei der Füllstandmessung mit geführtem Radar die Bioverträglichkeit. Diese wurde durch umfangreiche Studien (RTWH Aachen) belegt. Bei der Verwendung des Levelflex FMP53 kommt es nachweislich zu keiner Zeit zu einer ungewollten Beeinflussung der Zell- und Bakterienkulturen.

Am Forschungstransferzentrum für Bioprozess- und Analysentechnik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW) wurde eine neue Methodik zur kontinuierlichen Verfolgung und Detektion von Schaum in Bioprozessen mit dem Levelflex FMP53 untersucht. In einem 15-l-Edelstahlbioreaktor (Arbeitsvolumen 10 l) Sartorius Biostat C werden aerob Hefezellen (Pichia pastoris) gezüchtet. Das Kulturmedium besteht im Wesentlichen aus Wasser und hat daher eine hohe Dielektrizitätskonstante. Im Prozess ist nach ca. 12 Stunden, etwa zum Start der Fed-batch-Phase, mit Schaumbildung zu rechnen. Der Prozess startet bei minimaler Begasungsrate und Rührerdrehzahl bei einem Füllstand von ca. 5 l. Die Medienoberfläche ist leicht turbulent. Begasung und Drehzahl erhöhen sich im Laufe des Prozesses durch den verstärkten Sauerstoffbedarf der Kultur. Die Turbulenz der Medienoberfläche nimmt zu.

Bedingt durch die engen Einbauverhältnisse mit Strömungsbrechern, Tauchrohren und Rührerblättern wird der Levelflex FMP53 mit nur 11 mm Abstand zu Reaktorwand und Strömungsbrecher installiert. Der Abstand der Sondenspitze zum Klöpperboden des Fermenters beträgt 20 mm. Trotz der schwierigen Einbausituation funktioniert die Füllstandmessung zuverlässig. Typische Prozessbedingungen sind eine Rührerdrehzahl von 300 bis 1800 min-1, eine Begasungsrate von 1 bis 15 l Luft pro Stunde, eine Temperatur von 30 °C, ein Druck von 1 bar rel. sowie einen Messbereich von 0 bis 532 mm.

In der HAW-Applikation lieferte der Levelflex FMP53 jedoch noch weit mehr Daten, als nur die Informationen über den Füllstand im Behälter. Denn nicht nur die Laufzeit des Radarimpulses kann vom Gerät ausgewertet werden, sondern auch die Signalstärke (Relative Echo-Amplitude). Durch das kontinuierliche Auswerten der Signalstärke ist es wiederum möglich, die prozessbedingte Schaumbildung zuverlässig zu detektieren und zu verfolgen.

Der Trick dahinter: die Signalstärke des FMP53 nimmt bei zunehmender bzw. abnehmender Schaumbildung ab bzw. zu. Die Sonde verfügt über zwei getrennte 4…20 mA-Stromausgänge, mit deren Hilfe sowohl der Füllstand (Stromausgang 1) als auch der Schaum (Stromausgang 2) als kontinuierliche Messwerte an die übergeordnete Steuerung geliefert werden können. Analog zur Signalverarbeitung in der Steuerung können Grenzwerte direkt in der Erweiterten-Diagnose-Funktion des Levelflex FMP53 abgebildet werden. Die Testergebnisse im HAW-Fermenter verdeutlichen den physikalisch bedingten Messeffekt und sind an Hand der Hüllkurvenbetrachtung nachvollziehbar (Bild 3).

Die universell einsetzbare geführte Radarsonde von Endress+Hauser eignet sich hervorragend für die unterschiedlichen Schritte der biotechnologischen Prozesse. Da die Schaumbildung in biotechnischen Prozessen sehr unterschiedlich ist (Zeitpunkt der Bildung, Menge, Beschaffenheit, Dichte, Porengröße, DK-Wert etc.) und sich der Schaum auch über den Prozessverlauf verändern kann, empfiehlt sich eine Qualifizierung des Messsystems für den jeweiligen Prozess.

Der Anwender erhält durch den Einsatz des Levelflex FMP53 weitere Prozessdaten und damit zusätzliche Prozesssicherheit. Hinzu kommen erhebliche Kosteneinsparungen, da die Verwendung weiterer Füllstandmesstechnik entfällt und mithilfe der Auswertung der Signalstärke eine optimierte Antischaumdosierung möglich ist.

Halle 4, Stand 519

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Branchen Manager Life Science, Endress+Hauser