SAW-Durchflussmesser

Beben im Rohr

Im hessischen Friedberg werden Infusionslösungen und Produkte für die klinische Ernährung hergestellt. Dabei steht die Produktsicherheit an erster Stelle. Im Rahmen eines Erweiterungsprojektes für den Produktionsstandort validierte Bürkert seinen neuartigen SAW-Durchflussmesser, der strömungstechnisch gesehen einfach nur ein Rohr ist.

Flowave mit klar strukturiertem Display und optischer Gerätestatusanzeige nach Namur. (Bilder: Alexander Equit)

Tropfen für Tropfen retten, erhalten oder erleichtern. Das ist die Aufgabe von Infusionen und Ernährungslösungen. Dabei unterliegen Sondernahrung und Infusionen genauso strengen Regularien wie Arzneimittel. Neben der richtigen Zusammensetzung der Inhaltsstoffe müssen Hersteller eine einhundertprozentige Hygiene garantieren. Die Sterilabfüllung von Infusionsbeuteln erfolgt daher unter Reinraumbedingungen in einem validierten Prozess. Das erfordert unter anderem den Nachweis, dass die erforderlichen Durchflussgeschwindigkeiten und Temperaturen für die Reinigung und Sterilisation zu jeder Zeit zuverlässig und reproduzierbar erreicht werden. Auch die regelmäßige Reinigung aller Anlagenteile muss zwingend lückenlos und vollständig erfolgen. Gleichzeitig sollen Reinigungs- und Sterilisationszyklen nur so lange wie nötig dauern und sparsam mit Energie, Wasser und Reinigungsmitteln umgehen. Darüber hinaus wird von modernen Anlagen ein genaues Monitoring aller Prozesse gefordert – möglichst in Echtzeit. Bei diesem Anforderungsprofil kommt es auf die Leistungsmerkmale der installierten Anlagenkomponenten an.

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Der modulare individuelle Konfiguration für jeden spezifischen Einsatzfall.

Solche Rahmenbedingungen sind willkommene Herausforderungen für Bürkert. Das Ingelfingener Unternehmen entwickelt und baut seit mehr als 60 Jahren Mess-, Steuer- und Regelungssysteme für die Fluidtechnik. Bei der Entwicklung des Durchflussmessgeräts Flowave stießen die Fluidik-Experten auf die Surface-Acoustic-Wave-Technologie (SAW), die auf der Ausbreitung von Oberflächenwellen auf dem Messrohr und im durchströmenden Medium basiert, ähnlich seismischer Aktivitäten.

Welle als Informant

Die Flowave-Technologie funktioniert mit insgesamt vier Interdigitalwandlern, sogenannten Transducern, die jeweils als Sender und Empfänger operieren können. Sie sind auf der Oberfläche des Messrohres angeordnet – berühren also nicht das Medium – und starten elektrisch angeregt die Wellenausbreitung. Dabei senden zwei Transducer in Durchflussrichtung, zwei dazu entgegengesetzt. Ist einer als Sender aktiv, arbeiten die beiden am weitesten entfernten als Empfänger.

Für eine Messung erzeugt also ein Interdigitalwandler akustische Oberflächenwellen. Diese breiten sich sowohl auf der Rohroberfläche als auch im Medium aus, bis sie zu einem empfangenden Transducer kommen. Dabei hängt der spezifische Winkel, unter dem sie in die Flüssigkeit auskoppeln, von der Wellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ab. Trifft die Welle, die durch die Flüssigkeit läuft, auf die Rohrwandung, koppelt sie wieder in die Rohroberfläche aus und läuft dann zum nächsten Transducer. So führt die Anregung jedes Transducers zu einer Folge von Empfangssignalen an zwei anderen Wandlern. Da der Volumendurchfluss proportional zur Zeitdifferenz der Dauer der Wellenausbreitung in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung ist, liefert die entsprechende mathematische Auswertung Informationen zum Fluid selbst. Aktuell werden gleichzeitig und kontinuierlich Volumendurchfluss und Temperatur gemessen. Für die Zukunft stehen die Ableitung weiterer Messwerte wie Dichte und Massendurchfluss sowie die Validierung für alle flüssigen Medien im Raum.

Das SAW-Prinzip funktioniert unabhängig von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit, was bei Medien wie Reinstwasser oder Water for Injection (WFI) wichtig ist. Zudem ist das Durchflussmessgerät unempfindlich sowohl gegenüber magnetischen oder elektrischen Störeinflüssen als auch gegenüber Gasblasen, Materialanhaftungen und Vibrationen. Hinzu kommt, dass laut Hersteller das System prinzipbedingt nicht kalibriert werden muss, kostengünstiger und mit vier Kilogramm deutlich leichter ist als beispielsweise Coriolis-Massendurchflussmesser.

Zurück nach Friedberg, wo im November 2014 ein Flowave Typ 8098 mit einem Nenndurchmesser von 25 mm installiert wurde. Es wurde in der Versorgungsleitung einer Abfüllanlage für Infusionsbeutel platziert, parallel zu einem Einrohr-Messsystem nach dem Coriolisprinzip, das als Referenzsystem diente. Die Ein- und Auslaufstrecke hat einen Nenndurchmesser von 32 mm, für einen direkten Vergleich flossen durch beide Messsysteme zu jeder Zeit dasselbe Medium. Durch die Anlage und damit durch beide Messleitungen wurden Water for Injection (WFI) bei unterschiedlichen Temperaturen, Salz- und Zuckerlösungen sowie CIP- und SIP-Medien (Cleaning bzw. Sterilization in Place), also auch Dampf gefördert.

Ein wichtiges Ziel des mittlerweile abgeschlossenen Feldtests war der Nachweis der Langzeitstabilität: Im Betrieb muss das Durchflussmesssystem in jeder Anwendung langfristig ohne Ausfälle und Messabweichungen arbeiten. Und das auch bei hohen Temperaturunterschieden, da bei der Abfüllung von Infusionslösungen häufig dampfsterilisiert werden muss.

Die Ergebnisse sind laut Hendrik Faustmann, der das Projekt bei Bürkert betreute, durchweg positiv: „Die CIP- und SIP-Prozesse können sicher und reproduzierbar überwacht werden. Das Messgerät ist strömungstechnisch einfach nur ein Rohr! Das spielt auch für die Validierung eine große Rolle, da das Gerät keinerlei Einflüsse auf den Prozess und das Produkt ausübt und wie jede andere Rohrstrecke betrachtet werden kann.“ Zudem spart das Messsystem Zeit ein, die dann für Wartung und Produktion zusätzlich zur Verfügung stehen. Das bestätigt auch der Betriebsingenieur in der Friedberger Produktionsstätte: „Ich hätte mir nie träumen lassen, dass wir echte Abfüllzeit dazugewinnen – zum einen durch schnellere Reinigung und Sterilisation, also letztlich kürzere Zeit bis zum Erreichen des validierten Zustandes, zum anderen können wir die Anlage länger fahren, bis eine Reinigung nötig wird.“ cs

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