發酵過程的在線黏度測量實例分析

丁曉炯

（笙威工程技術服務（上海）有限公司，上海 201399）

1 發酵過程及黏度

發酵是指人們借助微生物在有氧或無氧條件下的生命活動，來制備微生物菌體本身或者直接代謝產物或次級代謝產物的過程。發酵是人類較早接觸的一種生物化學反應，如今在食品工業、生物和化學工業中均有廣泛應用。現代發酵工程除了傳統的發酵特征之外更有其優越性，反應設備也不只是常規的發酵罐，而是各種各樣的生物反應器，自動化連續化程度高，使發酵水平在原有基礎上有所提高和和創新。

在發酵期間，每隔一定時間應取樣進行生化分析、鏡檢和無菌試驗。分析或控制的參數有菌絲形態和濃度、殘糖量、氨基氮、抗生素含量、溶解氧、pH、通氣量、攪拌轉速和液面控制等。對其中一些主要發酵參數可以用DCS或PLC進行反饋控制。隨著工藝控制要求的不斷提高，其中有些項目可以通過在線測量和控制。

黏度是表征物流（尤其是流體）內部阻力大小的指標，而物料內部的阻力，往往與液體內物質的含量、分子量或結構有關，由于測量方法簡單，黏度測量是目前開始使用的實驗室和在線測量項目，在合成、濃縮等過程中被廣泛使用[1-3]。黏度作為發酵液的一個重要物理參數，長期以來未被給予足夠的重視，也有人經過長期考察和統計分析，總結出黏度的變化規律，并運用到生產中，通過黏度的異常變化分析出部分低單位罐產生原因，有的放矢采取針對措施，取得了較好效果，特別是針對一臺長期低單位罐，通過采取措施控制黏度，實施前后、發酵單位提高了12%以上[4]。

2 實驗室黏度和在線黏度測量

2.1 實驗室黏度測量

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

目前，不少生產現場是用移液管倒置吸取50mL（或其他定量）發酵液，利用秒表讀取發酵液全部放出所需時間數（以秒計）。本論文中人工測量的黏度不是標準計量單位的黏度，而是根據生產現場實際，采取簡單方便的測量方法，該結果實際上是一個相對值[4]。下面的實驗中，現場就是采取這種測量方法。

2.2 在線黏度測量

2.2.1 壓差式

壓差式在線黏度計是基于泊肅葉定律（Poiseuille定律），儀器的主體是一段細管，細管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進入細管，有壓力監測器測量細管兩端的壓力差，根據泊肅葉公式計算流體的黏度。

2.2.2 旋轉式

在線旋轉黏度計的測量原理與實驗室黏度計相同，根據轉子和傳感器的連接方式，可分為外旋式和內旋式兩種，主要是利用轉子在流體中以恒定轉速旋轉，直接測量流體的黏性力大小，計算出黏度。

2.2.3 振動式

振動式的在線黏度測量起步相對較晚，但發展較快。振動法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動，當它剪切流體時，流體的黏度對傳感頭振動振幅有影響，測量維持恒定振幅所輸入的功率及其變化，計算得到黏度。

2.2.4 注（活）塞式

這類在線黏度計是利用一個在流體中水平或垂直運動的活塞，測量活塞在固定位置內的運動時間來計算出流體的黏度

各類在線黏度計的測量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據測量流體的流變學特性和現場工藝條件進行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[5-6]。

3 發酵過程在線黏度測量解決方案

目前，在針對生化反應的在線黏度測量解決方案中，以振動法相對較多，但是由于測量方法的不同，測量結果和實驗室測量結果也不相同，同時，由于振動法儀器有不同的技術代次，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，而應該先從物料的流變學特性來考慮選擇[7]。

3.1 測量方法的選擇

壓差式的在線黏度計，由于測量原理的要求，需要對流經測量管段的流量保證恒定才能得到準確的測量結果，而且這種儀器一般都是管道安裝，不能直接安裝在發酵釜上，因此，這種測量方法不太適合發酵生產的要求。

旋轉法儀器結構復雜、靈敏度也不滿足發酵要求、維護量很大，需要定期校準，一般工人不容易掌握，不適合工廠需要。

振動法儀器安裝簡單，不需要維護保養，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，并不是所有的震動式在線黏度計都能滿足在線測量的要求的，生化反應液的黏度一般都不高，因此對儀器的靈敏度要求都會相應提高，建議采用分辨率達到0.01cP的在線黏度計[5]，這次就是選用SRV系列在線黏度計。

3.2 在線測量結果和實驗室測量結果的對比

黏度的測量方法很多，實驗室和在線黏度測量的方法和儀器也很多，這樣在進行數據對比時一定要注意測量條件的一致性，這個一致性包括了測量方法和測量條件，測量條件又包括了測量溫度、壓力、流速、儀器的測量條件（剪切率）等，只有這些條件完全一致，測得的結果才會一致。

但實際應用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會考慮是否可以找到一個相互換算或轉換的方法。這種思路是正確的，但在實施過程中，由于這種關系的摸索需要一定數據的積累，而且不同的物料關系也不同，因此需要對數據進行分析和轉換。

4 實例分析

國內一家知名生產廠家使用SRV在線黏度計，直接安裝發酵釜上，將實時在線溫度和黏度輸入DCS，同時定時進行人工采樣并在實驗室內分析，摘取了部分數據進行數據分析以說明在線黏度測量中的數據處理方法。人工采樣測試的方法見前敘述。

在表1中，是記錄一個完整發酵過程的黏度變化曲線，每過一小時進行人工采樣測量，同時記錄在線黏度值，進行數據對比，記錄了9～207小時的過程，由于發酵溫度是受控制的，溫度對黏度測量的影響不再進行討論[7]。

從表1中和圖1，可以看到：（1）兩種方法的測試結果整體都呈現上升趨勢，在線黏度的區間在0～14cP，人工測量黏度的區間在0～42 s；（2）在線黏度的趨勢比較平穩，在測試初期和末期的上升趨勢會相對較快，尤其是末期會很快，這是值得注意和關注的；（3）人工測量的黏度趨勢在不同階段會有不同，這種現象值得從測試方法和測試過程進行綜合分析。

下面就這兩種方法的測量結果進行數據處理和分析。

圖1 生產過程的時間、黏度、在線黏度過程曲線

4 數據分析及處理

4.1 人工黏度和在線黏度測量結果的關系

從表1和圖2可以看到，人工測量和在線黏度計測量結果在大多數時間段上關系很好，接近線性。但在發酵初期和末期時，會出現一個秒數對應很多不同的在線黏度值的情況，如上所述，目前人工采樣測量的方法不是標準的黏度測量方法，類似于流出杯法。而流出杯法最大的特點是，每種杯有一個合適的測量范圍，或者說當秒數小于或大于一定的范圍后，測量的結果就不準確。詳見ASTM D4212《浸入式黏度杯的標準試驗方法》，根據目前的實際測試結果，發現當秒數小于5 s和大于40 s時，測試結果就不準確了，因此，保留5～40 s的數據進行下一步分析，而這個區間也是發酵過程的最主要過程。

表1 9～207小時發酵過程的黏度檢測結果

4.2 人工測量黏度和在線黏度轉換關系

保留5～40 s區間數據，對人工測量黏度和在線黏度數據做相關性分析，可以看到兩者是線性關系，相關系數的平方為0.9911，兩者之間的關系十分明確和良好。

4.3 在線黏度轉換后的情況

根據人工測量黏度、在線黏度關系曲線，將在線黏度值轉換成人工測量黏度值，轉換結果在表1中，然后再進行曲線對比，見圖4，為了比較方便，采用了雙坐標體系，并對坐標區間做了適當選擇，可以看到這3條曲線十分接近，因此，在DCS或PLC中采集在線黏度計的溫度和黏度信號，再經過設置符合實際的轉換公式，可以得到和原來人工測量有可比性的數據。

通過測試也可看出，人工采樣測量的方法有一定的局限性，在發酵初期和末期的測量有較大的誤差，而這兩個時期又是接種和終點控制的重要時期，在線黏度計恰恰可以彌補人工測量的不足，對這段時間的過程有了充分的了解，就可以提高工藝控制水平，找到和控制最佳工藝條件，借助在線黏度測量技術，提高產量和質量。

圖2 人工測量黏度和在線黏度關系曲線

圖3 人工測量黏度、在線黏度關系曲線

圖4 生產過程的時間、人工測量黏度、在線黏度、在線轉換黏度過程曲線

5 結論

隨著在線黏度測量技術的應用和發展，在實際使用中會產生一些問題，這些問題的由來主要是由于對流體的流變特性、實驗室黏度測量方法、在線黏度測量方法和在線黏度計的特點了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測量時，需要對被測流體的流變特性有一個基本了解，這樣可以選擇合適的在線黏度測量方法，選擇相應的在線黏度計；同時需要根據實際情況，考慮是否需要進行溫度補償[7]。

根據目前發酵的生產工藝條件和發酵液的流變特性，推薦使用SRV系列在線黏度計來對過程進行控制，其外形圖見5。

圖5 在線黏度計外形圖