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)酵過程中關(guān)鍵的在線監(jiān)測設(shè)備，其工作原理主要基于電化學(xué)檢測方法。

目前市場上主流的溶解氧電極可分為極譜式和原電池式兩種類型。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)生的電流信號與溶解氧濃度成正比。

近年來，溶解氧傳感技術(shù)取得了進展。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測定溶解氧濃度，具有無需極化、不受流速影響、維護簡單等優(yōu)勢。

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、長期運行的漂移控制、抗培養(yǎng)基污染能力等。現(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)，使使用壽命延長至12-18個月。某大型氨基酸生產(chǎn)企業(yè)的對比數(shù)據(jù)顯示，采用新型電極后，校準周期從3天延長至2周，年維護成本降低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確的溶氧監(jiān)測數(shù)據(jù)，溶氧電極能夠?qū)崟r、準確地監(jiān)測發(fā)酵過程中的溶解氧濃度。在工業(yè)發(fā)酵過程中，光學(xué)溶氧電極相對于傳統(tǒng)極譜氧電極具有精度高、漂移小、響應(yīng)快等優(yōu)點。例如，在青霉素發(fā)酵過程中，培養(yǎng)液中的溶解氧濃度對菌體的代謝過程及終端產(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)酵過程中的應(yīng)用，為發(fā)酵過程提供了重要的指導(dǎo)意義。當培養(yǎng)液中的溶解氧濃度高于菌體生長所需的臨界值時，菌體的呼吸不受影響，青霉菌的各種代謝活動正常進行；而當溶解氧濃度低于臨界值時，菌體的多種生化代謝會受到影響，嚴重時會產(chǎn)生不可逆的抑制菌體生長和產(chǎn)物合成異常現(xiàn)象極譜法溶氧電極供應(yīng)商極譜法溶氧電極具有優(yōu)異的測量性能，還具備遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ瑸樗|(zhì)監(jiān)測、生物反應(yīng)、污水處理等。

加強人員培訓(xùn)和管理也能夠提高溶氧電極在監(jiān)測過程中的穩(wěn)定性。1、操作人員培訓(xùn)：對發(fā)酵罐廠的操作人員進行溶氧電極的安裝、維護、校準和操作培訓(xùn)，提高操作人員的專業(yè)技能和水平。操作人員應(yīng)熟悉溶氧電極的工作原理、性能特點和使用方法，掌握正確的安裝、維護和校準方法，以及在發(fā)酵過程中如何根據(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)酵罐廠的質(zhì)量管理體系，加強對溶氧電極的質(zhì)量控制和管理。對溶氧電極的采購、驗收、安裝、維護、校準和使用等環(huán)節(jié)進行嚴格的質(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)酵罐廠應(yīng)用中的穩(wěn)定性需要從選擇合適的電極類型、正確安裝和維護電極、優(yōu)化發(fā)酵罐的操作條件、采用先進的控制系統(tǒng)和加強人員培訓(xùn)和管理等方面入手。通過綜合采取這些措施，可以提高溶氧電極的穩(wěn)定性，保證發(fā)酵過程的順利進行，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明。1、以雙孢蘑菇為實驗菌種，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）對雙孢菇發(fā)酵過程的影響。結(jié)果表明，攪拌轉(zhuǎn)速和通氣量對雙孢菇的菌體生長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 20.81g/L，胞外多糖產(chǎn)量多達 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)，陽極（銀 / 氯化銀）發(fā)生金屬氧化反應(yīng)。

如何結(jié)合先進的控制技術(shù)實現(xiàn)對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。通過與經(jīng)典的PI控制方法進行比較，驗證了該方法在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)的實際運行情況不斷調(diào)整控制參數(shù)，以實現(xiàn)對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)研究了溶氧水平對谷氨酸棒桿菌菌體生長及新型生物絮凝劑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，整個發(fā)酵過程通氣量保持在1L?L?1?min?1。采用該分階段供氧控制策略，生物絮凝劑產(chǎn)量達到900mg?L?1，發(fā)酵周期縮短，實現(xiàn)了高細胞生長速率和高產(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）可能穿透膜影響測量，需選擇抗干擾膜材料。杭州不銹鋼溶解氧電極

零點校準通過無氧溶液（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)定性可以優(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)速和通氣量對發(fā)酵過程中的溶氧水平有重要影響。適當提高攪拌轉(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，以雙孢蘑菇為實驗菌種的研究表明，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20.81g/L，胞外多糖產(chǎn)量多達3.75g/L。2、控制發(fā)酵溫度和pH值，發(fā)酵溫度和pH值對發(fā)酵過程中的微生物生長和代謝有重要影響，同時也會影響溶氧電極的穩(wěn)定性。一般來說，發(fā)酵溫度和pH值應(yīng)控制在適合發(fā)酵菌種生長和代謝的范圍內(nèi)。過高或過低的發(fā)酵溫度和pH值會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，也會對溶氧電極的性能產(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