任何生物过程都需要流量计来为生物反应器供料、驱动过滤和色谱以及监测关键过程参数。在这里，我们比较了三种流量计技术的工作原理和主要特点：转子流量计、MEMS 热式质量流量计和层流 DP 质量流量计。然后，我们为生物工艺应用中的每种技术提供推荐的用例。
转子流量计工作原理
转子流量计使用可变面积原理测量体积流量。转子流量计由锥形管内的浮子组成，通过管子的流体向上力决定了浮子的位置。这创造了一个设定的工作范围：流体的向上力是流量和密度的函数。浮子随着通过仪表的体积流量线性上升和下降。这种关系仅在校准转子流量计的压力和流体下有效。它随着通过仪表的流体的速度水头和浮力的增加而上升（值得注意的是，浮力主要与液体相关，因为浮力与气体可以忽略不计）。当流体的力与向下的重力相等时，浮子达到稳态并提供稳定的流量测量。体积流量表示单位时间内流经系统的气体体积（例如升/分钟）。
MEMS热表工作原理
MEMS（微机电系统）热流量计使用热加热元件、温度传感器和气体的热特性来测量质量流量。有两种方法可以利用这种设置：直接在主流路中，或在旁路管中。BASIS MEMS热式质量流量计直接测量流路上的流量。
MEMS 量热传感器通过加热元件上游和下游的对称热电堆测量质量流量。向加热元件提供电源以保持温差恒定。当没有流量时，传感器读取相同的值。当气体流动时，加热的气体向下游移动，下游传感器会比上游传感器更热。
层流差压（DP）流量计工作原理
这些质量流量计测量流体上的压差。该读数使用 Hagen-Poiseuille 方程转换为体积流量。最后，使用体积流量和瞬时流体温度和绝对压力计算质量流量。
体积流量表示流经系统的气体体积，而质量流量表示流动气体颗粒的数量。这很重要，因为气体是可压缩的，气体体积会随着温度和压力条件而变化，而质量则不会。因此，质量流量计允许在各种工艺条件下测量和比较流量。质量流量显示为标准化体积流量（例如标准升每分钟）或以每次重量表示的“真实”质量流量（例如克/分钟）。
功能对比
下表比较了转子流量计、层流 DP 质量流量计和热式流量计的主要功能（技术和其他方面）。
| 转子流量计 | MEMS热流量计 | 层流DP流量计 | |
|---|---|---|---|
| 工作范围 | 平均 50：1 | 高达 1,000：1 | 高达 10,000：1 |
| 通信和数据记录 | 手册（读取和记录） | 模拟、串行通信和/或 Modbus RTU | 数字显示、模拟 I/O、串行通信和/或工业协议 |
| 可变输出 | 体积流量 | 质量流量和温度 | 质量流量、体积流量、压力和温度 |
| 定制 | 有限的定制 | 提供歧管 | 所有装置均根据应用需求定制设计 |
| 集成 | 安装简单 | 易于与系统、设备和数据系统集成 | 易于与系统、设备和数据系统集成 |
| 灵活性 | 不被液体损坏的燃气表 无电源要求 常用零件 | 占地面积小 在 Alicat 完成的校准/维修 | 燃气表可以处理过程后挡板 需要电源 在 Alicat 完成的校准/维修 |
| 成本 | $ | $$ | $$$ |
生物工艺应用的设备推荐
转子流量计简单且成本低，而 Alicats 可能有利于针对过程分析技术 （PAT） 或制药 4.0 优化的生物工艺环境。下表包含基于您的工艺开发优先级的生物工艺流量计的设备建议。
| 优先权 | 推荐设备 | 原因 |
|---|---|---|
| 精度 | 艾利卡流量计 | 在较宽的工作范围内具有严格的公差，具有数字记录和通信功能，可实现精确的过程控制。 |
| 集成与自动化 | 艾利卡流量计 | 模拟和串行通信协议，包括工业协议（EtherNet/IP、DeviceNet、Modbus、PROFIBUS、PROFINET 等）。 |
| 可扩展性 | 艾利卡流量计 | 更高的工作范围允许单个设备监测更广泛的流量。 |
| 易于使用 | 转子流量计 | 安装简单、可重复性和准确性，现成的零件可用于任何维修或保养。 |
| 定价 | 转子流量计 | 提供成本较低的设备。 |
| FDA 合规性 | 视情况而定 | 转子流量计因其简单性而具有优势：它们是不存储或传输数据的机械设备，并且不与其他数据系统集成。 Alicat 设备可以更好地满足 PAT 指令，但复杂性的增加会带来监管监督的加强。 |