Nouvelles technologies pour la mesure de débit des procédés biopharmaceutiques à usage unique.

La production biopharmaceutique s’oriente de plus en plus vers l’utilisation de systèmes à usage unique, dont l’attrait s’explique par des avantages variés tels que la réduction des risques de contamination croisée, la flexibilité des volumes de production, une mise en oeuvre plus aisée…

Comme dans tout process industriel, l’instrumentation est nécessaire pour assurer le bon fonctionnement des opérations et la qualité des produits fabriqués. Pour la bonne maîtrise de leurs procédés, les industriels attendent du marché single use des instruments de mesure dont la performance équivaut à ceux qu’ils trouvent dans les process de fabrication standards en acier inox.

Cet article est dédié à la mesure de débit et présente les technologies existantes sur le marché, en dresse les caractéristiques, chacun ayant des avantages et inconvénients qui orientent le choix en fonction des applications.

 

Débitmètre à turbine
Le débitmètre à turbine à usage unique est arrivé très tôt sur le marché. Le principe de mesure, largement éprouvé, est notamment utilisé mondialement pour le comptage et la facturation de l’eau domestique. Une turbine placée dans l’écoulement du fluide tourne proportionnellement à la vitesse du fluide. Des réflecteurs montés sur les pales de la turbine transmettent les signaux infrarouges à un capteur qui détermine le débit en comptant les réflexions. Le fournisseur du débitmètre à usage unique a conçu un système qui permettait le retrait et le remplacement aisé d’un tube jetable comprenant la turbine.
Le débitmètre à turbine a l’avantage du prix. Il est adapté si les systèmes à usage uniques doivent être changés très fréquemment.
En revanche il n’est pas connu pour être précis. Il est sensible à la présence de débris et de particules qui peuvent freiner le rotor. Le tube de mesure est en partie obstrué par la turbine avec tous les inconvénients que cela apporte : perte de charge, dégradation potentielle des protéines si elles sont fragiles. Cette technique est incompatible avec les applications ou la densité ou la viscosité change, comme c’est le cas pour des opérations de purifications.
Le débitmètre à turbine trouve sa place pour des applications où le débit est peu changeant et le fluide homogène, comme certaines opérations de remplissage. Un conseil pour améliorer sa performance, calibrer l’appareil pour le débit spécifique de votre application.

 

Débitmètre Ultrasonique à temps de transit
Plusieurs sociétés proposent des débitmètres ultrasons à temps de transit, sur des concepts en ligne ou clamp-on sans contact avec le fluide.
Deux capteurs à ultrasons sont disposés en diagonale sur les deux faces opposées du tube de mesure ou du flexible. Les capteurs fonctionnent alternativement comme émetteur et récepteur de signal acoustique. Une onde ultrasonore venant de l’amont dans le sens du courant traverse plus rapidement que l’onde qui remonte le courant. La différence de temps de transit du signal est directement proportionnelle à la vitesse du liquide, à partir de laquelle est calculé le débit. Cette technologie est très sensible à la non symétrie du profil d’écoulement (nombre de Reynold) et donc à la viscosité du liquide à mesurer.

 

 

Certains fournisseurs proposent un tube de mesure en ligne assez précis pour un prix raisonnable, jusqu’à 1% d’incertitude quand les conditions sont idéales.
D’autres fournisseurs ont opté pour un design clamp-on. Le débitmètre est installé directement sur la tuyauterie flexible du process. L’absence de partie jetable facilite le travail de validation puisque le fluide n’est pas en contact avec un composant supplémentaire à qualifier. De plus, il n’y a pas de connexion hydraulique susceptible d’augmenter les risques de fuite. Pour autant un débitmètre ultrason clamp-on ne remplira sa fonction de mesure correctement que s’il est calibré spécifiquement avec le modèle de flexible sur lequel il est posé. En effet, la diffraction de l’onde acoustique est liée à la matière traversée. Il est donc préconisé de calibrer l’appareil avec les flexibles de votre installation, et dans les conditions de process (pression, température). Le débitmètre clamp-on est en effet très sensible à la différence de pression qui s’applique sur les flexibles, pour la même raison de diffraction non maîtrisée.
On préfèrera utiliser cette mesure pour des conditions de process stables. Sur un montage de filtration en profondeur, il est intéressant de connaitre le débit afin d’adapter le fonctionnement de la pompe au cours de la filtration et de connaitre le débit pour les opérations de nettoyage d’éléments filtrants.

 

Débitmètre Coriolis
Le débitmètre massique utilise le principe de mesure de débit à force de Coriolis, nommé ainsi en l’honneur de l’ingénieur français Gaspard-Gustave Coriolis.
Celui-ci permet de déterminer le débit-masse de liquides et de gaz à partir de la distorsion du tube de mesure produite par le débit. Le débitmètre crèe une oscillation sur le tube de mesure puis des capteurs de positions enregistrent les mouvements de l’oscillation aux extrémités du tube. En l’absence d’écoulement, les capteurs enregistrent le même signal sinusoïdal. Dès que le fluide traverse le tube de mesure, la force de Coriolis, proportionnelle au déplacement du fluide, engendre une distorsion du tube de mesure et de ce fait un déphasage entre les signaux des capteurs.

Ce déphasage est directement proportionnel au débit-masse. De plus, on peut déduire la masse volumique du produit grâce à la fréquence de résonance du tube oscillant. Faites l’expérience en appliquant un mouvement sur un tuyau d’arrosage, son oscillation est différente lorsqu’il est vide ou rempli d’eau.

 

 

Les débitmètres Coriolis sont connus pour leur grande précision. La version à usage unique adaptée au marché biopharmaceutique présente une incertitude de mesure de l’ordre de 1% et une grande plage de fonctionnement. Elle offre l’avantage de mesurer la densité en plus du débit-masse. Il est intéressant d’installer ce débitmètre lorsque le fluide change de caractéristiques, notamment la viscosité qui n’affecte pas la mesure. Ce peut être le cas en rétentat de filtration tangentielle.
En revanche, c’est une technique complexe à fabriquer et à calibrer, donc onéreuse. De plus la partie jetable est très encombrante à cause de la forme donnée aux tubes de mesures oscillants ; la surface de fluide en contact avec le liquide est importante et la perte de charge non négligeable. Le système est peu compatible avec les besoins de compacités donnés par les constructeurs de systèmes de purification dans les process downstream et présente une part importante du volume de l’assemblage Single-Use à jeter après usage.

 

Débitmètre électromagnétique
Le principe est donné par la loi de Faraday-Laplace. En 1832, le physicien Michel Faraday a posé les bases de la mesure électromagnétique du débit. Il étudiait l’interaction entre l’électricité et les champs magnétiques quand il a réalisé que les champs magnétiques dans un écoulement de liquide induisaient une tension qui dépend de la vitesse d’écoulement. Il a mis au point une équation décrivant que la tension induite est proportionnelle à la force du champ magnétique (B), à la distance entre les électrodes (D) et à la vitesse d’écoulement moyenne du produit à mesurer (v) : U = k*v*B*D (k étant un facteur géométrique). Les deux premières variables étant figées par construction, la tension induite est liée uniquement à la vitesse et donc au débit.

Les autres caractéristiques du fluide (densité, viscosité, pression, température …) n’interviennent pas. Les débitmètres électromagnétiques sont très précis. Pour ses raisons, le principe électromagnétique est très largement utilisé dans les process industriels dès lors que le liquide à mesurer est électriquement conducteur.

Le dernier débitmètre entré sur le marché du jetable et le plus abouti, est basé sur ce principe. Il reprend les techniques bien maîtrisées du monde industriel : création d’un champ magnétique d’une part, récupération de la tension induite aux bornes d’électrodes, amplification et traduction en débit. Le champ magnétique est déporté dans une cavité ouverte, il est donc possible de placer le tube de mesure en son centre et le retirer après usage.
Le débitmètre électromagnétique est précis avec une incertitude de 1% de la valeur mesurée. La mesure est indépendante des caractéristiques du liquide.
Le seul désavantage de cet appareil, lié au principe de mesure même, est qu’il ne sait pas mesurer des fluides non conducteurs, tel que l’eau déminéralisée par exemple. Tout au plus, il donnera une indication de valeur.

 

 

La grande plage de fonctionnement du débitmètre électromagnétique convient aux applications avec de fortes variations de débit, comme en chromatographie.
Certains systèmes nécessitent des gradients de solution tampon pour stabiliser le pH. Par exemple, en début de process un tampon produit 90% du débit, qui est réduit linéairement à 10% du débit en fin de process. Simultanément, un second est introduit de 10% à 90 % en fin de process. Cette délicate purification de protéines nécessite précision sur une large gamme de débit.

Ce débitmètre n’est pas sensible aux variations de pressions. Il convient bien aux mesures de filtration qui utilisent un débit constant pour une pression variable ; la pression augmentant au fur et à mesure que le filtre se colmate.

 

 

Cet appareil est aussi adapté aux opérations de filtrations virales qui travaillent à pression constante pour un débit variable, le débit décroissant de façon non linéaire quand le filtre se bouche. Le contrôle du débit est important pour déterminer l’encrassement du filtre.

Conclusion
Le débit est un paramètre de mesure essentiel aux opérations de purifications de protéines, transfert ou de remplissage. Les débitmètres pour procédé à usage unique, proposés sur le marché ne se ressemblent pas. L’offre est suffisante, mais le bon choix sera en fonction de votre process. Ces débitmètres sont compatibles avec les exigences biopharmaceutiques. Certains appareils s’adaptent à pratiquement toutes les applications.
Avant d’opter pour un modèle, il conviendra de prendre en compte les caractéristiques de votre application, la fréquence de renouvellement de la partie jetable, le besoin de précision ou l’impact de la non précision sur l’efficacité de l’opération. Et de faire votre choix.

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Perfetti

Christine PERFETTI – KROHNE

Après une expérience dans le domaine de la distribution d’eau, Christine Perfetti poursuit sa carrière dans l’instrumentation chez KROHNE. Elle est responsable du service marketing et du marché de l’eau, puis se diversifie sur la conception et mise en place d’appareils pour des nouveaux marchés dont une nouvelle gamme de débitmètres pour la biopharmacie.

c.perfetti@krohne.com