Prozessanalytik

Leitfähigkeitssensor für ultrareines Wasser

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Um die im Idealfall extrem niedrigen Ionenkonzentrationen im Reinstwasser bestimmen zu können, bedarf es eines Sensors, der in der Lage ist, auch die geringste Leitfähigkeit zuverlässig zu messen. Dabei muss er zugleich die internationalen Vorgaben und Richtlinien der pharmazeutischen Industrie einhalten. Der Conducell-UPW-Arc-Sensor von Hamilton Bonaduz ist dafür ausgelegt. Er erfüllt die Anforderungen der USP 645, EP und JP.

Eine hohe Qualität von Reinstwasser sowie Ultra-Reinstwasser ist in vielen Bereichen der Biotechnologie, Kosmetik sowie in der Pharmaindustrie Grundvoraussetzung für eine dauerhaft hohe Produktqualität. Die Einhaltung strenger Vorgaben und höchster Qualitätsansprüche liegt hier auf der Hand. Einer der wichtigsten Indikatoren für die Qualität ist die Bestimmung der Leitfähigkeit. Diese hängt von der Ionenkonzentration der jeweiligen Flüssigkeit ab. Absolut reines Wasser besitzt eine sehr geringe Leitfähigkeit, da nur etwa jedes milliardste Wassermolekül (H2O) in die Ionen H+ und OH- dissoziiert. Diese Eigenleitfähigkeit des Wassers stellt auch die untere Grenze der Leitfähigkeitsskala (0,055 µS/cm bei 25 °C) dar und ist von großer Relevanz bei der Untersuchung von Reinstwasser in der Pharmaindustrie. Darüber hinaus dürfen nach Möglichkeit keinerlei Fremdstoffe wie Salze, organische Verunreinigungen oder gar Keime enthalten sein. Allgemein gilt: Je weniger Fremdstoffe im Reinstwasser enthalten sind, desto geringer fällt die Leitfähigkeit aus und desto höher ist dessen Qualität. Für gewöhnlich liegt die Leitfähigkeit von Reinstwasser in einem System je nach Kundensegment zwischen 0,2 µS/cm und 1 µS/cm. Weitere wichtige Parameter für Reinstwasser sind TOC (Total Organic Carbon), die Anzahl an Bakterien und die Menge an Endotoxinen. Online können nur die Leitfähigkeit und der TOC-Gehalt gemessen werden.

2-Pol-Messung
Um die im Idealfall extrem niedrigen Ionenkonzentrationen im Reinstwasser bestimmen zu können, verlangt es nach einem Sensor, der in der Lage ist, auch die geringste Leitfähigkeit zuverlässig zu messen sowie zugleich die internationalen Vorgaben und Richtlinien der pharmazeutischen Industrie einzuhalten. Der Conducell-UPW-Arc-Sensor der Hamilton Bonaduz AG wurde explizit hierfür entwickelt und entspricht den Anforderungen der gültigen Arzneibücher wie USP (United States Pharmacopeia), EP (European Pharmacopeia) oder auch JP (Japanese Pharmacopeia). Um bestmögliche Messergebnisse zu erzielen, muss der Sensor zudem an einer geeigneten Stelle montiert werden, an der weder Luftblasen oder Feststoffrückstände auftreten. Auch die Fließrichtung ist zu beachten.
Das Funktionsprinzip des Conducell-UPW-Arc-Sensors basiert auf der Inline-Messung der Leitfähigkeit des Mediums mithilfe eines 2-Pol-Sensors. Hierbei handelt es sich um eine Widerstandsmessung: Die Messzelle besteht aus zwei Elektroden, zwischen denen eine Wechselspannung angelegt wird. Je mehr Ionen in der Messlösung enthalten sind, desto stärker ist gemäß des Ohm’schen Gesetzes der Strom, der zwischen den Polen fließt, und damit die Leitfähigkeit. Entsprechend der Anforderungen der USP 65 kann die Reinstwasserqualität überwacht und bei Nichteinhaltung ein Alarm ausgegeben werden. Ein weiterer Vorteil des Conducell-UPW-Arc-Sensors ist seine direkte Signalausgabe, die entweder über eine analoge 4–20-mA- oder aber eine digitale Modbus-Schnittstelle erfolgt. Bei Bedarf kann durch die Verwendung eines optionalen Arc-Wi-Sensor-Adapters die Möglichkeit der kabellosen Übertragung eines Zigbee-Signals zum Arc View Handheld oder eines Bluetooth-4.0-Signals zu einem Smartphone oder Tablet genutzt werden. Beide Möglichkeiten verfügen über die gleichen Funktionalitäten und sind mit dem kostenlosen GMP Compliance Package kompatibel.
Bestimmung der Zellkonstante
Die präzise Bestimmung der Leitfähigkeit des Wassers bedarf eines kalibrierten Sensors und eines Messumformers, die beide regelmäßig überprüft und verifiziert werden müssen. Ein wichtiger Schritt hierbei ist die Bestimmung der Zellkonstante. Dazu werden rückführbare Leitfähigkeitsstandards verwendet. Die so ermittelte Zellkonstante darf maximal 2 % von der im Qualitätszertifikat genannten abweichen. Ist der Sensor in einem Rohr oder einem Tank eingebaut, so kann er durch eine Parallelmessung mit einem Referenzsensor in unmittelbarer Nähe, überprüft werden. Ein Ausbau während des laufenden Betriebs ist meist nicht möglich. Die USP 645 verlangt darüber hinaus eine Überprüfung des Messumformers, z. B. mit zertifizierten, rückführbaren Präzisionswiderständen, um mögliche, sich gegenseitig aufhebende Fehler zu entdecken. Hier ist es von Vorteil, dass der Sensor aus zwei verschiedenen Komponenten besteht – einem Arc Modul mit integriertem Messumformer sowie einer Leitfähigkeitsmesszelle. Diese können zu diesem Zweck voneinander getrennt werden. Dank dieses besonderen Features kann die Leitfähigkeitsmesszelle bei Bedarf im Reinstwasserbehälter oder in einer Rohrleitung eingebaut bleiben und muss im Zuge der Kontrolle nicht eigens entfernt werden. Die Verifizierung erfolgt dann mithilfe des neuen und optional erhältlichen UPW-Simulators, der einen rückführbaren Präzisionswiderstand enthält und an das Arc-Modul angeschlossen wird. Der Messwert des Präzisionswiderstandes kann dann am Prozessleitsystem oder auch auf einem optionalen Arc View Handheld abgelesen und mit dem spezifizierten Wert verglichen werden. Die Temperaturkompensation kann, wie in der USP 645 verlangt, ausgeschaltet werden.
Hygienisches Design
Um die Anwendung so vorteilhaft wie möglich zu gestalten, ist der Conducell-UPW-Arc-Sensor mit zwei verschiedenen Prozessanschlüssen erhältlich. Hier kann der Anwender entscheiden, ob er die Variante PG13,5 oder TC1.5“ bevorzugt. Beide Versionen liefern Messsignale mit höchster Genauigkeit und sind sowohl für Heißwasser- wie auch Kaltwassersysteme geeignet. Der Messbereich reicht von 0,01 µS/cm bis 1500 µS/cm und damit von sehr kaltem Reinstwasser bis zu 0,01 molarer Kaliumchlorid-Lösung, einem der wichtigsten Leitfähigkeitsstandards (ASTM D1125), bei 25 °C. Dank des Arc-Moduls werden sowohl integrierte Diagnosefunktionen, das Ablesen der Historie, die Speicherung der Kalibrierdaten sowie die Überwachung des (Ultra-) Reinstwassers ermöglicht. Zu den Besonderheiten des Sensors zählt neben den qualitativen Komponenten ebenso sein hygienisches Design. Alle medienberührten Materialien sind FDA-geprüft und freigegeben.

Dr. Knut Georg
Senior Market Segment Manager Process Analytics, Hamilton Bonaduz
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