生化反應過程中在線粘度計選型時的精度要求研究

丁曉炯

（笙威工程技術服務（上海）有限公司，上海201399）

生化反應過程中在線粘度計選型時的精度要求研究

丁曉炯

（笙威工程技術服務（上海）有限公司，上海201399）

在線粘度測量在生化、涂料、膠粘劑、化妝品、食品、石油、化工、電子和造紙等很多行業中應用越來越廣泛，在線粘度的測量方法很多，同一測量原理的品牌也有一些，而測量對象、流體的流變特性、應用面各不相同。本文從流變學和儀器的精度角度出發，利用常見的流變學模型進行數值分析，提出振動式在線粘度計選型時精度指標的意義和選型思路。

在線粘度計；流變學；精度

1 在線粘度計基本應用

在線粘度計的應用已有幾十年的歷史，許多工業生產過程中都需要進行粘度的連續自動測量與控制。例如，在石油煉制的減壓蒸餾，柴油/潤滑油/燃料油等的在線自動調和，石油脫蠟脫瀝青等過程中；在用重油作燃料的交通、電力、玻璃等工業中；在各種聚合工程中，通過粘度在線監測可用于控制反應終點；在化纖抽絲前的熔體粘度在線監測可以保證纖維的粗細適當、均勻，減少廢品率及能耗；造紙和紡織工業中的粘度在線測量可以改進淀粉的轉換過程，提高上膠操作和自動涂料過程的質量和效率；食品、化妝品等行業利用在線粘度測量控制產品的中間過程或者最終產品的粘度，達到控制不同批次產品的品質一致性；在油墨生產、印刷、油漆噴涂、洗滌劑與化妝品生產，膠囊生產以及澆涂、浸漬、滾涂等各類材料的涂布過程也都要進行在線粘度測量[1-3]。

生物化學工程是生物化學反應的工程應用，主要包括代謝工程、發酵工程和生物化學傳感器等，生物化學工程和生物醫學工程是最初的生物工程學概念，基因重組、發酵工程、細胞工程、生化工程等在21世紀整合而形成了系統生物工程。有些過程和傳統的化學工程類似，但又具有自己的特點，相對而言，對于測量精度的要求也要比常規的要求高。本文就生化工程中在線粘度的測量精度要求進行研究。

2 生化工程中在線粘度測量的特點

目前，生化工程中需要進行粘度測量的中間品和最終產品，大部分是非牛頓性剪切變稀的流體。但是，生化工程中的流體粘度又往往比常規化工流體要低一兩個數量級，有些液體甚至只有幾個厘泊，再加上測量時溫度的變化及流場的存在，使生化工程中的在線粘度測量要求比常規測量高，對在線粘度計也提出了更高的精度要求。

在針對生產過程的在線粘度測量解決方案中，以旋轉法和震動法相對較多，這兩種測量方法各有自己的適用場合，有些可以通用，有些不能通用。考慮哪種方法更適用，不能只看工藝條件中的溫度、壓力、粘度范圍、安裝要求等，而應結合產品的流變學特性來考慮選擇。

在目前的在線測量過程實際應用中，經常會發生在線測量結果不理想的情況，最常見的有：①在線測量數據沒有規律，和設想的趨勢不一致；②在線結果和試驗室測量數據無法直接對比；③流程工藝條件的波動或不一致，測量結果無法判斷。

以上這些問題產生的原因，主要在于流體的流變特性、測量方法的原理以及后續數據處理方法等。針對后續的數據處理[4，5]，在線粘度測量中的選型、溫度補償的問題，在一些文章中已有論述[6-8]，本文就在線粘度計選型時的精度要求展開研究。

3 在線粘度計的精度要求數值計算

3.1 流體類型

流體分為牛頓流體和非牛頓流體，牛頓流體是指流體的粘度不隨測量時的剪切率條件變化而變化，也即是，如果是用同樣的測量方法和儀器，在不同的轉速下測量，粘度是不變的；而非牛頓流體是指流體的粘度隨著測量時剪切率條件變化而變化。

目前，實際測量的流體大部分都是非牛頓流體，而非牛頓流體又可按照流變特性（按剪切率的變化）的不同分為剪切變稀和剪切變稠。分別見圖1、2、3，實際測量中以剪切變稀的物料最多。

圖1 牛頓流體

圖2 非牛頓流體剪切變稀

圖3 非牛頓流體剪切變稠

3.2 常見的流體模式及本構方程

在流變學上，經過前人的研究和歸納，常用的流體流變模型有：Bingham賓漢模型，τ=τo+ηγ；Casson卡森（佳信）模型，√τ=√τo+√ηγ；Power Law冪律模型，τ=kγn；Herschel Bulkley赫-巴模型，τ=τo+kγn。其中，τ=Shear Stress剪切應力，Pa；γ=Shear Rate剪切率，S-1；η=Viscosity粘度，cP；τo=Yield Stress屈服應力，Pa；k=Consistency Index稠度系數；n=Flow Index流動指數。

現在以最常用的Power Law冪律模型：τ=kγn為基礎，用數值模擬的方法來進行在線粘度計測量精度要求的計算和研究。

3.3 冪律流體流變計算及測量精度

3.3.1 3種冪律流體的流變數值計算

先假設有3種同類流體，溫度是一致不變的，他們具有相同的流變行為，但是具有不同的初始粘度，這里流動指數為-0.5，初始粘度（稠度系數）分別為200、180、150cP，根據冪律方程η1=200γ-0.5、η2=180γ-0.5、η3=180γ-0.5，就可以得到不同剪切率下的粘度值，分別為粘度1、粘度2、粘度3，然后對同一剪切率下的流體1和流體2、流體1和流體3的粘度之差進行計算，得到粘度1-粘度2、粘度1-粘度3，限于篇幅，表1僅列出幾個剪切率作為計算的例子說明，3種不同初始粘度冪律流體的流變曲線見圖4。

表1 3種不同初始粘度的冪律流體粘度Vs剪切率計算

由表1和圖4可以看出，3種物料是剪切變稀，隨著剪切率的提高，粘度逐漸下降。在本次計算中，剪切率的最高值為1 500S-1，這是因為目前在線粘度計中，產品以振動法和旋轉法居多，旋轉法的剪切率一般是可以計算的，剪切率和轉速成正比例關系，常見的一般都在幾百以下；而振動法的剪切率不能精確計算，而且不同品牌之間由于儀器內部結構不同，剪切率也相差很大，經過一些樣品的測量，估計剪切率在1 000～1 500S-1。

根據圖4曲線可以得知，如果針對這3種同類型的物料，如果在其他條件都完全一致的情況下，包括物料的溫度、測量時物料所處的流場情況（反應釜、容器、管道等），使用旋轉法和振動法將得到不同的測量值，旋轉法的結果往往會高于振動法，這種情況也是和實際測試結果相吻合的，其中的原因也可以從圖4中看到。

3.3.2 3種冪律流體的粘度差計算

為了便于分析，將表1中的數據做了節選，選取了幾個代表性的剪切率來計算粘度及粘度差，結果見表2。

圖4 3種不同初始粘度冪律流體的流變曲線

表2 3種不同初始粘度的冪律流體粘度Vs剪切率計算部分數據

根據表2結果，以粘度1-粘度2、粘度1-粘度3為橫縱軸，以剪切率為縱軸做出曲線，見圖5。由圖5可以看出，這條曲線類似于冪律流體的流變曲線，也就是說，隨著剪切率的增大，粘度差逐漸變小。

圖5 3種不同初始粘度冪律流體的粘度差曲線

3.3.3 3種冪律流體的粘度差局部計算

為了更好的說明，將圖5曲線上的部分放大，得到圖6，結合表2和圖6可以看到：1S-1時，粘度1-粘度2為20cP，粘度1-粘度3為50cP，這接近于物料靜止狀態下的粘度；10S-1時，粘度1-粘度2為6.32cP，粘度1-粘度3為15.81cP；100S-1時，粘度1-粘度2為2.00cP，粘度1-粘度3為5.00cP，以上接近于旋轉法的測量結果；1 000S-1時，粘度1-粘度2為0.63cP，粘度1-粘度3為1.58cP；1 500S-1時，粘度1-粘度2為0.52cP，粘度1-粘度3為1.29cP，以上接近于振動法的測量結果。

從以上計算可以看出，如果要相對比較明顯地區分這3個不同的物料，如果選用旋轉法，那么儀器的精度大概在1.0cP左右；如果是選用振動法，那么儀器的精度大概在0.1cP。也就是說，從流變模型的計算上看，為了相對準確地區分3種同類型的物料，由于物料的流變特性和儀器本身測量剪切率的不同，因此在儀器的正常工作狀態下，儀器本身的測量精度要求也會不同。

圖6 3種不同初始粘度冪律流體的粘度差局部放大曲線

4 結論

根據以上的流體流變數值計算，可以得出以下結果：①針對同樣的物料，如果選用不同測量原理的在線粘度計，測量結果往往是不同的；②由于物料的流變特性和測量剪切率的不同，旋轉法的測量結果高于振動法的測量結果；③由于物料的流變特性和測量剪切率的不同，對振動法儀器的測量精度要求要高于旋轉法至少一個數量級。

根據以上的計算和實際的應用經驗，如果在流程溫度條件下，所測物料的實驗室旋轉粘度測量結果在幾百厘泊的，選用旋轉法在線粘度計的精度要求在1.0cP，振動法在線粘度計的精度要求在0.1cP，目前市場上的旋轉在線粘度計還不能滿足這個精度要求。

針對一些中、低粘度物料的在線粘度測量，推薦SRV系列在線粘度計（見圖7），可以獲得最低0.01cP精度的粘度讀數，結合專門開發的VM顯示控制器，可以實現粘溫補償以及實驗室數據對比轉換的要求。

圖7 在線粘度計結構

總之，根據不同物料的流變特性和測量的要求，選取相應合適的在線粘度計[7]，在加以后續的粘度-溫度補償計算[8]和實驗室數據對比，就可以在生產現場直接進行測量并輸出、顯示需要的結果，這樣就可以實現物料的在線粘度測量，同時和實驗室數據進行直接對比。

[1]陳惠釗.粘度測量[M].北京:中國計量出版社,2003:142-166,227-247.

[2]丁曉炯.在線粘度測量中的流變學問題[A]//中國石油和化工自動化第九屆技術年會論文集,2010.

[3]丁曉炯.粘度測量和在線粘度計的應用[J].中國化工裝備,2005,7(Z1):276-279.

[4]丁曉炯.聚合物反應的在線粘度測量解決方案[A]//北京粘接學會第二十四屆學術年會暨粘接劑、密封劑技術發展研討會論文集,2015.

[5]丁曉炯.日化、家化生產的在線粘度測量解決方案[J].輕工科技,2015,32(12):47-49.

[6]丁曉炯.聚合物在線流變測量解決方案[J].精細與專用化學品,2015,23(12):19-22.

[7]丁曉炯.在線粘度計實際選型和使用中需要注意的問題[J].廣東化工,2016,43(17):125-127.

[8]丁曉炯.在線粘度測量過程中的粘溫補償方法應用[J].化學工程與裝備,2016,45(10):216-218.

表4 重組人凝血因子Ⅷ中間精密度確認

不同廠家的重組人凝血因子Ⅷ配方可能有細微的差異，那么針對各樣品的最佳稀釋倍數就將不一樣，而本方法能快速確定各樣品的最佳稀釋倍數，快速建立檢測方法。

3 結論

通過對本方法的考察，分別經過80、40、20倍稀釋后，重組人凝血因子Ⅷ原液、半成品、成品對該細菌內毒素檢測方法干擾最小，人員、儀器和日期三因素對本方法精密度無顯著性影響。因此，可用于重組人凝血因子Ⅷ原液、半成品、成品的檢測。

參考文獻

[1]我國僅有1/10的血友病患者接受過治療[J].求醫問藥,2008,24(2):56.

[2]范林,黃晶,周順波,等.價撥冷沉淀細菌內毒素檢測方法建立[J].醫學信息,2014,28(13):530-531.

Study on the Requirements of Online Viscometer’S Accuracy Selection in Biochemical Field

Ding Xiao-jiong
(SunWilen Engineering Technology Service Co., Ltd.，Shanghai 201399)

Online viscosity measurements is widely used in many fields, such as biochemical, painting, adhesive, petroleum, food, electronic and paper. There are many online viscosity measurement methods, and there are some brands of the same measuring principle, and the measuring object, the rheological property and the application of the fluid are different. From the rheological and instrument view, numerical analysis was carried out by using common rheological models, the significance of accuracy index and selection ideas of vibration type online viscometer were put forward.

Online viscometer; Rheology; Accuracy

TH836

A

2096-0387（2017）01-0030-06

丁曉炯（1967-），男，上海人，本科，工程師，研究方向：實驗室在線儀器的測量技術及應用。