Série d'articles de blog : Comment traiter les faibles débits de liquide ? Partie 5/5

Quelle influence les conditions ambiantes, tels que les tuyaux et les vibrations, peuvent-elles avoir sur votre débitmètre ? Bronkhorst, spécialiste des solutions pour les faibles débits de liquide, partage des conseils pour optimiser votre procédé.

Bart de Jong
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5ème partie - Comment gérer les conditions externes ?

Dans le monde de la régulation et de la mesure de débits, nous faisons une distinction entre « faibles débits » et « forts débits ». Mais qu’est-ce que cela signifie réellement ? Bronkhorst fournit des débitmètres et des régulateurs dans la gamme « faible débit ». Savez-vous ce que signifie « faible débit » ? Dans notre série d’articles, nous expliquons la différence et partageons nos conseils et nos astuces sur les installations à faible débit de liquide. Dans cette dernière partie de notre série d’articles, vous en apprendrez plus sur l’influence des conditions ambiantes sur les instruments.

Quelle influence les conditions ambiantes peuvent-elles avoir sur votre débitmètre ?

Les débitmètres Bronkhorst mentionnés dans les précédents articles de la série, qui sont capables de mesurer des (ultra) faibles débits, y sont très sensibles. Cela implique que même les perturbations les plus infimes du procédé d’un client ou des conditions ambiantes peuvent être perceptibles. Toute perturbation éventuellement déjà présente dans le procédé est désormais vue par le capteur, grâce aux mesures beaucoup plus précises de ces débitmètres très sensibles. Un client peut alors réagir en se disant que « quelque chose ne va pas avec ce débitmètre ! » Mais n’oubliez pas que nos outils ne sont que des transmetteurs d’information ! Et utilisez plutôt les informations de cette série d’articles de blog pour optimiser votre propre procédé. Vérifiez les éléments externes tels que les tuyaux qui en amont et en aval du débitmètre, l’influence de tout équipement vibrant dans l’environnement ou l’éventuelle présence de particules solides dans le liquide.

Pour mettre ce qui précède en pratique : lors du choix d’un régulateur de débit ou d’un débitmètre massique Coriolis, une pression amont relativement élevée sera nécessaire pour compenser la chute de pression (perte de charge) relativement élevée de l’appareil, ce qui est globalement le cas lorsque les instruments Coriolis fonctionnent dans leur plage de débit nominale. Toutefois, pour les instruments Coriolis ayant une large gamme de mesure (jusqu’à 1 % de la pleine échelle), la perte de charge dans la partie inférieure de l’échelle est généralement négligeable et comparable à celle des débitmètres thermiques.

Bien que les mesures faites avec un débitmètre Coriolis soient beaucoup plus précises qu’avec un débitmètre thermique, une forte pression amont d’un volume sous pression va causer la dissolution d’une plus grande quantité de gaz dans le liquide. La libération de ce gaz dissous sous forme de bulles lors de la détente à une pression inférieure dans le procédé entraîne une instabilité. Cette série d’articles sur les faibles débits est destinée à vous sensibiliser à tout ce que vous pouvez faire pour améliorer la configuration de votre procédé, chaque méthode ayant ses propres avantages, ses inconvénients et ses effets induits.

Quels tuyaux dois-je choisir ?

Choisissez le plus petit tuyau possible. En minimisant la longueur et le diamètre du tuyau d’alimentation de liquide entre le débitmètre et le procédé, le temps nécessaire au remplissage et au renouvellement sera aussi court que possible. La chute de pression sur les débitmètres massiques Coriolis est beaucoup plus importante que sur les débitmètres thermiques parce que le capillaire de ces derniers est environ 20 fois plus court et que son diamètre est plus large. Trouvez la solution optimale entre la perte de charge et le plus petit volume intérieur de tuyau possible. Pour les faibles débits jusqu'à 100 g/h, il est recommandé d’utiliser un tuyau d’un diamètre extérieur de 1/16 pouce (~ 1,6 mm). Pour les débits supérieurs, nous recommandons des tuyaux de 1/8 pouce (~ 3,2 mm) afin de limiter la perte de charge. Essayez d’utiliser aussi peu que possible des raccords, coudes ou connecteurs en T, car ils risquent de provoquer une accumulation de bulles d’air et une instabilité du débit. Si nécessaire, utilisez des raccords de petit volume.

conduites

Le choix de tuyaux rigides (en acier inoxydable, par exemple) ou souples dépend principalement de la pression d’utilisation. Il est rare que des tuyaux souples soient utilisés à haute pression. Pour les débits inférieurs à 2 g/h, l’utilisation de tuyaux rigides est fortement recommandée parce qu’elle permet de prévenir les changements de volume interne et perturber la mesure. Pour les débitmètres avec capillaires en hastelloy, nous recommandons d’utiliser des tuyaux en hastelloy. Du polyétheréthercétone, ou PEEK, est de préférence appliqué pour les liquides agressifs qui attaquent l’acier inoxydable.

Se prémunir des coups de bélier en évitant les changements soudains de diamètres des tuyaux

Le coup de bélier est un phénomène qui nécessite une attention particulière. Vous le connaissez déjà de par vos toilettes ou votre lave-vaisselle à la maison : il s’agit du choc hydraulique qui se produit lorsqu’un liquide en mouvement est soudainement forcé à s’arrêter ou à changer de direction. Il en résulte alors des variations de pression nettement supérieures aux valeurs de pression (statique) pour lesquelles un système a généralement été dimensionné.

Préservez-vous des coups de bélier en évitant les changements soudains de diamètre d’un tuyau à l’autre, en installant un petit amortisseur de pulsations (lorsqu’une colonne de gaz isolée avec une membrane a un effet d'amortissement), en augmentant progressivement une pression appliquée ou en évitant de faire fonctionner une pompe alors qu’une vanne est fermée.

Comment gérer les vibrations ?

Les vibrations d’une pompe ou d’un autre équipement environnant peuvent avoir un impact négatif sur les performances des débitmètres massiques Coriolis. En effet, le principe de fonctionnement des instruments Coriolis repose sur les vibrations. Il convient donc de s’assurer que les pompes et autres machines environnantes vibrent à des fréquences différentes de celle du débitmètre Coriolis. Afin d’empêcher ces vibrations extérieures d’atteindre le débitmètre Coriolis, vous pouvez utiliser un tuyau en PEEK (légèrement flexible), ou le débitmètre/régulateur de débit peut être dissocié mécaniquement en faisant faire une boucle au tuyau rigide (« lyre en cor de chasse »). Pour les instruments Coriolis, Bronkhorst dispose de blocs massiques de 2 kg et 4 kg avec amortisseurs de vibrations, des éléments tampons supplémentaires pour absorber les vibrations.

bloc massique mini-coriflow

Bloc massique pour débitmètres Coriolis

Lisez notre article : Que faire en cas de vibrations lors de l'utilisation de débitmètres massiques Coriolis

Et concernant l’étalonnage ?

Nous vous recommandons d’étalonner les débitmètres thermiques tels que les appareils μ-FLOW et LIQUI-FLOW une fois par an. Pour les appareils Coriolis comme le mini CORI-FLOW ML120, aucun étalonnage n’est nécessaire, car leur principe de mesure est moins sensible au vieillissement. Dans certains secteurs (automobile, pharmacie et alimentation, par exemple), un étalonnage régulier est toutefois exigé par la législation ou par la normalisation. Dans ces secteurs, il est d’une importance vitale que les appareils de mesure indiquent des valeurs exactes. À des fins d’étalonnage, il peut être utile d’appliquer des tuyaux flexibles transparents, en Téflon, par exemple, afin de pouvoir détecter visuellement toute bulle de gaz présente dans le liquide d’étalonnage.

Centre d'étalonnage Bronkhorst

Centre d'étalonnage Bronkhorst

Utilisez des filtres à particules pour éviter tout encrassement

Afin d’empêcher les tuyaux et capillaires de débitmètres de petit diamètre de s’encrasser, ou de prévenir les dommages des vannes de régulation piézoélectriques, il est recommandé d’intégrer en amont un ou plusieurs filtres à particules. Cette démarche est importante en cas d’utilisation de capteur à petit diamètre et de vannes de régulation pour les débits les plus faibles. Les pores du filtre doivent être au moins dix fois plus petits que le capillaire de mesure, orifice ou restriction de régulation dans le système et, en amont d’une vanne de commande piézoélectrique, la taille recommandée pour les pores est de 5 microns. Une grande surface de filtre peut compenser une perte de charge importante causée par la petite taille des pores.

Plus d'information sur les filtres de Bronkhorst

Vous souhaitez en savoir plus ?

Cet article est la dernière partie des 5 articles de blog de cette série. Consultez les parties précédentes :

Vous avez des questions concernant les faibles débits ? Contactez notre équipe.

Débitmètres pour la mesure des multi-perfusions

Comment les débitmètres Coriolis de Bronkhorst sont-ils utilisés pour la recherche des caractéristiques de débit des installations des multi-perfusions ?

Dr. Roland Snijder (HMC)
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Cette semaine, nous publions un article de blog du Dr. Roland Snijder, physicien médical au centre Hospitalier de Haaglanden Medisch (Pays-Bas). Pour obtenir son doctorat à l'université d'Utrecht, Roland a travaillé en tant que chercheur sur le projet traitant des multi-perfusions au sein du département de Technologie Médicale & Physique Clinique de l'University Medical Center Utrecht (UMC Utrecht). Il a orienté ses recherches sur les causes physiques des erreurs de dosage dans les systèmes de multi-perfusions. Au cours de ce travail, les caractéristiques de débit des installations des multi-perfusions ont été analysées à l'aide de débitmètres à effet Coriolis de Bronkhorst. Dans cet article, Roland nous présente ses recherches.

Qu'est-ce que la perfusion ?

La plupart des patients admis à l'hôpital sont traités par des médicaments (produits pharmaceutiques). En soins intensifs notamment, un nombre important de patients nécessitent un traitement intraveineux. Un traitement intraveineux signifie qu'une solution de produits pharmaceutiques est administrée directement dans les veines. Ce procédé d'administration est appelé perfusion et est effectué en utilisant un dispositif permettant un accès vasculaire (par ex. un cathéter) qui est inséré dans la veine.

L'importance d'un débit précis

Souvent, les patients en soins intensifs, notamment les jeunes patients et les prématurés, souffrent de maladies qui nécessitent l'administration intraveineuse de produits pharmaceutiques très puissants et agissant sur un temps très court. Ces produits pharmaceutiques nécessitent typiquement une administration très précise où le moindre écart de débit, et donc de taux d'administration, peut facilement conduire à des erreurs de dosage. Pour cette raison, on utilise des pompes à perfusion ou pousse-seringue.

En plus de cela, l'accès vasculaire du patient est généralement limité à un point et par conséquent, de nombreuses pompes à perfusion doivent être connectées à travers un seul cathéter (multi-perfusions), ce qui rend tout le processus d'administration du produit pharmaceutique complexe et difficile à prévoir. Et parce que les erreurs de dosage sont courantes dans la pratique clinique, il était évident qu'il fallait pousser les recherches. Nombre des résultats de cette recherche figurent dans la thèse : “Physical Causes of Dosing Errors in Patients Receiving Multi-Infusion Therapy”.

Installation pompe à perfusion

Exemple d'une installation de multi-perfusions en pratique clinique.

Mesure de débit avec un débitmètre Coriolis

Nous avons réalisé un nombre important de mesures afin d'en savoir davantage sur les caractéristiques de débit des systèmes de multi-perfusions. Ces mesures ont été conduites à l'aide de débitmètres Coriolis Bronkhorst (série mini CORI-FLOW). Ces débitmètres nous ont permis de mesurer le débit des pompes à perfusion de manière exacte, précise et indépendante de la densité de la solution en train d'être mesurée (la plupart des solutions ont des propriétés proches de l’eau).

Ces débitmètres ont également été choisis car ils sont adaptés aux débits très faibles, les débits de perfusion pouvant être aussi bas que 0,1 ml/h. En fin de compte, c'est le débit de la quantité de matière ou le débit massique du produit pharmaceutique administré au patient qui est important.

Pour mesurer cela, nous avons utilisé une technique de spectrophotométrie d'absorption, ce qui nous a permis de mesurer la concentration d'une substance dans une solution, c'est-à-dire un produit pharmaceutique ou équivalent. Pour convertir la densité (par ex. µg/l) en un débit massique (par ex. µg/h), le débit cumulé (par ex. ml/h) du réglage de la perfusion a également été mesuré.

Débitmètre Mini-Coriflow M12-M14

Nous avons d'abord utilisé une balance de précision puis nous avons utilisé le débitmètre mini CORI-FLOW. Les données venant de la balance de précision étaient plutôt bruitées alors que le débitmètre fournissait des données très propres, ce qui a fortement amélioré nos mesures.

Toutefois, il fallait faire attention au fait que les débitmètres produisent une perte de charge qui se traduit par une résistance au passage du débit. Les implications de cet effet et la manière dont le réglage des mesures est lié à une situation clinique est expliqué en détails dans la thèse mentionnée plus haut.

La recherche a conclu qu’un grand nombre de paramètres de la perfusion avaient une influence particulière, généralement significative et que le personnel médical n'est généralement pas conscient des implications que cela a pour le traitement par perfusion. Il a été recommandé de prendre conscience des mécanismes sous-jacents de ces effets par la formation du personnel et l'innovation technique. Les débitmètres Coriolis de Bronkhorst se sont révélés être très adaptés pour découvrir les différents mécanismes des défaillances des systèmes de pompes à perfusion.

L'article original du Dr. Snijder a été rédigé en anglais, il a été traduit en français pour le blog.

Pour en savoir plus : R.A. Snijder - Physical causes of dosing errors in patients receiving multi-infusion therapy (ISBN: 978-94-028-0382-2)

A propos de l'auteur :

Le Dr. R. A. (Roland) Snijder (1985) est physicien hospitalier au centre hospitalier Haaglanden Medisch Centrum (Pays-Bas). Il est diplômé d'un master en Ingénierie Biomédicale de l'Université de Groningen avec une spécialisation en physique médicale (instrumentation et imagerie médicales). Durant sa thèse de master, conduite à l'University Medical Center Groningen, il a effectué des recherches sur les effets de l'utilisation de la tomographie par ordinateur (CT) dans le dépistage du cancer du poumon. Après avoir achevé sa thèse de master en 2012, Roland a poursuivi en passant un PhD au département de Technologie Médicale et & Physique Clinique de l'University Medical Center Utrecht (UMC Utrecht).

Dr Roland Snijder

Dr. Roland Snijder

Vous voulez en savoir plus sur l'étalonnage des pompes à perfusion ? Lisez l’article de blog de Marcel Katerberg qui vous explique les performances de nouvelles techniques d'étalonnage de pompes à perfusion.

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La biotechnologie en bioréacteurs ou fermenteurs : une technologie aux nombreuses applications

Qu’est-ce que la biotechnologie ? Quelles sont les solutions pour les procédés biotechnologiques et de bioréacteurs avec des débitmètres massiques ? Bronkhorst en parle dans cet article.

Gunther Kolder
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Qu’est-ce que la biotechnologie ?

La biotechnologie est une technologie qui existe depuis des milliers d’années mais qui a été mise en lumière au cours des 20 dernières années. Pourquoi ?

Les procédés biotechnologiques sont faits dans des bioréacteurs ou fermenteurs, où des molécules sont synthétisées à l’aide de souches de bactéries, de levures et de cellules. Le produit final est utilisé dans de nombreux domaines de notre vie quotidienne, comme pour la fermentation du yaourt et de la bière. Outre les applications dans le domaine des aliments et des boissons, il est également utilisé dans le domaine de la recherche et de la production de médicaments. Les régulateurs de débit jouent un rôle important dans ces bioréacteurs. L’essor de la biotechnologie et son champ d’applications croissant sont une bonne raison pour se pencher sur cette technologie fascinante.

Le bioréacteur / fermenteur, cœur du procédé

En termes simples, un bioréacteur est un récipient dans lequel se produisent des procédés biologiques. Les bioréacteurs sont équipés soit d’une commande manuelle simple, soit d’une commande, entièrement automatique par automate. En général, le procédé du bioréacteur est un procédé discontinu. Le temps entre le début et la récolte s’appelle une campagne.

La majorité des bioréacteurs doivent être alimentés en gaz et en nutriments pour permettre la croissance des bactéries, des levures ou des cellules et pour que la synthèse biologique souhaitée puisse avoir lieu. Ces additifs sont généralement ajoutés en continu sur une période allant de quelques jours à plusieurs semaines. Les régulateurs de débit jouent un rôle d’une importance considérable dans le contrôle du procédé des bioréacteurs. La campagne d’un procédé contenant des cultures cellulaires peut prendre jusqu’à trois ou quatre semaines avant la récolte, alors qu’une campagne avec des cultures bactériennes ne dure souvent que quelques jours.

Mener à bien le procédé de manière stable pendant cette période représente un défi et il est donc très important de doser avec précision les gaz et les nutriments. Les variations de débit ont des conséquences importantes, que ce soit pour les bactéries ou pour les cultures cellulaires. Le dosage de tous les additifs est effectué dans des conditions stériles pour éviter toute contamination par des bactéries indésirables qui pourraient faire concurrence à la culture microbienne ou cellulaire.

En bref, la fiabilité mais surtout la reproductibilité sont des éléments clés dans les procédés du bioréacteur, en particulier en ce qui concerne la régulation des débits.

Procédé du bioréacteur

Aperçu schématique du procédé du bioréacteur

Aération des bioréacteurs à l’aide de régulateurs de débit massique

Les gaz qui sont couramment utilisés pour aérer les bioréacteurs sont : l’air, l’oxygène (O2), l’azote (N2) et le dioxyde de carbone (CO2). L’azote (N2) sert à étalonner le capteur d’oxygène (pO2) et à réduire la teneur en O2 dans le bioréacteur au début du procédé. Plus le nombre de bactéries ou de cellules est important, plus le besoin d’O2 est grand. Le CO2 sert à réguler l’acidité (pH) dans la phase liquide. Un bioréacteur est généralement régulé en vérifiant la pression partielle d’oxygène pO2 et le pH dans la suspension.

Courbe de croissance bactérienne

L’image montre la courbe de croissance idéale d’une culture bactérienne dans un bioréacteur.

L’absorption d’oxygène et de toutes les autres substances par les cellules se fait dans la phase liquide. L’oxygène doit donc être présent dans le liquide. Pour ce faire, il convient d’ajouter l’oxygène (éventuellement sous forme de composant de l’air) dans les plus petites bulles possibles. Le fait de remuer le liquide permet de répartir et de diffuser l’oxygène ajouté.

L’histoire des bioréacteurs

La recherche et la première production de substances générées microbiologiquement et destinées aux médicaments ont commencé pendant la seconde guerre mondiale, lorsque les avantages du recours à la pénicilline pour soigner les soldats blessés ont été découverts. Il a alors été ainsi trouvé que l’utilisation de bactéries dans les procédés microbiologiques présentait un avantage par rapport à la synthèse chimique plus conventionnelle. Dans les synthèses chimiques, de nombreux composés résiduels sont générés, certains même dans des proportions bien plus importantes que la substance souhaitée elle-même.

En revanche, dans les synthèses biologiques, on observe des rendements beaucoup plus élevés de la substance cible. En outre, cette synthèse offre souvent des méthodes de séparation plus simples. Par ailleurs, les bactéries, tout comme les cellules humaines ou animales, synthétisent des substances spécifiques auxquelles la synthèse chimique conventionnelle ne permet pas d’accéder, ou alors difficilement.

Au cours des 20 dernières années, de puissants procédés d’isolement de souches bactériennes et d’autres méthodes de génie génétique nous ont permis de produire, d’isoler et de multiplier des souches qui font ce pour quoi elles ont été créées : synthétiser des substances cibles de manière spécifique, sélective et efficace. Dans la plupart des cas, ces synthèses sont réalisées dans ce que l’on appelle des bioréacteurs.

Bioréacteur

Applications du bioréacteur

Les bioréacteurs se présentent sous différentes tailles et formes qui conviennent à une grande variété d’applications. Cela va des plus petits réacteurs d’une capacité de quelques millilitres aux grands bioréacteurs pouvant atteindre 100 m³. En règle générale, le débit d’oxygène est de 0,1 à 0,15 fois le volume de travail par minute pour les cultures cellulaires et jusqu’à 2 fois pour les cultures bactériennes.

Industrie agro-alimentaire et boissons

Les bioréacteurs, appelés alors fermenteurs, sont utilisés dans la production d’aliments et de boissons à des fins de fermentation, que ce soit pour ajouter des vitamines, des colorants, des arômes, de l’alcool ou des antioxydants. Prenez le yaourt par exemple. Il s’agit d’un produit issu de la fermentation du lait fait dans des fermenteurs. Les cultures de yaourt sont des bactéries d’acide lactique. Ou la bière... pour les procédés de brassage de la bière, les cellules de levure sont utilisées pour convertir les sucres en alcool. Et qu’en est-il du fromage ? À l’origine, le fromage est produit à partir du lait en y ajoutant la présure naturelle existante, qui est une enzyme provenant d’une plante ou d’un animal. De nos jours, la présure pour la fabrication du fromage est produite par des cellules de levure qui sont cultivées dans un fermenteur. Tous, des exemples d’applications du fermenteur.

Fermenteur industrie des boissons - bière

Les micro-organismes sont utilisés depuis longtemps dans la production alimentaire, mais pourquoi la biotechnologie a-t-elle autant gagné en popularité depuis la seconde moitié du 20e siècle ?

Développement et production de médicaments

La biotechnologie joue un rôle de plus en plus important dans le développement et la production de médicaments, ainsi que dans la multiplication des cellules souches. L’ensemble de ces activités est utilisé pour les traitements médicaux. Le délai de mise sur le marché, la réduction des coûts et la qualité constante des produits sont très importants pour la conception et la production de principes actifs pharmaceutiques. C’est pourquoi la fiabilité des bioréacteurs et la possibilité de faire évoluer le procédé des petits aux grands bioréacteurs sont très recherchées.

Produits chimiques et plastiques d’origine biologique

D’autres exemples d’applications biotechnologiques sont les produits chimiques et les plastiques d’origine biologique. Les chercheurs travaillent sur les plastiques renouvelables, qui sont fabriqués à partir de matériaux organiques à l’aide d’enzymes et de micro-organismes. Il existe déjà des exemples attrayants de plastiques d’origine biologique tels que des jouets, des pièces de voiture et des alternatives aux bouteilles en PET.

Le recours aux micro-algues et à la lumière du soleil pour convertir le CO2 est un exemple concret de production biochimique. Nous vous invitons à lire la note d’application d’une université belge sur l’apport en CO2 contrôlé pour l’algoculture : "Controlled CO2 supply for algae growth."

Énergie durable.

Le passage à l’énergie durable est un autre facteur qui favorise l’utilisation des bioréacteurs. Le biogaz et le biocarburant sous forme de biométhane, de bioéthanol et de biodiesel gagnent en popularité dans l’approvisionnement énergétique de nos foyers, de l’industrie et des transports. Le gaz ou le carburant est créé par la fermentation de matières organiques telles que le fumier, les boues, les déchets organiques, l’herbe, le maïs ou la canne à sucre. Les cuves de fermentation, qui sont maintenues à une température de 38-40°C et qui font l’objet d’un brassage, sont en fait des bioréacteurs.

Si ce sujet vous a plu, cet article devrait vous intéresser : "apport de CO2 contrôlé pour l'algoculture"

biotechnologie algoculture

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Étalonnage rapide et précis de pousse-seringue

Utiliser un capteur Coriolis améliore la rapidité et la précision de l’étalonnage des pousse-seringues

Marcel Katerberg
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Travailler sur des solutions de débits, plus particulièrement des solutions de faibles débits, vous met face à des applications et des défis qui peuvent s'avérer tout à fait surprenants. Cette semaine, c’est l’occasion de prouver les performances de nouvelles techniques d'étalonnage de pousse-seringue.

Ces pompes à perfusion, bien connues dans le domaine des applications médicales, offrent plusieurs principes de fonctionnement pour le dosage de différents liquides.

  • Les pompes volumétriques sont généralement utilisées pour l'alimentation et l'hydratation à des débits pouvant aller jusqu'à 1l/h.
  • Les pompes à seringue sont surtout utilisées pour doser avec précision des débits faibles (jusqu'à 1ml/h voire moins).

Nous avons appris auprès d'utilisateurs que l'affichage d'une pompe à seringue montre le point de consigne du débit sans donner d'informations sur le débit réel. En raison de l’absence de cette donnée, des contrôles réguliers à un débit ou une plage de débit prédéterminé doivent être effectués. Ces contrôles sont essentiels pour s'assurer que le débit de liquide de la pompe correspond aux attentes de l’utilisateur. C’est également une excellente occasion de consigner les performances de la pompe à des fins de consultation ultérieure et d'aide à la gestion.

Nous avons également appris, grâce à des groupes d'ingénierie médicale, qu'il existe principalement deux techniques d'étalonnage pour les pompes à perfusion.

Principes de mesure volumétrique

La première s'appuie sur les principes de mesure volumétrique. Cette méthode nécessite en général un débit important et un volume minimum pour atteindre une précision raisonnable dans un délai acceptable. Cette approche limite la possibilité de vérifier rapidement les pousse-seringues aux débits les plus faibles et dans des applications critiques. Elle génère en outre un processus d'étalonnage potentiellement inexact et chronophage.

Principes de mesure de la distance

La deuxième technique consiste à mesurer la distance parcourue par le piston sur une période de temps prédéfinie et à utiliser ce chiffre pour déterminer le volume de liquide injecté et donc extrapoler un chiffre d'acceptation ou de rejet. Cette technique est généralement établie par les fabricants des instruments et s'accompagne d'un haut degré d'imprécision si l'on considère l'imprécision des mesures manuelles, de la règle, du chronomètre et de la pompe.

Améliorer le temps de réponse et la précision de l'étalonnage des pompes à perfusion

Ayant pris connaissance des lacunes de ces techniques et après avoir parlé à plusieurs groupes de travail de professionnels utilisant des systèmes d'étalonnage de pousse-seringues, nous étions impatients de commencer de nouvelles recherches. Dans le cadre de ces études, nous testons de nouvelles technologies et techniques de capteur susceptibles d'améliorer le temps de réponse et la précision de l'étalonnage des pompes à perfusion.

Pour définir la valeur de cette étude, nous avons identifié avec les groupes de travail des applications potentielles dans lesquelles un dosage précis est un paramètre critique du procédé. Vous trouverez ci-dessous ces applications:

  • Utilisation en pédiatrie, où les patients sont très sensibles et vulnérables aux mauvaises posologies.
  • Faibles posologies où il est difficile d'obtenir un débit relativement précis et stable.
  • Médicament présentant une marge thérapeutique réduite où une haute précision est encore plus importante.
  • Systèmes de perfusions multiples, où plusieurs pompes sont connectées à une seule canule. Dans ces systèmes, la conformité des seringues et des tubes utilisés peut entrainer d'importantes erreurs de dosage.

Amélioration du temps de réponse des pousse-seringues

Capteur Coriolis pour faibles débits

Nous sommes partis de l'hypothèse que les caractéristiques d'un capteur Coriolis pour les faibles débits pourraient contribuer à améliorer la précision et le temps de réponse des systèmes utilisés pour l'étalonnage des pousse-seringues. Nous avons démontré la validité de cette hypothèse dans le cadre d'une étude interne et d'un hôpital aux Pays-Bas. Le principe de Coriolis a été choisi en raison de sa précision et de sa stabilité prouvées sur le long terme. En raison de leur faible volume interne et d'une perte de charge limitée, ces instruments peuvent par ailleurs être utilisés en ligne pour tester les systèmes de perfusion complexes.

Cette vidéo montre le principe de fonctionnement d'un débitmètre massique Coriolis.

Pour en savoir plus sur les débitmètres Coriolis associés à une pompe ou une vanne :

Précision et temps de réponses supérieurs

Nous avons comparé le capteur Coriolis à une balance électronique en interne. La mise en place de cette expérience a été approuvée par le Conseil d'accréditation néerlandais. Nous avons également réalisé une analyse comparative par rapport à un système d'étalonnage des pompes à perfusion d'un hôpital aux Pays-Bas.

Les résultats de cette étude ont confirmé que les techniques du capteur Coriolis peuvent dépasser, en précision et en temps de réponse, les principes de mesure actuellement appliqués aux systèmes d'étalonnage.

Lisez les explications de Mandy Westhoff sur une journée ordinaire au centre d'étalonnage des débitmètres de Bronkhorst (BCC)

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Série d’articles de blog : Comment traiter les faibles débits de liquide ? Partie 4/5

Dans cette 3ème partie des articles «Comment traiter les faibles débits de liquides » Bronkhorst explique l’utilisation d’un régulateur de débit associé à une pompe pour établir un débit de pression très stable.

Bart de Jong
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4ème partie - alimentation en liquide à l’aide d’une pompe

Dans le monde de la régulation et de la mesure de débits, nous faisons une distinction entre les « faibles débits » et les « forts débits ». Mais qu’est-ce que cela signifie réellement ? Bronkhorst fournit des débitmètres et des régulateurs dans la gamme « faible débit ». Savez-vous ce que signifie « faible débit » ? Dans notre série d’articles, nous expliquons la différence et partageons nos conseils et astuces sur les installations à faible débit de liquide.

Alimentation en liquide – utilisation d'une pompe

Pour garantir qu'un régulateur de débit ait un (ultra) faible débit de liquide stable, une pression d’entrée très stable est indispensable. Comme vous l'avez lu dans le 3ème article de la série, la présence de gaz dissous dans le liquide est la principale difficulté à surmonter lors de l’utilisation d’une cuve sous pression pour obtenir un faible débit de liquide stable. S'il est essentiel d'éviter la dissolution de gaz dans le liquide, l'utilisation d'une pompe pour produire la pression d'entrée est un bon choix. C'est ce sujet qui sera abordé dans cette quatrième partie de notre série d’articles sur les faibles débits.

Débitmètre Coriolis avec pompe

Une pompe est un dispositif permettant de fournir une pression ou un débit stable, fiable et continu pour cette application. Aucun gaz dissous n'entrera dans le flux de liquide, car l'action mécanique de la pompe seule pressurise le liquide. Si la pompe soutire le liquide d’un réservoir séparé non pressurisé, celui-ci peut être rempli à tout moment sans interrompre le débit injecté. Il est recommandé que cette cuve soit placée au même niveau que la pompe afin d'éviter une aspiration en dépression qui risquerait de produire des bulles de gaz quand le réservoir est placé plus bas. Dans le cas contraire où le réservoir est placé en hauteur, il convient de prévoir une vanne d’arrêt supplémentaire ou un clapet anti-retour qui empêche que la cuve ne se vide spontanément dans la pompe. Assurez-vous que cette vanne soit montée de sorte qu’il n’y ait aucun volume mort supplémentaire, où de l'air pourrait s'accumuler et ne se dissolve dans le liquide.

Quel type de pompe choisir ?

Une pompe à déplacement – comme une pompe à engrenages ou une pompe à piston – permet de fournir la pression d'entrée nécessaire pour le régulateur de débit. Dans une pompe à engrenages, un volume de liquide fixe se déplace entre les dents des engrenages rotatifs afin de générer un débit. Dans une pompe à piston, un débit de liquide est généré par les déplacements linéaires d'un piston qui remplit et vide un volume fixe. De manière générale, les petites pompes sont préférables, car une pompe ayant un faible volume interne réduit le temps d’injection et du renouvellement de la charge. Quel que soit le type de pompe choisi, assurez-vous toujours que les matériaux de la pompe en contact avec le fluide résistent au liquide traité. Étant donné que le volume de liquide fixe déplacé dans les pompes à engrenages est généralement plus faible que dans les pompes à piston, les premières sont davantage recommandées si un client souhaite une régulation du débit relativement stable pour de faibles débits de liquide. Toutefois, les pompes à engrenages sont limitées à une pression de fonctionnement maximale de 10 à 15 bars en général. Les pompes à piston peuvent gérer des pressions plus élevées, de quelques dizaines de bars à plus de 400 bars. De telles conditions de procédé sont fréquentes dans des applications à faible débit.

Les pompes à double piston que nous utilisons chez Bronkhorst sont déphasées de 180° et offrent dès lors une pression/un débit très stable, ce qui est important dans la gamme « faible débit ». Quant à savoir si une telle pompe est suffisamment précise, cela dépend du procédé de l’application client. La quantité de liquide requise est précisément dosée mais, en raison du principe de fonctionnement du pompage, elle sera dosée par petites impulsions. Si le volume du procédé est assez élevé, il sera suffisant pour lisser les impulsions. Cependant, si vous voulez un dosage ponctuel qui soit réparti de façon uniforme sur une courte période de quelques secondes, une telle installation de pompe à piston sera moins adaptée et une pompe à engrenages sera un meilleur choix.

Utilisation de débitmètre massique avec une pompe en vue d'obtenir une boucle de régulation

Les débitmètres massiques de Bronkhorst, en particulier les Coriolis, sont idéaux pour travailler avec des pompes afin d'obtenir une boucle de régulation qui fixe un faible débit stable. Une autre méthode permettant de créer un faible débit stable, consiste à l’utiliser avec une boucle de régulation de pression. Dans ce cas-ci, la vitesse de la pompe est régulée grâce à un régulateur de pression (EL-PRESS) qui établit une pression d’entrée stable et constante. Parallèlement, le débit est réglé par une vanne de régulation actionnée au moyen d'un débitmètre/régulateur, tel que le mini CORI-FLOW ML120 de Bronkhorst.

Régulation de la pression

Régulation de la pression

Pour de nombreuses applications à faible débit, l'installation d'une boucle de régulation ne doit pas être aussi complexe que celle combinant les régulations du débit et de la pression, décrite ci-dessus. La manière la plus simple d'utiliser une pompe pour générer un débit de liquide est de la laisser soutirer le liquide dans une cuve et de réguler la vitesse de la pompe par le signal « actionneur » de la boucle de régulation du débitmètre-régulateur. Dans la pratique, une telle installation de « régulation directe » a été appliquée pour le dosage stable de faibles débits d'hydrocarbures liquides sans pulsation pour la R&D de catalyse haute pression.

Régulation directe

Régulation directe

Pour assurer une régulation douce et un débit stable sur toute la plage de débit, une ligne de dérivation (by-pass) peut être ajoutée entre la sortie de pompe et le débitmètre-régulateur avec une restriction réglable, comme une vanne à pointeau. Dans le cas de la configuration avec dérivation, la vitesse de la pompe sera plus grande, ce qui entraînera une régulation du débit/de la pression plus stable, de sorte que la pompe fonctionnera à un régime plus efficace et stable, permettant un débit de sortie du liquide plus lissé.

igne de dérivation (By-pass)

Ligne de dérivation (by-pass)

Ne manquez pas la cinquième partie !

Dans la prochaine et dernière partie de cette série d’articles sur les faibles débits, nous nous concentrerons sur la manière d'empêcher ou de maîtriser l'influence des conditions externes. La cinquième partie sera publiée en mai.

Vous pouvez lire les parties précédentes ici :

  • 1ère partie - « Que sont les faibles débits de liquide ? » : dans cette partie, nous expliquons ce que sont les (ultra) faibles débits de liquide, les problèmes qui peuvent survenir et les solutions pour une performance optimale.
  • 2ème partie - « Conseils pour la sélection du débitmètre » : dans cet article, nous donnons des conseils sur la façon d’optimiser la stabilité et les performances de votre système, ainsi que des recommandations sur le dimensionnement, le choix des matériaux et les meilleures procédures à suivre.
  • 3ème partie - « Alimentation en liquide à l'aide d’une cuve sous pression » : dans cet article, nous épinglons deux méthodes qui permettent de fournir une pression d’entrée stable au système liquide, à savoir l’utilisation d’une cuve sous pression ou d'une pompe.

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Comment les régulateurs massiques contribuent à la fiabilité des procédés de fabrication de l'industrie pharmaceutique ?

Découvrez pourquoi le régulateur de débit massique Coriolis est la solution adaptée pour doser les excipients pharmaceutiques.

Anthony O'Keeffe
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Un client qui nous avait contactés pour l'aider à doser des excipients pharmaceutiques avec la plus grande précision possible est à l'origine de mon intérêt pour l'adoption de la fabrication en continu par l'industrie pharmaceutique. Ce client prévoyait l'installation d'une unité de fabrication pharmaceutique en continu.

Procédé de fabrication par lots

Traditionnellement, la plupart des produits pharmaceutiques destinés à l'homme sont fabriqués dans un procédé de traitement par lots, étape par étape, avec des tests complets entre les étapes afin d'assurer la constance de la qualité et l'efficacité du médicament.

La fabrication de produits pharmaceutiques est un procédé strictement réglementé, avec des organismes gouvernementaux chargés d'inspecter et d'approuver les procédés et les sites de production des médicaments. En 2016, aux États-Unis, la Food and Drug Administration (FDA) a autorisé, pour la première fois de son histoire, un fabricant à passer du procédé de fabrication par lots traditionnel à un procédé de fabrication en continu.

Procédé de fabrication en continu

La fabrication en continu est une technologie innovante qui a le potentiel de transformer le mode de fabrication des médicaments à l'avenir. Des améliorations apportées à la technologie analytique des procédés ont permis d'automatiser et de rationaliser ce qui était jusqu'alors des procédés de fabrication étape par étape laborieux. Il est désormais possible de mélanger les ingrédients avec précision dans un réacteur continu, de surveiller soigneusement et de contrôler la vitesse de réaction, et d'atteindre un rendement plus élevé que ce qui était possible il y a 10 ans à peine.

Les débits de liquide de ces nouveaux systèmes de procédés continus sont bien moins importants que ceux des anciens procédés de traitement par lots. Les laboratoires, qui mesuraient leurs débits en tonnes par heure, opèrent désormais à des débits qui se comptent en kilogrammes par heure (kg/h), voire, dans certains domaines, en grammes par heure (g/h), ou à des débits volumiques mesurés en ml/h.

Quand utiliser la fabrication en continu ?

Les nouveaux médicaments ont tendance à être destinés à des maladies moins répandues et n'exigent pas les grandes quantités d'ingrédients pharmaceutiques actifs fabriquées dans le passé. La fabrication pharmaceutique en continu est la solution idéale pour produire ces nouveaux médicaments.

Étant donné que Bronkhorst offre la gamme de débitmètres et de régulateurs massiques et volumétriques à faible débit la plus vaste du marché, le client nous a sélectionnés et chargés de trouver la meilleure solution de contrôle et de surveillance du débit pour ce nouveau procédé.

La solution : les régulateurs de débit massique Coriolis

Le client avait besoin d'un procédé souple, en mesure de surveiller et de réguler le débit des différents fluides et de s'adapter automatiquement à toute variation de pression ou perturbation. Le client avait en outre besoin d'un enregistrement exhaustif des données de débit en temps réel et de capacités de contrôle via son système de commande DCS.

Après un examen attentif des besoins du procédé, nous avons suggéré que la solution idéale aux strictes exigences de régulation du débit du procédé de fabrication pharmaceutique en continu serait de combiner notre régulateur de débit massique mini CORI-FLOW avec une pompe à engrenages.

SKID avec pompe et débitmètre Coriolis

Le facteur décisif pour l'utilisation du régulateur de débit massique mini CORI-FLOW ont été ses caractéristiques :

  • Mesure directe du débit massique, indépendamment des propriétés du fluide
  • Capacité de mesurer la densité et la température
  • Capacité d'opter pour la mesure du débit volumétrique
  • Haute précision, excellente reproductibilité
  • Design compact avec régulateur PID autonome intégré pour une régulation rapide et stable
  • Compatibilité avec une large plage de débits
  • Technologie numérique permettant l'interface avec les systèmes DCS utilisant Profibus
  • Acier inoxydable résistant aux produits chimiques et hastelloy pour les pièces en contact avec le fluide
  • Boucle de régulation fermée permettant une réponse rapide avec le contrôle direct de la pompe pour modifier les conditions du procédé
  • Associé à notre régulateur de pression IN-PRESS, le système offre une régulation du débit et de la pression plus souple pour certaines parties cruciales du procédé.
  • Tous les paramètres pouvant être enregistrés, cette technologie offre par conséquent une excellente traçabilité du procédé.

Si vous souhaitez plus d’informations, vous pouvez télécharger notre brochure (en anglais) sur la fabrication pharmaceutique en continu: « Continuous Pharmaceutical Manufacturing » ou nous poser vos questions à l'aide de notre formulaire de contact.