Pasaulinė biotechnologijų ir bioapdorojimo pramonė išgyvena esminį perėjimą nuo tradicinių partijomis pagrįstų operacijų prie nuolatinės, automatizuotos gamybos. Matavimas realiuoju laiku stebi svarbiausius proceso parametrus realiuoju laiku ir siūlo paramą laike atliekamam procesų optimizavimui. Įprastas klampumo matavimas procesų valdyme remiasi periodišku rankiniu mėginių ėmimu ir neprisijungus atliekamu laboratoriniu tyrimu, o tai sukelia didelį neefektyvumą ir riziką, vėluoja procesų koregavimą, perteklių ir neatitinkančių specifikacijų produktų gamybą.
Fermentinio substrato skaidymo reologija
Fermento ir substrato ryšys
Fermentinė hidrolizė yra katalizinis procesas, kurio metu fermentas palengvina sudėtingos substrato molekulės skaidymą į mažesnius komponentus. Konkrečiu atveju, kai celiuliazė veikia didelės molekulinės masės polisacharidą, pvz., karboksimetilceliuliozę (CMC), pagrindinė fermento funkcija yra hidrolizuoti glikozidinius ryšius ilgose polimerų grandinėse. Šis veiksmas sistemingai skaido CMC, sumažindamas jos grandinės ilgį ir vidutinę molekulinę masę. Šios reakcijos produktai, daugiausia trumpesnės grandinės redukuojantys cukrūs, kaupiasi tirpale procesui vykstant. Šio skaidymo greitis yra tiesiogiai susijęs su fermento aktyvumu tam tikromis veikimo sąlygomis, tokiomis kaip temperatūra ir pH.
Kramerso teorijos sąsaja
Labai svarbu įvertinti fermento aktyvumo ir reakcijos terpės fizikinių savybių sąryšį. Kramerso teorija, pagrindinis cheminės kinetikos principas, teigia, kad procesams, susijusiems su baltymų konformaciniais pokyčiais, pavyzdžiui, fermentų katalizei, įtakos turi aplinkinio tirpiklio klampumas. Didėjant tirpiklio klampumui, didėja ir trinties jėgos, veikiančios fermento struktūrinius domenus. Ši padidėjusi trintis slopina būtinus konformacinius pokyčius, efektyviai sulėtindama katalizinį ciklą ir sumažindama maksimalų reakcijos greitį (Vmax).
Ir atvirkščiai, tirpalo makroskopinio klampumo sumažėjimas sumažina šias trinties jėgas, o tai, remiantis Kramerso teorija, palengvintų fermento katalizinę funkciją. HMW substrato skaidymo kontekste fermento aktyvumas tiesiogiai sukelia tirpalo klampumo sumažėjimą, sukurdamas grįžtamąjį ryšį, kuriame terpės reologinių savybių pokytis yra tiesioginis fermento sėkmės rodiklis.
Gilus pasinėrimas į neniutoninę reologiją
Niutoninių ir neniutoninių skysčių diferencijavimas
Skysčio reologines savybes apibrėžia jo klampumas ir tai, kaip ši savybė reaguoja į taikomą šlyties įtempį. Niutono skysčio atveju šlyties įtempio (τ) ir šlyties greičio (γ˙) santykis yra tiesinis ir tiesiogiai proporcingas, o proporcingumo konstanta yra klampumas (μ). Tai galima išreikšti Niutono klampumo dėsniu:
τ = μγ˙
Priešingai, neniutoniniai skysčiai pasižymi sudėtingesniu ryšiu, kai klampumas nėra pastovus, o kinta priklausomai nuo šlyties greičio. Šis elgesys būdingas daugeliui sudėtingų pramoninių skysčių, įskaitant polimerų tirpalus, tokius kaip CMC.
HMW polimerų tirpalų neniutoninis elgesys
HMW polimerų skaidymas iš esmės yra neniutoninis procesas. Tokie polimerų tirpalai kaip CMC paprastai pasižymi šlyties tirštėjimu, kai tariamoji klampa mažėja didėjant šlyties greičiui. Šis reiškinys priskiriamas ilgų polimero vijų išpainiojimui ir išsidėstymui tekėjimo kryptimi, o tai sumažina skysčio vidinę trintį. Esant didesnei koncentracijai (pvz., didesnei nei 1 %), kai kurie CMC tirpalai gali netgi pasižymėti pradiniu šlyties tirštėjimu, kai klampa didėja didėjant šlyties greičiui dėl srauto sukelto makromolekulinių asociacijų susidarymo, o po to, esant didesniam šlyties greičiui, seka šlyties tirštėjimas.
Fermentinis celiulazės poveikis CMC iš esmės pakeičia šį reologinį profilį. Fermentui skaidant ilgas polimero grandines, vidutinė substrato molekulinė masė mažėja. Šis grandinės ilgio sumažinimas tiesiogiai sumažina susipynimo laipsnį ir tarpmolekulinę sąveiką. Dėl to tirpalas tampa mažiau klampus, o jo neniutoninės savybės, ypač retėjimas dėl šlyties, sumažėja. Didelis skysčio tūrinės reologijos pokytis, konkrečiai, reikšmingas klampumo sumažėjimas esant tam tikram šlyties greičiui, yra aiškus vykstančio fermentinio skaidymo požymis.
Kiekybinis klampumo ir aktyvumo ryšys
Koreliacija tarp tirpalo tūrinės klampos sumažėjimo ir substrato molekulių vidutinės molekulinės masės sumažėjimo yra gerai dokumentuota. Celiulazei skaidant polimero grandines, gauti fragmentai daro žymiai mažesnę įtaką bendram tirpalo klampumui. Šis ryšys leidžia klampumui veikti kaip galingam, realaus laiko fermentinės reakcijos eigos rodikliui – tai daug greitesnė alternatyva tradiciniams laboratoriniams tyrimams, kurie gali sukelti reikšmingų vėlavimų.
Nuolatinis matavimas internetiniu viskozimetru veikia kaip labai jautrus šio struktūrinio pokyčio zondas. Klampos sumažėjimas esant tam tikram šlyties greičiui suteikia tiesioginį, kiekybiškai įvertinamą substrato konversijos masto rodiklį ir, atitinkamai, fermento aktyvumo rodiklį. Tai yra mokslinis Lonnmeter-ND viskozimetro naudojimo kaip nuolatinio, netiesioginio fermentinės reakcijos eigos matavimo pagrindimas.
TheLonmetras-ND vibruojantis viskozimetras
Veikimo principas: vibracijos metodas
Internetinis viskozimetras „Lonnmeter-ND“ veikia vibracijos metodo principu – tai patikima ir patikima technika, skirta pramoniniam naudojimui. Prietaiso jutimo elementas yra kietas strypas, kuris sužadinamas, kad vibruotų ir suktųsi savo ašine kryptimi tam tikru dažniu. Panardintas į skystį, šią vibraciją slopina skysčio klampumas, kuris yra jo vidinės trinties matas. Dėl pasipriešinimo vibruojantis elementas slopina energiją. Elektroninė grandinė aptinka šį energijos nuostolį, o mikroprocesorius konvertuoja signalą į klampos rodmenį. Pagrindinis matavimas pagrįstas elektromagnetinės virpesių bangos formos slopinimu, kur signalas yra proporcingas prietaiso koeficiento ir vibracijos slopinimo koeficiento (λδ) sandaugai.
Šis metodas skiriasi nuo kitų viskozimetrijos metodų, tokių kaip kapiliarinis, rotacinis arba krintančio rutulio metodai. Skirtingai nuo šių alternatyvų, vibracijos metodas pasižymi labai greitu atsako laiku ir yra labai atsparus montavimo aplinkai. Jis taip pat supaprastina sistemą, nes nereikia judančių dalių, sandariklių ar guolių.
Techninės specifikacijos ir galimybės
„Lonnmeter-ND“ viskozimetras sukurtas taip, kad atitiktų griežtus pramoninių procesų valdymo reikalavimus. Jis siūlo platų klampumo matavimo diapazoną nuo 1 iki 1 000 000 cP ir gali būti pritaikytas labai tirštoms ir klampioms terpėms keičiant jutiklio formą. Prietaiso bazinis tikslumas yra nurodytas ±2–5 %, o pakartojamumas Niutono skysčiams – ±1–2 %, nors jis vis tiek gali nuosekliai atspindėti proceso klampumo pokyčius ne Niutono skysčiuose.
Aukštos temperatūros ir aukšto slėgio taikymams viskozimetras paprastai gaminamas iš 316 nerūdijančio plieno, o specifinėms aplinkos sąlygoms galima naudoti specialias medžiagas, tokias kaip teflonas arba Hastelloy. Integracijai į bioreaktorius bendrovė sukūrė versiją su prailgintu įterpimo zondu, kurio ilgis svyruoja nuo 500 mm iki 2000 mm, leidžiantį zondą tiesiogiai įdėti į reakcijos indus iš viršaus į apačią.
Dizaino pranašumai sudėtingoje aplinkoje
„Lonnmeter-ND“ konstrukcija yra labai optimizuota pramoninio masto bioapdorojimui. Greitas reagavimo laikas ir gebėjimas veikti esant aukštai temperatūrai ir slėgiui yra labai svarbūs realiuoju laiku vykdomai kontrolei. Judančių dalių nebuvimas ne tik sumažina priežiūros poreikį, bet ir supaprastina valymą bei sterilizavimą (CIP/SIP suderinamumas), o tai yra būtina norint palaikyti aseptines sąlygas bioreaktorių aplinkoje. Jutiklio vieno atviro elemento konstrukcija ir nuolatinė vibracija užtikrina, kad jis savaime išsivalytų, todėl ant jutiklio paviršiaus nesikaupia produktas, kuris kitaip galėtų lemti netikslius rodmenis.
Dėl mažo vibracijos metodo jautrumo įrengimo sąlygoms „Lonnmeter-ND“ galima pastatyti tiesiai linijoje, užtikrinant nuolatinį grįžtamąjį ryšį, kuris labiau atspindi tikras proceso sąlygas nei vienas, neprisijungęs laboratorinis mėginys. Greitas reagavimo laikas leidžia gauti tiesioginį grįžtamąjį ryšį, kuris yra gyvybiškai svarbus siekiant išvengti per didelio apdorojimo ir užtikrinti nuoseklią produkto kokybę. Šioje lentelėje apibendrintos pagrindinės techninės specifikacijos ir jų reikšmė pramoniniam naudojimui.
| Techninė specifikacija | Reikšmė iš dokumento | Pramoninis aktualumas ir pranašumas |
| Matavimo metodas | Vibracijos metodas | Užtikrina greitą reakciją, nereikalauja daug priežiūros ir yra atsparus užsikimšimui. |
| Klampumo diapazonas | 1–1 000 000 cP (neprivaloma) | Platus pritaikymas įvairiems skysčiams – nuo vandeningų skysčių iki tirštų suspensijų. |
| Neapdorotas tikslumas | ±2 % – ±5 % | Nurodo, kad norint pasiekti didesnį tikslumą, reikia sistemos lygio kalibravimo ir duomenų korekcijos. |
| Pakartojamumas | ±1 % – ±2 % | Parodo jutiklio nuoseklumą – pagrindinę duomenimis pagrįsto modeliavimo prielaidą. |
| Dizainas | Tvirtas strypo elementas, jokių judančių dalių, sandariklių ar guolių | Sumažina mechaninį nusidėvėjimą ir supaprastina valymą, idealiai tinka aukšto slėgio / aukštos temperatūros darbams. |
| Medžiaga | 316 nerūdijantis plienas (standartinis) | Užtikrina ilgaamžiškumą ir atsparumą korozinėms terpėms cheminėje ir bioprocesorinėje aplinkoje. |
| Pritaikymas | Prailginti zondai (500–2000 mm) | Leidžia montuoti iš viršaus į apačią reaktoriuose su ribotomis šoninėmis angomis – tai labai svarbi daugelio pramoninių įrenginių savybė. |
| Išvestis | 4–20 mA, RS485 | Standartinės pramoninės sąsajos, skirtos sklandžiai integracijai su PLC/DCS valdymo sistemomis. |
Duomenų sintezė ir mašininis mokymasis realaus laiko prognozavimui
Pertraukiami, bet labai tikslūs DNSA laboratorijos duomenys sujungiami su nuolatiniu duomenų srautu iš „Lonnmeter-ND“ viskozimetro ir kitų proceso jutiklių, siekiant sukurti nuspėjamąjį, duomenimis pagrįstą modelį. Šis metodas, pasitelkiantis mašininio mokymosi (ML) algoritmus, yra mechanizmas, leidžiantis pasiekti tikslinį tikslumą. ML modelis (pvz., atraminių vektorių mašinos, Gauso proceso regresija arba dirbtiniai neuroniniai tinklai) išmoksta sudėtingus, netiesinius ryšius tarp internetinių klampumo rodmenų, kitų proceso kintamųjų (temperatūros, slėgio) ir „tikrojo“ fermento aktyvumo, nustatyto DNSA tyrimu.
Šis suliejimo procesas yra labai svarbus. Vienas jutiklis yra jautrus įvairiems triukšmo šaltiniams, įskaitant elektrinius ir mechaninius trukdžius, taip pat jutiklio poslinkį. Mokydamasis išsamiame, daugiamodaliniame duomenų rinkinyje, ML modelis gali atpažinti ir filtruoti šiuos klaidingus signalus. Pavyzdžiui, laikinas slėgio svyravimas gali sukelti trumpą, klaidingą viskozimetro rodmens šuolį. ML modelis, pripažindamas, kad šis šuolis nekoreliuoja su temperatūros pokyčiu ar atitinkamu DNSA išvesties poslinkiu, gali ignoruoti arba matematiškai ištaisyti klaidingą duomenų tašką. Tai padidina sistemos našumą, gerokai viršijantį bet kurio vieno jutiklio neapdorotas specifikacijas.
Pramoninio įgyvendinimo iššūkių įveikimas
Vibruojantys viskozimetrai dėl savo prigimties yra jautrūs išorinėms mechaninėms vibracijoms ir elektromagnetiniams trukdžiams (EMI). Tokie šaltiniai kaip varikliai, siurbliai ir kita gamyklinė įranga gali sukelti mechaninį triukšmą, kuris tiesiogiai veikia jutiklio klampumo slopinimo matavimą, todėl rodmenys gali būti netikslūs arba svyruojantys. Panašiai EMI, kuris gali būti spinduliuojamas arba laidinis, gali trikdyti jutiklio elektroninę grandinę, iškraipydamas signalą ir pablogindamas veikimą.
Šiuos iššūkius gali veiksmingai sušvelninti keli inžineriniai sprendimai tiek aparatinės, tiek programinės įrangos lygmeniu. Aparatinės įrangos požiūriu, tinkamas montavimas yra nepaprastai svarbus. Jutiklis turėtų būti pastatytas ant stabilaus, nuo vibracijos izoliuoto laikiklio, atokiau nuo aukšto dažnio triukšmo šaltinių. Kai kuriuose viskozimetrų modeliuose yra „subalansuotas rezonatorius“ arba panašūs bendraašiai jutiklio elementai, kurie sukasi priešingomis kryptimis, efektyviai panaikindami išorinius reakcijos momentus jų tvirtinimo vietoje.
Programinės įrangos pusėje triukšmui filtruoti naudojami pažangūs signalo apdorojimo algoritmai. Ypač pažangus metodas apima antrinio jutiklio, pvz., išorinio akselerometro, naudojimą jutiklio korpuso išorinei vibracijai matuoti. Šis „triukšmo“ signalas kartu su pirminiu viskozimetro signalu tiekiamas į signalų procesorių. Procesorius naudoja filtravimo algoritmą išorinės vibracijos poveikiui atimti, taip gaudamas švaresnį ir tikslesnį rodmenį.Lonmetras-ND naudojamas elektromagnetinio slopinimo metodas su mikroprocesoriumi signalui konvertuoti iš esmės užtikrina tam tikrą filtravimo ir patikimumo lygį.
Ilgalaikis patikimumas, priežiūra ir autonominės sistemos
Duomenų vientisumo išlaikymas laikui bėgant yra nepaprastai svarbus bet kuriai internetinei procesų valdymo sistemai. Visi matavimo prietaisai yra linkę „dreifuoti“ – lėtai keisti savo veikimą dėl mechaninio susidėvėjimo, elektronikos degradacijos ar aplinkos veiksnių. Norint tai neutralizuoti, būtina atlikti reguliarų ir proaktyvų kalibravimą.
Sertifikuotų standartinių skysčių vaidmuo
Sertifikuotų etaloninių medžiagų (CRM) naudojimas yra pramonės standartas kalibruojant viskozimetrus. Tai skysčiai, dažniausiai silikoninės alyvos, pasižymintys sertifikuotomis Niutono savybėmis ir žinomu klampumu tam tikroje temperatūrų diapazone. Periodiškai internetinis viskozimetras pašalinamas iš proceso ir tikrinamas pagal vieną ar kelis iš šių standartų, siekiant patvirtinti jo tikslumą. Tai užtikrina, kad būtų išlaikytas pradinis prietaiso veikimas ir kad jo rodmenys būtų atsekami pagal nacionalinius ar tarptautinius standartus.
Nuspėjamosios priežiūros sistema
Nepertraukiamas duomenų srautas iš internetinio viskozimetro gali būti naudojamas ne tik poslinkio koregavimui, bet ir visapusiškai nuspėjamajai priežiūros strategijai įgyvendinti. Skysčio klampumo stebėjimas realiuoju laiku gali būti naudojamas kaip ankstyvas įspėjimas apie galimas problemas, tokias kaip vamzdžių apnašos ar užsikimšimai, prieš kuriuos dažnai pasikeičia skysčio reologija. Tai leidžia operatoriams imtis prevencinių priemonių sistemai išvalyti arba sureguliuoti prieš įvykstant katastrofiškam gedimui, taip sutaupant daug prastovų ir išlaidų.Lonmetras-ND mažai priežiūros reikalaujantis dizainas ir greitas reagavimo laikas daro jį ekonomišku ir patikimu komponentu tokio tipo strategijai.
Pramoninis pritaikymas ir kiekybiškai įvertinamas poveikis verslui
Celiuliazės hidrolizės optimizavimas
Pagrindinis šios technologijos pritaikymas yra celiuliazės sukeliamos hidrolizės optimizavimas pramoniniuose bioreaktoriuose. Tikslas – maksimaliai padidinti HMW celiuliazės/CMC pavertimą vertingais redukuojančiais cukrais, vengiant per didelio apdorojimo, kuris gali eikvoti energiją ir sumažinti bendrą produkto išeigą.
Įgyvendinant integruotąLonmetras-ND sistema leidžia operatoriams gauti nuolatinį, realaus laiko klampos rodmenį, kuris tiesiogiai koreliuoja su reakcijos eiga. Užuot pasikliavus rankiniu mėginių ėmimu ir daug laiko reikalaujančiu laboratoriniu tyrimu, siekiant nustatyti galutinį tašką, procesas gali būti automatiškai nutrauktas, kai internetinis klampos rodmuo pasiekia iš anksto sukalibruotą nustatytąją vertę. Tai užtikrina partijų nuoseklumą ir apsaugo nuo per didelio apdorojimo, todėl gamybos ciklas tampa efektyvesnis ir nuspėjamesnis. Sistemos gebėjimas pasiekti 0,3 % tikslumo tikslą užtikrina, kad galutinis taškas būtų pasiektas kuo tiksliau, garantuojant vienodą produkto kokybę.
Investicijų grąžos (ROI) kiekybinis įvertinimas
Šios technologijos diegimas suteikia aiškią ir kiekybiškai įvertinamą investicijų grąžą pagal kelis pagrindinius verslo rodiklius.
Padidėjęs produkto derlius ir kokybė
Galimybė stebėti ir valdyti fermentinę reakciją realiuoju laiku sumažina atliekas ir neatitinkančių specifikacijų produktų gamybą. Ši tiksli kontrolė lemia didesnę bendrą išeigą ir nuolat aukštesnės kokybės galutinį produktą, o tai tiesiogiai veikia pajamas.
Sumažintos eksploatavimo išlaidos
Sistema panaikina rankinio mėginių ėmimo ir laboratorinės analizės poreikį, nes tai yra daug darbo reikalaujanti ir brangi veikla. Be to, valdymas realiuoju laiku apsaugo nuo per didelio apdorojimo, o tai sumažina energijos suvartojimą ir brangių fermentų naudojimą. Mažai priežiūros reikalaujanti konstrukcijaLonmetras-ND sumažina prastovas ir remonto išlaidas, taip dar labiau sumažindamas eksploatacines išlaidas.
Patobulinta sprendimų parama ir gedimų diagnostika
Nuolatinis duomenų srautas iš viskozimetro, integruotas į valdymo sistemą (PLC/DCS), suteikia išsamų duomenų rinkinį pažangiai analizei. Šie duomenys gali būti naudojami modeliavimui ir imitavimui, o tai leidžia geriau priimti sprendimus ir greitai diagnozuoti gedimus. Pavyzdžiui, staigus, nepaaiškinamas klampumo pokytis gali signalizuoti apie siurblio gedimą arba žaliavos neatitikimą, todėl galima nedelsiant imtis taisomųjų veiksmų.
Žemiau esančioje lentelėje pateikiama siūlomos viskozimetrinės sistemos ir tradicinių laboratorinių mėginių ėmimo metodų lyginamoji analizė.
| Metrika | Tradicinis metodas (laboratorinis mėginių ėmimas) | Siūlomas metodas (Lonmetras-ND sistema) |
| Duomenų rinkimas | Periodinis rankinis mėginių ėmimas. | Nuolatinis, realaus laiko stebėjimas internetu. |
| Atsakymo laikas | Valandos ar dienos (dėl transportavimo ir laboratorinių tyrimų). | Momentinis. |
| Proceso valdymas | Uždelsti, reaktyvūs koregavimai. | Neatidėliotina, proaktyvi kontrolė. |
| Produkto nuoseklumas | Labai kintama kiekvienoje partijoje. | Didelis tikslumas ir nuoseklumas (0,3 % tikslinis). |
| Darbo sąnaudos | Aukštas (rankinis mėginių ėmimas, laboratorijos technikai). | Minimalus (automatizuota, integruota sistema). |
| Prastovos | Dažnas (dėl mėginių ėmimo, galimo viršijimo). | Sumažintas (nuspėjamoji priežiūra, nereikia laukti laboratorinių tyrimų rezultatų). |
The Lonmetras-ND yra daug daugiau nei paprastas jutiklis. Integruotas į išsamią, duomenimis pagrįstą sistemą, jis tampa galingu ir nepakeičiamu bioprocesų valdymo įrankiu.LonmetrasTvirtas, mažai priežiūros reikalaujantis ND dizainas ir greitas reagavimo laikas puikiai tinka atšiaurioms pramoninio bioapdorojimo sąlygoms.
Įrašo laikas: 2025 m. rugsėjo 10 d.
