溶解氧電極的工作原理及技術(shù)發(fā)展

溶解氧電極作為生物發(fā)酵過(guò)程中關(guān)鍵的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備，其工作原理主要基于電化學(xué)檢測(cè)方法。

目前市場(chǎng)上主流的溶解氧電極可分為極譜式和原電池式兩種類(lèi)型。極譜式電極采用三電極系統(tǒng)，包括工作電極（通常為金或鉑）、對(duì)電極和參比電極，在工作電極表面施加穩(wěn)定的極化電壓（通常為-0.6至-0.8V），溶解氧透過(guò)選擇性透氣膜后在電極表面發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生的電流信號(hào)與溶解氧濃度成正比。

近年來(lái)，溶解氧傳感技術(shù)取得了進(jìn)展。傳統(tǒng)電化學(xué)電極逐漸被基于熒光猝滅原理的光學(xué)傳感器所補(bǔ)充。光學(xué)傳感器利用特定熒光物質(zhì)在氧分子作用下的熒光壽命變化來(lái)測(cè)定溶解氧濃度，具有無(wú)需極化、不受流速影響、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。

在發(fā)酵應(yīng)用中，溶解氧電極面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括：高溫滅菌（121℃、30分鐘）條件下的穩(wěn)定性、長(zhǎng)期運(yùn)行的漂移控制、抗培養(yǎng)基污染能力等?，F(xiàn)代電極采用特殊的膜材料（如PTFE復(fù)合膜）和固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)，使使用壽命延長(zhǎng)至12-18個(gè)月。某大型氨基酸生產(chǎn)企業(yè)的對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，采用新型電極后，校準(zhǔn)周期從3天延長(zhǎng)至2周，年維護(hù)成本降低40%。 納米膜技術(shù)提高溶氧電極的透氣選擇性，降低干擾氣體影響。杭州不銹鋼溶解氧電極

在微生物工程和生物技術(shù)領(lǐng)域，溶氧電極能夠提供準(zhǔn)確的溶氧監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，溶氧電極能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程中的溶解氧濃度。在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，光學(xué)溶氧電極相對(duì)于傳統(tǒng)極譜氧電極具有精度高、漂移小、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。例如，在青霉素發(fā)酵過(guò)程中，培養(yǎng)液中的溶解氧濃度對(duì)菌體的代謝過(guò)程及終端產(chǎn)物的生物合成起著決定性的作用。微基智慧科技的 VD-2021i-A系列 溶氧電極在青霉素 G 發(fā)酵過(guò)程中的應(yīng)用，為發(fā)酵過(guò)程提供了重要的指導(dǎo)意義。當(dāng)培養(yǎng)液中的溶解氧濃度高于菌體生長(zhǎng)所需的臨界值時(shí)，菌體的呼吸不受影響，青霉菌的各種代謝活動(dòng)正常進(jìn)行；而當(dāng)溶解氧濃度低于臨界值時(shí)，菌體的多種生化代謝會(huì)受到影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可逆的抑制菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成異?，F(xiàn)象極譜法溶氧電極供應(yīng)商極譜法溶氧電極具有優(yōu)異的測(cè)量性能，還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，為水質(zhì)監(jiān)測(cè)、生物反應(yīng)、污水處理等。

加強(qiáng)人員培訓(xùn)和管理也能夠提高溶氧電極在監(jiān)測(cè)過(guò)程中的穩(wěn)定性。1、操作人員培訓(xùn)：對(duì)發(fā)酵罐廠(chǎng)的操作人員進(jìn)行溶氧電極的安裝、維護(hù)、校準(zhǔn)和操作培訓(xùn)，提高操作人員的專(zhuān)業(yè)技能和水平。操作人員應(yīng)熟悉溶氧電極的工作原理、性能特點(diǎn)和使用方法，掌握正確的安裝、維護(hù)和校準(zhǔn)方法，以及在發(fā)酵過(guò)程中如何根據(jù)溶氧水平的變化調(diào)整發(fā)酵罐的操作條件。2、質(zhì)量管理體系：建立健全發(fā)酵罐廠(chǎng)的質(zhì)量管理體系，加強(qiáng)對(duì)溶氧電極的質(zhì)量控制和管理。對(duì)溶氧電極的采購(gòu)、驗(yàn)收、安裝、維護(hù)、校準(zhǔn)和使用等環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保溶氧電極的性能和穩(wěn)定性符合發(fā)酵工藝的要求。總之，提高溶氧電極在發(fā)酵罐廠(chǎng)應(yīng)用中的穩(wěn)定性需要從選擇合適的電極類(lèi)型、正確安裝和維護(hù)電極、優(yōu)化發(fā)酵罐的操作條件、采用先進(jìn)的控制系統(tǒng)和加強(qiáng)人員培訓(xùn)和管理等方面入手。通過(guò)綜合采取這些措施，可以提高溶氧電極的穩(wěn)定性，保證發(fā)酵過(guò)程的順利進(jìn)行，提高發(fā)酵產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。

在大規(guī)模生物發(fā)酵生產(chǎn)中，改善溶氧電極水平均勻性對(duì)于提高發(fā)酵效率和產(chǎn)品質(zhì)量至關(guān)重要，以下是優(yōu)化攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量這一方法的講解說(shuō)明。1、以雙孢蘑菇為實(shí)驗(yàn)菌種，采用 5L 自控式發(fā)酵罐培養(yǎng)研究溶氧控制條件（攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量）對(duì)雙孢菇發(fā)酵過(guò)程的影響。結(jié)果表明，攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量對(duì)雙孢菇的菌體生長(zhǎng)和胞外多糖分泌具有顯明顯影響。得出較佳的培養(yǎng)條件為：溫度 25℃、攪拌轉(zhuǎn)速 160r/min、通氣量 0.9vvm，此條件下，培養(yǎng) 5d，菌體生物量多達(dá) 20.81g/L，胞外多糖產(chǎn)量多達(dá) 3.75g/L。2、在大規(guī)模生物發(fā)酵生產(chǎn)中，可以根據(jù)不同的發(fā)酵菌種和生產(chǎn)要求，優(yōu)化攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量，以提高溶氧水平的均勻性。溶氧電極的陰極（鉑 / 金）發(fā)生氧還原反應(yīng)，陽(yáng)極（銀 / 氯化銀）發(fā)生金屬氧化反應(yīng)。

如何結(jié)合先進(jìn)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溶氧電極水平的精確控制以提高產(chǎn)酶效率？1、采用模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）MohamedBahita等人在2022年的研究中，基于遞歸二乘識(shí)別方法，提出了一種模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）應(yīng)用于非線(xiàn)性系統(tǒng)中溶解氧濃度的控制，該系統(tǒng)為活性污泥生物反應(yīng)器，大量用于廢水處理和凈化操作。通過(guò)與經(jīng)典的PI控制方法進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該方法在MATLAB環(huán)境中的有效性。這種自適應(yīng)控制技術(shù)能夠根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況不斷調(diào)整控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溶氧水平的精確控制，從而為提高產(chǎn)酶效率創(chuàng)造有利條件。2、分階段供氧控制策略何寧等人在2004年的研究中，在3L發(fā)酵罐上系統(tǒng)研究了溶氧水平對(duì)谷氨酸棒桿菌菌體生長(zhǎng)及新型生物絮凝劑REA-11合成的影響，提出了生物絮凝劑REA-11合成的分階段供氧控制策略。具體為發(fā)酵過(guò)程0-16h維持體積傳氧系數(shù)kLa為100h?1，16h后降低kLa為40h?1至發(fā)酵結(jié)束，整個(gè)發(fā)酵過(guò)程通氣量保持在1L?L?1?min?1。采用該分階段供氧控制策略，生物絮凝劑產(chǎn)量達(dá)到900mg?L?1，發(fā)酵周期縮短，實(shí)現(xiàn)了高細(xì)胞生長(zhǎng)速率和高產(chǎn)物產(chǎn)率的統(tǒng)一。這種控制策略可以根據(jù)不同發(fā)酵階段的需求，精確調(diào)整溶氧水平，為提高產(chǎn)酶效率提供了一種有效的方法。干擾氣體（如 H2S/CO2）可能穿透膜影響測(cè)量，需選擇抗干擾膜材料。杭州不銹鋼溶解氧電極

零點(diǎn)校準(zhǔn)通過(guò)無(wú)氧溶液（如亞硫酸鈉）消除電極背景電流。杭州不銹鋼溶解氧電極

溶氧電極在發(fā)酵罐廠(chǎng)的應(yīng)用中，穩(wěn)定性至關(guān)重要。提高溶氧電極的穩(wěn)定性可以?xún)?yōu)化發(fā)酵罐的操作條件：1、控制攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量，攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的溶氧水平有重要影響。適當(dāng)提高攪拌轉(zhuǎn)速 可以增加發(fā)酵液與空氣的接觸面積，提高溶氧傳遞效率；增加通氣量 可以提高發(fā)酵罐內(nèi)的氧氣含量，從而提高溶氧水平。例如，以雙孢蘑菇為實(shí)驗(yàn)菌種的研究表明，較佳的培養(yǎng)條件為溫度25℃、攪拌轉(zhuǎn)速160r/min、通氣量0.9vvm，此條件下，菌體生物量至多達(dá)20.81g/L，胞外多糖產(chǎn)量多達(dá)3.75g/L。2、控制發(fā)酵溫度和pH值，發(fā)酵溫度和pH值對(duì)發(fā)酵過(guò)程中的微生物生長(zhǎng)和代謝有重要影響，同時(shí)也會(huì)影響溶氧電極的穩(wěn)定性。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)酵溫度和pH值應(yīng)控制在適合發(fā)酵菌種生長(zhǎng)和代謝的范圍內(nèi)。過(guò)高或過(guò)低的發(fā)酵溫度和pH值會(huì)影響微生物的活性和代謝產(chǎn)物的生成，從而影響溶氧水平的變化。同時(shí)，也會(huì)對(duì)溶氧電極的性能產(chǎn)生一定的影響，降低其穩(wěn)定性。因此，需要根據(jù)發(fā)酵菌種的特性和發(fā)酵工藝的要求，優(yōu)化發(fā)酵溫度和pH值，以提高溶氧電極的穩(wěn)定性。杭州不銹鋼溶解氧電極