Globālās biotehnoloģijas un bioapstrādes nozares piedzīvo fundamentālas pārmaiņas no tradicionālajām partiju ražošanas darbībām uz nepārtrauktu, automatizētu ražošanu. Reāllaika mērījumi uzrauga kritiskos procesa parametrus reāllaikā un piedāvā atbalstu savlaicīgai procesa optimizācijai. Tradicionālā viskozitātes mērīšana procesa kontrolē balstās uz periodisku manuālu paraugu ņemšanu un bezsaistes laboratorijas analīzi, radot ievērojamu neefektivitāti un riskus, kā arī izraisot aizkavētu procesa pielāgošanu, ražošanas pārtēriņu un specifikācijām neatbilstošu produktu ražošanu.
Enzimātiskās substrāta degradācijas reoloģija
Enzīmu un substrātu attiecības
Enzimātiskā hidrolīze ir katalītisks process, kurā enzīms veicina sarežģītas substrāta molekulas sadalīšanos mazākos komponentos. Konkrētajā gadījumā, kad celulāze iedarbojas uz augstas molekulmasas polisaharīdu, piemēram, karboksimetilcelulozi (CMC), enzīma galvenā funkcija ir hidrolizēt glikozīdiskās saites garajās polimēru ķēdēs. Šī darbība sistemātiski noārda CMC, samazinot tās ķēdes garumu un vidējo molekulmasu. Šīs reakcijas produkti, galvenokārt īsākas ķēdes reducējošie cukuri, procesam progresējot, uzkrājas šķīdumā. Šīs noārdīšanās ātrums ir tieši saistīts ar enzīma aktivitāti noteiktos darbības apstākļos – temperatūrā un pH līmenī.
Krāmera teorijas saistība
Saistība starp enzīmu aktivitāti un reakcijas vides fizikālajām īpašībām ir kritiski svarīgs apsvērums. Krāmera teorija, kas ir ķīmiskās kinētikas pamatprincips, postulē, ka procesus, kas ietver olbaltumvielu konformācijas izmaiņas, piemēram, enzīmu katalīzi, ietekmē apkārtējā šķīdinātāja viskozitāte. Palielinoties šķīdinātāja viskozitātei, palielinās arī berzes spēki, kas iedarbojas uz enzīma strukturālajiem domēniem. Šī paaugstinātā berze kavē nepieciešamās konformācijas izmaiņas, efektīvi palēninot katalītisko ciklu un samazinot maksimālo reakcijas ātrumu jeb Vmax.
Un otrādi, šķīduma makroskopiskās viskozitātes samazināšanās samazina šos berzes spēkus, kas saskaņā ar Krāmera teoriju veicinātu fermenta katalītisko funkciju. HMW substrāta degradācijas kontekstā fermenta aktivitāte tieši izraisa šķīduma viskozitātes samazināšanos, radot atgriezeniskās saites cilpu, kurā vides reoloģisko īpašību izmaiņas kalpo kā tiešs fermenta panākumu indikators.
Padziļināta iepazīšanās ar neņūtonisko reoloģiju
Ņūtona un neņūtona šķidrumu diferenciācija
Šķidruma reoloģisko uzvedību nosaka tā viskozitāte un tas, kā šī īpašība reaģē uz pielikto bīdes spriegumu. Ņūtona šķidrumam bīdes sprieguma (τ) un bīdes ātruma (γ˙) attiecība ir lineāra un tieši proporcionāla, kur proporcionalitātes konstante ir viskozitāte (μ). To var izteikt ar Ņūtona viskozitātes likumu:
τ=μγ˙
Turpretī neņūtoniskiem šķidrumiem ir sarežģītāka saistība, kur viskozitāte nav nemainīga, bet mainās atkarībā no bīdes ātruma. Šī uzvedība ir raksturīga daudziem sarežģītiem rūpnieciskiem šķidrumiem, tostarp polimēru šķīdumiem, piemēram, CMC.
HMW polimēru šķīdumu neņūtoniskā uzvedība
HMW polimēru degradācija pēc savas būtības ir neņūtonisks process. Polimēru šķīdumiem, piemēram, CMC, parasti piemīt bīdes retināšanas uzvedība, kur šķietamā viskozitāte samazinās, palielinoties bīdes ātrumam. Šī parādība tiek attiecināta uz garo polimēru spoļu atdalīšanos un izlīdzināšanos plūsmas virzienā, kas samazina šķidruma iekšējo berzi. Pie lielākām koncentrācijām (piemēram, virs 1%) daži CMC šķīdumi var pat uzrādīt sākotnēju bīdes sabiezēšanas uzvedību, kur viskozitāte palielinās līdz ar bīdes ātrumu plūsmas izraisītas makromolekulāru asociāciju veidošanās dēļ, kam seko bīdes retināšana pie lielākiem bīdes ātrumiem.
Celulāzes fermentatīvā iedarbība uz CMC būtiski maina šo reoloģisko profilu. Enzīmam šķeļot garās polimēru ķēdes, substrāta vidējā molekulmasa samazinās. Šī ķēdes garuma samazināšanās tieši samazina sapīšanās pakāpi un starpmolekulāro mijiedarbību. Līdz ar to šķīdums kļūst mazāk viskozs, un tā neņūtoniskās īpašības, īpaši bīdes retināšanās, mazinās. Dziļas izmaiņas šķidruma tilpuma reoloģijā, proti, ievērojama viskozitātes samazināšanās pie noteikta bīdes ātruma, kalpo kā skaidra notiekošās fermentatīvās degradācijas pazīme.
Kvantitatīvā viskozitātes un aktivitātes attiecība
Korelācija starp šķīduma tilpuma viskozitātes samazināšanos un substrāta molekulu vidējās molekulmasas samazināšanos ir labi dokumentēta. Tā kā celulāze šķeļ polimēru ķēdes, iegūtajiem fragmentiem ir ievērojami mazāka ietekme uz šķīduma kopējo viskozitāti. Šī saistība ļauj viskozitātei darboties kā spēcīgam reāllaika fermentatīvās reakcijas progresa rādītājs, kas ir daudz ātrāka alternatīva tradicionālajām laboratorijas analīzēm, kas var radīt ievērojamu kavēšanos.
Nepārtraukti mērījumi no tiešsaistes viskozimetra darbojas kā ļoti jutīga šīs strukturālās izmaiņas zonde. Viskozitātes kritums pie noteikta bīdes ātruma sniedz tiešu, kvantificējamu norādi par substrāta konversijas apjomu un, līdz ar to, par enzīma aktivitāti. Tas ir zinātnisks pamatojums Lonnmeter-ND viskozimetra izmantošanai kā nepārtrauktam, netiešam fermentatīvās reakcijas progresa mērījumam.
TheLonmetrs-ND vibrācijas viskozimetrs
Darbības princips: vibrācijas metode
Lonnmeter-ND tiešsaistes viskozimetrs darbojas pēc vibrācijas metodes principa, kas ir stabila un uzticama tehnika rūpnieciskiem lietojumiem. Instrumenta sensora elements ir ciets stienis, kas tiek ierosināts svārstīties un rotēt pa savu aksiālo virzienu noteiktā frekvencē. Iegremdējot šķidrumā, šai vibrācijai pretojas šķidruma viskozitāte, kas ir tā iekšējās berzes mērs. Pretestība rada slāpēšanas efektu vai enerģijas zudumu no vibrējošā elementa. Elektroniskā shēma nosaka šo enerģijas zudumu, un mikroprocesors pārveido signālu viskozitātes rādījumā. Galvenais mērījums ir balstīts uz elektromagnētiskās svārstību viļņu formas sabrukšanu, kur signāls ir proporcionāls instrumenta koeficienta un vibrācijas slāpēšanas koeficienta (λδ) reizinājumam.
Šī metode atšķiras no citām viskozimetrijas metodēm, piemēram, kapilārās, rotācijas vai krītošās lodītes metodēm. Atšķirībā no šīm alternatīvām, vibrācijas metode nodrošina ļoti ātru reakcijas laiku un ir ļoti izturīga pret uzstādīšanas vidi. Tā arī vienkāršo sistēmu, novēršot nepieciešamību pēc kustīgām detaļām, blīvēm vai gultņiem.
Tehniskās specifikācijas un iespējas
Lonnmeter-ND viskozimetrs ir izstrādāts, lai atbilstu rūpniecisko procesu vadības stingrajām prasībām. Tas piedāvā plašu viskozitātes mērīšanas diapazonu no 1 līdz 1 000 000 cP, un to var pielāgot ļoti biezai un viskozai vielai, mainot sensora formu. Instrumenta pamata precizitāte ir noteikta ±2–5% ar atkārtojamību ±1–2% Ņūtona šķidrumiem, lai gan tas joprojām var konsekventi atspoguļot procesa viskozitātes izmaiņas neņūtona šķidrumos.
Augstas temperatūras un augsta spiediena pielietojumiem viskozimetrs parasti ir izgatavots no 316 nerūsējošā tērauda, un īpašiem vides apstākļiem ir pieejamas tādas īpašas materiālu kā teflona vai Hastelloy iespējas. Integrēšanai bioreaktoros uzņēmums ir izstrādājis versiju ar pagarinātu ievietošanas zondi, kuras garums ir no 500 mm līdz 2000 mm, kas ļauj to tieši ievietot reakcijas traukos no augšas uz leju.
Dizaina priekšrocības sarežģītās vidēs
Lonnmeter-ND dizains ir ļoti optimizēts rūpnieciska mēroga bioapstrādei. Tā ātrais reakcijas laiks un spēja darboties augstā temperatūrā un spiedienā ir ļoti svarīga reāllaika vadībai. Kustīgu daļu neesamība ne tikai samazina apkopi, bet arī vienkāršo tīrīšanu un sterilizāciju (CIP/SIP saderība), kas ir būtiski aseptisku apstākļu uzturēšanai bioreaktoru vidē. Sensora viena atklāta elementa konstrukcija un nepārtrauktā vibrācija padara to pašattīrošu, novēršot produkta uzkrāšanos uz sensora virsmas, kas pretējā gadījumā varētu novest pie neprecīziem rādījumiem.
Vibrācijas metodes zemā jutība pret uzstādīšanas apstākļiem nozīmē, ka Lonnmeter-ND var novietot tieši līnijā, nodrošinot nepārtrauktu atgriezenisko saiti, kas precīzāk atspoguļo patiesos procesa apstākļus nekā atsevišķs, bezsaistes laboratorijas paraugs. Ātrais reakcijas laiks nodrošina tūlītēju atgriezenisko saiti, kas ir ļoti svarīgi, lai novērstu pārmērīgu apstrādi un nodrošinātu nemainīgu produkta kvalitāti. Nākamajā tabulā ir apkopotas galvenās tehniskās specifikācijas un to ietekme uz rūpniecisko lietošanu.
| Tehniskā specifikācija | Vērtība no dokumenta | Rūpnieciskā atbilstība un priekšrocības |
| Mērīšanas metode | Vibrācijas metode | Nodrošina ātru reaģēšanu, zemu apkopes nepieciešamību un ir izturīgs pret aizsērēšanu. |
| Viskozitātes diapazons | 1–1 000 000 cP (pēc izvēles) | Plaša pielietojamība dažādiem šķidrumiem, sākot no ūdeņainiem šķidrumiem līdz biezām suspensijām. |
| Neapstrādāta precizitāte | ±2% - ±5% | Norāda uz nepieciešamību pēc sistēmas līmeņa kalibrēšanas un datu korekcijas, lai sasniegtu lielāku precizitāti. |
| Atkārtojamība | ±1% - ±2% | Demonstrē sensora konsekvenci, kas ir galvenais priekšnoteikums datu vadītai modelēšanai. |
| Dizains | Ciets stieņa elements, bez kustīgām daļām, blīvēm vai gultņiem | Samazina mehānisko nodilumu un vienkāršo tīrīšanu, ideāli piemērots augstspiediena/augstas temperatūras pielietojumiem. |
| Materiāls | 316 nerūsējošais tērauds (standarta) | Nodrošina izturību un noturību pret kodīgām vielām ķīmiskās un bioapstrādes vidē. |
| Pielāgošana | Pagarinātas zondes (500–2000 mm) | Ļauj uzstādīt no augšas uz leju reaktoros ar ierobežotām sānu atverēm, kas ir kritiski svarīga iezīme daudzās rūpnieciskās iekārtās. |
| Izvade | 4–20 mA, RS485 | Standarta rūpnieciskās saskarnes nemanāmai integrācijai ar PLC/DCS vadības sistēmām. |
Datu sapludināšana un mašīnmācīšanās reāllaika prognozēšanai
Periodiski, bet ļoti precīzi DNSA laboratorijas dati tiek apvienoti ar nepārtrauktu datu plūsmu no Lonnmeter-ND viskozimetra un citiem procesa sensoriem, lai izveidotu paredzamu, uz datiem balstītu modeli. Šī pieeja, izmantojot mašīnmācīšanās (ML) algoritmus, ir mehānisms mērķa precizitātes sasniegšanai. ML modelis (piemēram, atbalsta vektoru mašīnas, Gausa procesa regresija vai mākslīgie neironu tīkli) apgūst sarežģītas, nelineāras attiecības starp tiešsaistes viskozitātes rādījumiem, citiem procesa mainīgajiem (temperatūra, spiediens) un "patieso" enzīmu aktivitāti, kas noteikta ar DNSA testu.
Šis saplūšanas process ir kritiski svarīgs. Viens sensors ir uzņēmīgs pret dažādiem trokšņa avotiem, tostarp elektriskiem un mehāniskiem traucējumiem, kā arī sensora nobīdi. Apmācot visaptverošu, multimodālu datu kopu, ML modelis var identificēt un filtrēt šos viltus signālus. Piemēram, īslaicīga spiediena svārstība var izraisīt īslaicīgu, kļūdainu viskozimetra rādījuma smaili. ML modelis, atzīstot, ka šis smaile nekorelē ar temperatūras izmaiņām vai atbilstošu DNSA izejas nobīdi, var ignorēt vai matemātiski labot kļūdaino datu punktu. Tas paaugstina sistēmas veiktspēju, kas ievērojami pārsniedz jebkura atsevišķa sensora neapstrādātās specifikācijas.
Rūpnieciskās ieviešanas izaicinājumu pārvarēšana
Vibrējošie viskozimetri pēc savas būtības ir jutīgi pret ārējām mehāniskām vibrācijām un elektromagnētiskajiem traucējumiem (EMI). Tādi avoti kā motori, sūkņi un citas rūpnīcas iekārtas var radīt mehānisku troksni, kas tieši ietekmē sensora viskozās slāpēšanas mērījumus, izraisot neprecīzus vai svārstīgus rādījumus. Līdzīgi EMI, kas var tikt izstaroti vai vadīti, var traucēt sensora elektronisko shēmu darbību, bojājot signālu un pasliktinot veiktspēju.
Vairāki inženiertehniskie risinājumi gan aparatūras, gan programmatūras līmenī var efektīvi mazināt šīs problēmas. No aparatūras viedokļa pareiza uzstādīšana ir ārkārtīgi svarīga. Sensors jānovieto uz stabila, vibrāciju izolēta stiprinājuma, prom no augstfrekvences trokšņa avotiem. Dažās viskozimetra konstrukcijās ir iekļauts "līdzsvarots rezonators" vai līdzīgi koaksiāli sensora elementi, kas griežas pretējos virzienos, efektīvi atceļot ārējos reakcijas griezes momentus uz to stiprinājuma.
Programmatūras pusē trokšņu filtrēšanai tiek izmantoti uzlaboti signālu apstrādes algoritmi. Īpaši uzlabota metode ietver sekundārā sensora, piemēram, ārējā akselerometra, izmantošanu, lai mērītu sensora korpusa ārējo vibrāciju. Šis "trokšņa" signāls pēc tam tiek padots signāla procesoram kopā ar primārā viskozimetra signālu. Procesors izmanto filtrēšanas algoritmu, lai atņemtu ārējās vibrācijas ietekmi, iegūstot tīrāku un precīzāku nolasījumu.Lonmetrs-ND izmantotā elektromagnētiskās sabrukšanas metode ar mikroprocesoru signāla pārveidošanai pēc būtības nodrošina zināmu filtrēšanas un robustuma līmeni.
Ilgtermiņa uzticamība, apkope un autonomās sistēmas
Datu integritātes saglabāšana laika gaitā ir ārkārtīgi svarīga jebkurai tiešsaistes procesu vadības sistēmai. Visi mērinstrumenti ir pakļauti "nobīdei" — lēnām veiktspējas izmaiņām mehāniska nodiluma, elektronikas degradācijas vai vides faktoru dēļ. Lai to novērstu, ir nepieciešama proaktīva un regulāra kalibrēšana.
Sertificētu standarta šķidrumu loma
Sertificētu references materiālu (CRM) izmantošana ir nozares standarts viskozimetru kalibrēšanā. Tie ir šķidrumi, visbiežāk silikona eļļas, kam piemīt sertificēta Ņūtona uzvedība ar zināmu viskozitāti dažādās temperatūrās. Periodiski tiešsaistes viskozimetrs tiek izņemts no procesa un pārbaudīts atbilstoši vienam vai vairākiem no šiem standartiem, lai apstiprinātu tā precizitāti. Tas nodrošina, ka tiek saglabāta instrumenta sākotnējā veiktspēja un ka tā rādījumi ir izsekojami līdz valsts vai starptautiskajiem standartiem.
Paredzamās apkopes ietvars
Papildus vienkāršai nobīdes korekcijai nepārtraukto datu plūsmu no tiešsaistes viskozimetra var izmantot, lai ieviestu visaptverošu paredzamo apkopes stratēģiju. Šķidruma viskozitātes uzraudzība reāllaikā var kalpot kā agrīns brīdinājums par iespējamām problēmām, piemēram, cauruļu kaļķakmens veidošanos vai aizsprostojumiem, kam bieži vien seko izmaiņas šķidruma reoloģijā. Tas ļauj operatoriem veikt preventīvus pasākumus, lai iztīrītu vai pielāgotu sistēmu pirms katastrofālas kļūmes, tādējādi ievērojami ietaupot dīkstāves laiku un izmaksas.Lonmetrs-ND mazprasīgā apkope un ātrais reakcijas laiks padara to par rentablu un uzticamu komponentu šāda veida stratēģijai.
Rūpnieciskie pielietojumi un kvantificējama ietekme uz uzņēmējdarbību
Celulāzes hidrolīzes optimizācija
Šīs tehnoloģijas galvenais pielietojums ir celulāzes mediētas hidrolīzes optimizācija rūpnieciskajos bioreaktoros. Mērķis ir maksimāli palielināt HMW celulāzes/CMC pārvēršanu vērtīgos reducējošos cukuros, vienlaikus izvairoties no pārmērīgas apstrādes, kas var izšķērdēt enerģiju un samazināt kopējo produkta ražu.
Ieviešot integrētoLonmetrs-ND sistēmā operatori var iegūt nepārtrauktu, reāllaika viskozitātes rādījumu, kas tieši korelē ar reakcijas progresu. Tā vietā, lai paļautos uz manuālu paraugu ņemšanu un laikietilpīgu laboratorijas testu, lai noteiktu galapunktu, procesu var automātiski pārtraukt, kad tiešsaistes viskozitātes rādījums sasniedz iepriekš kalibrētu iestatījumu. Tas nodrošina partiju konsekvenci un novērš pārmērīgu apstrādi, tādējādi padarot ražošanas ciklu efektīvāku un paredzamāku. Sistēmas spēja sasniegt 0,3% precizitātes mērķi nodrošina, ka galapunkts tiek sasniegts ar visaugstāko iespējamo precizitāti, garantējot vienmērīgu produkta kvalitāti.
Ieguldījumu atdeves (ROI) kvantitatīva noteikšana
Šīs tehnoloģijas ieviešana piedāvā skaidru un izmērāmu ieguldījumu atdevi vairākos galvenajos biznesa rādītājos.
Palielināta produkcijas raža un kvalitāte
Iespēja uzraudzīt un kontrolēt fermentatīvo reakciju reāllaikā samazina atkritumus un neatbilstošas kvalitātes produktu ražošanu. Šī precīzā kontrole nodrošina lielāku kopējo ražu un pastāvīgi augstākas kvalitātes galaproduktu, kas tieši ietekmē ieņēmumus.
Samazinātas ekspluatācijas izmaksas
Sistēma novērš nepieciešamību pēc manuālas paraugu ņemšanas un laboratorijas analīzes, kas ir darbietilpīgas un dārgas darbības. Turklāt reāllaika kontrole novērš pārmērīgu apstrādi, kas samazina enerģijas patēriņu un dārgu enzīmu izmantošanu. Ierīces mazprasīgā apkopeLonmetrs-ND samazina dīkstāves laiku un remonta izmaksas, tādējādi vēl vairāk veicinot darbības ietaupījumus.
Uzlabots lēmumu atbalsts un kļūdu diagnostika
Nepārtrauktā datu plūsma no viskozimetra, integrēta vadības sistēmā (PLC/DCS), nodrošina bagātīgu datu kopu progresīvai analītikai. Šos datus var izmantot modelēšanai un simulācijai, nodrošinot labāku lēmumu pieņemšanu un ātru kļūmju diagnostiku. Piemēram, pēkšņas, neizskaidrojamas viskozitātes izmaiņas varētu liecināt par sūkņa kļūmi vai izejvielu neatbilstību, ļaujot nekavējoties veikt koriģējošas darbības.
Zemāk esošajā tabulā ir sniegta piedāvātās viskozometriskās sistēmas salīdzinošā analīze, salīdzinot ar tradicionālajām laboratorijas paraugu ņemšanas metodēm.
| Metrika | Tradicionālā metode (laboratorijas paraugu ņemšana) | Piedāvātā metode (Lonmetrs-ND sistēma) |
| Datu iegūšana | Periodiska, manuāla paraugu ņemšana. | Nepārtraukta, reāllaika tiešsaistes uzraudzība. |
| Atbildes laiks | Stundas vai pat dienas (transporta un laboratorijas analīžu dēļ). | Tūlītējs. |
| Procesa kontrole | Aizkavētas, reaģējošas korekcijas. | Tūlītēja, proaktīva kontrole. |
| Produkta konsekvence | Ļoti mainīgs no partijas uz partiju. | Augsta precizitāte un konsekvence (0,3% mērķis). |
| Darbaspēka izmaksas | Augsts (manuāla paraugu ņemšana, laboratorijas tehniķi). | Minimāla (automatizēta, iebūvēta sistēma). |
| Dīkstāve | Bieža (paraugu ņemšanai, iespējamai pārtēriņam). | Samazināta (prognozējoša apkope, nav jāgaida laboratorijas rezultāti). |
The Lonmetrs-ND ir daudz vairāk nekā tikai vienkāršs sensors. Integrēts visaptverošā, uz datiem balstītā sistēmā, tas kļūst par jaudīgu un neaizstājamu instrumentu bioprocesu kontrolei.Lonmetrs-ND izturīgais, mazprasīgais dizains un ātrais reaģēšanas laiks ir labi piemēroti rūpnieciskās bioapstrādes skarbajiem apstākļiem.
Publicēšanas laiks: 2025. gada 10. septembris
