发酵过程的在线黏度测量实例分析

丁晓炯

（笙威工程技术服务（上海）有限公司，上海 201399）

1 发酵过程及黏度

发酵是指人们借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动，来制备微生物菌体本身或者直接代谢产物或次级代谢产物的过程。发酵是人类较早接触的一种生物化学反应，如今在食品工业、生物和化学工业中均有广泛应用。现代发酵工程除了传统的发酵特征之外更有其优越性，反应设备也不只是常规的发酵罐，而是各种各样的生物反应器，自动化连续化程度高，使发酵水平在原有基础上有所提高和和创新。

在发酵期间，每隔一定时间应取样进行生化分析、镜检和无菌试验。分析或控制的参数有菌丝形态和浓度、残糖量、氨基氮、抗生素含量、溶解氧、pH、通气量、搅拌转速和液面控制等。对其中一些主要发酵参数可以用DCS或PLC进行反馈控制。随着工艺控制要求的不断提高，其中有些项目可以通过在线测量和控制。

黏度是表征物流（尤其是流体）内部阻力大小的指标，而物料内部的阻力，往往与液体内物质的含量、分子量或结构有关，由于测量方法简单，黏度测量是目前开始使用的实验室和在线测量项目，在合成、浓缩等过程中被广泛使用[1-3]。黏度作为发酵液的一个重要物理参数，长期以来未被给予足够的重视，也有人经过长期考察和统计分析，总结出黏度的变化规律，并运用到生产中，通过黏度的异常变化分析出部分低单位罐产生原因，有的放矢采取针对措施，取得了较好效果，特别是针对一台长期低单位罐，通过采取措施控制黏度，实施前后、发酵单位提高了12%以上[4]。

2 实验室黏度和在线黏度测量

2.1 实验室黏度测量

黏度测量有很多不同的方法，按大类可分成流体法和运动法。流体法有毛细管法、毛细管压差法、流出杯法（涂4杯等）、斜坡法等，运动法有落球法、落棒法、注塞法、旋转法、振动法等。所有黏度测量的方法，都是相对测量，有一定的局限性和适用范围[1-3]。

目前，不少生产现场是用移液管倒置吸取50mL（或其他定量）发酵液，利用秒表读取发酵液全部放出所需时间数（以秒计）。本论文中人工测量的黏度不是标准计量单位的黏度，而是根据生产现场实际，采取简单方便的测量方法，该结果实际上是一个相对值[4]。下面的实验中，现场就是采取这种测量方法。

2.2 在线黏度测量

2.2.1 压差式

压差式在线黏度计是基于泊肃叶定律（Poiseuille定律），仪器的主体是一段细管，细管与定量泵连接，由定量泵控制流体以恒定的流量进入细管，有压力监测器测量细管两端的压力差，根据泊肃叶公式计算流体的黏度。

2.2.2 旋转式

在线旋转黏度计的测量原理与实验室黏度计相同，根据转子和传感器的连接方式，可分为外旋式和内旋式两种，主要是利用转子在流体中以恒定转速旋转，直接测量流体的黏性力大小，计算出黏度。

2.2.3 振动式

振动式的在线黏度测量起步相对较晚，但发展较快。振动法的传感头为一圆柱体，以恒定的振幅振动，当它剪切流体时，流体的黏度对传感头振动振幅有影响，测量维持恒定振幅所输入的功率及其变化，计算得到黏度。

2.2.4 注（活）塞式

这类在线黏度计是利用一个在流体中水平或垂直运动的活塞，测量活塞在固定位置内的运动时间来计算出流体的黏度

各类在线黏度计的测量原理不同，适用的流体和工艺条件也各不相同，需要根据测量流体的流变学特性和现场工艺条件进行选择，不能随意确定，以免造成不必要的损失[5-6]。

3 发酵过程在线黏度测量解决方案

目前，在针对生化反应的在线黏度测量解决方案中，以振动法相对较多，但是由于测量方法的不同，测量结果和实验室测量结果也不相同，同时，由于振动法仪器有不同的技术代次，选用哪种代次的仪器，不能只看工艺条件中的温度、压力、黏度范围、安装要求等，而应该先从物料的流变学特性来考虑选择[7]。

3.1 测量方法的选择

压差式的在线黏度计，由于测量原理的要求，需要对流经测量管段的流量保证恒定才能得到准确的测量结果，而且这种仪器一般都是管道安装，不能直接安装在发酵釜上，因此，这种测量方法不太适合发酵生产的要求。

旋转法仪器结构复杂、灵敏度也不满足发酵要求、维护量很大，需要定期校准，一般工人不容易掌握，不适合工厂需要。

振动法仪器安装简单，不需要维护保养，因此使用面比较广，但在选型前需要注意仪器的灵敏度和抗干扰性，并不是所有的震动式在线黏度计都能满足在线测量的要求的，生化反应液的黏度一般都不高，因此对仪器的灵敏度要求都会相应提高，建议采用分辨率达到0.01cP的在线黏度计[5]，这次就是选用SRV系列在线黏度计。

3.2 在线测量结果和实验室测量结果的对比

黏度的测量方法很多，实验室和在线黏度测量的方法和仪器也很多，这样在进行数据对比时一定要注意测量条件的一致性，这个一致性包括了测量方法和测量条件，测量条件又包括了测量温度、压力、流速、仪器的测量条件（剪切率）等，只有这些条件完全一致，测得的结果才会一致。

但实际应用中这些条件很难一致，在这种情况下，很多人会考虑是否可以找到一个相互换算或转换的方法。这种思路是正确的，但在实施过程中，由于这种关系的摸索需要一定数据的积累，而且不同的物料关系也不同，因此需要对数据进行分析和转换。

4 实例分析

国内一家知名生产厂家使用SRV在线黏度计，直接安装发酵釜上，将实时在线温度和黏度输入DCS，同时定时进行人工采样并在实验室内分析，摘取了部分数据进行数据分析以说明在线黏度测量中的数据处理方法。人工采样测试的方法见前叙述。

在表1中，是记录一个完整发酵过程的黏度变化曲线，每过一小时进行人工采样测量，同时记录在线黏度值，进行数据对比，记录了9～207小时的过程，由于发酵温度是受控制的，温度对黏度测量的影响不再进行讨论[7]。

从表1中和图1，可以看到：（1）两种方法的测试结果整体都呈现上升趋势，在线黏度的区间在0～14cP，人工测量黏度的区间在0～42 s；（2）在线黏度的趋势比较平稳，在测试初期和末期的上升趋势会相对较快，尤其是末期会很快，这是值得注意和关注的；（3）人工测量的黏度趋势在不同阶段会有不同，这种现象值得从测试方法和测试过程进行综合分析。

下面就这两种方法的测量结果进行数据处理和分析。

图1 生产过程的时间、黏度、在线黏度过程曲线

4 数据分析及处理

4.1 人工黏度和在线黏度测量结果的关系

从表1和图2可以看到，人工测量和在线黏度计测量结果在大多数时间段上关系很好，接近线性。但在发酵初期和末期时，会出现一个秒数对应很多不同的在线黏度值的情况，如上所述，目前人工采样测量的方法不是标准的黏度测量方法，类似于流出杯法。而流出杯法最大的特点是，每种杯有一个合适的测量范围，或者说当秒数小于或大于一定的范围后，测量的结果就不准确。详见ASTM D4212《浸入式黏度杯的标准试验方法》，根据目前的实际测试结果，发现当秒数小于5 s和大于40 s时，测试结果就不准确了，因此，保留5～40 s的数据进行下一步分析，而这个区间也是发酵过程的最主要过程。

表1 9～207小时发酵过程的黏度检测结果

4.2 人工测量黏度和在线黏度转换关系

保留5～40 s区间数据，对人工测量黏度和在线黏度数据做相关性分析，可以看到两者是线性关系，相关系数的平方为0.9911，两者之间的关系十分明确和良好。

4.3 在线黏度转换后的情况

根据人工测量黏度、在线黏度关系曲线，将在线黏度值转换成人工测量黏度值，转换结果在表1中，然后再进行曲线对比，见图4，为了比较方便，采用了双坐标体系，并对坐标区间做了适当选择，可以看到这3条曲线十分接近，因此，在DCS或PLC中采集在线黏度计的温度和黏度信号，再经过设置符合实际的转换公式，可以得到和原来人工测量有可比性的数据。

通过测试也可看出，人工采样测量的方法有一定的局限性，在发酵初期和末期的测量有较大的误差，而这两个时期又是接种和终点控制的重要时期，在线黏度计恰恰可以弥补人工测量的不足，对这段时间的过程有了充分的了解，就可以提高工艺控制水平，找到和控制最佳工艺条件，借助在线黏度测量技术，提高产量和质量。

图2 人工测量黏度和在线黏度关系曲线

图3 人工测量黏度、在线黏度关系曲线

图4 生产过程的时间、人工测量黏度、在线黏度、在线转换黏度过程曲线

5 结论

随着在线黏度测量技术的应用和发展，在实际使用中会产生一些问题，这些问题的由来主要是由于对流体的流变特性、实验室黏度测量方法、在线黏度测量方法和在线黏度计的特点了解不够而造成的。在考虑在线黏度测量时，需要对被测流体的流变特性有一个基本了解，这样可以选择合适的在线黏度测量方法，选择相应的在线黏度计；同时需要根据实际情况，考虑是否需要进行温度补偿[7]。

根据目前发酵的生产工艺条件和发酵液的流变特性，推荐使用SRV系列在线黏度计来对过程进行控制，其外形图见5。

图5 在线黏度计外形图