Messumformer für die optische Prozessanalytik

Der Autor: Andreas Meyer, Area Manager, Endress+Hauser Conducta

Messstellen zur Erfassung prozessrelevanter Parameter bestehen zumeist aus einem Sensor, der Sensoraufnahme oder einer dem Sensor zugeordneten Durchflussarmatur. Die erfassten Messwerte werden als Signale einem Messumformer zugeführt, der als Interface zum Prozessleitsystem dient oder auch selbst über Relais in den Prozess eingreifen kann. Darüber hinaus übernimmt der Messumformer auch Steuerungsaufgaben für den Sensor selbst. Je nach Sensortyp müssen Lampenströme bereitgestellt, Kalibrierungen durchgeführt und gespeichert sowie verschiedene Seitenparameter kontrolliert werden. Das bedeutet für den Messumformer Kommunikation mit dem Sensor in beide Richtungen. Änderungen und auch die Messwerte selbst müssen protokolliert werden. Höchste Datensicherheit und eine FDA-konforme Benutzerverwaltung (21CFR Part 11, Code of Federal Regulations, Food+Drugs, Teil 11) sind zu gewährleisten.

Bei der Entwicklung von Messumformern für die optische Prozessanalytik galt es für Endress+Hauser, diesen Anforderungen Rechnung zu tragen und für die Produktpalette der optischen Dichtebestimmung, der UV-Photometrie, der Trübung und nicht zuletzt der Farbmessung geeignete Geräte bereitzustellen. Der im Markt befindliche Datenschreiber Memograph M hatte dafür bereits beste Voraussetzungen, ist prozesserprobt und weitläufig bekannt. In Form des Messumformers CVM40 hat er eine Erweiterung erfahren, die es ihm erlaubt nicht nur Daten zu empfangen, sondern auch Informationen bzw. Signale zu senden. Diese bidirektionale Kommunikation ermöglicht Parametrierung, Signalerfassung bzw. -umformung, Prozesssteuerung sowie Datenspeicherung und -übertragung auf vielfältige Weise. Damit ist der CVM40 zusammen mit den verschiedenen Prozessphotometern eine Messstelle, die alle wichtigen Anforderungen erfüllt. Ein Vorteil ist auch das 17 cm-TFT-Farbdisplay, das zu einem sehr bedienerfreundlichen Human Machine Interface (HMI) führt. Neben vier optischen Kanälen für den Einsatz von bis zu zwei optischen Sensoren stehen zusätzliche Analogeingänge für extern erzeugte Messwerte zur Verfügung. Die Abtastrate und der Speicherzyklus sind bis zu 100 ms für alle Kanäle einstellbar. Neben den 4…20 mA-Signalausgängen stehen auch Profibus DP, Modbus RTU, Ethernet Modbus TCP zur Verfügung. Die Darstellung des Bildschirms ist frei wählbar und bietet eine Vielzahl von Visualisierungen der Messwerte. Das ermöglicht eine Trendwertüberwachung direkt vor Ort ohne den Einsatz komplexerer Auswertesoftware. Zusammen mit der Datenspeicherung sind Prozesse damit rückverfolgbar und die Einhaltung von Qualitätsparametern ist nachweisbar.

Bedient wird der Memograph M entweder direkt oder mit der Software ReadWin 2000 vom PC aus. Der Anschluss einer externen Tastatur ist via USB möglich. So können Parametrierungen vorgenommen und Messwerte heruntergeladen oder auch in Echtzeit dargestellt werden. Die Konfigurationsdaten kann man zudem auf SD-Karte oder USB-Stick speichern. Das vereinfacht die Übertragung der Parameter auf andere Geräte und natürlich auch die Archivierung der Einstellungen. Die FDA-konforme Benutzerverwaltung und somit die Nachvollziehbarkeit der Prozessabläufe wird durch Funktionen wie integrierte Benutzer- und Rechteverwaltung, elektronische Unterschrift und Zugriffsschutz durch Tastensperre gewährleistet. Alle Bedienschritte sowie die vom Gerät erzeugten Meldungen werden mit der Zuordnung zum jeweils Verantwortlichen mit Zeitstempel im Audit Trail gespeichert.

Der Messumformer wird zum Beispiel mit der Absorptionssonde OUSBT66 für die Bestimmung und Verfolgung des Zellwachstums bzw. der Erkennung von Kristallisationszeitpunkten in Fermentern eingesetzt. Das Messprinzip ist die photometrische Bestimmung der Trübung im Nahen Infrarotbereich (NIR). Die zwischen zwei Fenstern gemessene Absorption ist ein Maß für die Zelldichte oder eben ein Anzeichen für den Beginn der Kristallisation. Durch den Einsatz von LED-Technik im NIR kann dabei auf optische Filter verzichtet werden, was die Laufzeit der Sensoren mit zahlreichen Sterilisationszyklen verlängert. Mit der Sonde sind auch Aussagen zur momentanen Zellmenge bzw. zum Wachstumsverlauf möglich, die sich mithilfe der Registrier- und Visualisierungsfunktion des Messumformers darstellen lassen. Eine Veränderung der Probe durch Transport in das Labor oder durch Probenvorbereitungsschritte ist damit ausgeschlossen. Dies ist bei der Optimierung der Nährstoffdosage oder der Erkennung des Erntezeitpunktes von Vorteil.

Eine weitere wichtige Komponente bei der Herstellung von pharmazeutischen Wirkstoffen (API), ist die chromatographische Aufreinigung von Proteinen im Downstream Processing. Neben verschiedenen spezifischen Flüssigkeitsparametern ist ein UV-Prozessphotometer OUSAF44 mit Durchflussarmatur OUA260 dabei ein zentrales Element der Proteindetektion. Die Absorption des Säuleneluates wird dabei meistens bei Wellenlängen von 280 oder 254 nm bestimmt. In speziellen Fällen erfolgt dieses auch bei Wellenlängen von 206, 214 oder 226 nm mit einem speziellen Photometer. Um reproduzierbare Werte zu erhalten und diese auch noch nach längerer Zeit mit anderen Werten vergleichen zu können, erfolgt die optische Kalibrierung durch den Messumformer gegen ein unabhängiges stabiles Normal.

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