發(fā)酵過(guò)程的在線黏度測(cè)量實(shí)例分析

丁曉炯

（笙威工程技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司，上海 201399）

1 發(fā)酵過(guò)程及黏度

發(fā)酵是指人們借助微生物在有氧或無(wú)氧條件下的生命活動(dòng)，來(lái)制備微生物菌體本身或者直接代謝產(chǎn)物或次級(jí)代謝產(chǎn)物的過(guò)程。發(fā)酵是人類較早接觸的一種生物化學(xué)反應(yīng)，如今在食品工業(yè)、生物和化學(xué)工業(yè)中均有廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代發(fā)酵工程除了傳統(tǒng)的發(fā)酵特征之外更有其優(yōu)越性，反應(yīng)設(shè)備也不只是常規(guī)的發(fā)酵罐，而是各種各樣的生物反應(yīng)器，自動(dòng)化連續(xù)化程度高，使發(fā)酵水平在原有基礎(chǔ)上有所提高和和創(chuàng)新。

在發(fā)酵期間，每隔一定時(shí)間應(yīng)取樣進(jìn)行生化分析、鏡檢和無(wú)菌試驗(yàn)。分析或控制的參數(shù)有菌絲形態(tài)和濃度、殘?zhí)橇?、氨基氮、抗生素含量、溶解氧、pH、通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速和液面控制等。對(duì)其中一些主要發(fā)酵參數(shù)可以用DCS或PLC進(jìn)行反饋控制。隨著工藝控制要求的不斷提高，其中有些項(xiàng)目可以通過(guò)在線測(cè)量和控制。

黏度是表征物流（尤其是流體）內(nèi)部阻力大小的指標(biāo)，而物料內(nèi)部的阻力，往往與液體內(nèi)物質(zhì)的含量、分子量或結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于測(cè)量方法簡(jiǎn)單，黏度測(cè)量是目前開始使用的實(shí)驗(yàn)室和在線測(cè)量項(xiàng)目，在合成、濃縮等過(guò)程中被廣泛使用[1-3]。黏度作為發(fā)酵液的一個(gè)重要物理參數(shù)，長(zhǎng)期以來(lái)未被給予足夠的重視，也有人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期考察和統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出黏度的變化規(guī)律，并運(yùn)用到生產(chǎn)中，通過(guò)黏度的異常變化分析出部分低單位罐產(chǎn)生原因，有的放矢采取針對(duì)措施，取得了較好效果，特別是針對(duì)一臺(tái)長(zhǎng)期低單位罐，通過(guò)采取措施控制黏度，實(shí)施前后、發(fā)酵單位提高了12%以上[4]。

2 實(shí)驗(yàn)室黏度和在線黏度測(cè)量

2.1 實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量

黏度測(cè)量有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運(yùn)動(dòng)法。流體法有毛細(xì)管法、毛細(xì)管壓差法、流出杯法（涂4杯等）、斜坡法等，運(yùn)動(dòng)法有落球法、落棒法、注塞法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法等。所有黏度測(cè)量的方法，都是相對(duì)測(cè)量，有一定的局限性和適用范圍[1-3]。

目前，不少生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)是用移液管倒置吸取50mL（或其他定量）發(fā)酵液，利用秒表讀取發(fā)酵液全部放出所需時(shí)間數(shù)（以秒計(jì)）。本論文中人工測(cè)量的黏度不是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位的黏度，而是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，采取簡(jiǎn)單方便的測(cè)量方法，該結(jié)果實(shí)際上是一個(gè)相對(duì)值[4]。下面的實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)場(chǎng)就是采取這種測(cè)量方法。

2.2 在線黏度測(cè)量

2.2.1 壓差式

壓差式在線黏度計(jì)是基于泊肅葉定律（Poiseuille定律），儀器的主體是一段細(xì)管，細(xì)管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進(jìn)入細(xì)管，有壓力監(jiān)測(cè)器測(cè)量細(xì)管兩端的壓力差，根據(jù)泊肅葉公式計(jì)算流體的黏度。

2.2.2 旋轉(zhuǎn)式

在線旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的測(cè)量原理與實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)相同，根據(jù)轉(zhuǎn)子和傳感器的連接方式，可分為外旋式和內(nèi)旋式兩種，主要是利用轉(zhuǎn)子在流體中以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直接測(cè)量流體的黏性力大小，計(jì)算出黏度。

2.2.3 振動(dòng)式

振動(dòng)式的在線黏度測(cè)量起步相對(duì)較晚，但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動(dòng)，當(dāng)它剪切流體時(shí)，流體的黏度對(duì)傳感頭振動(dòng)振幅有影響，測(cè)量維持恒定振幅所輸入的功率及其變化，計(jì)算得到黏度。

2.2.4 注（活）塞式

這類在線黏度計(jì)是利用一個(gè)在流體中水平或垂直運(yùn)動(dòng)的活塞，測(cè)量活塞在固定位置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來(lái)計(jì)算出流體的黏度

各類在線黏度計(jì)的測(cè)量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據(jù)測(cè)量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場(chǎng)工藝條件進(jìn)行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[5-6]。

3 發(fā)酵過(guò)程在線黏度測(cè)量解決方案

目前，在針對(duì)生化反應(yīng)的在線黏度測(cè)量解決方案中，以振動(dòng)法相對(duì)較多，但是由于測(cè)量方法的不同，測(cè)量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果也不相同，同時(shí)，由于振動(dòng)法儀器有不同的技術(shù)代次，選用哪種代次的儀器，不能只看工藝條件中的溫度、壓力、黏度范圍、安裝要求等，而應(yīng)該先從物料的流變學(xué)特性來(lái)考慮選擇[7]。

3.1 測(cè)量方法的選擇

壓差式的在線黏度計(jì)，由于測(cè)量原理的要求，需要對(duì)流經(jīng)測(cè)量管段的流量保證恒定才能得到準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，而且這種儀器一般都是管道安裝，不能直接安裝在發(fā)酵釜上，因此，這種測(cè)量方法不太適合發(fā)酵生產(chǎn)的要求。

旋轉(zhuǎn)法儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈敏度也不滿足發(fā)酵要求、維護(hù)量很大，需要定期校準(zhǔn)，一般工人不容易掌握，不適合工廠需要。

振動(dòng)法儀器安裝簡(jiǎn)單，不需要維護(hù)保養(yǎng)，因此使用面比較廣，但在選型前需要注意儀器的靈敏度和抗干擾性，并不是所有的震動(dòng)式在線黏度計(jì)都能滿足在線測(cè)量的要求的，生化反應(yīng)液的黏度一般都不高，因此對(duì)儀器的靈敏度要求都會(huì)相應(yīng)提高，建議采用分辨率達(dá)到0.01cP的在線黏度計(jì)[5]，這次就是選用SRV系列在線黏度計(jì)。

3.2 在線測(cè)量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

黏度的測(cè)量方法很多，實(shí)驗(yàn)室和在線黏度測(cè)量的方法和儀器也很多，這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)一定要注意測(cè)量條件的一致性，這個(gè)一致性包括了測(cè)量方法和測(cè)量條件，測(cè)量條件又包括了測(cè)量溫度、壓力、流速、儀器的測(cè)量條件（剪切率）等，只有這些條件完全一致，測(cè)得的結(jié)果才會(huì)一致。

但實(shí)際應(yīng)用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會(huì)考慮是否可以找到一個(gè)相互換算或轉(zhuǎn)換的方法。這種思路是正確的，但在實(shí)施過(guò)程中，由于這種關(guān)系的摸索需要一定數(shù)據(jù)的積累，而且不同的物料關(guān)系也不同，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和轉(zhuǎn)換。

4 實(shí)例分析

國(guó)內(nèi)一家知名生產(chǎn)廠家使用SRV在線黏度計(jì)，直接安裝發(fā)酵釜上，將實(shí)時(shí)在線溫度和黏度輸入DCS，同時(shí)定時(shí)進(jìn)行人工采樣并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析，摘取了部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以說(shuō)明在線黏度測(cè)量中的數(shù)據(jù)處理方法。人工采樣測(cè)試的方法見前敘述。

在表1中，是記錄一個(gè)完整發(fā)酵過(guò)程的黏度變化曲線，每過(guò)一小時(shí)進(jìn)行人工采樣測(cè)量，同時(shí)記錄在線黏度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，記錄了9～207小時(shí)的過(guò)程，由于發(fā)酵溫度是受控制的，溫度對(duì)黏度測(cè)量的影響不再進(jìn)行討論[7]。

從表1中和圖1，可以看到：（1）兩種方法的測(cè)試結(jié)果整體都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在線黏度的區(qū)間在0～14cP，人工測(cè)量黏度的區(qū)間在0～42 s；（2）在線黏度的趨勢(shì)比較平穩(wěn)，在測(cè)試初期和末期的上升趨勢(shì)會(huì)相對(duì)較快，尤其是末期會(huì)很快，這是值得注意和關(guān)注的；（3）人工測(cè)量的黏度趨勢(shì)在不同階段會(huì)有不同，這種現(xiàn)象值得從測(cè)試方法和測(cè)試過(guò)程進(jìn)行綜合分析。

下面就這兩種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

圖1 生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)間、黏度、在線黏度過(guò)程曲線

4 數(shù)據(jù)分析及處理

4.1 人工黏度和在線黏度測(cè)量結(jié)果的關(guān)系

從表1和圖2可以看到，人工測(cè)量和在線黏度計(jì)測(cè)量結(jié)果在大多數(shù)時(shí)間段上關(guān)系很好，接近線性。但在發(fā)酵初期和末期時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)秒數(shù)對(duì)應(yīng)很多不同的在線黏度值的情況，如上所述，目前人工采樣測(cè)量的方法不是標(biāo)準(zhǔn)的黏度測(cè)量方法，類似于流出杯法。而流出杯法最大的特點(diǎn)是，每種杯有一個(gè)合適的測(cè)量范圍，或者說(shuō)當(dāng)秒數(shù)小于或大于一定的范圍后，測(cè)量的結(jié)果就不準(zhǔn)確。詳見ASTM D4212《浸入式黏度杯的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，根據(jù)目前的實(shí)際測(cè)試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)秒數(shù)小于5 s和大于40 s時(shí)，測(cè)試結(jié)果就不準(zhǔn)確了，因此，保留5～40 s的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析，而這個(gè)區(qū)間也是發(fā)酵過(guò)程的最主要過(guò)程。

表1 9～207小時(shí)發(fā)酵過(guò)程的黏度檢測(cè)結(jié)果

4.2 人工測(cè)量黏度和在線黏度轉(zhuǎn)換關(guān)系

保留5～40 s區(qū)間數(shù)據(jù)，對(duì)人工測(cè)量黏度和在線黏度數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，可以看到兩者是線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方為0.9911，兩者之間的關(guān)系十分明確和良好。

4.3 在線黏度轉(zhuǎn)換后的情況

根據(jù)人工測(cè)量黏度、在線黏度關(guān)系曲線，將在線黏度值轉(zhuǎn)換成人工測(cè)量黏度值，轉(zhuǎn)換結(jié)果在表1中，然后再進(jìn)行曲線對(duì)比，見圖4，為了比較方便，采用了雙坐標(biāo)體系，并對(duì)坐標(biāo)區(qū)間做了適當(dāng)選擇，可以看到這3條曲線十分接近，因此，在DCS或PLC中采集在線黏度計(jì)的溫度和黏度信號(hào)，再經(jīng)過(guò)設(shè)置符合實(shí)際的轉(zhuǎn)換公式，可以得到和原來(lái)人工測(cè)量有可比性的數(shù)據(jù)。

通過(guò)測(cè)試也可看出，人工采樣測(cè)量的方法有一定的局限性，在發(fā)酵初期和末期的測(cè)量有較大的誤差，而這兩個(gè)時(shí)期又是接種和終點(diǎn)控制的重要時(shí)期，在線黏度計(jì)恰恰可以彌補(bǔ)人工測(cè)量的不足，對(duì)這段時(shí)間的過(guò)程有了充分的了解，就可以提高工藝控制水平，找到和控制最佳工藝條件，借助在線黏度測(cè)量技術(shù)，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

圖2 人工測(cè)量黏度和在線黏度關(guān)系曲線

圖3 人工測(cè)量黏度、在線黏度關(guān)系曲線

圖4 生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)間、人工測(cè)量黏度、在線黏度、在線轉(zhuǎn)換黏度過(guò)程曲線

5 結(jié)論

隨著在線黏度測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在實(shí)際使用中會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，這些問(wèn)題的由來(lái)主要是由于對(duì)流體的流變特性、實(shí)驗(yàn)室黏度測(cè)量方法、在線黏度測(cè)量方法和在線黏度計(jì)的特點(diǎn)了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測(cè)量時(shí)，需要對(duì)被測(cè)流體的流變特性有一個(gè)基本了解，這樣可以選擇合適的在線黏度測(cè)量方法，選擇相應(yīng)的在線黏度計(jì)；同時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況，考慮是否需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償[7]。

根據(jù)目前發(fā)酵的生產(chǎn)工藝條件和發(fā)酵液的流變特性，推薦使用SRV系列在線黏度計(jì)來(lái)對(duì)過(guò)程進(jìn)行控制，其外形圖見5。

圖5 在線黏度計(jì)外形圖