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，可以實時監(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的微生物次級代謝產(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)酵期間每隔一定時間應(yīng)取樣進行生化分析、鏡檢和無菌試驗。分析或控制的參數(shù)有菌絲形態(tài)和濃度、殘?zhí)橇俊被?、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進行反饋控制。隨著工藝控制要求的不斷提高，其中有些項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驗室和在線測量項目，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)計分析，總結(jié)出粘度的變化規(guī)律，并運用到生產(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，特別是針對一臺長期低單位罐，通過采取措施控制粘度，實施前后、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動法。流體法有：毛細管法、毛細管壓差法、流出杯法（涂4杯等）、斜坡法等；運動法有：落球法、落棒法、注塞法、旋轉(zhuǎn)法、振動法等。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。運動法適用范圍比較寬，是目前最常用的方法，實驗室測量以旋轉(zhuǎn)法為主，在線測量以振動法和旋轉(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間數(shù)（以秒計）備注：本論文中粘度不是標(biāo)準(zhǔn)計量單位的粘度，而是根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場實際，采取的簡單方便的測量方法，該結(jié)果實際上是一個相對值[4]。下面的實驗中，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

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

       這類在線黏度計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對細管進行特殊設(shè)計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)黏度計的測量原理與實驗室黏度計相同，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，計算出黏度。

       這類在線黏度計是從黏度的物理定義出發(fā)，測量范圍可以很寬，測量時的剪切率可以精確計算，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、振動式

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

       這類在線黏度計的測量范圍也很寬，適合于不同的流體測量，測量時的剪切率不能精確計算，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，因此實際使用中，需要根據(jù)流體的流變學(xué)特性模型進行后續(xù)計算。本次實驗就是選用SRV系列的超高靈敏度的在線黏度計，分辨率可達到0.01cP。

       4、注（活）塞式

       這類在線黏度計是利用一個在流體中水平或垂直運動的活塞，測量活塞在固定位置內(nèi)的運動時間來計算出流體的黏度。

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

       綜上所述，各類在線黏度計的測量原理不同，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，以震動法相對較多，但是由于測量方法的不同，測量結(jié)果和實驗室測量結(jié)果肯定是不同的，同時，由于震動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，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。

       震動法的測量剪切率比較高，儀器安裝簡單，不需要維護保養(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，并不是所有的震動式在線黏度計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相應(yīng)提高，建議采用分辨率達到0.01cP的在線黏度計[5]。這次就是選用SRV系列在線黏度計

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

       黏度的測量方法很多，實驗室和在線黏度測量的方法和儀器也很多，這樣在進行數(shù)據(jù)對比時一定要注意測量條件的一致性，這個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)果才會一致。

       但是實際應(yīng)用中這些條件很難一致，在這種情況下，很多人會考慮是否可以找到一個相互換算或轉(zhuǎn)換的方法，這種思路是正確的，但在實施過程中，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)進行分析和轉(zhuǎn)換。

       3、實例分析

       國內(nèi)一家知名生產(chǎn)廠家使用SRV在線黏度計，直接安裝發(fā)酵釜上，將實時在線溫度和黏度輸入DCS，同時定時進行人工采樣并在實驗室內(nèi)分析，我們摘取了部分數(shù)據(jù)進行數(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，是記錄一個完整發(fā)酵過程的黏度變化曲線，每過一小時進行人工采樣測量，同時記錄在線黏度值，進行數(shù)據(jù)對比，記錄了9-207小時的過程，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行討論，如果溫度發(fā)生波動的話，就需要根據(jù)在線溫度對黏度進行補償計算，具體計算過程不在此詳細說明，可參考文獻[8]。

       表1 9-207小時發(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相對較快，尤其是末期會很快，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有不同，這種現(xiàn)象值得從測試方法和測試過程進行綜合分析。

       下面就這兩種方法的測量結(jié)果進行數(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測量結(jié)果在大多數(shù)時間段上關(guān)系很好，接近線性。但在發(fā)酵初期和末期時，數(shù)據(jù)間的關(guān)系就不好，會出現(xiàn)一個一個秒數(shù)對應(yīng)很多不同的在線黏度值的情況，其實如上所述，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。而流出杯法的特點是，每種杯有一個合適的測量范圍，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)試驗方法》，根據(jù)目前的實際測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)秒數(shù)小于5秒和大于40秒時，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)進行下一步分析，而這個區(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中采集在線黏度計的溫度和黏度信號，再經(jīng)過設(shè)置符合實際的轉(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，而這兩個時期又是接種和終點控制的重要時期，在線黏度計恰恰可以彌補人工測量的不足，對這段時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

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

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

       4、根據(jù)物料的不同，需要根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行數(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、實驗室黏度測量方法、在線黏度測量方法和在線黏度計的特點了解不夠而造成的。在考慮在線黏度測量時，需要對被測流體的流變特性有一個基本了解，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；同時需要根據(jù)實際情況，考慮是否需要進行溫度補償[7][8]。       

       參考文獻：

       [1]陳惠釗編 黏度測量[M].北京：中國計量出版社，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化第九屆技術(shù)年會論文集，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)會第二十四屆學(xué)術(shù)年會暨黏接劑、密封劑技術(shù)發(fā)展研討會論文集，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)過程中在線粘度計選型時的精度要求研究 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 在線黏度計實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)