一种抗生素生产过程的在线黏度测量实例分析

       抗生素的生产过程中，最关键的是发酵过程，发酵过程时间比较长，目前采用人工采样测量的方法来测量黏度，监控发酵过程，寻找合适的过程终点并根据过程情况优化工艺参数。在发酵釜上安装在线黏度计，可以实时监控反应过程，通过对数据的对比分析，找到和人工测量方法之间的关系，同时也发现人工测量的问题，帮助优化工艺参数，提高产品的质量和产量。

       一、 抗生素生产过程及黏度：

       抗生素是在低浓度下就能选择性地抑制某些生物生命活动的微生物次级代谢产物，及其化学半合成或全合成的衍生物。抗生素对病原微生物具有抑制或杀灭作用，是防治感染性疾病的重要药物。抗生素不仅有抗菌作用，其作用还包括抗肿瘤、抗病毒、抑制免疫、杀虫作用、除草作用等。

       抗生素的生产根据其种类的不同有多种方式，如青霉素由微生物发酵法进行生物合成，磺胺、喹诺酮类等，可用化学合成法生产；还有半合成抗生素，是将生物合成法制得的抗生素用化学、生物或生化方法进行分子结构改造而制成的各种衍生物。

       抗生素以发酵法为最基础和常用的生产方法，现代抗生素工业生产过程如下：菌种→孢子制各→种子制备→发酵→发酵液预处理→提取及精制→成品包装，发酵过程的目的是使微生物大量分泌抗生素。在发酵期间每隔一定时间应取样进行生化分析、镜检和无菌试验。分析或控制的参数有菌丝形态和浓度、残糖量、氨基氮、抗生素含量、溶解氧、pH、通气量、搅拌转速和液面控制等。对其中一些主要发酵参数可以用DCS或PLC进行反馈控制。随着工艺控制要求的不断提高，其中有些项目可以通过在线测量和控制。

       黏度测量就是目前开始使用的实验室和在线测量项目，黏度是表征物流（尤其是流体）内部阻力大小的指标，而物料内部的阻力，往往与液体内物质的含量、分子量或结构有关，由于测量方法简单，在合成、浓缩等过程中被广泛使用[1][2][3]。粘度做为发酵液的一个重要物理参数，长期以来未被给予足够的重视，有人经过长期考察和统计分析，总结出粘度的变化规律，并运用到生产中，特别是通过粘度的异常变化分析出部分低单位罐产生原因，有的放矢采取针对措施，取得了较好效果，特别是针对一台长期低单位罐，通过采取措施控制粘度，实施前后、发酵单位提高了12%以上[4]。

       黏度测量有很多不同的方法，按大类可分成流体法和运动法。流体法有：毛细管法、毛细管压差法、流出杯法（涂4杯等）、斜坡法等；运动法有：落球法、落棒法、注塞法、旋转法、振动法等。所有黏度测量的方法，都有一定的局限性和适用范围。流体法一般适合测低黏度、接近牛顿流体的物料，但每种管和杯都有一定的黏度适用范围，不能在低于或高于适用范围下使用。运动法适用范围比较宽，是目前最常用的方法，实验室测量以旋转法为主，在线测量以振动法和旋转法为主，落球法在一些行业还有应用，应该是越来越少[1][2][3]。

       目前不少生产现场是用移液管倒置吸取50ml（或其它定量）发酵液，利用秒表读取发酵液全部放出所需时间数（以秒计）备注：本论文中粘度不是标准计量单位的粘度，而是根据生产现场实际，采取的简单方便的测量方法，该结果实际上是一个相对值[4]。下面的实验中，现场就是采取这种测量方法。

       二、在线黏度测量技术：

       目前，在线黏度计的类型很多，根据测量原理不同，主要有以下几种类型：

       1、压差式

       压差式在线黏度计是基于泊肃叶定律(Poiseuille定律)，仪器的主体是一段细管，细管与定量泵连接，由定量泵控制流体以恒定的流量进入细管，有压力监测器测量细管两端的压力差，根据泊肃叶公式计算流体的黏度。

       这类在线黏度计目前一般使用在石化炼油行业，用来测量成品油的黏度，测量范围一般都不高，在几百cP以下，但有些特殊的在线黏度计对细管进行特殊设计后也可以用来测量高黏度的流体，但应用相对较少。随着测量要求的提高和变化，这种方法的应用越来越少。

       2、旋转式

       在线黏度测量中，旋转法的应用比其他方法普遍很多，在线旋转黏度计的测量原理与实验室黏度计相同，根据转子和传感器的连接方式，可分为外旋式和内旋式两种，主要是利用转子在流体中以恒定转速旋转，直接测量流体的黏性力大小，计算出黏度。

       这类在线黏度计是从黏度的物理定义出发，测量范围可以很宽，测量时的剪切率可以精确计算，一般都不高，常用的在200s-1以下，适应于各类流体，除了测量牛顿流体外，适合于非牛顿流体的测量。

       3、振动式

       振动式的在线黏度测量起步相对较晚，但发展较快。振动法的传感头为一圆柱体，以恒定的振幅振动，当它剪切流体时，流体的黏度对传感头振动振幅有影响，测量维持恒定振幅所输入的功率及其变化，计算得到黏度。

       这类在线黏度计的测量范围也很宽，适合于不同的流体测量，测量时的剪切率不能精确计算，一般剪切率约在1000 s-1，高剪切的测量条件影响了仪器的适用范围，需要仪器有超高的灵敏度，尤其是剪切变稀的假塑性非牛顿流体，因此实际使用中，需要根据流体的流变学特性模型进行后续计算。本次实验就是选用SRV系列的超高灵敏度的在线黏度计，分辨率可达到0.01cP。

       4、注（活）塞式

       这类在线黏度计是利用一个在流体中水平或垂直运动的活塞，测量活塞在固定位置内的运动时间来计算出流体的黏度。

       这类黏度计是断续式的测量，并不是完全意义上的在线测量；同时由于是依靠活塞的运动，因此流体自身的流动将对测量产生一定的影响。

       综上所述，各类在线黏度计的测量原理不同，适用的流体和工艺条件也各不相同，需要根据测量流体的流变学特性和现场工艺条件进行选择，不能随意确定，以免造成不必要的损失[5][6]。

       三、抗生素生产过程在线黏度测量解决方案及实例：

       目前，在针对生化反应的在线黏度测量解决方案中，以震动法相对较多，但是由于测量方法的不同，测量结果和实验室测量结果肯定是不同的，同时，由于震动法仪器有不同的技术待次，选用哪种代次的仪器，不能只看工艺条件中的温度、压力、黏度范围、安装要求等，而应该先从物料的流变学特性来考虑选择[7]。

       1、测量方法的选择：

       压差式的在线黏度计，由于测量原理的要求，需要对流经测量管段的流量保证恒定才能得到准确的测量结果，而实际应用中，物料的黏度是在不断变化的，几乎不可能对流量达到恒定的控制，而且这种仪器一般都是管道安装，不是直接安装在发酵釜上，因此，这种测量方法不太适合发酵生产的要求。

       旋转法的测量剪切率可以精确计算，也往往较低，一般都在200s-1以下，但仪器结构复杂、维护量很大，需要定期校准，一般工人不容易掌握，不适合工厂需要。

       震动法的测量剪切率比较高，仪器安装简单，不需要维护保养，因此使用面比较广，但在选型前需要注意仪器的灵敏度和抗干扰性，并不是所有的震动式在线黏度计都能满足在线测量的要求的，生化反应液的黏度一般都不高，因此对仪器的灵敏度要求都会相应提高，建议采用分辨率达到0.01cP的在线黏度计[5]。这次就是选用SRV系列在线黏度计

       2、对于在线测量结果和实验室测量结果的对比问题：

       黏度的测量方法很多，实验室和在线黏度测量的方法和仪器也很多，这样在进行数据对比时一定要注意测量条件的一致性，这个一致性包括了测量方法和测量条件，测量条件又包括了测量温度、压力、流速、仪器的测量条件（剪切率）等，只有这些条件完全一致，测得的结果才会一致。

       但是实际应用中这些条件很难一致，在这种情况下，很多人会考虑是否可以找到一个相互换算或转换的方法，这种思路是正确的，但在实施过程中，由于这种关系的摸索需要一定数据的积累，而且不同的物料关系也不同，因此需要对数据进行分析和转换。

       3、实例分析

       国内一家知名生产厂家使用SRV在线黏度计，直接安装发酵釜上，将实时在线温度和黏度输入DCS，同时定时进行人工采样并在实验室内分析，我们摘取了部分数据进行数据分析以说明在线黏度测量中的数据处理方法。人工采样测试的方法见前叙述。

       在表1中，是记录一个完整发酵过程的黏度变化曲线，每过一小时进行人工采样测量，同时记录在线黏度值，进行数据对比，记录了9-207小时的过程，由于发酵温度是受控制的，温度对黏度测量的影响不再进行讨论，如果温度发生波动的话，就需要根据在线温度对黏度进行补偿计算，具体计算过程不在此详细说明，可参考文献[8]。

       表1 9-207小时发酵过程的在线黏度、人工测量黏度、在线转换黏度表

       注：涉及的数据已作适当加密处理。

       图1 生产过程的时间、黏度、在线黏度过程曲线

       从表1中和图1，可以看到：

       1、两种方法的测试结果整体都呈现上升趋势，在线黏度的区间在0-14cP，人工测量黏度的区间在0-42秒。

       2、在线黏度的趋势比较平稳，在测试初期和末期的上升趋势会相对较快，尤其是末期会很快，这是值得注意和关注的。

       3、人工测量的黏度趋势在不同阶段会有不同，这种现象值得从测试方法和测试过程进行综合分析。

       下面就这两种方法的测量结果进行数据处理和分析。

       四、数据分析及处理

       1、人工黏度和在线黏度测量结果的关系

       图2 人工测量黏度和在线黏度关系曲线

       从表1和图2我们可以看到，人工测量和在线黏度计测量结果在大多数时间段上关系很好，接近线性。但在发酵初期和末期时，数据间的关系就不好，会出现一个一个秒数对应很多不同的在线黏度值的情况，其实如上所述，目前人工采样测量的方法不是标准的黏度测量方法，类似于流出杯法。而流出杯法的特点是，每种杯有一个合适的测量范围，或者说当秒数小于或大于一定的范围后，测量的结果就不准确。详见ASTM D4212《浸入式粘度杯的标准试验方法》，根据目前的实际测试结果，发现当秒数小于5秒和大于40秒时，测试结果就不准确了，因此，我们保留5-40秒的数据进行下一步分析，而这个区间也是发酵过程的最主要过程。

       2、人工测量黏度和在线黏度转换关系

       图3 人工测量黏度、在线黏度关系曲线

       保留5-40秒区间数据，对人工测量黏度和在线黏度数据做相关性分析，可以看到两者是线性关系，相关系数的平方为0.9911，两者之间的关系十分明确和良好。人工黏度=在线黏度*6.0948-22.022。

       3、在线黏度转换后的情况

       根据上面得到的转换公式，我们将在线黏度值转换成人工测量黏度值，转换结果在表1中，然后再进行曲线对比，见图4，为了比较方便，我们采用了双坐标体系，并对坐标区间做了适当选择，可以看到这三条曲线十分接近，因此说，在DCS或PLC中采集在线黏度计的温度和黏度信号，再经过设置符合实际的转换公式，就可以得到和原来人工测量有可比性的数据了。

       图4 生产过程的时间、人工测量黏度、在线黏度、在线转换黏度过程曲线

       但是，我们也看到了，人工采样测量的方法有一定的局限性，在发酵初期和末期的测量有比较大的误差，而这两个时期又是接种和终点控制的重要时期，在线黏度计恰恰可以弥补人工测量的不足，对这段时间的过程有了充分的了解，就可以提高工艺控制水平，找到和控制工艺条件，借助在线黏度测量技术，提高产量和质量。

       五、结论

       根据以上对数据的分析，我们得到以下结论和建议：

       1、目前的SRV仪器完全符合要求，安装简单、无须后续维护

       2、仪器的稳定性、灵敏度都可以反应出所测物料的真实黏度

       3、经过换算的数据和实际结果比较一致

       4、根据物料的不同，需要根据实测数据进行数据分析后可以得到相应的转换参数

       综上所述，随着在线黏度测量技术的应用和发展，在实际使用中也产生了一些问题，这些问题的由来主要是由于对流体的流变特性、实验室黏度测量方法、在线黏度测量方法和在线黏度计的特点了解不够而造成的。在考虑在线黏度测量时，需要对被测流体的流变特性有一个基本了解，这样可以选择合适的在线黏度测量方法，选择相应的在线黏度计；同时需要根据实际情况，考虑是否需要进行温度补偿[7][8]。       

       参考文献：

       [1]陈惠钊编 黏度测量[M].北京：中国计量出版社，2003：142-166，227-247.

       [2]丁晓炯 在线黏度测量中的流变学问题[C]. 中国石油和化工自动化第九届技术年会论文集，2010.

       [3]丁晓炯 聚合物反应的在线黏度测量解决方案 北京黏接学会第二十四届学术年会暨黏接剂、密封剂技术发展研讨会论文集，2015 年

       [4]王春魁 浅谈发酵液粘度在抗生素发酵生产中的探索和应用[J] 科技风，2010年15期，253-255

       [5]丁晓炯 生化反应过程中在线粘度计选型时的精度要求研究 生物化工，2017(1)：30-35

       [6]丁晓炯 日化、家化生产的在线黏度测量解决方案 轻工科技，2015，第12 期总第205 期：47-49

       [7]丁晓炯 在线黏度计实际选型和使用中需要注意的问题 广东化工，2016，43(17)：125-127

       [8]丁晓炯 在线黏度测量过程中的黏温补偿方法应用 化学工程与装备，2016年9期（总第230期）

       作者：丁晓炯，笙威工程技术服务（上海）有限公司技术总监