生物發(fā)酵罐 pH / DO 在線監(jiān)測、電極原理與常見問題

發(fā)酵罐里的 pH 和溶氧（DO）均采用可高溫滅菌的在線電極實時監(jiān)測，信號接入控制器后，可自動聯(lián)動加酸/加堿、調(diào)節(jié)通氣/攪拌，實現(xiàn)閉環(huán)控制。

一、在線監(jiān)測基本方式

- 安裝：電極通過衛(wèi)生級快裝接口安裝在罐側(cè)或罐頂，可在位蒸汽滅菌（121℃），無需反復(fù)拆裝。

- 系統(tǒng)：電極 → 變送器 → 控制柜（顯示+PID調(diào)節(jié)）。

- 控制邏輯：

 - pH 偏低/偏高 → 自動泵入堿液/酸液；

 - DO 偏低 → 自動提高轉(zhuǎn)速、加大通氣、提升罐壓。

二、pH 電極（pH 傳感器）

1. 工作原理

發(fā)酵罐使用耐高溫高壓復(fù)合 pH 電極，核心是玻璃電極法：

1. 電極前端有特殊pH 敏感玻璃膜，膜內(nèi)外 H?濃度不同會產(chǎn)生電勢差；

2. 內(nèi)置參比電極提供穩(wěn)定基準(zhǔn)電位；

3. 電勢差與 pH 值符合能斯特方程，變送器將信號換算為 pH 值顯示。

特點：響應(yīng)快、精度高（±0.01~0.1），可 121℃ 反復(fù)蒸汽滅菌。

2. pH 電極常見問題

- 讀數(shù)漂移、不穩(wěn)定

 參比液損耗、電解液污染、玻璃膜老化或結(jié)垢。

- 響應(yīng)極慢

 玻璃膜被蛋白、菌絲、多糖包裹鈍化；電極長期未活化。

- 滅菌后失效/讀數(shù)跳變

 玻璃膜因熱沖擊破裂；密封圈滲漏導(dǎo)致內(nèi)部進水。

- 測量不準(zhǔn)、校正不過

 電極未充分浸泡活化；標(biāo)準(zhǔn)液過期；玻璃膜劃傷。

- 參比系統(tǒng)堵塞

 培養(yǎng)基中的蛋白、膠體堵塞液接界，導(dǎo)致信號無法穩(wěn)定。

三、DO 溶氧電極

工業(yè)發(fā)酵主流兩類：極譜式（Clark 氧電極） 和 熒光法 DO 電極。

1. 極譜式 DO 電極（傳統(tǒng)經(jīng)典型）

原理：

1. 電極內(nèi)部有陰極、陽極、電解液，外部覆蓋透氣聚四氟乙烯膜；

2. 氧氣透過薄膜擴散到陰極，發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生擴散電流；

3. 電流大小與溶解氧濃度成正比，從而計算出 DO 值。

特點：成本較低，但需要極化時間（30~60min），膜易污染。

2. 熒光法 DO 電極（目前發(fā)酵主流）

原理：

1. 探頭前端有熒光物質(zhì)涂層，被藍光激發(fā)后發(fā)出紅光；

2. 氧氣會對熒光產(chǎn)生淬滅作用，氧濃度越高，熒光壽命越短；

3. 通過檢測熒光衰減時間計算 DO，無消耗、無極化、不耗氧。

特點：免維護、耐污染、不受流速影響、滅菌穩(wěn)定，是發(fā)酵罐首-選。

3. DO 電極常見問題

- 讀數(shù)偏低、上不去

 透氣膜/熒光膜被菌絲、蛋白、油污覆蓋；膜破損漏氣。

- 讀數(shù)波動大

 電極附近氣泡干擾；攪拌不均導(dǎo)致局部氧濃度波動。

- 極譜電極需頻繁極化、零點漂移

 電解液減少、陽極老化、透氣膜增厚。

- 熒光電極讀數(shù)不準(zhǔn)

 熒光膜老化、長期高溫滅菌導(dǎo)致涂層衰減；未做空氣/無氧標(biāo)定。

- 滅菌后無信號

 電極密封損壞進水；電纜接頭高溫受潮短路。

四、通用共性問題（發(fā)酵工況特-有）

- 生物污染附著：菌絲、蛋白、多糖包裹探頭 → 測量失真

- 高溫滅菌損傷：反復(fù) 121℃ 導(dǎo)致膜老化、電解液變質(zhì)

- 安裝位置不當(dāng)：靠近氣泡、擋板或死角，代表性差

- 維護缺失：長期不清洗、不標(biāo)定、不更換膜/電解液

- 干擾：靜電、變頻器干擾導(dǎo)致信號跳變

五、簡單判斷口訣

- pH 遲鈍、飄移 → 膜臟或參比壞

- DO 偏低不動 → 探頭被糊住

- 滅菌后失靈 → 密封漏水或膜裂

- 波動-亂跳 → 干擾或氣泡影響