Әлемдік биотехнология және биоөңдеу салалары дәстүрлі сериялық операциялардан үздіксіз, автоматтандырылған өндіріске түбегейлі ауысуда. Нақты уақыт режимінде өлшеу маңызды процесс параметрлерін нақты уақыт режимінде бақылайды және процесті уақытында оңтайландыруға қолдау көрсетеді. Процесті басқарудағы дәстүрлі тұтқырлықты өлшеу мерзімді қолмен сынама алуға және оффлайн зертханалық талдауға негізделген, бұл айтарлықтай тиімсіздіктер мен тәуекелдерді тудырады және процесті түзетудің кешігуіне, өндірістің артық жүктелуіне және стандарттан тыс өнімнің пайда болуына әкеледі.
Ферменттік субстраттың ыдырау реологиясы
Фермент-субстрат қатынасы
Ферментативті гидролиз - бұл фермент күрделі субстрат молекуласының кішігірім компоненттерге бөлінуін жеңілдететін каталитикалық процесс. Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ) сияқты жоғары молекулалық салмақты полисахаридке әсер ететін целлюлозаның нақты жағдайында ферменттің негізгі қызметі ұзын полимер тізбектеріндегі гликозидтік байланыстарды гидролиздеу болып табылады. Бұл әрекет КМЦ-ны жүйелі түрде ыдыратады, оның тізбегінің ұзындығын және орташа молекулалық салмағын азайтады. Бұл реакцияның өнімдері, негізінен кіші тізбекті тотықсыздандыратын қанттар, процесс жүріп жатқанда ерітіндіде жиналады. Бұл ыдырау жылдамдығы температура мен рН-тың нақты жұмыс жағдайларындағы ферменттің белсенділігімен тікелей байланысты.
Крамер теориясының байланысы
Фермент белсенділігі мен реакция ортасының физикалық қасиеттері арасындағы байланыс өте маңызды мәселе болып табылады. Химиялық кинетиканың негізгі қағидасы болып табылатын Крамер теориясы фермент катализі сияқты ақуыздардағы конформациялық өзгерістерді қамтитын процестерге қоршаған еріткіштің тұтқырлығы әсер етеді деп тұжырымдайды. Еріткіштің тұтқырлығы артқан сайын ферменттің құрылымдық домендеріне әсер ететін үйкеліс күштері де артады. Бұл үйкелістің жоғарылауы қажетті конформациялық өзгерістерді тежейді, каталитикалық циклді тиімді түрде баяулатады және реакцияның максималды жылдамдығын немесе Vmax төмендетеді.
Керісінше, ерітіндінің макроскопиялық тұтқырлығының төмендеуі осы үйкеліс күштерін азайтады, бұл Крамер теориясына сәйкес ферменттің каталитикалық функциясын жеңілдетеді. HMW субстратының ыдырауы жағдайында ферменттің белсенділігі ерітіндінің тұтқырлығының төмендеуіне тікелей әкеледі, бұл ортаның реологиялық қасиеттерінің өзгеруі ферменттің табысының тікелей көрсеткіші болып табылатын кері байланыс циклін жасайды.
Ньютондық емес реологияға терең үңілу
Ньютондық және Ньютондық емес сұйықтықтарды дифференциациялау
Сұйықтықтың реологиялық мінез-құлқы оның тұтқырлығымен және бұл қасиеттің қолданылған ығысу кернеуіне қалай әсер ететінімен анықталады. Ньютон сұйықтығы үшін ығысу кернеуі (τ) мен ығысу жылдамдығы (γ˙) арасындағы байланыс сызықтық және тура пропорционалды, ал пропорционалдық тұрақтысы тұтқырлыққа (μ) тең. Мұны Ньютонның тұтқырлық заңымен өрнектеуге болады:
τ=μγ˙
Керісінше, Ньютондық емес сұйықтықтар тұтқырлық тұрақты емес, ығысу жылдамдығына байланысты өзгеретін күрделірек қатынасты көрсетеді. Бұл мінез-құлық көптеген күрделі өнеркәсіптік сұйықтықтарға, соның ішінде CMC сияқты полимер ерітінділеріне тән.
HMW полимер ерітінділерінің Ньютондық емес мінез-құлқы
HMW полимерлерінің ыдырауы негізінен Ньютондық емес процесс болып табылады. CMC сияқты полимер ерітінділері әдетте ығысу-жіңішкеру мінез-құлқын көрсетеді, мұнда ығысу жылдамдығы артқан сайын тұтқырлық төмендейді. Бұл құбылыс ұзын полимер катушкаларының ағын бағытында ажырап, туралануына байланысты, бұл сұйықтықтың ішкі үйкелісін азайтады. Жоғары концентрацияларда (мысалы, 1%-дан жоғары) кейбір CMC ерітінділері тіпті бастапқы ығысу-қоюлану мінез-құлқын көрсете алады, мұнда тұтқырлық макромолекулалық ассоциациялардың ағынмен индукцияланған түзілуіне байланысты ығысу жылдамдығымен артады, содан кейін жоғары ығысу жылдамдықтарында ығысу-жіңішкеру жүреді.
Целлюлазаның CMC-ге ферментативті әсері бұл реологиялық профильді түбегейлі өзгертеді. Фермент ұзын полимер тізбектерін бөлген сайын, субстраттың орташа молекулалық салмағы азаяды. Тізбек ұзындығының бұл азаюы шатасу дәрежесін және молекулааралық өзара әрекеттесулерді тікелей төмендетеді. Нәтижесінде, ерітінді аз тұтқыр болады және оның Ньютондық емес сипаттамалары, әсіресе ығысу-жіңішкеруі, төмендейді. Сұйықтықтың көлемдік реологиясындағы терең өзгеріс, атап айтқанда, белгілі бір ығысу жылдамдығында тұтқырлықтың айтарлықтай төмендеуі, ферментативті деградацияның айқын белгісі болып табылады.
Сандық тұтқырлық пен белсенділіктің байланысы
Ерітіндінің көлемдік тұтқырлығының төмендеуі мен субстрат молекулаларының орташа молекулалық салмағының төмендеуі арасындағы корреляция жақсы құжатталған. Целлюлаза полимер тізбектерін бөлген кезде, алынған фрагменттердің ерітіндінің жалпы тұтқырлығына қосқан үлесі айтарлықтай төмен болады. Бұл байланыс тұтқырлыққа ферментативті реакцияның жүруі үшін қуатты, нақты уақыттағы прокси ретінде қызмет етуге мүмкіндік береді, бұл айтарлықтай кідірістерге әкелуі мүмкін дәстүрлі зертханалық талдауларға әлдеқайда жылдам балама.
Онлайн вискозиметрден үздіксіз өлшеу осы құрылымдық өзгерістің жоғары сезімталдықтағы зонд ретінде әрекет етеді. Берілген ығысу жылдамдығындағы тұтқырлықтың төмендеуі субстраттың конверсия дәрежесінің және, кеңінен алғанда, ферменттің белсенділігінің тікелей, сандық көрсеткішін қамтамасыз етеді. Бұл Лоннметр-ND вискозиметрін ферментативті реакцияның ілгерілеуінің үздіксіз, жанама өлшемі ретінде пайдаланудың ғылыми негіздемесі.
TheЛоннметр-ND дірілдейтін вискозиметр
Жұмыс принципі: Діріл әдісі
Lonnmeter-ND онлайн вискозиметрі діріл әдісі принципі бойынша жұмыс істейді, бұл өнеркәсіптік қолданбаларға арналған берік және сенімді әдіс. Аспаптың сезгіш элементі - белгілі бір жиілікте осьтік бағытта тербеліп, айналатын қатты шыбық. Сұйықтыққа батырылған кезде, бұл діріл сұйықтықтың тұтқырлығымен қарсылық көрсетеді, бұл оның ішкі үйкелісін өлшейді. Кедергі дірілдеуші элементтен демпферлік әсерге немесе энергияның жоғалуына әкеледі. Электрондық тізбек бұл энергияның жоғалуын анықтайды, ал микропроцессор сигналды тұтқырлық көрсеткішіне түрлендіреді. Өзек өлшемі электромагниттік тербелмелі толқын формасының ыдырауына негізделген, мұндағы сигнал аспап коэффициенті мен дірілдің демпферлік коэффициентінің (λδ) көбейтіндісіне пропорционалды.
Бұл әдіс капиллярлық, айналмалы немесе құлау шарлары сияқты басқа вискозиметрия әдістерінен ерекшеленеді. Бұл баламалардан айырмашылығы, діріл әдісі өте жылдам жауап беру уақытын қамтамасыз етеді және орнату ортасына жоғары төзімді. Сондай-ақ, ол қозғалмалы бөлшектерге, тығыздағыштарға немесе мойынтіректерге қажеттілікті жою арқылы жүйені жеңілдетеді.
Техникалық сипаттамалары және мүмкіндіктері
Lonnmeter-ND вискозиметрі өнеркәсіптік процестерді басқарудың қатаң талаптарын қанағаттандыру үшін жасалған. Ол тұтқырлықты өлшеудің кең диапазонын 1-ден 1 000 000 cP-ге дейін ұсынады және сенсордың пішінін өзгерту арқылы өте қалың және тұтқыр ортаға бейімделуі мүмкін. Аспаптың негізгі дәлдігі Ньютон сұйықтықтары үшін ±1-2% қайталанымдылығымен ±2-5% деңгейінде көрсетілген, дегенмен ол Ньютондық емес сұйықтықтардағы процестердің тұтқырлығының өзгерістерін үнемі көрсете алады.
Жоғары температура мен жоғары қысымды қолдану үшін вискозиметр әдетте 316 тот баспайтын болаттан жасалған, нақты қоршаған орта жағдайлары үшін тефлон немесе хастеллой сияқты арнайы материалдарға арналған нұсқалары бар. Биореакторларға интеграциялау үшін компания ұзындығы 500 мм-ден 2000 мм-ге дейінгі кеңейтілген енгізу зондымен нұсқасын жасап шығарды, бұл реакция ыдыстарына тікелей жоғарыдан төмен енгізуге мүмкіндік береді.
Қиын орталар үшін дизайн артықшылықтары
Lonnmeter-ND дизайны өнеркәсіптік көлемдегі биоөңдеу үшін жоғары деңгейде оңтайландырылған. Оның жылдам әрекет ету уақыты және жоғары температура мен қысым жағдайында жұмыс істеу мүмкіндігі нақты уақыт режимінде басқару үшін өте маңызды. Қозғалмалы бөлшектердің болмауы техникалық қызмет көрсетуді азайтып қана қоймай, сонымен қатар биореактор ортасында асептикалық жағдайларды сақтау үшін маңызды болып табылатын тазалау мен зарарсыздандыруды (CIP/SIP үйлесімділігі) жеңілдетеді. Сенсордың бір ашық элемент дизайны және үздіксіз діріл оны өзін-өзі тазалауға мүмкіндік береді, бұл сенсор бетінде өнімнің жиналуына жол бермейді, әйтпесе бұл дәл емес көрсеткіштерге әкеледі.
Діріл әдісінің орнату жағдайларына төмен сезімталдығы Lonnmeter-ND құрылғысын тікелей желіге орналастыруға болатынын білдіреді, бұл бір ғана оффлайн зертханалық үлгіге қарағанда шынайы процесс жағдайларын жақсырақ көрсететін үздіксіз кері байланысты қамтамасыз етеді. Жылдам жауап беру уақыты лезде кері байланысты қамтамасыз етеді, бұл шамадан тыс өңдеудің алдын алу және өнімнің тұрақты сапасын қамтамасыз ету үшін өте маңызды. Төмендегі кестеде негізгі техникалық сипаттамалар және олардың өнеркәсіптік қолдануға әсері қысқаша сипатталған.
| Техникалық сипаттама | Құжаттан алынған мән | Өнеркәсіптік өзектілік және артықшылық |
| Өлшеу әдісі | Діріл әдісі | Жылдам жауап береді, аз күтімді қажет етеді және бітелуге төзімді. |
| Тұтқырлық диапазоны | 1 - 1 000 000 cP (міндетті емес) | Сулы сұйықтықтардан бастап қою суспензияларға дейін әртүрлі сұйықтықтар үшін кеңінен қолданылуы. |
| Шикі дәлдік | ±2% - ±5% | Жоғары дәлдікке жету үшін жүйелік деңгейдегі калибрлеу және деректерді түзету қажеттілігін көрсетеді. |
| Қайталанымдылық | ±1% - ±2% | Деректерге негізделген модельдеудің негізгі алғышарты болып табылатын сенсордың тұрақтылығын көрсетеді. |
| Дизайн | Тұрақты шыбық элементі, қозғалмалы бөлшектері, тығыздағыштары немесе мойынтіректер жоқ | Механикалық тозуды азайтады және тазалауды жеңілдетеді, жоғары қысымды/жоғары температуралы қолданбаларға өте ыңғайлы. |
| Материал | 316 тот баспайтын болат (стандартты) | Химиялық және биоөңдеу орталарында коррозиялық ортаға төзімділік пен төзімділікті қамтамасыз етеді. |
| Теңшеу | Ұзартылған зондтар (500-2000 мм) | Көптеген өнеркәсіптік қондырғылар үшін маңызды ерекшелік болып табылатын шектеулі бүйірлік саңылаулары бар реакторларда жоғарыдан төмен орнатуға мүмкіндік береді. |
| Шығыс | 4-20 мА, RS485 | PLC/DCS басқару жүйелерімен үздіксіз интеграциялауға арналған стандартты өнеркәсіптік интерфейстер. |
Нақты уақыт режимінде болжау үшін деректерді біріктіру және машиналық оқыту
Үзілісті, бірақ өте дәл DNSA зертханалық деректері болжамды, деректерге негізделген модель жасау үшін Lonnmeter-ND вискозиметрінен және басқа да процесс сенсорларынан алынған үздіксіз деректер ағынымен біріктіріледі. Машиналық оқыту (ML) алгоритмдерін пайдаланатын бұл тәсіл мақсатты дәлдікке жету механизмі болып табылады. ML моделі (мысалы, қолдау векторлық машиналары, Гаусс процесінің регрессиясы немесе жасанды нейрондық желілер) онлайн тұтқырлық көрсеткіштері, басқа процесс айнымалылары (температура, қысым) және DNSA талдауымен анықталған «шынайы» фермент белсенділігі арасындағы күрделі, сызықтық емес қатынастарды үйренеді.
Бұл біріктіру процесі өте маңызды. Бір сенсор электрлік және механикалық кедергілерді қоса алғанда, әртүрлі шу көздеріне, сондай-ақ сенсор дрейфіне сезімтал. Кешенді, көпмодальды деректер жиынтығын оқыту арқылы ML моделі бұл жалған сигналдарды анықтап, сүзгіден өткізе алады. Мысалы, уақытша қысым ауытқуы вискозиметр көрсеткішінде қысқа мерзімді қате секіруді тудыруы мүмкін. ML моделі бұл секірудің температураның өзгеруімен немесе DNSA шығысындағы сәйкес ығысумен байланысты емес екенін мойындай отырып, қате деректер нүктесін елемей немесе математикалық түрде түзете алады. Бұл жүйенің өнімділігін кез келген бір сенсордың шикі сипаттамаларынан әлдеқайда жоғарылатады.
Өнеркәсіптік енгізудегі қиындықтарды жеңу
Дірілдейтін вискозиметрлер, өз табиғаты бойынша, сыртқы механикалық тербелістер мен электромагниттік кедергілерге (ЭМК) сезімтал. Қозғалтқыштар, сорғылар және басқа да зауыттық жабдықтар сияқты көздер сенсордың тұтқыр демпферлеуді өлшеуіне тікелей әсер ететін механикалық шу шығаруы мүмкін, бұл дәл емес немесе ауытқып тұратын көрсеткіштерге әкеледі. Сол сияқты, сәулеленуі немесе өткізілуі мүмкін ЭМК сенсордың электрондық тізбегіне кедергі келтіріп, сигналды бұзып, өнімділігін төмендетуі мүмкін.
Аппараттық және бағдарламалық жасақтама деңгейіндегі бірнеше инженерлік шешімдер бұл қиындықтарды тиімді түрде жоя алады. Аппараттық құрал тұрғысынан дұрыс орнату өте маңызды. Сенсор жоғары жиілікті шу көздерінен алыс, тұрақты, дірілден оқшауланған бекіткішке орналастырылуы керек. Кейбір вискозиметр конструкцияларында қарама-қарсы бағытта бұралатын «теңгерімді резонатор» немесе ұқсас коаксиалды сенсор элементтері бар, бұл оларды бекіту кезінде сыртқы реакция моменттерін тиімді түрде жояды.
Бағдарламалық жасақтама жағында шуды сүзу үшін кеңейтілген сигналды өңдеу алгоритмдері қолданылады. Әсіресе кеңейтілген әдіс сенсор корпусының сыртқы дірілін өлшеу үшін сыртқы акселерометр сияқты қосымша сенсорды пайдалануды қамтиды. Содан кейін бұл «шу» сигналы негізгі вискозиметр сигналымен бірге сигнал процессорына беріледі. Процессор сыртқы дірілдің әсерін алып тастау үшін сүзу алгоритмін пайдаланады, бұл таза және дәлірек көрсеткіш береді.Лоннметр-ND сигналды түрлендіру үшін микропроцессормен электромагниттік ыдырау әдісін қолдануы белгілі бір деңгейде сүзгілеу мен сенімділікті қамтамасыз етеді.
Ұзақ мерзімді сенімділік, техникалық қызмет көрсету және автономды жүйелер
Уақыт өте келе деректердің тұтастығын сақтау кез келген онлайн процесті басқару жүйесі үшін өте маңызды. Барлық өлшеу құралдары механикалық тозу, электронды тозу немесе қоршаған орта факторларына байланысты өнімділіктің баяу өзгеруіне «дрейфке» ұшырайды. Бұған қарсы тұру үшін алдын ала, үнемі калибрлеу қажет.
Сертификатталған стандартты сұйықтықтардың рөлі
Вискозиметрлерді калибрлеудің салалық стандарты сертификатталған анықтамалық материалдарды (CRM) пайдалану болып табылады. Бұл сұйықтықтар, көбінесе силикон майлары, олар әртүрлі температура диапазонында белгілі тұтқырлықпен сертификатталған, Ньютондық мінез-құлықты көрсетеді. Мерзімді түрде онлайн вискозиметр процестен алынып, оның дәлдігін растау үшін осы стандарттарға сәйкес тексеріледі. Бұл құралдың бастапқы өнімділігінің сақталуын және оның көрсеткіштерінің ұлттық немесе халықаралық стандарттарға сәйкес бақылануын қамтамасыз етеді.
Болжамды техникалық қызмет көрсетуге арналған құрылым
Дрейфті түзетуден басқа, онлайн вискозиметрден үздіксіз деректер ағынын кешенді болжамды техникалық қызмет көрсету стратегиясын енгізу үшін пайдалануға болады. Сұйықтықтың тұтқырлығын нақты уақыт режимінде бақылау құбырдың қабыршақтануы немесе бітелуі сияқты ықтимал мәселелер үшін ерте ескерту ретінде қызмет ете алады, олар көбінесе сұйықтық реологиясының өзгеруінен бұрын болады. Бұл операторларға апатты ақаулық орын алмас бұрын жүйені тазалау немесе реттеу үшін алдын алу шараларын қабылдауға мүмкіндік береді, бұл айтарлықтай тоқтап қалу уақытын және шығындарды үнемдейді.Лоннметр-ND-ның аз күтімді дизайны және жылдам жауап беру уақыты оны осы стратегия түрі үшін тиімді және сенімді компонент етеді.
Өнеркәсіптік қолданыстар және сандық бизнес әсері
Целлюлаза гидролизін оңтайландыру
Бұл технологияның негізгі қолданылуы - өнеркәсіптік биореакторларда целлюлоза арқылы гидролизді оңтайландыру. Мақсат - энергияны ысырап етуі және өнімнің жалпы өнімділігін төмендетуі мүмкін шамадан тыс өңдеуден аулақ бола отырып, HMW целлюлозасын/CMC-ны құнды тотықсыздандыратын қанттарға айналдыруды барынша арттыру.
Интеграцияланған жүйені енгізу арқылыЛоннметр-ND жүйесінде операторлар реакцияның барысымен тікелей байланысты үздіксіз, нақты уақыт режиміндегі тұтқырлық көрсеткішін ала алады. Соңғы нүктені анықтау үшін қолмен сынама алуға және көп уақытты қажет ететін зертханалық талдауға сүйенудің орнына, онлайн тұтқырлық көрсеткіші алдын ала калибрленген белгіленген нүктеге жеткенде процесті автоматты түрде тоқтатуға болады. Бұл партиядан партияға сәйкестікті қамтамасыз етеді және шамадан тыс өңдеудің алдын алады, бұл тиімдірек және болжамды өндіріс цикліне әкеледі. Жүйенің 0,3% дәлдік мақсатына жету мүмкіндігі соңғы нүктенің ең жоғары дәлдікпен орындалуын қамтамасыз етеді, бұл өнімнің біркелкі сапасына кепілдік береді.
Инвестицияның кірістілігін (ROI) сандық бағалау
Бұл технологияны енгізу бірнеше негізгі бизнес көрсеткіштері бойынша инвестициядан айқын және сандық түрде есептелетін кірістілікті ұсынады.
Өнімнің өнімділігі мен сапасының артуы
Ферментативтік реакцияны нақты уақыт режимінде бақылау және басқару мүмкіндігі қалдықтарды және стандарттан тыс өнім өндірісін азайтады. Бұл дәлдікпен бақылау жалпы өнімділіктің жоғарылауына және кіріске тікелей әсер ететін тұрақты түрде жоғары сапалы соңғы өнімге әкеледі.
Пайдалану шығындарының төмендеуі
Жүйе еңбекті көп қажет ететін және қымбат жұмыстар болып табылатын қолмен сынама алу және зертханалық талдау қажеттілігін жояды. Сонымен қатар, нақты уақыт режимінде басқару шамадан тыс өңдеудің алдын алады, бұл энергия тұтынуды және қымбат ферменттерді пайдалануды азайтады. Аз күтімді қажет ететін дизайнЛоннметр-ND жұмыс уақытының тоқтап қалуын және жөндеу шығындарын азайтады, бұл пайдалану үнемдеуіне ықпал етеді.
Шешім қабылдауды қолдауды және ақауларды диагностикалауды жақсарту
Вискозиметрден келетін үздіксіз деректер ағыны басқару жүйесіне (PLC/DCS) біріктірілген кезде кеңейтілген талдау үшін бай деректер жиынтығын қамтамасыз етеді. Бұл деректерді модельдеу және модельдеу үшін пайдалануға болады, бұл шешім қабылдауды жақсартуға және ақауларды тез диагностикалауға мүмкіндік береді. Мысалы, тұтқырлықтың кенеттен, түсініксіз өзгеруі сорғының істен шығуын немесе шикізаттың сәйкессіздігін білдіруі мүмкін, бұл дереу түзету шараларын қабылдауға мүмкіндік береді.
Төмендегі кестеде ұсынылған вискозиметриялық жүйенің дәстүрлі зертханалық сынама алу әдістерімен салыстырмалы талдауы келтірілген.
| Метрикалық | Дәстүрлі әдіс (зертханалық сынама алу) | Ұсынылған әдіс (Лоннметр-ND жүйесі) |
| Деректерді жинау | Мерзімді, қолмен іріктеу. | Үздіксіз, нақты уақыт режимінде онлайн бақылау. |
| Жауап беру уақыты | Сағаттан күнге дейін (тасымалдау және зертханалық талдауға байланысты). | Лездік. |
| Процесті басқару | Кешіктірілген, реактивті түзетулер. | Шұғыл, алдын ала бақылау. |
| Өнімнің үйлесімділігі | Топтамадан топтамаға дейін өте өзгермелі. | Жоғары дәлдік және консистенция (мақсатты көрсеткіш 0,3%). |
| Еңбек шығындары | Жоғары (қолмен сынама алу, зертхана мамандары). | Минималды (автоматтандырылған, желідегі жүйе). |
| Үзіліс уақыты | Жиі (үлгі алу үшін, ықтимал асып кетулер). | Азайтылған (болжамды техникалық қызмет көрсету, зертханалық нәтижелерді күтудің қажеті жоқ). |
The Лоннметр-ND қарапайым сенсордан әлдеқайда көп нәрсе. Кешенді, деректерге негізделген жүйеге біріктірілген кезде, ол биопроцесті басқарудың қуатты және алмастырылмайтын құралына айналады.Лоннметр-ND компаниясының берік, аз күтімді қажет ететін дизайны және жылдам жауап беру уақыты өнеркәсіптік биоөңдеудің қатал жағдайларына өте қолайлы.
Жарияланған уақыты: 2025 жылғы 10 қыркүйек
