Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Российский производитель и эксклюзивный представитель известных мировых брендов КИПиА
Статьи по КИПиАСтатьи о расходометрииКак регулятор массового расхода с регулирующим клапаном «нулевой» утечки помогает избежать утечки при подачи газа в биореактор
Перед рассмотрением особенностей утечки через клапан целесообразно определить ключевые характеристики биотехнологической среды, для которой предназначена серия приборов SLA для биотехнологий от Brooks Instrument.
Типичный биореактор представляет собой сосуд, в котором в режиме пакетного процесса выращиваются микроорганизмы (например, дрожжи, бактерии, клетки млекопитающих и др.). В сосуд вносят живую клеточную культуру и подают питательную среду (например, глюкозу, глицерин/метанол) с добавлением микроэлементов. Используемые клетки могут быть простыми прокариотами (бактерии) либо более сложными эукариотами (дрожжи, растительные, клетки млекопитающих и т. д.). Последние особенно «капризны» и требуют очень стабильных условий роста, однако способны выполнять биохимические операции, недоступные более простым клеткам (например, постобработку вроде гликозилирования — присоединения сахарных цепей к белкам). Конечным продуктом могут быть белки, такие как инсулин, моноклональные антитела, гормон роста, антибиотики или вакцины.
Биореактор оснащают датчиками растворённого кислорода (DO), pH и температуры, системой подачи питательной среды, газовыми регуляторами для подач газа в пространство над средой и в систему барботажа, а также мешалкой/агитатором. Точное регулирование уровня растворённого кислорода (обогащение воздушного потока кислородом или его уменьшение с помощью азота) позволяет лучше контролировать скорость роста клеток, снижать образование токсичных побочных продуктов и, соответственно, повышать выход биореактора. Точный контроль pH (например, путём подачи CO₂ с компенсационной подачей N₂) также важен (например, для подавления активности протеиназ). Для регулирования pH можно использовать кислоты и щёлочи, вводимые в жидком виде, но они могут «агрессивно» воздействовать на чувствительные клетки млекопитающих.
Регулирование скорости агитатора (импеллера) также важно для увеличения эффективности растворения газа (однако чрезмерная интенсивность перемешивания может разрушать чувствительные клетки). Анализатор выхлопного газа CO₂ может применяться для оценки общей интенсивности дыхания (углеродного цикла) и настройки скорости роста клеток посредством регулирования подачи питательной среды.
Регуляторы массового расхода (MFC) часто используются для управления растворённым кислородом (DO) и водородным показателем (pH) в биореакторе, как показано на рисунке 1. Прибор объединяет в одном компактном устройстве датчик расхода, регулирующий клапан и встроенную электронику управления, что позволяет измерять и регулировать расход выбранного газа в соответствии с заданным значением.
Клапаны регуляторов массового расхода выполняют сложную и многозадачную работу: им необходимо чрезвычайно точно регулировать расход — с точностью до долей процента — в широком диапазоне рабочих условий, потребляя при этом минимальную мощность. Такие требования к работе приводят к тому, что клапаны функционируют при очень малых усилиях. Это, в свою очередь, ограничивает доступное усилие для полного перекрытия потока.
На рисунке 1 клапаны находятся в открытом состоянии: регуляторы массового расхода получают уставки по подаче газа от системы управления и подают газ как в барботажную систему, так и в пространство над жидкостью. Можно видеть пузырьки газа, поднимающиеся от барботера на дне сосуда.
Для соответствия заявленному коэффициенту регулирования регулирующий клапан массового расхода должен обеспечивать «полное перекрытие» при расходах ниже минимального, требуемого для удовлетворения этого коэффициента. Например, прибор на 10 slpm (10 000 sccm) с регулируемостью 100:1 должен перекрывать расход ниже 10 slpm/100 (10 000 sccm/100), то есть ниже 100 sccm. Даже если регулирующий клапан перекрывается в 4 раза лучше, чем требуется, он всё равно будет пропускать 25 sccm. Хотя это соответствует спецификации, такая утечка позволяет значительному и неожиданному количеству газа проходить через клапан, что может вызвать проблемы в работе общего процесса.
На рисунке 2 клапаны находятся в открытом состоянии, и регуляторы массового расхода НЕ получают уставок на подачу газа от системы управления. Можно увидеть небольшой поток пузырьков газа, поднимающийся от барботера на дне сосуда. Это небольшое количество газа, проходящее через регулирующие клапаны устройства. Во многих случаях такая «малая» утечка слишком мала, чтобы регулятор массового расхода мог её измерить, но при этом достаточно велика, чтобы создавать проблемы.
Прежде чем перейти к решению, необходимо рассмотреть различные нежелательные последствия подобной утечки:
Проблема паразитных утечек решается путём усовершенствования процесса сборки клапанов для обеспечения лучшего контроля зазоров. Клапаны, изготавливаемые для биотехнологических применений, проходят первоначальную механическую настройку критических размеров с допуском 0,0001 дюйма (одна десятитысячная дюйма) для обеспечения герметичного перекрытия при сохранении точного регулирования расхода. Кроме того, каждый клапан проходит испытания на расход на специальном стенде для проверки клапанов с целью гарантирования стабильной работы в широком диапазоне условий. Эти дополнительные этапы позволяют одновременно улучшить характеристики управления регулятора массового расхода (MFC) и устранить нежелательные утечки, что потенциально исключает необходимость в отдельных запорных клапанах, как показано на рисунке 3.
На рисунке 3 отдельные запорные клапаны убраны, что снижает стоимость всей системы. В этом случае регуляторы массового расхода НЕ получают уставок по подаче газа от системы управления и функционируют как запорные клапаны. Можно увидеть, что из барботажного устройства на дне сосуда не поднимаются пузырьки газа.
