Die globale Biotechnologie- und Bioprozessindustrie befindet sich in einem grundlegenden Wandel von traditionellen, chargenbasierten Verfahren hin zu kontinuierlicher, automatisierter Fertigung. Echtzeitmessungen überwachen kritische Prozessparameter und unterstützen die Prozessoptimierung in Echtzeit. Konventionelle Viskositätsmessungen in der Prozesssteuerung basieren auf periodischer manueller Probenahme und Offline-Laboranalysen. Dies führt zu erheblichen Ineffizienzen und Risiken und verursacht verzögerte Prozessanpassungen, Produktionsüberschreitungen und die Entstehung von Produkten, die nicht den Spezifikationen entsprechen.
Die Rheologie des enzymatischen Substratabbaus
Die Enzym-Substrat-Beziehung
Die enzymatische Hydrolyse ist ein katalytischer Prozess, bei dem ein Enzym die Spaltung eines komplexen Substratmoleküls in kleinere Bestandteile katalysiert. Im konkreten Fall der Cellulase, die auf ein hochmolekulares Polysaccharid wie Carboxymethylcellulose (CMC) wirkt, besteht die Hauptfunktion des Enzyms in der Hydrolyse der glykosidischen Bindungen innerhalb der langen Polymerketten. Dadurch wird die CMC systematisch abgebaut, wodurch ihre Kettenlänge und ihr durchschnittliches Molekulargewicht reduziert werden. Die Produkte dieser Reaktion, vorwiegend reduzierende Zucker mit kürzeren Ketten, reichern sich im Verlauf des Prozesses in der Lösung an. Die Geschwindigkeit dieses Abbaus ist direkt mit der Aktivität des Enzyms unter spezifischen Temperatur- und pH-Bedingungen verknüpft.
Die Verbindung zur Kramers-Theorie
Die Beziehung zwischen Enzymaktivität und den physikalischen Eigenschaften des Reaktionsmediums ist von entscheidender Bedeutung. Die Kramers-Theorie, ein Grundprinzip der chemischen Kinetik, besagt, dass Prozesse, die Konformationsänderungen von Proteinen beinhalten, wie beispielsweise die Enzymkatalyse, von der Viskosität des umgebenden Lösungsmittels beeinflusst werden. Mit zunehmender Lösungsmittelviskosität steigen auch die Reibungskräfte, die auf die Strukturdomänen des Enzyms wirken. Diese erhöhte Reibung hemmt die notwendigen Konformationsänderungen, verlangsamt so den katalytischen Zyklus und reduziert die maximale Reaktionsgeschwindigkeit (Vmax).
Umgekehrt verringert eine Abnahme der makroskopischen Viskosität der Lösung diese Reibungskräfte, was gemäß der Kramers-Theorie die katalytische Funktion des Enzyms begünstigen würde. Im Kontext des Abbaus hochmolekularer Substrate führt die Enzymaktivität direkt zu einer Verringerung der Viskosität der Lösung. Dadurch entsteht ein Rückkopplungsmechanismus, bei dem die Veränderung der rheologischen Eigenschaften des Mediums als direkter Indikator für den Erfolg des Enzyms dient.
Ein tiefer Einblick in die nicht-Newtonsche Rheologie
Unterscheidung von newtonschen und nicht-newtonschen Fluiden
Das rheologische Verhalten einer Flüssigkeit wird durch ihre Viskosität und deren Reaktion auf angelegte Scherspannung definiert. Bei einer Newtonschen Flüssigkeit besteht ein linearer und direkt proportionaler Zusammenhang zwischen Scherspannung (τ) und Schergeschwindigkeit (γ˙), wobei die Viskosität (μ) die Proportionalitätskonstante darstellt. Dies lässt sich durch das Newtonsche Viskositätsgesetz ausdrücken:
τ=μγ˙
Im Gegensatz dazu weisen nicht-Newtonsche Flüssigkeiten ein komplexeres Verhalten auf, bei dem die Viskosität nicht konstant ist, sondern mit der Scherrate variiert. Dieses Verhalten ist charakteristisch für viele komplexe Industrieflüssigkeiten, darunter Polymerlösungen wie CMC.
Das nicht-Newtonsche Verhalten von HMW-Polymerlösungen
Der Abbau von hochmolekularen Polymeren ist ein intrinsisch nicht-Newtonscher Prozess. Polymerlösungen wie CMC zeigen typischerweise ein strukturviskoses Verhalten, bei dem die scheinbare Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit abnimmt. Dieses Phänomen wird auf die Entwirrung und Ausrichtung der langen Polymerknäuel in Strömungsrichtung zurückgeführt, wodurch die innere Reibung der Flüssigkeit reduziert wird. Bei höheren Konzentrationen (z. B. über 1 %) können einige CMC-Lösungen sogar anfänglich ein strukturviskoses Verhalten zeigen, bei dem die Viskosität aufgrund der strömungsinduzierten Bildung makromolekularer Aggregate mit der Schergeschwindigkeit zunimmt, gefolgt von einem strukturviskosen Verhalten bei höheren Schergeschwindigkeiten.
Die enzymatische Wirkung der Cellulase auf CMC verändert dessen rheologisches Profil grundlegend. Durch die Spaltung der langen Polymerketten durch das Enzym sinkt das mittlere Molekulargewicht des Substrats. Diese Verkürzung der Kettenlänge verringert direkt den Grad der Verschlaufung und der intermolekularen Wechselwirkungen. Folglich wird die Lösung weniger viskos, und ihre nicht-Newtonschen Eigenschaften, insbesondere die Scherverdünnung, nehmen ab. Eine deutliche Veränderung der Rheologie der Flüssigkeit – insbesondere eine signifikante Abnahme der Viskosität bei einer gegebenen Scherrate – dient als eindeutiges Indiz für den fortschreitenden enzymatischen Abbau.
Die quantitative Viskositäts-Aktivitäts-Beziehung
Der Zusammenhang zwischen der Abnahme der Viskosität einer Lösung und der Reduktion des mittleren Molekulargewichts der Substratmoleküle ist gut dokumentiert. Da Cellulase die Polymerketten spaltet, tragen die entstehenden Fragmente deutlich weniger zur Gesamtviskosität der Lösung bei. Diese Beziehung ermöglicht es, die Viskosität als aussagekräftigen Echtzeitindikator für den Fortschritt der enzymatischen Reaktion zu nutzen – eine wesentlich schnellere Alternative zu herkömmlichen Laboranalysen, die erhebliche Verzögerungen verursachen können.
Die kontinuierliche Messung mit einem Online-Viskosimeter dient als hochempfindliche Sonde für diese Strukturänderung. Der Viskositätsabfall bei einer gegebenen Scherrate liefert einen direkten, quantifizierbaren Hinweis auf den Grad der Substratumsetzung und damit auf die Enzymaktivität. Dies ist die wissenschaftliche Begründung für den Einsatz des Lonnmeter-ND-Viskosimeters als kontinuierliches, indirektes Messinstrument für den Verlauf einer enzymatischen Reaktion.
DerLonnmeter-ND Vibrationsviskosimeter
Funktionsprinzip: Die Vibrationsmethode
Das Online-Viskosimeter Lonnmeter-ND arbeitet nach dem Prinzip der Schwingungsmessung, einer robusten und zuverlässigen Technik für industrielle Anwendungen. Das Sensorelement des Geräts ist ein massiver Stab, der mit einer bestimmten Frequenz zu Schwingungen und Rotationen um seine Achse angeregt wird. Beim Eintauchen in eine Flüssigkeit wird diese Schwingung durch die Viskosität der Flüssigkeit, ein Maß für deren innere Reibung, gebremst. Dieser Widerstand führt zu einer Dämpfung bzw. einem Energieverlust des schwingenden Elements. Eine elektronische Schaltung erfasst diesen Energieverlust, und ein Mikroprozessor wandelt das Signal in einen Viskositätswert um. Die Kernmessung basiert auf dem Abklingen einer elektromagnetischen Schwingungsform, wobei das Signal proportional zum Produkt eines Gerätekoeffizienten und des Schwingungsdämpfungskoeffizienten (λδ) ist.
Dieses Verfahren unterscheidet sich von anderen Viskositätsmessverfahren wie Kapillar-, Rotations- oder Kugelfallverfahren. Im Gegensatz zu diesen Alternativen bietet das Vibrationsverfahren eine sehr schnelle Reaktionszeit und ist weitgehend unempfindlich gegenüber der Installationsumgebung. Zudem vereinfacht es das System, da keine beweglichen Teile, Dichtungen oder Lager benötigt werden.
Technische Spezifikationen und Leistungsmerkmale
Das Viskosimeter Lonnmeter-ND wurde für die hohen Anforderungen der industriellen Prozesssteuerung entwickelt. Es bietet einen breiten Viskositätsmessbereich von 1 bis 1.000.000 cP und kann durch Anpassung der Sensorform auch für sehr dickflüssige und viskose Medien verwendet werden. Die Basisgenauigkeit des Geräts beträgt ±2–5 % mit einer Wiederholgenauigkeit von ±1–2 % für Newtonsche Flüssigkeiten. Dennoch erfasst es Viskositätsänderungen auch in nicht-Newtonschen Flüssigkeiten zuverlässig.
Für Hochtemperatur- und Hochdruckanwendungen wird das Viskosimeter üblicherweise aus Edelstahl 316 gefertigt. Für spezielle Umgebungsbedingungen sind auch Ausführungen aus Spezialmaterialien wie Teflon oder Hastelloy erhältlich. Zur Integration in Bioreaktoren hat das Unternehmen eine Version mit verlängerter Einführsonde entwickelt, deren Länge von 500 mm bis 2000 mm reicht und die ein direktes Einführen von oben in die Reaktionsgefäße ermöglicht.
Designvorteile für anspruchsvolle Umgebungen
Das Design des Lonnmeter-ND ist optimal auf die industrielle Bioprozessierung abgestimmt. Seine schnelle Reaktionszeit und die Fähigkeit, unter hohen Temperaturen und Drücken zu arbeiten, sind entscheidend für die Echtzeitsteuerung. Der Verzicht auf bewegliche Teile reduziert nicht nur den Wartungsaufwand, sondern vereinfacht auch die Reinigung und Sterilisation (CIP/SIP-Kompatibilität), was für die Aufrechterhaltung aseptischer Bedingungen in Bioreaktoren unerlässlich ist. Dank des einzelnen freiliegenden Sensorelements und der kontinuierlichen Vibration ist der Sensor selbstreinigend und verhindert Produktablagerungen auf der Sensoroberfläche, die andernfalls zu ungenauen Messwerten führen würden.
Die geringe Empfindlichkeit des Vibrationsverfahrens gegenüber den Installationsbedingungen ermöglicht den direkten Einbau des Lonnmeter-ND in die Produktionslinie. Dadurch liefert es kontinuierliches Feedback, das die tatsächlichen Prozessbedingungen deutlich besser widerspiegelt als eine einzelne, offline durchgeführte Laborprobe. Die schnelle Reaktionszeit ermöglicht eine sofortige Rückmeldung, die entscheidend ist, um Überbearbeitung zu vermeiden und eine gleichbleibende Produktqualität zu gewährleisten. Die folgende Tabelle fasst die wichtigsten technischen Spezifikationen und ihre Bedeutung für den industriellen Einsatz zusammen.
| Technische Spezifikation | Wert aus dem Dokument | Industrielle Relevanz und Vorteile |
| Messmethode | Vibrationsmethode | Bietet schnelle Reaktionszeiten, geringen Wartungsaufwand und ist resistent gegen Verstopfungen. |
| Viskositätsbereich | 1 - 1.000.000 cP (optional) | Breites Anwendungsspektrum für verschiedene Flüssigkeiten, von wässrigen Flüssigkeiten bis hin zu dickflüssigen Suspensionen. |
| Rohgenauigkeit | ±2% - ±5% | Weist darauf hin, dass eine Kalibrierung auf Systemebene und eine Datenkorrektur erforderlich sind, um eine höhere Präzision zu erreichen. |
| Wiederholbarkeit | ±1% - ±2% | Zeigt die Konsistenz des Sensors, eine wichtige Voraussetzung für die datengetriebene Modellierung. |
| Design | Massives Stabelement, keine beweglichen Teile, Dichtungen oder Lager | Minimiert den mechanischen Verschleiß und vereinfacht die Reinigung, ideal für Hochdruck-/Hochtemperaturanwendungen. |
| Material | Edelstahl 316 (Standard) | Gewährleistet Langlebigkeit und Beständigkeit gegenüber korrosiven Medien in chemischen und biotechnologischen Prozessumgebungen. |
| Anpassung | Verlängerte Sonden (500-2000 mm) | Ermöglicht die Installation von oben nach unten in Reaktoren mit begrenzten seitlichen Öffnungen, ein entscheidendes Merkmal für viele industrielle Anlagen. |
| Ausgabe | 4-20 mA, RS485 | Standardisierte industrielle Schnittstellen für die nahtlose Integration mit SPS/DCS-Steuerungssystemen. |
Datenfusion und maschinelles Lernen für Echtzeitvorhersagen
Die intermittierenden, aber hochpräzisen DNSA-Labordaten werden mit dem kontinuierlichen Datenstrom des Lonnmeter-ND-Viskosimeters und anderer Prozesssensoren fusioniert, um ein prädiktives, datenbasiertes Modell zu erstellen. Dieser Ansatz, der Algorithmen des maschinellen Lernens (ML) nutzt, ermöglicht die angestrebte Präzision. Das ML-Modell (z. B. Support Vector Machines, Gaußprozessregression oder künstliche neuronale Netze) lernt die komplexen, nichtlinearen Zusammenhänge zwischen den Online-Viskositätsmessungen, anderen Prozessvariablen (Temperatur, Druck) und der „wahren“ Enzymaktivität, die mittels DNSA-Assay bestimmt wird.
Dieser Fusionsprozess ist entscheidend. Ein einzelner Sensor ist anfällig für verschiedene Störquellen, darunter elektrische und mechanische Interferenzen sowie Sensordrift. Durch das Training mit einem umfassenden, multimodalen Datensatz kann das ML-Modell diese Störsignale identifizieren und herausfiltern. Beispielsweise kann eine kurzzeitige Druckschwankung einen kurzen, fehlerhaften Ausschlag im Viskosimeterwert verursachen. Das ML-Modell erkennt, dass dieser Ausschlag nicht mit einer Temperaturänderung oder einer entsprechenden Verschiebung im DNSA-Ausgangssignal korreliert, und kann den fehlerhaften Datenpunkt ignorieren oder mathematisch korrigieren. Dadurch wird die Systemleistung weit über die Spezifikationen eines einzelnen Sensors hinaus gesteigert.
Überwindung von Herausforderungen bei der industriellen Umsetzung
Vibrationsviskosimeter reagieren bauartbedingt empfindlich auf externe mechanische Schwingungen und elektromagnetische Störungen (EMI). Quellen wie Motoren, Pumpen und andere Anlagen können mechanisches Rauschen erzeugen, das die Messung der viskosen Dämpfung durch den Sensor direkt beeinflusst und zu ungenauen oder schwankenden Messwerten führt. Ebenso können elektromagnetische Störungen, die abgestrahlt oder geleitet werden können, die Elektronik des Sensors beeinträchtigen, das Signal verfälschen und die Leistung mindern.
Verschiedene technische Lösungen auf Hardware- und Softwareebene können diese Herausforderungen wirksam bewältigen. Hardwareseitig ist eine korrekte Installation von entscheidender Bedeutung. Der Sensor sollte auf einer stabilen, schwingungsgedämpften Halterung und fernab von hochfrequenten Störquellen angebracht werden. Einige Viskosimeter verwenden einen „ausgeglichenen Resonator“ oder ähnliche koaxiale Sensorelemente, die sich in entgegengesetzte Richtungen drehen und so externe Drehmomente auf die Halterung effektiv kompensieren.
Auf Softwareseite kommen hochentwickelte Signalverarbeitungsalgorithmen zum Einsatz, um Rauschen herauszufiltern. Ein besonders fortschrittliches Verfahren nutzt einen Sekundärsensor, beispielsweise einen externen Beschleunigungsmesser, um die externen Vibrationen des Sensorgehäuses zu messen. Dieses „Rauschsignal“ wird dann zusammen mit dem primären Viskosimetersignal einem Signalprozessor zugeführt. Der Prozessor verwendet einen Filteralgorithmus, um den Einfluss der externen Vibrationen zu subtrahieren und so einen saubereren und genaueren Messwert zu erzeugen.LonnmeterDie Verwendung eines elektromagnetischen Zerfallsverfahrens mit einem Mikroprozessor zur Signalumwandlung durch ND bietet von Natur aus ein gewisses Maß an Filterung und Robustheit.
Langzeitzuverlässigkeit, Wartung und autonome Systeme
Die langfristige Sicherstellung der Datenintegrität ist für jedes Online-Prozessleitsystem von höchster Bedeutung. Alle Messgeräte unterliegen einer Drift, einer schleichenden Leistungsänderung aufgrund von mechanischem Verschleiß, elektronischer Degradation oder Umwelteinflüssen. Um dem entgegenzuwirken, ist eine proaktive und regelmäßige Kalibrierung unerlässlich.
Die Rolle zertifizierter Standardflüssigkeiten
Die Verwendung zertifizierter Referenzmaterialien (CRMs) ist der Industriestandard für die Kalibrierung von Viskosimetern. Dabei handelt es sich um Flüssigkeiten, meist Silikonöle, die zertifiziertes Newtonsches Verhalten mit bekannter Viskosität über einen bestimmten Temperaturbereich aufweisen. Das im Betrieb befindliche Viskosimeter wird regelmäßig aus dem Prozess entnommen und anhand eines oder mehrerer dieser Standards überprüft, um seine Genauigkeit zu bestätigen. Dies gewährleistet die Aufrechterhaltung der grundlegenden Leistungsfähigkeit des Instruments und die Rückführbarkeit seiner Messwerte auf nationale oder internationale Standards.
Rahmenwerk für vorausschauende Instandhaltung
Über die reine Driftkorrektur hinaus kann der kontinuierliche Datenstrom des Online-Viskosimeters zur Umsetzung einer umfassenden Strategie für die vorausschauende Instandhaltung genutzt werden. Die Echtzeitüberwachung der Fluidviskosität dient als Frühwarnsystem für potenzielle Probleme wie Ablagerungen oder Verstopfungen in Rohrleitungen, denen häufig eine Änderung der Fluidrheologie vorausgeht. Dadurch können die Betreiber präventive Maßnahmen ergreifen, um das System zu reinigen oder anzupassen, bevor es zu einem schwerwiegenden Ausfall kommt. Dies spart erhebliche Ausfallzeiten und Kosten.Lonnmeter-Die wartungsarme Konstruktion und die schnelle Reaktionszeit machen ND zu einer kosteneffektiven und zuverlässigen Komponente für diese Art von Strategie.
Industrielle Anwendungen und messbare Geschäftsauswirkungen
Optimierung der Cellulasehydrolyse
Eine Hauptanwendung dieser Technologie ist die Optimierung der Cellulase-vermittelten Hydrolyse in industriellen Bioreaktoren. Ziel ist es, die Umwandlung von hochmolekularer Cellulase/CMC in wertvolle reduzierende Zucker zu maximieren und gleichzeitig eine Überverarbeitung zu vermeiden, die Energieverschwendung und eine Verringerung der Gesamtproduktausbeute zur Folge haben kann.
Durch die Umsetzung der integriertenLonnmeterMit dem ND-System erhalten die Bediener kontinuierlich Viskositätswerte in Echtzeit, die direkt mit dem Reaktionsfortschritt korrelieren. Anstatt sich auf manuelle Probenahme und zeitaufwändige Laboranalysen zur Bestimmung des Endpunkts zu verlassen, kann der Prozess automatisch beendet werden, sobald die Online-Viskositätsmessung einen vorkalibrierten Sollwert erreicht. Dies gewährleistet Chargenkonsistenz und verhindert Überverarbeitung, was zu einem effizienteren und besser planbaren Produktionszyklus führt. Die Fähigkeit des Systems, eine Zielgenauigkeit von 0,3 % zu erreichen, stellt sicher, dass der Endpunkt mit höchstmöglicher Genauigkeit erreicht wird und somit eine gleichbleibende Produktqualität gewährleistet ist.
Quantifizierung des Return on Investment (ROI)
Die Einführung dieser Technologie bietet einen klaren und messbaren Return on Investment anhand mehrerer wichtiger Geschäftskennzahlen.
Erhöhte Produktausbeute und -qualität
Die Möglichkeit, die enzymatische Reaktion in Echtzeit zu überwachen und zu steuern, minimiert Abfall und die Produktion von fehlerhaftem Produkt. Diese präzise Steuerung führt zu höheren Gesamtausbeuten und einem Endprodukt von gleichbleibend hoher Qualität, was sich direkt auf den Umsatz auswirkt.
Reduzierte Betriebskosten
Das System macht manuelle Probenahme und Laboranalysen überflüssig, die arbeitsintensiv und kostspielig sind. Darüber hinaus verhindert die Echtzeitsteuerung eine Überverarbeitung, wodurch der Energieverbrauch und der Einsatz teurer Enzyme reduziert werden. Die wartungsarme Konstruktion des Systems…Lonnmeter-ND minimiert Ausfallzeiten und Reparaturkosten und trägt so zusätzlich zu betrieblichen Einsparungen bei.
Verbesserte Entscheidungsunterstützung und Fehlerdiagnose
Der kontinuierliche Datenstrom des Viskosimeters liefert, integriert in ein Steuerungssystem (SPS/DCS), einen umfangreichen Datensatz für fortgeschrittene Analysen. Diese Daten können für Modellierung und Simulation genutzt werden und ermöglichen so eine bessere Entscheidungsfindung und schnelle Fehlerdiagnose. Beispielsweise kann eine plötzliche, unerklärliche Viskositätsänderung auf einen Pumpenausfall oder eine Unregelmäßigkeit im Rohmaterial hinweisen und somit ein sofortiges Eingreifen ermöglichen.
Die nachstehende Tabelle bietet eine vergleichende Analyse des vorgeschlagenen viskosimetrischen Systems gegenüber herkömmlichen Probenahmemethoden im Labor.
| Metrisch | Traditionelle Methode (Laborprobenahme) | Vorgeschlagene Methode (Lonnmeter-ND-System) |
| Datenerfassung | Periodische, manuelle Probenahme. | Kontinuierliche Online-Überwachung in Echtzeit. |
| Ansprechzeit | Stunden bis Tage (aufgrund von Transport und Laboranalysen). | Sofort. |
| Prozesssteuerung | Verzögerte, reaktive Anpassungen. | Unmittelbare, proaktive Kontrolle. |
| Produktkonsistenz | Von Charge zu Charge stark schwankend. | Hohe Präzision und Konsistenz (Zielwert: 0,3 %). |
| Arbeitskosten | Hoch (manuelle Probenahme, Labortechniker). | Minimal (automatisiertes Inline-System). |
| Ausfallzeit | Häufig (für Probenahmen, mögliche Überproduktionen). | Reduziert (vorausschauende Wartung, kein Warten auf Laborergebnisse). |
The Lonnmeter-ND ist weit mehr als ein einfacher Sensor. Integriert in ein umfassendes, datengesteuertes System wird es zu einem leistungsstarken und unverzichtbaren Werkzeug für die Bioprozesssteuerung.LonnmeterDie robuste, wartungsarme Bauweise und die schnelle Reaktionszeit des ND eignen sich hervorragend für die rauen Bedingungen der industriellen Bioprozessierung.
Veröffentlichungsdatum: 10. September 2025
