Welke rol spelen flowmeters bij de verwerking van suikerbieten?

Welke rol spelen flowmeters bij de verwerking van suikerbieten?

Erwin Broekman
Cover Image

Waarom houdt (bijna) iedereen van snoep, frisdrank, koekjes en taart? Al deze producten bevatten suiker, en daardoor smaken ze zo lekker. Maar waar komt die suiker vandaan? Alle groene planten produceren suiker via fotosynthese. Van alle planten bevatten suikerbieten en suikerriet de grootste hoeveelheden suiker; daarom worden die planten meestal gebruikt om suiker uit te halen. In dit blog kijken we naar de verwerking van suikerbieten en naar de rol die de flowmeters van Bronkhorst in dit proces spelen.

Convergence Industry B.V. is een leverancier van op maat gemaakte meet- en regelsystemen voor vloeistoffen en gassen. Bij het onttrekken van suiker aan suikerbieten ontdekte een van de klanten van Convergence dat het bij toepassing van membraanfiltratie mogelijk was om meer componenten uit de suikerbiet te halen dan alleen suiker. Daarvoor werd een op maat gemaakt nanofiltratiesysteem op laboratoriumschaal gebruikt.

Membraanfiltratie

Membraanfiltratie is een zuiveringsproces van hoge kwaliteit dat gebruik maakt van geavanceerde technieken. Hoe werkt dat? Een eenvoudige manier om membraanfiltratie uit te leggen, is de vergelijking met koffie zetten. Als u water in een koffiefilter vol koffiebonen giet, wilt u dat daar koffie uit komt zonder schillen van de koffiebonen. Daar zorgt het filter voor. Op een ander niveau lijkt dit op waterfiltratie waarbij u de ionen wilt wegfilteren, zodat u van zeewater drinkwater kunt maken. Zo simpel is het!

Samenwerking met Convergence voor membraanfiltratie

Voor de membraanfiltratie kan een ‘Convergence inspector Colossus’ worden gebruikt. Dit is een op maat gemaakt, volledig automatisch nanofiltratiesysteem op laboratoriumschaal, en dat is interessant. Felix Broens (Chief Technology Officer van Convergence Industry B.V.) legt uit hoe dit systeem werkt:

”In het nanofiltratiesysteem wordt water toegevoerd waarin een fosfaatvrije antiscalant is gedoseerd. Met een hogedrukpomp wordt het systeem onder druk gezet, waardoor een deel van het water door het membraan wordt geperst (permeaat). Het deel van het water dat niet door het membraan kan (retentaat) wordt teruggevoerd naar waar het water is toegevoerd. Een extra pomp in de recirculatiebuis zorgt voor een hogere stroomsnelheid over het membraanoppervlak, waardoor de verontreiniging van het membraan zelf vermindert. Uiteindelijk kan het permeaat worden gebruikt als schoon water voor verschillende toepassingen."

“De antiscalant wordt gebruikt om kalkvorming op het membraan te voorkomen door een complex van metaalhoudende ionen te vormen dat ze in de retentaatstroom houdt, zodat ze uit het systeem gevoerd kunnen worden. En omdat we een fosfaatvrije en biologisch afbreekbare antiscalant gebruiken, zijn er geen schadelijke effecten voor het milieu.”

Afbeeldingsomschrijving

Bronkhorst flowmeters in membraanfiltratie

Het hart van het nanofiltratiesysteem wordt gevormd door een Coriolis massflowmeter van Bronkhorst, die het proces regelt. Er wordt een Coriolis flowmeter gebruikt omdat die ook de dichtheid kan meten, wat belangrijk is bij suikerhoudende oplossingen. De flowmeter wordt aan de 'schone' kant van het proces geplaatst, dus achter het membraan, waar het permeaat stroomt (de flow van het gezuiverde product). De mate van scheiding van het membraan kan worden beïnvloed door zowel de flowsnelheid als de druk. Daarom is een Coriolis flowmeter met een groot bereik de beste optie voor het meten van een groot testbereik.

Door dit systeem van Convergence kon hun klant het proces enorm verbeteren. Voordat het Convergence-systeem werd gebruikt, was het een handmatig proces dat veel tijd kostte en niet altijd nauwkeurig was. Nu is het hele proces geautomatiseerd met behulp van op de klant toegesneden Convergence-software waarmee de Coriolis massflowmeter nauwkeurig via de pomp kan worden geregeld, waardoor ook de permeaatflow nu nauwkeurig en snel wordt geregeld. Vergeleken met voorheen zorgt dit voor een goede reproduceerbaarheid, betrouwbaarheid, gegevensregistratie en kortere doorlooptijden voor het experiment. Met dit op maat gemaakte systeem op laboratoriumschaal kan voldoende residu worden gemaakt voor testdoeleinden, zonder dat het proces hoeft te worden opgeschaald naar een proefinstallatie.

Afbeeldingsomschrijving

Bekijk de Coriolis-flowmeters die voor deze toepassing beschikbaar zijn.

Neem voor meer informatie over membraanfiltratie contact op met Convergence.

Wilt u op de hoogte worden gehouden van de laatste ontwikkelingen in flowmeting?

Omgaan met trillingen bij gebruik van Coriolis-massflowmeters

Het kan erg lastig zijn om Coriolis-instrumenten te gebruiken voor toepassingen met lage debieten in de zware industrie, waar je met allerlei trillingen te maken kunt krijgen.

Ferdinand Luimes
Cover Image

Coriolis-massflowmeters staan bekend als zeer nauwkeurige instrumenten en bieden een heleboel voordelen ten opzichte van andere meetapparatuur. Bij ieder meetprincipe horen echter uitdagingen, dus ook bij het Coriolis-principe. Het kan erg lastig zijn om Coriolis-instrumenten te gebruiken voor toepassingen met lage debieten in de zware industrie, waar je met allerlei trillingen te maken kunt krijgen. In deze blogpost vertel ik over mijn ervaringen op dit gebied.

Het Coriolis-principe

Zoals ik al zei hebben Coriolis-massflowmeters veel voordelen ten opzichte van andere meetapparaten. Allereerst meten Coriolis-instrumenten de massflow direct. Dit is belangrijk in de industrie, want zo voorkom je dat metingen onnauwkeurig worden door de fysieke eigenschappen van de vloeistof. Daarnaast zijn Coriolis-instrumenten erg nauwkeurig, leveren ze uitstekend herhaalbare metingen, bevatten ze geen bewegende mechanische onderdelen, hebben ze een groot dynamisch bereik, enz.

Tasten trillingen de nauwkeurigheid van een Coriolis-massflowmeter aan?

Bij industriële toepassingen heb je vaak te maken met allerlei soorten trillingen met verschillende amplitudes. Bij een Coriolis-meter wordt de massflow gemeten met behulp van een trillende sensorbuis. Wanneer de vloeistof daardoorheen stroomt, vindt er een faseverschuiving plaats, zoals in de video aan het eind van dit artikel wordt uitgelegd.

Deze manier van meten is in zekere mate gevoelig voor ongewenste trillingen waarvan de frequentie dicht bij de resonantiefrequentie van de sensorbuis ligt (afhankelijk van het ontwerp van de sensorbuis, bijv. 360 Hz) of waarvan de harmonische hoger ligt dan deze frequentie (zie onderstaande afbeelding).

Coriolis-flowmeters zijn alleen gevoelig voor de resonantiefrequentie of een hogere harmonische van deze frequentie

In een industriële omgeving is de kans op dergelijke ongewenste trillingen groter. Fabrikanten van Coriolis-flowmeters doen hun uiterste best om de invloed van trillingen op de gemeten waarden zoveel mogelijk te beperken door middel van algemene technische oplossingen, zoals:

  • hogere aanstotingsfrequenties;
  • tweeledige sensorbuizen;
  • verschillende vormen sensoren;
  • massa traagheid (bijvoorbeeld massablokken);
  • passieve en actieve compensatie van trillingen;
  • trillingsdempende buisconstructie ‘pigtail’

Trillingen kunnen dus inderdaad de nauwkeurigheid van de metingen van uw Coriolis-flowmeter aantasten, maar alleen wanneer de frequentie ervan dicht bij de resonantiefrequentie ligt. Wat u hieraan kunt doen hangt af van het soort trilling.

Welke soorten trillingen zijn er?

In een industriegebied kunnen frequenties worden veroorzaakt door:

  • trillingsbronnen uit de omgeving (bijv. vrachtwagens, spoorvervoer, industriële activiteiten);
  • trillingsbronnen uit het gebouw (mechanische en elektrische installaties, zoals airconditioning); of
  • trillingsbronnen uit gebruik (geïnstalleerde apparatuur en machines, bijv. pompen of transportbanden).

Deze trillingen verspreiden zich via een medium, zoals de vloer, de lucht, een buis of de vloeistof zelf. Als de trillingen de Coriolis-frequentie verstoren, kan de gemeten flow tot op zekere hoogte afwijken.

Om de invloed van trillingen zoveel mogelijk te beperken, is het nuttig om de bronnen ervan te achterhalen. Soms is het mogelijk om de flowmeter een klein stukje te verplaatsen of te draaien (Coriolis-flowmeters zijn meestal minder gevoelig voor trillingen als ze 90 graden gedraaid worden), dan wel om gebruik te maken van grote(re) massablokken, flexibele buizen of metalen buizen met U-bocht, of andere manieren van ophanging.

Hoe kunt u controleren of een Coriolis-flowmeter goed functioneert?

Voor een optimaal procesresultaat moeten de flowmeter en -regelaar goed werken. Als u zware industriële trillingen verwacht, is het daarom aan te raden om een Coriolis-flowmeter bij uw toepassing eerst te testen en niet zomaar volledig te vertrouwen. Pas daarbij op met het filteren van het meetsignaal. Soms is dit een logische stap (bijv. wanneer een snelle respons niet nodig is), maar als u wilt testen of een flowmeter goed functioneert, kan filteren een correct oordeel in de weg staan.

Coriolis-flowmeter in actie Coriolis-flowmeter in actie

Als de Coriolis-flowmeter onder bepaalde omstandigheden niet naar behoren functioneert, zal er een verschuiving te zien zijn in de procesuitvoer. Bij een toepassing voor het doseren van kleurstoffen voor afwasmiddel kan dit bijvoorbeeld leiden tot verschillen in de kleur van het product door incorrecte dosering en/of onverwacht gedrag van het meetsignaal. In zulke gevallen is het goed om het ongecorrigeerde meetsignaal te controleren (zonder filters!), aangezien u op die manier goed zicht krijgt op het functioneren van de flowmeter. Vraag de fabrikant van uw flowmeter hoe u alle signaalfilters kunt uitschakelen.

Normen met betrekking tot trillingen

Opvallend genoeg is de invloed van externe trillingen niet helder gedefinieerd in een norm voor Coriolis-flowmeters. Er zijn verschillende normen opgesteld over trillingen, maar niet in verband met meetnauwkeurigheid. De volgende twee normen met betrekking tot trillingen zijn echter wel bruikbaar:

  • IEC 60068-2: Klimatologische beproevingsmethoden voor elektrotechnische producten met betrekking tot veiligheid;
  • MIL STD 810: Omgevingswetenschappelijke overwegingen met betrekking tot schokken, vervoer en gebruik.

Voor gebruikers van Coriolis-flowmeters is diepgaande kennis van hun toepassingen belangrijk, met name als het gaat om mogelijke externe trillingsbronnen. Wij werken als specialist op het gebied van Coriolis-instrumenten voor lage debieten samen met kennispartners als de Universiteit Twente en TNO (een Nederlandse organisatie voor toegepast wetenschappelijk onderzoek) om voortdurend nieuwe inzichten te vergaren op dit gebied.

Door onze interne testfaciliteiten hebben wij de mogelijkheid om speciale trillingstests uit te voeren. Door middel van die tests, onze ervaring met klanttoepassingen en op maat gemaakte oplossingen zijn we altijd bezig onze Coriolis-flowmeters te verbeteren om zo onze klanten de best mogelijke prestaties te bieden.

Bekijk onze video waarin het Coriolis-principe wordt uitgelegd:

  • Meer informatie over het Coriolis-meetprincipe.
  • In een eerdere blogpost kunt u meer lezen over het belang van massflowmetingen en de relevantie van Coriolis-technologie.
  • Lees ons succesverhaal over het gebruik van Coriolis-massflowmeters om natuurlijk gas van een geur te voorzien (in het Engels).

Flowmeters voor het meten van meervoudige infusie

Flowmeters voor het meten van meervoudige infusie

Roland Snijder
Cover Image

Deze week is er een gastblog van dr. Roland Snijder, Medical Physicist Resident in het Haaglanden Medisch Centrum (NL). Voor zijn promotie aan de Universiteit Utrecht werkte Roland aan het meervoudige-infusieproject van de afdeling Medische Technologie & Klinische Fysica van het Universitair Medisch Centrum Utrecht (UMC Utrecht). Zijn onderzoek richtte zich op de fysieke oorzaken van doseerfouten bij meervoudige-infusiesystemen. In dit onderzoek zijn de stromingskenmerken van meervoudige-infusiesystemen gemeten met Coriolis-flowmeters van Bronkhorst. In deze blog geeft Roland ons nadere uitleg over zijn onderzoek.

Dit is een vertaling van de oorspronkelijke Engelse tekst.

Wat is infusie?

De meeste patiënten in een ziekenhuis krijgen medicatie (geneesmiddelen) toegediend. Vooral bij kritieke zorg heeft een groot deel van de patiënten een intraveneuze behandeling nodig. Een intraveneuze behandeling houdt in dat een oplossing van geneesmiddelen rechtstreeks in de aderen wordt gebracht. Dit proces van rechtstreekse toediening in de aderen heet infusie en vindt plaats met een vasculair toegangsapparaat (bijvoorbeeld een katheter) dat in de ader wordt ingebracht.

Het belang van een nauwkeurige stroming

Bij patiënten met kritieke zorg, vooral jonge en vroeggeboren patiënten, heersen vaak omstandigheden die intraveneuze toediening van zeer krachtige en kortwerkende geneesmiddelen vereisen. Deze geneesmiddelen moeten zeer nauwkeurig worden toegediend; afwijkingen in stroom- en dus doseersnelheden leiden al snel tot doseerfouten. Daarom worden infusie- of spuitpompen gebruikt.

Bovendien is de vasculaire toegang tot de patiënt meestal beperkt. Daarom moeten meerdere infusiepompen samen de geneesmiddelen toedienen via één katheter (meervoudige infusie), waardoor het hele proces van afgifte van geneesmiddelen ingewikkeld en moeilijk voorspelbaar wordt. Omdat doseerfouten in de klinische praktijk veel voorkomen, was meer onderzoek nodig. Veel van de resultaten van dit onderzoek zijn te vinden in het proefschrift: “Physical Causes of Dosing Errors in Patients Receiving Multi-Infusion Therapy”.

infuuspomp Voorbeeld van een meervoudige-infusiesysteem in de klinische praktijk

Flowmeting met de Coriolis-flowmeter

Om meer te weten te komen over de stromingskenmerken van meervoudige-infusiesystemen, hebben we een groot aantal metingen uitgevoerd. Die metingen zijn gedaan met Coriolis-flowmeters van Bronkhorst (uit de mini CORI-FLOW-serie). Met deze flowmeters konden we de stroomsnelheid van infusiepompen heel nauwkeurig meten, onafhankelijk van de dichtheid van de te meten oplossing (hoewel de meeste oplossingen vergelijkbaar waren met water).

De flowmeters zijn ook geselecteerd vanwege hun geschiktheid voor zeer lage stroomsnelheden: bij infusies zijn die soms niet hoger dan 0,1 ml/h. Uiteindelijk gaat het natuurlijk om de doseersnelheid of de massflowsnelheid van het geneesmiddel dat aan de patiënt wordt toegediend.

Om die te meten hebben we een absorptiespectrofotometersysteem gebruikt, waarmee we de concentratie van een substantie in een oplossing konden meten, bijvoorbeeld een geneesmiddel of een vergelijkbaar product. Voor het omzetten van dichtheid (bijvoorbeeld µg/l) naar massflowsnelheid (bijvoorbeeld µg/h) moest ook de cumulatieve stroomsnelheid (bijvoorbeeld ml/h) van het infusiesysteem worden gemeten.

minicoriflow Mini CORI-FLOW mass flow meter

Aanvankelijk gebruikten we hiervoor een precisiebalans, maar verderop in het onderzoeksproject hebben we de mini CORI-FLOW-flowmeter toegepast. De gegevens van de precisiebalans waren nogal onnauwkeurig, terwijl de flowmeter zeer accurate gegevens leverde die onze metingen aanzienlijk verbeterden.

Er moet echter wel rekening worden gehouden met het feit dat flowmeters een drukval produceren die leidt tot een intrinsieke stromingsweerstand. De implicaties hiervan, en hoe deze manier van meten zich verhoudt tot een klinische situatie, worden in het proefschrift uitvoerig uiteengezet.

De conclusie van het onderzoek was dat elk van de vele infusiecomponenten een bepaalde, meestal significante invloed heeft, en, wat belangrijk is, dat het medisch personeel meestal niet weet wat de gevolgen daarvan zijn voor de infusiebehandeling. Aanbevolen werd om via scholing en technische innovatie de bewustwording ten aanzien van de onderliggende mechanismen van deze effecten te vergroten. De Coriolis-flowmeters van Bronkhorst bleken zeer geschikt te zijn voor het verkrijgen van inzicht in de verschillende mechanismen die systeemfouten bij infusiepompen veroorzaken.

Voor meer informatie: R.A. Snijder Physical causes of dosing errors in patients receiving multi-infusion therapy (ISBN: 978-94-028-0382-2)

Over de auteur:

Dr. R.A. (Roland) Snijder (1985) is Medical Physicist Resident in het Haaglanden Medisch Centrum (NL). Hij behaalde zijn mastertitel in biomedische technologie aan de Universiteit van Groningen, met een specialisatie op het gebied van medische fysica (medische instrumenten en beeldvorming). In zijn masterscriptie, uitgevoerd aan Het Universitair Medisch Centrum Groningen, onderzocht hij de effecten van het gebruik van computed tomography (CT) op de screening van longkanker. Na voltooiing van zijn masterscriptie in 2012 promoveerde Roland aan de afdeling Medische Technologie en Klinische Fysica van het Universitair Medisch Centrum Utrecht (UMC Utrecht).

Ronald Snijder

Wilt u meer weten over het kalibreren van infusiepompen? Lees dan de blog van Marcel Katerberg, waarin hij de kalibratietechnieken uitlegt die de prestaties van infusiepompen kunnen verbeteren.

Snelle batchdosering in vullijnen

Snelle batchdosering in vullijnen

Walter Flamma
Cover Image

Als industriespecialist voor de voedings-, dranken- en farmaceutische branche bij Bronkhorst High-Tech volg ik deze markten uiteraard op de voet om te zien waar we nuttige oplossingen kunnen bieden. Eén van de trends die ik in de drankenmarkt heb gezien, is snelle batchdosering van additieven. De dosering van additieven is bij uitstek een toepassing waarbij flowmeters van pas komen. Graag leg ik uit hoe ze in de drankenindustrie worden gebruikt en waarom daar behoefte is aan een snelle batchdosering van additieven.

Trend: productie in kleine batches

In veel industrieën worden traditioneel grote batches van één product gemaakt (massaproductie) en de drankenindustrie vormt hierop geen uitzondering. Nu bedrijven echter steeds meer te maken krijgen met bredere assortimenten en diversificatie, biedt deze traditionele manier van produceren niet langer voldoende flexibiliteit en efficiëntie. Bedrijven optimaliseren hun processen om veerkrachtiger te worden en beter bestand te zijn tegen risico's. De nieuwe trend is om de productie van batches te baseren op de actuele vraag.

Op heel veel niveaus moet flexibeler en goedkoper worden gewerkt. In de drankenindustrie betekent dit dat men gemakkelijker wil kunnen wisselen tussen verschillende smaken, met zo min mogelijk schoonmaakwerk tussendoor. Om het doseersysteem voor additieven gescheiden te houden van de hoofdproductstroom (bijvoorbeeld water), worden de meeste onderdelen van de vullijn vrij van additieven gehouden. Dit bespaart tijd, reinigingsmiddelen en dus kosten bij een productwissel.

Behoefte aan snelle batchdosering

De meeste vullijnen leveren een hoge productie. Dit vraagt om een doseersysteem voor additieven waarmee de batchdosering zeer snel, herhaalbaar en nauwkeurig kan worden geregeld. Hoe kan een snelle batchdosering op de juiste manier worden bereikt? Waar het bij snelle batchdosering vooral om draait, is de juiste hoeveelheid additieven doseren binnen de vastgestelde doseertijd. Meestal gaat het om uiterst kleine hoeveelheden en een doseertijd van enkele milliseconden tot een seconde is in de drankenindustrie niet ongebruikelijk. Het nauwkeurig doseren van kleine hoeveelheden additivieven met een dergelijke snelheid is een hele uitdaging en vraagt een uiterst nauwkeurige flowregeling.

Bronkhorst oplossingen voor snelle batchdosering

Wij leveren verschillende flowoplossingen om de nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid te garanderen die bij snelle batchdosering nodig zijn. Eén manier is om een Coriolis-massflowmeter te combineren met een pomp of geschikte klep. Met dit systeem kunnen vloeistoffen op gecontroleerde wijze in het productieproces worden gedoseerd.

Een andere optie is om in plaats van een Coriolis instrument een ultrasone volumeflowmeter te gebruiken. Het hygiënische ontwerp van onze ultrasone volumeflowmeters en de mogelijkheid van Cleaning In Place (CIP) maken deze flowmeters uitermate geschikt voor de drankenindustrie.

ES-FLOW ultrasone volumeflowmeter ES-FLOW ultrasone volumeflowmeter

De Coriolis flowmeter en de ultrasone volumeflowmeter van Bronkhorst hebben beide het voordeel dat ze beschikken over een geïntegreerde functionaliteit voor batchdosering. Met deze doseertechnologie is batchdosering mogelijk van kleine hoeveelheden vloeibare additieven met slechts een minimale tolerantie. De firmware is voorzien van een ‘leerfunctie’ om zelfs de kleinste toleranties automatisch te corrigeren (bijv. tijdens het opstarten van het instrument of een wisseling van leveringsbatch). De opstelling kan worden aangepast aan alle productie-eisen en is gemakkelijk te integreren in reeds bestaande processen en productielijnen. Bovendien is met deze batchdoseerfunctionaliteit snelle, complexe regulering met PLC of SCADA niet langer nodig.

doseertechnologie Schematische weergave Bronkhorst doseertechnologie met mini CORI-FLOW massflowmeters

Of je nu kiest voor de Coriolis- of ultrasone flowtechnologie, onze flowinstrumenten bieden de oplossing voor een hogere verwerkingssnelheid, flexibele machines, snellere omschakeling en minder productieverlies in de drankenindustrie. Wil je meer weten over ultrasone flowtechnologie als oplossing voor de dosering van additieven in het productieproces van snoep? Lees dan het verhaal van mijn collega Erwin Broekman over hoe snoep een eigen smaak, textuur en vorm krijgt. Meer lezen over dosering van additieven

Gecontroleerde productie van Carbon Nanotubes : het materiaal van de toekomst

Gecontroleerde productie van Carbon Nanotubes : het materiaal van de toekomst

John S. Bulmer (Cambridge University)
Cover Image

Als wetenschapper aan de Universiteit van Cambridge ben ik nauw betrokken bij een interessant project met betrekking tot Carbon Nanotubes (CNT, letterlijk vertaald: koolstof nanobuisjes). Samen met Bronkhorst zitten we momenteel midden in de ontwikkeling van een reactor waarmee we de productie van dit uitzonderlijk sterke en geleidende materiaal kunnen controleren. In deze blog ga ik dieper op dit onderwerp in en probeer ik uit te leggen waarom ik ervan overtuigd ben dat Carbon Nanotubes wel eens hét materiaal van de toekomst zou kunnen zijn.

De geschiedenis én toekomst van Carbon Nanotubes (CNT)

Oorspronkelijk kennen we koolstof in drie moleculaire vormen:

  • diamand
  • grafiet
  • amorfe koolstof

En toen ineens was daar halverwege de jaren ’80 een nieuwe moleculaire vorm van koolstof die in een onderzoek het licht zag. Dat betekende gelijk de start van de multidisciplinaire wereld van de nanotechnologie. Dit nieuwe molecuul bestaat uitsluitend uit koolstof en draagt de naam Buckminsterfullereen. Het is als het ware een kooi van koolstofatomen op nanometerschaal en de molecuulstructuur lijkt op de vorm van een voetbal.

Een paar jaar later verscheen het moleculaire koolstof broertje van Buckminsterfullereen: Carbon Nanotubes (CNT). Voor CNT geldt eigenlijk praktisch dezelfde structuur, maar in deze variant strekken de nanobuisjes zich uit tot een lengte die miljoenen keren zo groot is dan zijn diameter. Saillant wetenschappelijk detail; de sterke en perfect geordende koolstofbindingen van CNT maken het het sterkste materiaal dat ooit is gemaakt. Electronen kunnen moeiteloos als eendimensionale geleiders door de nanobuisjes bewegen; dat maakt CNT vier keer zo geleidend als koper, met een maximale stroomcapaciteit die maar liefst duizend keer hoger ligt dan die van koper.

3D model van Buckminsterfullereen 3D model van Buckminsterfullereen

In het begin van deze eeuw, kwamen onderzoekers met processen op de proppen om vezels te produceren die bestonden uit dicht op elkaar gepakte CNT’s in een geordende microstructuur. Aanvankelijk bleven de typische eigenschappen van deze vezels ver achter bij de bijzondere eigenschappen van de individuele moleculen. Na een aantal tussentijdse verbeteringen, is de innovatieve CNT-vezel net zo sterk als het gebruikelijke carbon en vier keer zo geleidend. Naarmate de ontwikkelingen vorderen verwachten we dat CNT-vezels substantieel sterker zullen worden dan carbon en zal de geleidbaarheid en warmtecapaciteit zo’n vier keer groter zijn dan die van traditionele metalen als koper en aluminium.

Toepassingen van CNT-vezels zit met name in ontwikkeling van textielsoorten die bestand zijn tegen extreme omstandigheden (beschermende kleding, kogelvrije vesten etc.), composieten, materialen voor auto’s en kabels, vanwege de enorme sterkte. De intrede van CNT zou een gigantische impact kunnen hebben op ons dagelijkse leven, net als de invloed die plastic had op de wereld halverwege de vorige eeuw.

Carbon Nanotubes (CNT) op de Universiteit van Cambridge

Ons laboratorium heeft een productieproces ontwikkeld dat niet alleen CNT’s maakt in grote volumes, maar ook met een ongeëvenaarde perfectie in macroscopische textiel; alles in slechts één productiestap. Het productieproces an sich is in principe simpeler dan andere productieprocessen, zoals bijvoorbeeld de processen van het gangbaardere carbon of kevlar.

De Floating Chemical Vapour Deposition reactor (F-CVD) gebruikt in dit geval een ‘zwevende’ katalysator. Deze katalysator heeft slechts één koolstofbron nodig (tolueen), een katalysatorbron (ferroceen) en een op zwavel gebaseerde promotor (thiofeen). Deze drie componenten worden door middel van een draaggas (waterstof) met elkaar vermengd in een 1300 °C buisreactor, waardoor een zwevende CNT-wolk wordt gevormd. Het mechanisch extraheren van de CNT-wolk uit de buisreactor condenseert de wolk tot een bulkvezel met een strak geordende microstructuur. Dit wordt "CNT-spinnen" genoemd, dat gedaan wordt door “spinners”; speciaal beschermd personeel dat de vezel uit de CNT-wolk extraheert.

Het is een aardige uitdaging om de reactie onder controle te krijgen. De eigenschappen van het CNT materiaal variëren namelijk aanzienlijk tussen de productieseries, in relatie tot de gecontroleerde en ongecontroleerde parameter input. Hoe dat precies kan, is nog niet helemaal duidelijk.

Controle over de Carbon Nanotubes Reactor

Door een feedbacklus te implementeren proberen we om de CNT-materiaaleigenschappen van de reactor te reguleren. De in- en outputvariabelen zijn specifiek geselecteerde materiaaleigenschappen, die automatisch worden gemeten en vastgelegd in een database; een overzicht van o.a. het buitenweer, het bedienend personeel, de leeftijd van de buis, de tussenstofconcentraties, gasstromen, etc. De database wordt voortdurend doorgespit voor correlaties, parameterinteractie en multidimensionale lineaire regressiemodellen die het reactorgedrag statistisch voorspellen. Dat gebeurt met behulp van de dataverkenningssoftware JMP ™.

Ter illustratie; afbeelding 1 laat een statistisch model zien voor de G:D ratio van het material. Dat is de ratio tussen grafiet (G) en grafietdefecten (D) van Raman spectroscopie, die een indicatie geeft van de mate van grafitische perfectie. Dit model is een functie van verschillende input parameters die statistische gezien het meest relevant zijn met betrekking tot de G:D ratio. Op de x-as is een voorspelde G:D waarde te zien van het model en op de y-as de gemeten waardes. Als het model perfect zou zijn geweest, dan was de verwachting dat de lijn volledig recht zou zijn in een hoek van 45 graden. Zoals te zien is, liggen de gemeten datapunten wijd verspreid rondom de lijn en dat geeft de geringe mate van beheersing van het reactieproces weer.

Afbeeldingsomschrijving

De opstelling die we hier gebruiken vermengt eerst de tussenstoffen (tolueen, ferroceen en thiofeen) en deze worden daarna via een draaggas (waterstof) in de oplossing geinjecteerd met behulp van een standaard pomp. Hiermee werd duidelijk dat er toch een geavanceerder systeem nodig was voor een betere controle over de reactor.

Bronkhorst’s oplossing voor controle over de Carbon Nanotubes Reactor

Afbeelding 2 laat het verbeterde systeem zien. Afzonderlijke vloeibare tussenstoffen worden nu onafhankelijk gecontroleerd met Bronkhorst Coriolis instrumenten (mini CORI-FLOW series). Deze Coriolis massflowmeters geven uiterst precieze flows, zonder dat er calibratie nodig is tussen de twee tussenstoffen. Dat zorgt ervoor dat er geëxperimenteerd kan worden met verschillende CNT recepten. Het is Bronkhorst als enige gelukt om het uiterst nauwkeurige Coriolis principe op zeer kleine schaal toe te passen in dit onderzoek, door gebruik te maken van µCoriolis MEMS technologie.

Het flowbereik van tolueen gaat tot 200 g/h en voor thiopheen geldt zelfs een bereik van beneden de 100 mg/h. Het waterstof draaggas wordt geregeld door een robuuste, plug-and-play Bronkhorst massflow controller. Tot slot worden de precies gedoseerde tussenstoffen verdampt en samengebracht met het draaggas door middel van verdampertechnologie.

Afbeeldingsomschrijving

Met deze nieuwe en geavanceerdere instrumentatie is statistische modellering van F-CVD veel effectiever. De werkelijke waarde versus de voorspelde waarde geeft aan dat de respons van de reactor een stuk voorspelbaarder is en een veel hogere herhaalbaarheid heeft. Tot dusverre hebben we met dit beheersbare en goed vormgegeven reactorsysteem de CNT-productie verdubbeld en de grafiet kristallisatiegraad zelfs verdrievoudigd.

Houd ons in de gaten! Met Bronkhorst en andere belangrijke commerciële, academische en regeringspartners hopen we conventionele koolstofvezel binnenkort te overtreffen!

Bronkhorst informatie

Als je betrokken bent bij reactortechnologie, aarzel dan niet om contact op te nemen voor oplossingen voor je processen.

• Lees meer over de MEMS technologie dat is toegepast bij het onderzoek naar Carbon Nanotubes in de blog van Wouter Sparreboom.

Wilt u automatisch onze maandelijkse updates in uw inbox ontvangen? Registreert u zich nu!

Afbeeldingsomschrijving

Vijf redenen waarom dosering van additieven met een Coriolis-instrument productieprocessen bij plasticfabrikanten efficiënter maakt

Vijf redenen waarom dosering van additieven met een Coriolis-instrument productieprocessen bij plasticfabrikanten efficiënter maakt

Angela Puls
Cover Image

We gebruiken plastic of polymeren in een grote variatie aan alledaagse toepassingen. Als wegwerpproduct, zoals verpakkingsfolie, of als duurzame component in de auto-industrie, in de bouw of in sporttoestellen en speelgoed.

De vervaardiging van plastic is tegenwoordig maatwerk, waarbij de eigenschappen van het product worden afgestemd op de gewenste toepassing. Zo kunnen eigenschappen als hardheid, kneedbaarheid (of vormbaarheid), elasticiteit, treksterkte en temperatuurs-, stralings- en warmteweerstand worden aangepast. En ook de chemische en fysieke weerstand kunnen worden aangepast aan het uiteindelijke gebruiksdoel.

Er zijn dus heel veel mogelijkheden. Wat het uiteindelijke resultaat bepaalt, is welke basisbouwstenen (macromoleculen), productieprocessen en additieven worden gekozen. Die macromoleculen zijn polymeren die bestaan uit een regelmatige keten van repeterende molecuuleenheden. Hoe ze zich aan elkaar hechten en welke additieven worden gebruikt, bepalen de definitieve eigenschappen van het materiaal. In 2016 werd er wereldwijd meer dan 300 miljoen ton plastic geproduceerd voor bulkmateriaal en folies (bron: BMBF). Hiervan werd bijna een derde geproduceerd in China. Daarna volgen Europa en Noord-Amerika met elk iets minder dan 20 procent.

Precieze dosering voor een efficiënte productie en zo min mogelijk onnodig afval

Additieven die in de plasticindustrie veel worden gebruikt, zijn antistatische middelen, verfstoffen, vlamvertragers, vulstoffen, smeermiddelen, kleurstoffen, stabilisatiemiddelen en weekmakers. Vaak zijn ze vloeibaar. Bij precieze dosering van de additieven is de productie efficiënt en blijft onnodig afval tot een minimum beperkt.

Voor het toevoegen van additieven worden vaak naaldventielen gebruikt. Dat is goedkoop, maar er bestaat altijd een risico dat er iets misgaat door fluctuaties binnen het proces (bijv. in druk en temperatuur). Vooral het gebruik van weekmakers luistert steeds nauwer, aangezien sommige van deze stoffen direct in het menselijk lichaam worden opgenomen, of zich ophopen in de voedselketen.

Met de beproefde CORI-FILL-doseertechnologie van Bronkhorst kunnen de vereiste nauwkeurigheid en reproduceerbaarheid eenvoudig worden gerealiseerd. Door een mini CORI-FLOW-meter te combineren met een pomp of geschikte klep, is het mogelijk om met hoge reproduceerbaarheid vloeistoffen in een doorlopend proces of als batch in de reactor te doseren. Deze systemen kunnen worden geïntegreerd of gebruikt als toevoeging in reeds bestaande processen en productielijnen.

 mini CORI-FLOW flowmeter gecombineerd met een Tuthill-pomp mini CORI-FLOW flowmeter gecombineerd met een Tuthill-pomp

Vijf redenen waarom dosering van additieven met een Coriolis-instrument productieprocessen bij plasticfabrikanten efficiënter maakt.

  • (Opnieuw) kalibreren tijdens gebruik is niet nodig: de flowmeting en -regeling is vloeistofonafhankelijk
  • Gas en vloeistof kunnen met dezelfde sensor gemeten worden
  • Meting van een ongedefinieerd of variabel mengsel is mogelijk
  • Meerdere parameters
  • De CORI-FILL-technologie beschikt over een geïntegreerde batchcounter-functie en maakt directe aansturing van afsluiters of pompen mogelijk.

Bekijk hier het werkingsprincipe van de Coriolis-massflowmeter met doseerpomp

  • Meer weten over het verbeteren van de werking van doseerpompen? Lees dan het blog van James Walton waarin hij doseerpompen in combinatie met Coriolis-massflowregelaars bespreekt

    Wilt u als eerste op de hoogte worden gebracht van productinnovaties en nieuwe blogs of wilt u gratis entreekaarten voor evenementen ontvangen?

Meld u zich dan nu aan voor onze nieuwsbrief