De wereldwijde biotechnologie- en bioprocesindustrieën ondergaan een fundamentele verschuiving van traditionele batchprocessen naar continue, geautomatiseerde productie. Realtime metingen bewaken kritische procesparameters in realtime en bieden ondersteuning bij procesoptimalisatie. Conventionele viscositeitsmeting in procesbeheer is gebaseerd op periodieke handmatige bemonstering en offline laboratoriumanalyse, wat aanzienlijke inefficiënties en risico's met zich meebrengt en leidt tot vertraagde procesaanpassingen, productieoverschrijdingen en de productie van producten die niet aan de specificaties voldoen.
De reologie van enzymatische substraatafbraak
De relatie tussen enzym en substraat
Enzymatische hydrolyse is een katalytisch proces waarbij een enzym de splitsing van een complex substraatmolecuul in kleinere componenten mogelijk maakt. In het specifieke geval van cellulase dat inwerkt op een polysaccharide met een hoog moleculair gewicht, zoals carboxymethylcellulose (CMC), is de primaire functie van het enzym het hydrolyseren van de glycosidische bindingen binnen de lange polymeerketens. Deze actie breekt de CMC systematisch af, waardoor de ketenlengte en het gemiddelde molecuulgewicht ervan afnemen. De producten van deze reactie, voornamelijk reducerende suikers met kortere ketens, hopen zich op in de oplossing naarmate het proces vordert. De snelheid van deze afbraak is rechtstreeks gerelateerd aan de activiteit van het enzym onder specifieke bedrijfsomstandigheden van temperatuur en pH.
De connectie met de theorie van Kramers
De relatie tussen enzymactiviteit en de fysische eigenschappen van het reactiemedium is een cruciale factor. De theorie van Kramers, een fundamenteel principe in de chemische kinetiek, stelt dat processen waarbij conformationele veranderingen in eiwitten optreden, zoals enzymkatalyse, worden beïnvloed door de viscositeit van het omringende oplosmiddel. Naarmate de viscositeit van het oplosmiddel toeneemt, nemen ook de wrijvingskrachten toe die inwerken op de structurele domeinen van het enzym. Deze verhoogde wrijving remt de noodzakelijke conformationele veranderingen, waardoor de katalytische cyclus effectief wordt vertraagd en de maximale reactiesnelheid, of Vmax, wordt verlaagd.
Omgekeerd vermindert een afname van de macroscopische viscositeit van de oplossing deze wrijvingskrachten, wat volgens de theorie van Kramers de katalytische functie van het enzym zou vergemakkelijken. In de context van de afbraak van substraten met een hoog moleculair gewicht veroorzaakt de activiteit van het enzym direct een verlaging van de viscositeit van de oplossing, waardoor een feedbacklus ontstaat waarbij de verandering in de reologische eigenschappen van het medium een directe indicator is van het succes van het enzym.
Een diepgaande analyse van niet-Newtoniaanse reologie
Het onderscheiden van Newtoniaanse en niet-Newtoniaanse vloeistoffen
Het reologische gedrag van een vloeistof wordt bepaald door de viscositeit en hoe die eigenschap reageert op toegepaste schuifspanning. Voor een Newtoniaanse vloeistof is de relatie tussen schuifspanning (τ) en schuifsnelheid (γ˙) lineair en recht evenredig, waarbij de viscositeit (μ) de evenredigheidsconstante is. Dit kan worden uitgedrukt door de wet van Newton voor viscositeit:
τ=μγ˙
Niet-Newtoniaanse vloeistoffen vertonen daarentegen een complexere relatie, waarbij de viscositeit niet constant is, maar varieert met de schuifsnelheid. Dit gedrag is kenmerkend voor veel complexe industriële vloeistoffen, waaronder polymeeroplossingen zoals CMC.
Het niet-Newtoniaanse gedrag van HMW-polymeeroplossingen
De afbraak van HMW-polymeren is inherent een niet-Newtoniaans proces. Polymeeroplossingen zoals CMC vertonen doorgaans schuifverdunnend gedrag, waarbij de schijnbare viscositeit afneemt naarmate de schuifsnelheid toeneemt. Dit fenomeen wordt toegeschreven aan het ontwarren en uitlijnen van de lange polymeerspiralen in de richting van de stroming, wat de interne wrijving van de vloeistof vermindert. Bij hogere concentraties (bijvoorbeeld boven 1%) kunnen sommige CMC-oplossingen zelfs initieel schuifverdikkend gedrag vertonen, waarbij de viscositeit toeneemt met de schuifsnelheid als gevolg van de door de stroming geïnduceerde vorming van macromoleculaire associaties, gevolgd door schuifverdunning bij hogere schuifsnelheden.
De enzymatische werking van cellulase op CMC verandert dit reologische profiel fundamenteel. Terwijl het enzym de lange polymeerketens splitst, neemt het gemiddelde molecuulgewicht van het substraat af. Deze verkorting van de ketenlengte vermindert direct de mate van verstrengeling en intermoleculaire interacties. Daardoor wordt de oplossing minder viskeus en nemen de niet-Newtoniaanse eigenschappen, met name de afschuifverdunning, af. Een ingrijpende verandering in de bulkreologie van de vloeistof – met name een significante afname van de viscositeit bij een gegeven afschuifsnelheid – is een duidelijk teken van de voortgaande enzymatische afbraak.
De kwantitatieve relatie tussen viscositeit en activiteit
De correlatie tussen de afname van de bulkviscositeit van een oplossing en de reductie van het gemiddelde molecuulgewicht van de substraatmoleculen is goed gedocumenteerd. Naarmate cellulase de polymeerketens splitst, dragen de resulterende fragmenten aanzienlijk minder bij aan de totale viscositeit van de oplossing. Deze relatie maakt viscositeit tot een krachtige, realtime indicator voor de voortgang van de enzymatische reactie, een veel sneller alternatief voor traditionele laboratoriumtests die aanzienlijke vertragingen kunnen veroorzaken.
De continue meting met een online viscometer fungeert als een zeer gevoelige sonde voor deze structurele verandering. De daling van de viscositeit bij een gegeven schuifsnelheid geeft een directe, kwantificeerbare indicatie van de mate van substraatomzetting en, bij uitbreiding, van de enzymactiviteit. Dit is de wetenschappelijke rechtvaardiging voor het gebruik van de Lonnmeter-ND viscometer als een continue, indirecte meting van de voortgang van een enzymatische reactie.
DeLonnmeter-ND Trillende Viscometer
Werkingsprincipe: De vibratiemethode
De Lonnmeter-ND online viscometer werkt volgens het vibratieprincipe, een robuuste en betrouwbare techniek voor industriële toepassingen. Het sensorelement van het instrument is een massieve staaf die in trilling wordt gebracht en roteert langs de as met een specifieke frequentie. Wanneer deze staaf in een vloeistof wordt ondergedompeld, wordt deze trilling tegengewerkt door de viscositeit van de vloeistof, een maat voor de interne wrijving. Deze weerstand resulteert in een dempingseffect, oftewel een energieverlies van het trillende element. Een elektronisch circuit detecteert dit energieverlies en een microprocessor zet het signaal om in een viscositeitsmeting. De kernmeting is gebaseerd op de afname van een elektromagnetische oscillatiegolf, waarbij het signaal evenredig is met het product van een instrumentcoëfficiënt en de trillingsdempingscoëfficiënt (λδ).
Deze methode staat in contrast met andere viscositeitsmetingen, zoals de capillaire, rotatie- of vallende-kogelmethode. In tegenstelling tot deze alternatieven biedt de vibratiemethode een zeer snelle respons en is deze vrijwel ongevoelig voor de installatieomgeving. Bovendien vereenvoudigt het systeem doordat er geen bewegende onderdelen, afdichtingen of lagers nodig zijn.
Technische specificaties en mogelijkheden
De Lonnmeter-ND viscometer is ontworpen om te voldoen aan de hoge eisen van industriële procescontrole. Het instrument biedt een breed viscositeitsmeetbereik van 1 tot 1.000.000 cP en kan worden aangepast voor zeer dikke en viskeuze media door de vorm van de sensor te wijzigen. De basisnauwkeurigheid van het instrument is gespecificeerd op ±2-5% met een herhaalbaarheid van ±1-2% voor Newtoniaanse vloeistoffen, hoewel het ook consistent procesviscositeitsveranderingen in niet-Newtoniaanse vloeistoffen kan weergeven.
Voor toepassingen bij hoge temperaturen en hoge drukken wordt de viscometer doorgaans vervaardigd van roestvrij staal 316, met opties voor speciale materialen zoals Teflon of Hastelloy voor specifieke omgevingsomstandigheden. Voor integratie in bioreactoren heeft het bedrijf een versie ontwikkeld met een verlengde insteeksonde, variërend in lengte van 500 mm tot 2000 mm, waardoor directe inbrenging van bovenaf in reactievaten mogelijk is.
Ontwerpvoordelen voor uitdagende omgevingen
Het ontwerp van de Lonnmeter-ND is sterk geoptimaliseerd voor bioprocessen op industriële schaal. De snelle responstijd en het vermogen om te werken bij hoge temperaturen en drukken zijn cruciaal voor realtime controle. De afwezigheid van bewegende onderdelen vermindert niet alleen het onderhoud, maar vereenvoudigt ook de reiniging en sterilisatie (CIP/SIP-compatibiliteit), wat essentieel is voor het handhaven van aseptische omstandigheden in bioreactoromgevingen. Het ontwerp met één blootgesteld element en continue trillingen van de sensor zorgt ervoor dat deze inherent zelfreinigend is, waardoor de ophoping van product op het sensoroppervlak wordt voorkomen, wat anders zou leiden tot onnauwkeurige metingen.
De lage gevoeligheid van de vibratiemethode voor installatieomstandigheden betekent dat de Lonnmeter-ND direct inline geplaatst kan worden. Dit levert continue feedback op die een betere weergave is van de werkelijke procesomstandigheden dan een enkele, offline laboratoriummeting. De snelle responstijd maakt directe feedback mogelijk, wat essentieel is om overbewerking te voorkomen en een consistente productkwaliteit te garanderen. De volgende tabel geeft een overzicht van de belangrijkste technische specificaties en hun implicaties voor industrieel gebruik.
| Technische specificatie | Waarde uit document | Relevantie en voordeel voor de industrie |
| Meetmethode | Trillingsmethode | Biedt snelle respons, vereist weinig onderhoud en is bestand tegen verstopping. |
| Viscositeitsbereik | 1 - 1.000.000 cP (optioneel) | Breed toepasbaar voor diverse vloeistoffen, van waterige vloeistoffen tot dikke slurries. |
| Ruwe nauwkeurigheid | ±2% - ±5% | Dit wijst op de noodzaak van kalibratie en gegevenscorrectie op systeemniveau om een hogere precisie te bereiken. |
| Herhaalbaarheid | ±1% - ±2% | Toont de consistentie van de sensor aan, een belangrijke voorwaarde voor datagestuurde modellering. |
| Ontwerp | Massief staafvormig element, zonder bewegende onderdelen, afdichtingen of lagers. | Minimaliseert mechanische slijtage en vereenvoudigt de reiniging, ideaal voor toepassingen onder hoge druk en hoge temperatuur. |
| Materiaal | 316 roestvrij staal (standaard) | Garandeert duurzaamheid en weerstand tegen corrosieve media in chemische en bioprocesomgevingen. |
| Aanpassing | Verlengde sondes (500-2000 mm) | Maakt installatie van bovenaf mogelijk in reactoren met beperkte zijopeningen, een cruciale eigenschap voor veel industriële installaties. |
| Uitvoer | 4-20mA, RS485 | Standaard industriële interfaces voor naadloze integratie met PLC/DCS-besturingssystemen. |
Datafusie en machinaal leren voor realtime voorspellingen
De intermitterende maar zeer nauwkeurige DNSA-laboratoriumgegevens worden samengevoegd met de continue datastroom van de Lonnmeter-ND-viscometer en andere processensoren om een voorspellend, datagestuurd model te creëren. Deze aanpak, waarbij gebruik wordt gemaakt van machine learning (ML)-algoritmen, is het mechanisme om de beoogde precisie te bereiken. Het ML-model (bijvoorbeeld Support Vector Machines, Gaussiaanse procesregressie of kunstmatige neurale netwerken) leert de complexe, niet-lineaire verbanden tussen de online viscositeitsmetingen, andere procesvariabelen (temperatuur, druk) en de "werkelijke" enzymactiviteit zoals bepaald door de DNSA-test.
Dit fusieproces is cruciaal. Een enkele sensor is gevoelig voor diverse ruisbronnen, waaronder elektrische en mechanische interferentie, evenals sensordrift. Door te trainen op een uitgebreide, multimodale dataset kan het ML-model deze valse signalen identificeren en filteren. Een tijdelijke drukschommeling kan bijvoorbeeld een korte, foutieve piek in de viscositeitsmeterwaarde veroorzaken. Het ML-model, dat herkent dat deze piek niet correleert met een temperatuurverandering of een overeenkomstige verschuiving in de DNSA-uitvoer, kan het foutieve datapunt negeren of wiskundig corrigeren. Dit tilt de prestaties van het systeem aanzienlijk naar een hoger niveau dan de ruwe specificaties van een enkele sensor.
Het overwinnen van uitdagingen bij industriële implementatie
Vibrerende viscometers zijn van nature gevoelig voor externe mechanische trillingen en elektromagnetische interferentie (EMI). Bronnen zoals motoren, pompen en andere fabrieksapparatuur kunnen mechanische ruis genereren die de meting van de viskeuze demping door de sensor direct beïnvloedt, wat leidt tot onnauwkeurige of fluctuerende metingen. Evenzo kan EMI, dat zowel uitgestraald als geleid kan zijn, de elektronische schakelingen van de sensor verstoren, waardoor het signaal wordt vervormd en de prestaties afnemen.
Verschillende technische oplossingen, zowel op hardware- als softwareniveau, kunnen deze uitdagingen effectief verhelpen. Vanuit hardwareperspectief is een correcte installatie van cruciaal belang. De sensor moet op een stabiele, trillingsvrije ondergrond worden geplaatst, uit de buurt van bronnen van hoogfrequent geluid. Sommige viscometers bevatten een "gebalanceerde resonator" of vergelijkbare coaxiale sensorelementen die in tegengestelde richting draaien, waardoor externe reactiemomenten op de ondergrond effectief worden opgeheven.
Aan de softwarekant worden geavanceerde signaalverwerkingsalgoritmen gebruikt om ruis te filteren. Een bijzonder geavanceerde methode maakt gebruik van een secundaire sensor, zoals een externe accelerometer, om de externe trillingen van de sensorbehuizing te meten. Dit "ruissignaal" wordt vervolgens samen met het primaire viscositeitsmetersignaal naar een signaalprocessor gestuurd. De processor gebruikt een filteralgoritme om het effect van de externe trillingen af te trekken, wat resulteert in een schonere en nauwkeurigere meting.Lonnmeter-ND's gebruik van een elektromagnetische vervalmethode met een microprocessor voor signaalconversie biedt inherent een zekere mate van filtering en robuustheid.
Betrouwbaarheid op lange termijn, onderhoud en autonome systemen
Het waarborgen van de data-integriteit is van cruciaal belang voor elk online procesbesturingssysteem. Alle meetinstrumenten zijn onderhevig aan "drift", een langzame verandering in prestaties als gevolg van mechanische slijtage, elektronische degradatie of omgevingsfactoren. Om dit tegen te gaan, is proactieve, regelmatige kalibratie essentieel.
De rol van gecertificeerde standaardvloeistoffen
Het gebruik van gecertificeerde referentiematerialen (CRM's) is de industriestandaard voor het kalibreren van viscometers. Dit zijn vloeistoffen, meestal siliconenoliën, die een gecertificeerd, Newtoniaans gedrag vertonen met een bekende viscositeit over een bepaald temperatuurbereik. Periodiek wordt de online viscometer uit het proces gehaald en gecontroleerd aan de hand van een of meer van deze standaarden om de nauwkeurigheid te bevestigen. Dit zorgt ervoor dat de basisprestaties van het instrument behouden blijven en dat de metingen traceerbaar blijven naar nationale of internationale standaarden.
Kader voor voorspellend onderhoud
Naast het corrigeren van drift, kan de continue datastroom van de online viscometer worden gebruikt om een uitgebreide strategie voor voorspellend onderhoud te implementeren. Realtime monitoring van de vloeistofviscositeit kan dienen als een vroegtijdige waarschuwing voor potentiële problemen zoals kalkaanslag of verstoppingen in leidingen, die vaak voorafgaan aan een verandering in de reologie van de vloeistof. Dit stelt operators in staat om preventieve maatregelen te nemen om het systeem te reinigen of aan te passen voordat een catastrofale storing optreedt, waardoor aanzienlijke stilstandtijd en kosten worden bespaard.Lonnmeter- Dankzij het onderhoudsarme ontwerp en de snelle reactietijd is ND een kosteneffectief en betrouwbaar onderdeel voor dit type strategie.
Industriële toepassingen en meetbare zakelijke impact
Optimalisatie van cellulasehydrolyse
Een belangrijke toepassing voor deze technologie is de optimalisatie van cellulase-gemedieerde hydrolyse in industriële bioreactoren. Het doel is om de omzetting van HMW-cellulase/CMC in waardevolle reducerende suikers te maximaliseren en tegelijkertijd oververwerking te vermijden, wat energieverspilling en een lagere productopbrengst tot gevolg kan hebben.
Door de geïntegreerde aanpak te implementerenLonnmeterMet het ND-systeem kunnen operators continu en in realtime de viscositeit meten, wat direct verband houdt met de voortgang van de reactie. In plaats van te vertrouwen op handmatige bemonstering en een tijdrovende laboratoriumanalyse om het eindpunt te bepalen, kan het proces automatisch worden beëindigd wanneer de online viscositeitsmeting een vooraf gekalibreerd instelpunt bereikt. Dit garandeert consistentie tussen batches en voorkomt oververwerking, wat leidt tot een efficiëntere en voorspelbaardere productiecyclus. De mogelijkheid van het systeem om een precisiedoel van 0,3% te bereiken, zorgt ervoor dat het eindpunt met de hoogst mogelijke nauwkeurigheid wordt bereikt, waardoor een uniforme productkwaliteit wordt gegarandeerd.
Het rendement op investering (ROI) kwantificeren
De toepassing van deze technologie biedt een duidelijk en meetbaar rendement op investering, gemeten aan de hand van diverse belangrijke bedrijfsindicatoren.
Verhoogde productopbrengst en -kwaliteit
De mogelijkheid om de enzymatische reactie in realtime te monitoren en te controleren minimaliseert verspilling en de productie van producten die niet aan de specificaties voldoen. Deze nauwkeurige controle leidt tot hogere totale opbrengsten en een consistent hoogwaardiger eindproduct, wat een directe invloed heeft op de omzet.
Lagere operationele kosten
Het systeem elimineert de noodzaak voor handmatige monsterneming en laboratoriumanalyse, wat arbeidsintensieve en kostbare activiteiten zijn. Bovendien voorkomt realtime controle overmatige verwerking, waardoor het energieverbruik en het gebruik van dure enzymen worden verminderd. Het onderhoudsarme ontwerp van het systeem draagt hieraan bij.Lonnmeter-ND minimaliseert uitvaltijd en reparatiekosten, wat verder bijdraagt aan operationele besparingen.
Verbeterde beslissingsondersteuning en foutdiagnose
De continue datastroom van de viscometer, geïntegreerd in een besturingssysteem (PLC/DCS), levert een rijke dataset op voor geavanceerde analyses. Deze data kan worden gebruikt voor modellering en simulatie, wat leidt tot betere besluitvorming en snelle foutdiagnose. Een plotselinge, onverklaarbare verandering in viscositeit kan bijvoorbeeld wijzen op een pompstoring of een inconsistentie in de grondstoffen, waardoor direct corrigerende maatregelen kunnen worden genomen.
De onderstaande tabel geeft een vergelijkende analyse van het voorgestelde viscometrische systeem ten opzichte van traditionele laboratoriumbemonsteringsmethoden.
| Metrisch | Traditionele methode (laboratoriumbemonstering) | Voorgestelde methode (Lonnmeter-ND-systeem) |
| Gegevensverwerving | Periodieke, handmatige bemonstering. | Continue, realtime online monitoring. |
| reactietijd | Enkele uren tot dagen (vanwege transport en laboratoriumanalyse). | Meteen. |
| Procesbeheer | Vertraagde, reactieve aanpassingen. | Directe, proactieve controle. |
| Productconsistentie | Sterk variabel van batch tot batch. | Hoge precisie en consistentie (streefwaarde 0,3%). |
| Arbeidskosten | Hoog (handmatige bemonstering, laboratoriumtechnici). | Minimaal (geautomatiseerd, inline systeem). |
| Uitvaltijd | Frequent (voor bemonstering, mogelijke overschrijdingen). | Verminderd (voorspellend onderhoud, geen wachttijd voor laboratoriumresultaten). |
The Lonnmeter-ND is veel meer dan een simpele sensor. Geïntegreerd in een uitgebreid, datagestuurd systeem, wordt het een krachtig en onmisbaar instrument voor de besturing van bioprocessen.Lonnmeter-ND's robuuste, onderhoudsarme ontwerp en snelle reactietijd zijn uitermate geschikt voor de zware omstandigheden van industriële bioprocessen.
Geplaatst op: 10 september 2025
