生物反应器和生物工艺系统更有效的流量控制
由 Alicat 和 AbbVie 数字系统高级工程师 Chip Stacy 共同撰写
随着对强效和特异性药物的需求不断增长，制药商已转向生物制剂来满足日益增长的需求，并寻找针对复杂且目前无法治疗的疾病（包括癌症和多种遗传疾病）的治疗方法。生物制剂和生物仿制药与传统小分子药物的不同之处在于它们是在活细胞中生长的，而不是使用化学过程制造的。这种生长是在称为生物反应器的受控环境中进行的。
生物反应器环境给过程和自动化专家带来了一些独特的挑战。生物加工技术需要复杂的控制方案、特定材料和复杂的气体控制系统。随着生物体在生物反应器中生长，反应器内的质量流量需求可以呈指数级增长，比最常见的化学和工业过程中的质量流量需求更大。
图 1 显示了一家全球领先的生物制品制造商的典型气体输入方案。请注意，此设计需要用于氧气和工艺空气的高流量和低流量管线。由于所使用的质量流量控制器的可控范围有限，因此需要如此多的质量流量管线。例如，氧气流线显示一个控制器用于低于 35 SLPM 的流量，另一个控制器用于低于 100 SLPM 的流量。这些流量范围意味着指定控制器的可控范围不超过 50:1。Alicat 建议使用 Alicat 质量流量控制器来简化设计，如图 2 所示。最新的 Alicat 质量流量控制器的可控范围高达 10,000:1，远远超过需要双流量范围设计的 50:1，比 Alicat 之前提供的 200:1 有所改进。
图 1：生物反应器原始气体输入方案的管道和仪表图。
图 2：使用具有高可控范围的 Alicat 流量计输入生物反应器的气体输入的简化管道和仪表图。
生物反应器的进料压力通常约为 50 Psig 或更低。表 1 显示了标准 Alicat Bio 系列 10 SLPM（标准升每分钟）控制器在典型条件下从 10 SLPM 调低至 1 SCCM 时的流量误差。
| 所需流量 (SLPM) | 流量误差（SLPM） | 误差为流量百分比 |
| 10 | ±0.06 | 0.6% |
| 1 | ±0.01 | 1.0% |
| 0.1 | ±0.01 | 10% |
| 0 . 01 | ±0.01 | 100% |
| 0.001 | ±0.01 | 1000% |
表 1：Alicat BIOC-10SLPM 质量流量控制器的流量与精度。
事实上，无论使用何种测量技术，任何现代质量流量控制器都可以在其指定流量范围的中间和顶部范围内使用。然而，此处讨论的 Alicat 质量流量控制器在量程顶部的质量流量误差仅为 ±0.6%，在 1 SLPM 时的误差仅为 1%。上面所示的流量范围简化的原因是在极低流量下的高精度。艾里卡特质量流量控制器在调节比为 100:1 时，误差小于所需流量的 10%。即使调节比为 1000:1，对于 10 SLPM 流量控制器来说，流量误差也仅为 ±0.01 SLPM。因此，生物制品制造商可以通过使用具有基于差压测量的 Alicat 质量流量控制器，将本设计所需的流线总数从 5 条减少到 3 条。这使得生物反应器这一部分的零件、施工时间和控制系统成本节省了 33%。此外，这还简化了设计，增加了冗余，并减少了系统中潜在故障点的数量。
上述许多优点都是由艾里卡特的层流测量技术实现的。除了提供非常高的可控范围外，该技术对于任何受控气体都同样准确，无需不精确的 K 因子或其他补偿技术。这意味着需要更少的备用设备，因为任何装置都可以在各种流量下与任何气体同样良好地工作。通过 Alicat 的“气体选择”功能，可以通过设备的前显示屏和按钮，或者通过模拟、串行或工业通信轻松完成气体更换。这一切都可以在不损失准确性或需要重新校准的情况下完成。
其他质量流量控制器通常使用热测量技术。虽然这种方法经受住了时间的考验（可以追溯到 1911 年），但热单位无法快速响应，因为传感器质量需要改变温度来改变读数。虽然较新的热设计由于预测算法而响应速度更快，但 Alicat 的压差方法可以在 1 毫秒内响应控制变化 - 比热单元的响应速度快 1000 倍以上。热装置对工艺水污染也很敏感，因为水的存在会影响加热流量传感器的测量和校准。艾里卡特质量流量技术对水的瞬时污染相对不敏感，也不会受到损害。
Alicat 的质量流量控制器和仪表包含额外的功能，可实现卓越的精度和易用性。无论设备是通过模拟、数字还是工业通信协议进行控制，都可以使用可用的 Alicat 软件和校准标准对设备进行就地或现场校准。在这些相同的条件下，艾里卡特流量控制器还可以同时报告多个参数。例如，艾里卡特流量控制器可以同时输出质量流量、压力、阀门驱动电压和温度。为了便于故障排除和测试，设备还内置了全彩 TFT 显示屏。屏幕可以旋转 180 度（可以轻松地与可安装在任何方向的 Alicat 设备一起使用），并且可以使用以下命令在本地控制设备：按钮和显示屏，
Alicat 的控制器和仪表可实现简单高效的设计。Bio 系列包括完全符合 ASME BPE 2016 标准的设计、经过认证的 USP VI 级弹性体以及您选择的工业协议的选项。选择最新的艾里卡特质量流量控制器和仪表中前所未有的可控范围，以降低生物加工成本，同时提高系统性能和可靠性。