Die Füllstandsmessung in Bioreaktoren ist sinnvoll insbesondere bei Fed-Batch- und kontinuierlicher Kultivierung. Auch bei Medienaufbereitungs- und Vorratsbehältern liefert die Füllstandsmessung wesentliche Information über den Füllstand. Je nach Reaktorgröße, Prozessanforderungen und Budget stehen mehrere verschiedene Systeme zur Verfügung.

Konduktive Füllstandssonde (σ)

Die konduktive Füllstandssonde ist die einfachste und wirtschaftlichste Möglichkeit der Füllstandskontrolle. Sie wird hauptsächlich für kleinere Reaktoren eingesetzt. Die Sonde ist am Behälterdeckel montiert und funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie die Schaumniveauregelung: Kontakt oder kein Kontakt, d.h. Grenzniveau erreicht oder nicht erreicht. Bei der kontinuierlichen Kultivierung wird der Flüssigkeitspegel gehalten, indem Medium mit einer Erntepumpe entfernt wird, sobald die Sonde mit dem Medium in Kontakt kommt. Bei Anwendung für die Fed-Batch-Kultivierung wird Medium zugeführt, bis das Niveau der Flüssigkeit im Fermenter die Sondenspitze berührt.

Diese Methode liefert eine rein volumetrische Information über den Kesselinhalt. Wenn es in erster Linie wichtig ist, einen bestimmten Füllstand zu begrenzen, um ein Überlaufen des Behälterinhalts in die Abgasleitung oder in Zudosierstutzen im Behälterkopfraum zu verhindern, ist diese Sonde eine ideale Lösung. Wenn es wichtig ist, kontinuierliche Information über den Füllstand von Null bis zur maximalen Füllhöhe zu erhalten oder wenn das tatsächliche Gewicht des Fermenterinhalts gemessen oder konstant gehalten werden muss, sind andere Messprinzipien erforderlich, wie die nachfolgend beschriebenen.

Plattformwaage und Wägezellen (F)

Bei kleineren Fermentern kann der gesamte Fermenter auf einer Plattformwaage platziert werden, um den Füllstand im Behälter zu bestimmen.

Bei größeren Maßstäben - in der Regel 300L und größer - können die Behälterbeine oder die Behälteraufhängung mit integrierten Wägezellen ausgestattet werden.

Das Tara muss sorgfältig bestimmt werden, unter anderem unter Berücksichtigung der Befüllung von Heizmantel und Dosierleitungen der Fermenter.

In größeren und starr verrohrten Fermentern, bei denen nicht alle umliegenden Rohrleitungen zusammen mit dem Behälter auf einer Plattform platziert sind, müssen bei Planung und Installation der Anlage alle Verbindungsleitungen zu Behältern, die auf Wägezellen stehen, besonders berücksichtigt werden: kürzere Rohre, Rohre mit großen Durchmessern oder potenziell ungeeigneten Winkeln müssen vermieden werden, in der Regel durch flexible Einsätze. Andernfalls führen mechanische Kräfte, vorallem wenn sich die Rohre bei unterschiedlichen Temperaturen ausdehnen oder zusammenziehen, zu einem falschen Gewichtswert.

Der Messwert für den Inhalt des Fermenters ist unabhängig vom Gas-Holdup der Flüssigkeit, so dass die Messung immer den tatsächlichen Wert für die Masse der Flüssigkeit im Behälter liefert. Daher ändert eine Änderung der Belüftungsrate oder der Rührergeschwindigkeit nichts an dem Messwert für das Gewicht des Fermenterinhalts. Andererseits kann der indirekt ermittelte volumetrische Füllstand je nach Gas-Holdup variieren.

Die Waage resp. Wägezellen messen das Gewicht des Fermenterinhalts und können über die Dichte der Flüssigkeit auf das Volumen kalibriert werden.

Da das Wägeverfahren den Füllstand über die gesamte Behälterhöhe misst, eignet es sich auch zur kontinuierlichen Überwachung eines Fed-Batch-Prozesses.

Plattformwaagen oder Wägezellen sind Lösungen, die – wenn korrekt installiert - präzise und unverfälschte Messwerte für das Gewicht des Gefäßinhalts liefern, unabhängig von der Rührintensität. Dies geht jedoch mit einem zusätzlichen Aufwand für die Planung und Fertigung der Anlage einher.

"BioWeight" Differenzdruckmessung (Δp)

«Bioweight»-Sensoren sind eine Alternative zu den oben genannten Lösungen zur Füllstandsüberwachung und –Bestimmung im Pilot- oder Produktionsmaßstab. Zwei gekoppelte Drucksensoren im Behälterboden und im Kopfraum des Behälters messen den Differenzdruck, der sich aus dem Gewicht der Flüssigkeitssäule zwischen den beiden Sensoren ergibt. So kann das Gesamtgewicht der Flüssigkeit in einem zylindrischen Behälter mit bekanntem Durchmesser genau bestimmt werden. Der Messwert kann über die Dichte der Flüssigkeit auf das Volumen des Mediums kalibriert werden. Die Sonden sind klein, genau und totraumfrei sowie einfach zu installieren.

Darüber hinaus ist das Differenzdruckverfahren unabhängig von Kräften, die sich aus der umliegenden Verrohrung oder anderen äußeren Faktoren ergeben, wie z.B. dem Bediener, der sich während der Probenahme auf den Behälter stützt. Es sind auch keine kostspieligen und wartungsintensiven flexiblen Rohreinsätze erforderlich, und auch der Füllzustand der Anschlussleitungen beeinflusst den Messwert nicht. Wie bei Plattformwaagen und Wägezellen ist der gemessene Gewichtswert für den Fermenterinhalt unabhängig vom Gas-Holdup der Flüssigkeit.

Das Messsystem "BioWeight" liefert präzise Messwerte für das Gewicht des Behälterinhalts bei minimalem Installationsaufwand. Es eignet sich besonders für große Kessel mit schlanker Geometrie. Intensives Rühren kann jedoch den Messwert beeinflussen.