Глобальні галузі біотехнології та біопереробки переживають фундаментальний перехід від традиційних пакетних операцій до безперервного, автоматизованого виробництва. Вимірювання в режимі реального часу контролює критичні параметри процесу в режимі реального часу та пропонує підтримку для оптимізації процесу вчасно. Традиційне вимірювання в'язкості в управлінні процесами залежить від періодичного ручного відбору проб та аналізу в автономному режимі в лабораторії, що призводить до значної неефективності та ризиків, а також спричиняє затримки коригування процесу, перевищення виробничих потужностей та отримання продукції, що не відповідає специфікаціям.
Реологія ферментативної деградації субстрату
Взаємозв'язок фермент-субстрат
Ферментативний гідроліз – це каталітичний процес, у якому фермент сприяє розщепленню складної молекули субстрату на менші компоненти. У конкретному випадку целюлази, що діє на полісахарид з високою молекулярною масою, такий як карбоксиметилцелюлоза (КМЦ), основною функцією ферменту є гідроліз глікозидних зв'язків у довгих полімерних ланцюгах. Ця дія систематично розщеплює КМЦ, зменшуючи довжину її ланцюга та середню молекулярну масу. Продукти цієї реакції, в першу чергу відновлювальні цукри з меншим ланцюгом, накопичуються в розчині в міру протікання процесу. Швидкість цього розщеплення безпосередньо пов'язана з активністю ферменту за певних робочих умов температури та pH.
Зв'язок теорії Крамера
Зв'язок між активністю ферменту та фізичними властивостями реакційного середовища є критично важливим фактором. Теорія Крамерса, фундаментальний принцип хімічної кінетики, стверджує, що процеси, що включають конформаційні зміни в білках, такі як ферментативний каталіз, залежать від в'язкості навколишнього розчинника. Зі збільшенням в'язкості розчинника сили тертя, що діють на структурні домени ферменту, також зростають. Це підвищене тертя гальмує необхідні конформаційні зміни, ефективно уповільнюючи каталітичний цикл і зменшуючи максимальну швидкість реакції, або Vmax.
І навпаки, зменшення макроскопічної в'язкості розчину зменшує ці сили тертя, що, згідно з теорією Крамерса, сприятиме каталітичній функції ферменту. У контексті деградації субстрату HMW активність ферменту безпосередньо призводить до зниження в'язкості розчину, створюючи петлю зворотного зв'язку, де зміна реологічних властивостей середовища служить прямим показником успішності ферменту.
Глибоке занурення в неньютонівську реологію
Диференціація ньютонівських та неньютонівських рідин
Реологічна поведінка рідини визначається її в'язкістю та тим, як ця властивість реагує на прикладене напруження зсуву. Для ньютонівської рідини зв'язок між напруженням зсуву (τ) та швидкістю зсуву (γ˙) є лінійним та прямо пропорційним, причому константою пропорційності є в'язкість (μ). Це можна виразити законом в'язкості Ньютона:
τ=μγ˙
На відміну від цього, неньютонівські рідини демонструють складніший зв'язок, де в'язкість не є постійною, а змінюється зі швидкістю зсуву. Така поведінка характерна для багатьох складних промислових рідин, включаючи полімерні розчини, такі як КМЦ.
Неньютонівська поведінка розчинів високомолекулярних полімерів
Деградація полімерів високомолекулярних сполук (HMW) за своєю суттю є неньютонівським процесом. Полімерні розчини, такі як КМЦ, зазвичай демонструють поведінку зсувного розрідження, де видима в'язкість зменшується зі збільшенням швидкості зсуву. Це явище пояснюється розплутуванням та вирівнюванням довгих полімерних спіралей у напрямку потоку, що зменшує внутрішнє тертя рідини. При вищих концентраціях (наприклад, вище 1%), деякі розчини КМЦ можуть навіть демонструвати початкову поведінку зсувного загущення, де в'язкість зростає зі швидкістю зсуву через індуковане потоком утворення макромолекулярних асоціацій, а потім зсувне розрідження відбувається при вищих швидкостях зсуву.
Ферментативна дія целюлази на КМЦ принципово змінює цей реологічний профіль. Коли фермент розщеплює довгі полімерні ланцюги, середня молекулярна маса субстрату зменшується. Це зменшення довжини ланцюга безпосередньо зменшує ступінь заплутаності та міжмолекулярних взаємодій. Як наслідок, розчин стає менш в'язким, а його неньютонівські характеристики, зокрема, розрідження при зсуві, зменшуються. Значна зміна об'ємної реології рідини, зокрема значне зниження в'язкості при заданій швидкості зсуву, служить чіткою ознакою триваючої ферментативної деградації.
Кількісний зв'язок між в'язкістю та активністю
Кореляція між зниженням об'ємної в'язкості розчину та зменшенням середньої молекулярної маси молекул субстрату добре задокументована. Оскільки целюлаза розщеплює полімерні ланцюги, отримані фрагменти мають значно менший внесок у загальну в'язкість розчину. Цей зв'язок дозволяє в'язкості функціонувати як потужний показник перебігу ферментативної реакції в режимі реального часу, що є набагато швидшою альтернативою традиційним лабораторним аналізам, які можуть призводити до значних затримок.
Безперервне вимірювання за допомогою онлайн-віскозиметра діє як високочутливий зонд цієї структурної зміни. Падіння в'язкості при заданій швидкості зсуву забезпечує пряме, кількісне уявлення про ступінь перетворення субстрату та, як наслідок, про активність ферменту. Це є науковим обґрунтуванням використання віскозиметра Lonnmeter-ND як безперервного, непрямого вимірювання прогресу ферментативної реакції.
TheЛонметр-ND Вібраційний віскозиметр
Принцип роботи: метод вібрації
Онлайн-віскозиметр Lonnmeter-ND працює за принципом вібраційного методу – надійної та надійної методики для промислового застосування. Чутливим елементом приладу є твердий стрижень, який збуджується для коливань та обертання вздовж своєї осі з певною частотою. При зануренні в рідину цій вібрації протистоїть в'язкість рідини, яка є мірою її внутрішнього тертя. Опір призводить до ефекту демпфування або втрати енергії вібраційним елементом. Електронна схема виявляє цю втрату енергії, а мікропроцесор перетворює сигнал на показник в'язкості. Вимірювання в основному базується на затуханні електромагнітної коливальної форми хвилі, де сигнал пропорційний добутку коефіцієнта приладу та коефіцієнта демпфування вібрацій (λδ).
Цей метод відрізняється від інших методів віскозиметрії, таких як капілярний, обертальний або метод падіння кульки. На відміну від цих альтернатив, вібраційний метод забезпечує дуже швидкий час відгуку та є дуже стійким до навколишнього середовища установки. Він також спрощує систему, усуваючи потребу в рухомих частинах, ущільненнях або підшипниках.
Технічні характеристики та можливості
Віскозиметр Lonnmeter-ND розроблений для задоволення високих вимог управління промисловими процесами. Він пропонує широкий діапазон вимірювання в'язкості від 1 до 1 000 000 сП і може бути адаптований для дуже густих і в'язких середовищ шляхом зміни форми датчика. Базова точність приладу становить ±2-5% з повторюваністю ±1-2% для ньютонівських рідин, хоча він все ще може послідовно відображати зміни в'язкості процесу в неньютонівських рідинах.
Для застосування в умовах високих температур і тиску віскозиметр зазвичай виготовляється з нержавіючої сталі 316, з можливістю використання спеціальних матеріалів, таких як тефлон або хастеллой, для певних умов навколишнього середовища. Для інтеграції в біореактори компанія розробила версію з подовженим вставним зондом довжиною від 500 мм до 2000 мм, що дозволяє вставляти його безпосередньо зверху вниз у реакційні посудини.
Переваги дизайну для складних умов
Конструкція Lonnmeter-ND високо оптимізована для промислової біообробки. Його швидкий час відгуку та здатність працювати за високих температур і тиску є вирішальними для контролю в режимі реального часу. Відсутність рухомих частин не тільки зменшує витрати на технічне обслуговування, але й спрощує очищення та стерилізацію (сумісність з CIP/SIP), що є важливим для підтримки асептичних умов у біореакторах. Конструкція датчика з одним відкритим елементом та постійна вібрація роблять його самоочисним, запобігаючи накопиченню продукту на поверхні датчика, що в іншому випадку призвело б до неточних показників.
Низька чутливість вібраційного методу до умов встановлення означає, що Lonnmeter-ND можна розміщувати безпосередньо в лінії, забезпечуючи безперервний зворотний зв'язок, який краще відображає реальні умови процесу, ніж один автономний лабораторний зразок. Швидкий час відгуку дозволяє отримувати миттєвий зворотний зв'язок, що життєво важливо для запобігання надмірній обробці та забезпечення стабільної якості продукції. У наступній таблиці наведено ключові технічні характеристики та їх значення для промислового використання.
| Технічна специфікація | Значення з документа | Промислова релевантність та переваги |
| Метод вимірювання | Вібраційний метод | Забезпечує швидку реакцію, низькі витрати на обслуговування та стійкість до засмічення. |
| Діапазон в'язкості | 1 - 1 000 000 сП (необов'язково) | Широке застосування для різних рідин, від водянистих рідин до густих суспензій. |
| Точність | ±2% - ±5% | Вказує на необхідність калібрування на рівні системи та корекції даних для досягнення вищої точності. |
| Повторюваність | ±1% - ±2% | Демонструє узгодженість датчика, що є ключовою передумовою для моделювання на основі даних. |
| Дизайн | Суцільний стрижневий елемент, без рухомих частин, ущільнень або підшипників | Мінімізує механічний знос та спрощує очищення, ідеально підходить для застосувань під високим тиском/високою температурою. |
| Матеріал | Нержавіюча сталь 316 (стандарт) | Забезпечує довговічність та стійкість до агресивних середовищ у хімічних та біотехнологічних середовищах. |
| Налаштування | Подовжені зонди (500-2000 мм) | Дозволяє встановлення зверху вниз у реакторах з обмеженими боковими отворами, що є критично важливою особливістю для багатьох промислових установок. |
| Вихід | 4-20 мА, RS485 | Стандартні промислові інтерфейси для безперешкодної інтеграції з системами керування ПЛК/РСУ. |
Злиття даних та машинне навчання для прогнозування в режимі реального часу
Періодичні, але високоточні лабораторні дані DNSA об'єднуються з безперервним потоком даних від віскозиметра Lonnmeter-ND та інших датчиків процесу для створення прогнозної моделі, керованої даними. Цей підхід, що використовує алгоритми машинного навчання (ML), є механізмом для досягнення цільової точності. Модель ML (наприклад, метод опорних векторів, гауссова регресія процесу або штучні нейронні мережі) вивчає складні, нелінійні залежності між онлайн-показниками в'язкості, іншими змінними процесу (температура, тиск) та «істинною» активністю ферментів, визначеною за допомогою аналізу DNSA.
Цей процес злиття даних є критично важливим. Окремий датчик чутливий до різних джерел шуму, включаючи електричні та механічні перешкоди, а також дрейф датчика. Навчаючись на комплексному багатомодальному наборі даних, модель машинного навчання (ML) може ідентифікувати та фільтрувати ці паразитні сигнали. Наприклад, тимчасове коливання тиску може спричинити короткочасний, помилковий сплеск показників віскозиметра. Модель ML, розпізнаючи, що цей сплеск не корелює зі зміною температури або відповідним зміщенням у вихідному сигналі DNSA, може ігнорувати або математично виправляти помилкові дані. Це підвищує продуктивність системи набагато вище, ніж будь-який окремий датчик, що дозволяє його використовувати.
Подолання труднощів промислового впровадження
Вібраційні віскозиметри за своєю природою чутливі до зовнішніх механічних коливань та електромагнітних перешкод (EMI). Такі джерела, як двигуни, насоси та інше заводське обладнання, можуть генерувати механічний шум, який безпосередньо впливає на вимірювання датчиком в'язкого демпфування, що призводить до неточних або коливальних показників. Аналогічно, EMI, які можуть випромінюватися або проводитися, можуть перешкоджати роботі електронних схем датчика, спотворюючи сигнал та погіршуючи його продуктивність.
Кілька інженерних рішень, як на апаратному, так і на програмному рівні, можуть ефективно зменшити ці проблеми. З точки зору апаратного забезпечення, правильне встановлення є надзвичайно важливим. Датчик слід розміщувати на стабільному, віброізольованому кріпленні, подалі від джерел високочастотного шуму. Деякі конструкції віскозиметрів містять «збалансований резонатор» або подібні коаксіальні сенсорні елементи, які повертаються в протилежних напрямках, ефективно компенсуючи зовнішні моменти реакції на їх кріплення.
З боку програмного забезпечення використовуються вдосконалені алгоритми обробки сигналів для фільтрації шуму. Особливо вдосконалений метод передбачає використання вторинного датчика, такого як зовнішній акселерометр, для вимірювання зовнішньої вібрації корпусу датчика. Цей «шумовий» сигнал потім подається на сигнальний процесор разом із сигналом первинного віскозиметра. Процесор використовує алгоритм фільтрації для віднімання впливу зовнішньої вібрації, створюючи чистіші та точніші показники.ЛонметрВикористання ND методу електромагнітного розпаду з мікропроцесором для перетворення сигналу по суті забезпечує певний рівень фільтрації та надійності.
Довгострокова надійність, технічне обслуговування та автономні системи
Збереження цілісності даних з часом є надзвичайно важливим для будь-якої онлайн-системи управління процесами. Усі вимірювальні прилади схильні до «дрейфу» – повільної зміни продуктивності через механічний знос, деградацію електроніки або фактори навколишнього середовища. Щоб протидіяти цьому, важливе проактивне, регулярне калібрування.
Роль сертифікованих стандартних рідин
Використання сертифікованих еталонних матеріалів (CRM) є галузевим стандартом для калібрування віскозиметрів. Це рідини, найчастіше силіконові олії, які демонструють сертифіковану ньютонівську поведінку з відомою в'язкістю в діапазоні температур. Періодично онлайн-віскозиметр вилучається з процесу та перевіряється на відповідність одному або кільком із цих стандартів для підтвердження його точності. Це гарантує підтримку базових характеристик приладу та відповідність його показанням відповідно до національних або міжнародних стандартів.
Структура прогнозного обслуговування
Окрім простої корекції дрейфу, безперервний потік даних від онлайн-віскозиметра може бути використаний для впровадження комплексної стратегії прогнозного обслуговування. Моніторинг в'язкості рідини в режимі реального часу може служити раннім попередженням про потенційні проблеми, такі як утворення накипу в трубах або засмічення, яким часто передує зміна реології рідини. Це дозволяє операторам вживати превентивних заходів для очищення або регулювання системи до того, як станеться катастрофічна поломка, що значно заощаджує час простою та витрати.Лонметр-Низкоекватна конструкція ND та швидкий час відгуку роблять його економічно ефективним та надійним компонентом для цього типу стратегії.
Промислове застосування та кількісно вимірний вплив на бізнес
Оптимізація гідролізу целюлази
Основним застосуванням цієї технології є оптимізація целюлазно-опосередкованого гідролізу в промислових біореакторах. Мета полягає в максимізації перетворення високомолекулярної целюлази/КМЦ на цінні відновлювальні цукри, уникаючи при цьому надмірної обробки, яка може призвести до втрат енергії та зниження загального виходу продукту.
Впроваджуючи інтегрованийЛонметрЗавдяки системі -ND оператори можуть отримувати безперервні показники в'язкості в режимі реального часу, які безпосередньо корелюють з прогресом реакції. Замість того, щоб покладатися на ручний відбір проб та трудомісткий лабораторний аналіз для визначення кінцевої точки, процес може бути автоматично припинений, коли онлайн-показники в'язкості досягають попередньо відкаліброваного заданого значення. Це забезпечує узгодженість між партіями та запобігає надмірній обробці, що призводить до більш ефективного та передбачуваного виробничого циклу. Здатність системи досягати цільової точності 0,3% гарантує досягнення кінцевої точки з максимально можливою точністю, гарантуючи рівномірну якість продукції.
Кількісна оцінка рентабельності інвестицій (ROI)
Впровадження цієї технології пропонує чітку та кількісно вимірну окупність інвестицій за кількома ключовими бізнес-показниками.
Збільшення врожайності та якості продукції
Можливість моніторингу та контролю ферментативної реакції в режимі реального часу мінімізує відходи та виробництво продукту, що не відповідає специфікаціям. Такий точний контроль призводить до вищого загального виходу та стабільно вищої якості кінцевого продукту, що безпосередньо впливає на дохід.
Зниження експлуатаційних витрат
Система усуває необхідність ручного відбору проб та лабораторного аналізу, які є трудомісткими та дорогими видами діяльності. Крім того, контроль у режимі реального часу запобігає надмірній обробці, що зменшує споживання енергії та використання дорогих ферментів. Конструкція, що не потребує особливого обслуговуванняЛонметр-ND мінімізує час простою та витрати на ремонт, що ще більше сприяє економії на експлуатаційних операціях.
Покращена підтримка прийняття рішень та діагностика несправностей
Безперервний потік даних від віскозиметра, інтегрований у систему керування (ПЛК/РСК), забезпечує багатий набір даних для розширеної аналітики. Ці дані можна використовувати для моделювання та симуляції, що дозволяє приймати кращі рішення та швидко діагностувати несправності. Наприклад, раптова, незрозуміла зміна в'язкості може сигналізувати про несправність насоса або невідповідність сировини, що дозволяє негайно вжити коригувальних заходів.
У таблиці нижче наведено порівняльний аналіз запропонованої віскозиметричної системи з традиційними методами відбору проб у лабораторії.
| Метрика | Традиційний метод (лабораторний відбір проб) | Запропонований метод (Лонметр-ND система) |
| Збір даних | Періодичний, ручний відбір проб. | Безперервний онлайн-моніторинг у режимі реального часу. |
| Час відгуку | Від годин до днів (через транспортування та лабораторний аналіз). | Миттєвий. |
| Контроль процесів | Затримки, реактивні коригування. | Негайний, проактивний контроль. |
| Консистенція продукту | Дуже мінлива від партії до партії. | Висока точність та стабільність (ціль 0,3%). |
| Витрати на оплату праці | Високий (ручний відбір проб, лаборанти). | Мінімальний (автоматизована, вбудована система). |
| Простої | Часто (для вибірки, можливі перевитрати). | Знижено (прогнотичне обслуговування, не потрібно чекати на результати лабораторних досліджень). |
The Лонметр-ND — це набагато більше, ніж простий датчик. Інтегрований у комплексну систему, що базується на даних, він стає потужним та незамінним інструментом для контролю біопроцесів.ЛонметрМіцна конструкція ND, що не потребує особливого обслуговування, та швидкий час реагування добре підходять для суворих умов промислової біопереробки.
Час публікації: 10 вересня 2025 р.
