抗生素的生產(chǎn)過程中，最關(guān)鍵的是發(fā)酵過程，發(fā)酵過程時(shí)間比較長，目前采用人工采樣測量的方法來測量黏度，監(jiān)控發(fā)酵過程，尋找合適的過程終點(diǎn)并根據(jù)過程情況優(yōu)化工藝參數(shù)。在發(fā)酵釜上安裝在線黏度計(jì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)過程，通過對數(shù)據(jù)的對比分析，找到和人工測量方法之間的關(guān)系，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)人工測量的問題，幫助優(yōu)化工藝參數(shù)，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

       一、 抗生素生產(chǎn)過程及黏度：

       抗生素是在低濃度下就能選擇性地抑制某些生物生命活動(dòng)的微生物次級(jí)代謝產(chǎn)物，及其化學(xué)半合成或全合成的衍生物?？股貙Σ≡⑸锞哂幸种苹驓缱饔?，是防治感染性疾病的重要藥物?？股夭粌H有抗菌作用，其作用還包括抗腫瘤、抗病毒、抑制免疫、殺蟲作用、除草作用等。

       抗生素的生產(chǎn)根據(jù)其種類的不同有多種方式，如青霉素由微生物發(fā)酵法進(jìn)行生物合成，磺胺、喹諾酮類等，可用化學(xué)合成法生產(chǎn)；還有半合成抗生素，是將生物合成法制得的抗生素用化學(xué)、生物或生化方法進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)改造而制成的各種衍生物。

       抗生素以發(fā)酵法為最基礎(chǔ)和常用的生產(chǎn)方法，現(xiàn)代抗生素工業(yè)生產(chǎn)過程如下：菌種→孢子制各→種子制備→發(fā)酵→發(fā)酵液預(yù)處理→提取及精制→成品包裝，發(fā)酵過程的目的是使微生物大量分泌抗生素。在發(fā)酵期間每隔一定時(shí)間應(yīng)取樣進(jìn)行生化分析、鏡檢和無菌試驗(yàn)。分析或控制的參數(shù)有菌絲形態(tài)和濃度、殘?zhí)橇?、氨基氮、抗生素含量、溶解氧、pH、通氣量、攪拌轉(zhuǎn)速和液面控制等。對其中一些主要發(fā)酵參數(shù)可以用DCS或PLC進(jìn)行反饋控制。隨著工藝控制要求的不斷提高，其中有些項(xiàng)目可以通過在線測量和控制。

       黏度測量就是目前開始使用的實(shí)驗(yàn)室和在線測量項(xiàng)目，黏度是表征物流（尤其是流體）內(nèi)部阻力大小的指標(biāo)，而物料內(nèi)部的阻力，往往與液體內(nèi)物質(zhì)的含量、分子量或結(jié)構(gòu)有關(guān)，由于測量方法簡單，在合成、濃縮等過程中被廣泛使用[1][2][3]。粘度做為發(fā)酵液的一個(gè)重要物理參數(shù)，長期以來未被給予足夠的重視，有人經(jīng)過長期考察和統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出粘度的變化規(guī)律，并運(yùn)用到生產(chǎn)中，特別是通過粘度的異常變化分析出部分低單位罐產(chǎn)生原因，有的放矢采取針對措施，取得了較好效果，特別是針對一臺(tái)長期低單位罐，通過采取措施控制粘度，實(shí)施前后、發(fā)酵單位提高了12%以上[4]。

       黏度測量有很多不同的方法，按大類可分成流體法和運(yùn)動(dòng)法。流體法有：毛細(xì)管法、毛細(xì)管壓差法、流出杯法（涂4杯等）、斜坡法等；運(yùn)動(dòng)法有：落球法、落棒法、注塞法、旋轉(zhuǎn)法、振動(dòng)法等。所有黏度測量的方法，都有一定的局限性和適用范圍。流體法一般適合測低黏度、接近牛頓流體的物料，但每種管和杯都有一定的黏度適用范圍，不能在低于或高于適用范圍下使用。運(yùn)動(dòng)法適用范圍比較寬，是目前最常用的方法，實(shí)驗(yàn)室測量以旋轉(zhuǎn)法為主，在線測量以振動(dòng)法和旋轉(zhuǎn)法為主，落球法在一些行業(yè)還有應(yīng)用，應(yīng)該是越來越少[1][2][3]。

       目前不少生產(chǎn)現(xiàn)場是用移液管倒置吸取50ml（或其它定量）發(fā)酵液，利用秒表讀取發(fā)酵液全部放出所需時(shí)間數(shù)（以秒計(jì)）備注：本論文中粘度不是標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位的粘度，而是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)際，采取的簡單方便的測量方法，該結(jié)果實(shí)際上是一個(gè)相對值[4]。下面的實(shí)驗(yàn)中，現(xiàn)場就是采取這種測量方法。

       二、在線黏度測量技術(shù)：

       目前，在線黏度計(jì)的類型很多，根據(jù)測量原理不同，主要有以下幾種類型：

       1、壓差式

       壓差式在線黏度計(jì)是基于泊肅葉定律(Poiseuille定律)，儀器的主體是一段細(xì)管，細(xì)管與定量泵連接，由定量泵控制流體以恒定的流量進(jìn)入細(xì)管，有壓力監(jiān)測器測量細(xì)管兩端的壓力差，根據(jù)泊肅葉公式計(jì)算流體的黏度。

       這類在線黏度計(jì)目前一般使用在石化煉油行業(yè)，用來測量成品油的黏度，測量范圍一般都不高，在幾百cP以下，但有些特殊的在線黏度計(jì)對細(xì)管進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)后也可以用來測量高黏度的流體，但應(yīng)用相對較少。隨著測量要求的提高和變化，這種方法的應(yīng)用越來越少。

       2、旋轉(zhuǎn)式

       在線黏度測量中，旋轉(zhuǎn)法的應(yīng)用比其他方法普遍很多，在線旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)的測量原理與實(shí)驗(yàn)室黏度計(jì)相同，根據(jù)轉(zhuǎn)子和傳感器的連接方式，可分為外旋式和內(nèi)旋式兩種，主要是利用轉(zhuǎn)子在流體中以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，直接測量流體的黏性力大小，計(jì)算出黏度。

       這類在線黏度計(jì)是從黏度的物理定義出發(fā)，測量范圍可以很寬，測量時(shí)的剪切率可以精確計(jì)算，一般都不高，常用的在200s-1以下，適應(yīng)于各類流體，除了測量牛頓流體外，適合于非牛頓流體的測量。

       3、振動(dòng)式

       振動(dòng)式的在線黏度測量起步相對較晚，但發(fā)展較快。振動(dòng)法的傳感頭為一圓柱體，以恒定的振幅振動(dòng)，當(dāng)它剪切流體時(shí)，流體的黏度對傳感頭振動(dòng)振幅有影響，測量維持恒定振幅所輸入的功率及其變化，計(jì)算得到黏度。

       這類在線黏度計(jì)的測量范圍也很寬，適合于不同的流體測量，測量時(shí)的剪切率不能精確計(jì)算，一般剪切率約在1000 s-1，高剪切的測量條件影響了儀器的適用范圍，需要儀器有超高的靈敏度，尤其是剪切變稀的假塑性非牛頓流體，因此實(shí)際使用中，需要根據(jù)流體的流變學(xué)特性模型進(jìn)行后續(xù)計(jì)算。本次實(shí)驗(yàn)就是選用SRV系列的超高靈敏度的在線黏度計(jì)，分辨率可達(dá)到0.01cP。

       4、注（活）塞式

       這類在線黏度計(jì)是利用一個(gè)在流體中水平或垂直運(yùn)動(dòng)的活塞，測量活塞在固定位置內(nèi)的運(yùn)動(dòng)時(shí)間來計(jì)算出流體的黏度。

       這類黏度計(jì)是斷續(xù)式的測量，并不是完全意義上的在線測量；同時(shí)由于是依靠活塞的運(yùn)動(dòng)，因此流體自身的流動(dòng)將對測量產(chǎn)生一定的影響。

       綜上所述，各類在線黏度計(jì)的測量原理不同，適用的流體和工藝條件也各不相同，需要根據(jù)測量流體的流變學(xué)特性和現(xiàn)場工藝條件進(jìn)行選擇，不能隨意確定，以免造成不必要的損失[5][6]。

       三、抗生素生產(chǎn)過程在線黏度測量解決方案及實(shí)例：

       目前，在針對生化反應(yīng)的在線黏度測量解決方案中，以震動(dòng)法相對較多，但是由于測量方法的不同，測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果肯定是不同的，同時(shí)，由于震動(dòng)法儀器有不同的技術(shù)待次，選用哪種代次的儀器，不能只看工藝條件中的溫度、壓力、黏度范圍、安裝要求等，而應(yīng)該先從物料的流變學(xué)特性來考慮選擇[7]。

       1、測量方法的選擇：

       壓差式的在線黏度計(jì)，由于測量原理的要求，需要對流經(jīng)測量管段的流量保證恒定才能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果，而實(shí)際應(yīng)用中，物料的黏度是在不斷變化的，幾乎不可能對流量達(dá)到恒定的控制，而且這種儀器一般都是管道安裝，不是直接安裝在發(fā)酵釜上，因此，這種測量方法不太適合發(fā)酵生產(chǎn)的要求。

       旋轉(zhuǎn)法的測量剪切率可以精確計(jì)算，也往往較低，一般都在200s-1以下，但儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)量很大，需要定期校準(zhǔn)，一般工人不容易掌握，不適合工廠需要。

       震動(dòng)法的測量剪切率比較高，儀器安裝簡單，不需要維護(hù)保養(yǎng)，因此使用面比較廣，但在選型前需要注意儀器的靈敏度和抗干擾性，并不是所有的震動(dòng)式在線黏度計(jì)都能滿足在線測量的要求的，生化反應(yīng)液的黏度一般都不高，因此對儀器的靈敏度要求都會(huì)相應(yīng)提高，建議采用分辨率達(dá)到0.01cP的在線黏度計(jì)[5]。這次就是選用SRV系列在線黏度計(jì)

       2、對于在線測量結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果的對比問題：

       黏度的測量方法很多，實(shí)驗(yàn)室和在線黏度測量的方法和儀器也很多，這樣在進(jìn)行數(shù)據(jù)對比時(shí)一定要注意測量條件的一致性，這個(gè)一致性包括了測量方法和測量條件，測量條件又包括了測量溫度、壓力、流速、儀器的測量條件（剪切率）等，只有這些條件完全一致，測得的結(jié)果才會(huì)一致。

       但是實(shí)際應(yīng)用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會(huì)考慮是否可以找到一個(gè)相互換算或轉(zhuǎn)換的方法，這種思路是正確的，但在實(shí)施過程中，由于這種關(guān)系的摸索需要一定數(shù)據(jù)的積累，而且不同的物料關(guān)系也不同，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和轉(zhuǎn)換。

       3、實(shí)例分析

       國內(nèi)一家知名生產(chǎn)廠家使用SRV在線黏度計(jì)，直接安裝發(fā)酵釜上，將實(shí)時(shí)在線溫度和黏度輸入DCS，同時(shí)定時(shí)進(jìn)行人工采樣并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析，我們摘取了部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以說明在線黏度測量中的數(shù)據(jù)處理方法。人工采樣測試的方法見前敘述。

       在表1中，是記錄一個(gè)完整發(fā)酵過程的黏度變化曲線，每過一小時(shí)進(jìn)行人工采樣測量，同時(shí)記錄在線黏度值，進(jìn)行數(shù)據(jù)對比，記錄了9-207小時(shí)的過程，由于發(fā)酵溫度是受控制的，溫度對黏度測量的影響不再進(jìn)行討論，如果溫度發(fā)生波動(dòng)的話，就需要根據(jù)在線溫度對黏度進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，具體計(jì)算過程不在此詳細(xì)說明，可參考文獻(xiàn)[8]。

       表1 9-207小時(shí)發(fā)酵過程的在線黏度、人工測量黏度、在線轉(zhuǎn)換黏度表

       注：涉及的數(shù)據(jù)已作適當(dāng)加密處理。

       圖1 生產(chǎn)過程的時(shí)間、黏度、在線黏度過程曲線

       從表1中和圖1，可以看到：

       1、兩種方法的測試結(jié)果整體都呈現(xiàn)上升趨勢，在線黏度的區(qū)間在0-14cP，人工測量黏度的區(qū)間在0-42秒。

       2、在線黏度的趨勢比較平穩(wěn)，在測試初期和末期的上升趨勢會(huì)相對較快，尤其是末期會(huì)很快，這是值得注意和關(guān)注的。

       3、人工測量的黏度趨勢在不同階段會(huì)有不同，這種現(xiàn)象值得從測試方法和測試過程進(jìn)行綜合分析。

       下面就這兩種方法的測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

       四、數(shù)據(jù)分析及處理

       1、人工黏度和在線黏度測量結(jié)果的關(guān)系

       圖2 人工測量黏度和在線黏度關(guān)系曲線

       從表1和圖2我們可以看到，人工測量和在線黏度計(jì)測量結(jié)果在大多數(shù)時(shí)間段上關(guān)系很好，接近線性。但在發(fā)酵初期和末期時(shí)，數(shù)據(jù)間的關(guān)系就不好，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)秒數(shù)對應(yīng)很多不同的在線黏度值的情況，其實(shí)如上所述，目前人工采樣測量的方法不是標(biāo)準(zhǔn)的黏度測量方法，類似于流出杯法。而流出杯法的特點(diǎn)是，每種杯有一個(gè)合適的測量范圍，或者說當(dāng)秒數(shù)小于或大于一定的范圍后，測量的結(jié)果就不準(zhǔn)確。詳見ASTM D4212《浸入式粘度杯的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，根據(jù)目前的實(shí)際測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)秒數(shù)小于5秒和大于40秒時(shí)，測試結(jié)果就不準(zhǔn)確了，因此，我們保留5-40秒的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步分析，而這個(gè)區(qū)間也是發(fā)酵過程的最主要過程。

       2、人工測量黏度和在線黏度轉(zhuǎn)換關(guān)系

       圖3 人工測量黏度、在線黏度關(guān)系曲線

       保留5-40秒?yún)^(qū)間數(shù)據(jù)，對人工測量黏度和在線黏度數(shù)據(jù)做相關(guān)性分析，可以看到兩者是線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的平方為0.9911，兩者之間的關(guān)系十分明確和良好。人工黏度=在線黏度*6.0948-22.022。

       3、在線黏度轉(zhuǎn)換后的情況

       根據(jù)上面得到的轉(zhuǎn)換公式，我們將在線黏度值轉(zhuǎn)換成人工測量黏度值，轉(zhuǎn)換結(jié)果在表1中，然后再進(jìn)行曲線對比，見圖4，為了比較方便，我們采用了雙坐標(biāo)體系，并對坐標(biāo)區(qū)間做了適當(dāng)選擇，可以看到這三條曲線十分接近，因此說，在DCS或PLC中采集在線黏度計(jì)的溫度和黏度信號(hào)，再經(jīng)過設(shè)置符合實(shí)際的轉(zhuǎn)換公式，就可以得到和原來人工測量有可比性的數(shù)據(jù)了。

       圖4 生產(chǎn)過程的時(shí)間、人工測量黏度、在線黏度、在線轉(zhuǎn)換黏度過程曲線

       但是，我們也看到了，人工采樣測量的方法有一定的局限性，在發(fā)酵初期和末期的測量有比較大的誤差，而這兩個(gè)時(shí)期又是接種和終點(diǎn)控制的重要時(shí)期，在線黏度計(jì)恰恰可以彌補(bǔ)人工測量的不足，對這段時(shí)間的過程有了充分的了解，就可以提高工藝控制水平，找到和控制工藝條件，借助在線黏度測量技術(shù)，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

       五、結(jié)論

       根據(jù)以上對數(shù)據(jù)的分析，我們得到以下結(jié)論和建議：

       1、目前的SRV儀器完全符合要求，安裝簡單、無須后續(xù)維護(hù)

       2、儀器的穩(wěn)定性、靈敏度都可以反應(yīng)出所測物料的真實(shí)黏度

       3、經(jīng)過換算的數(shù)據(jù)和實(shí)際結(jié)果比較一致

       4、根據(jù)物料的不同，需要根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后可以得到相應(yīng)的轉(zhuǎn)換參數(shù)

       綜上所述，隨著在線黏度測量技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，在實(shí)際使用中也產(chǎn)生了一些問題，這些問題的由來主要是由于對流體的流變特性、實(shí)驗(yàn)室黏度測量方法、在線黏度測量方法和在線黏度計(jì)的特點(diǎn)了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測量時(shí)，需要對被測流體的流變特性有一個(gè)基本了解，這樣可以選擇合適的在線黏度測量方法，選擇相應(yīng)的在線黏度計(jì)；同時(shí)需要根據(jù)實(shí)際情況，考慮是否需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償[7][8]。       

       參考文獻(xiàn)：

       [1]陳惠釗編 黏度測量[M].北京：中國計(jì)量出版社，2003：142-166，227-247.

       [2]丁曉炯 在線黏度測量中的流變學(xué)問題[C]. 中國石油和化工自動(dòng)化第九屆技術(shù)年會(huì)論文集，2010.

       [3]丁曉炯 聚合物反應(yīng)的在線黏度測量解決方案 北京黏接學(xué)會(huì)第二十四屆學(xué)術(shù)年會(huì)暨黏接劑、密封劑技術(shù)發(fā)展研討會(huì)論文集，2015 年

       [4]王春魁 淺談發(fā)酵液粘度在抗生素發(fā)酵生產(chǎn)中的探索和應(yīng)用[J] 科技風(fēng)，2010年15期，253-255

       [5]丁曉炯 生化反應(yīng)過程中在線粘度計(jì)選型時(shí)的精度要求研究 生物化工，2017(1)：30-35

       [6]丁曉炯 日化、家化生產(chǎn)的在線黏度測量解決方案 輕工科技，2015，第12 期總第205 期：47-49

       [7]丁曉炯 在線黏度計(jì)實(shí)際選型和使用中需要注意的問題 廣東化工，2016，43(17)：125-127

       [8]丁曉炯 在線黏度測量過程中的黏溫補(bǔ)償方法應(yīng)用 化學(xué)工程與裝備，2016年9期（總第230期）

       作者：丁曉炯，笙威工程技術(shù)服務(wù)（上海）有限公司技術(shù)總監(jiān)