溶解氧電極的工作原理及技術發展

溶解氧電極作為生物發酵過程中關鍵的在線監測設備，其工作原理主要基于電化學檢測方法。

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，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生還原反應，產生的電流信號與溶解氧濃度成正比。

近年來，溶解氧傳感技術取得了進展。傳統電化學電極逐漸被基于熒光猝滅原理的光學傳感器所補充。光學傳感器利用特定熒光物質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、維護簡單等優勢。

在發酵應用中，溶解氧電極面臨的主要技術挑戰包括：高溫滅菌（121℃、30分鐘）條件下的穩定性、長期運行的漂移控制、抗培養基污染能力等。現代電極采用特殊的膜材料（如PTFE復合膜）和固態電解質技術，使使用壽命延長至12-18個月。某大型氨基酸生產企業的對比數據顯示，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領域，溶氧電極能夠提供準確的溶氧監測數據，溶氧電極能夠實時、準確地監測發酵過程中的溶解氧濃度。在工業發酵過程中，光學溶氧電極相對于傳統極譜氧電極具有精度高、漂移小、響應快等優點。例如，在青霉素發酵過程中，培養液中的溶解氧濃度對菌體的代謝過程及終端產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 發酵過程中的應用，為發酵過程提供了重要的指導意義。當培養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，嚴重時會產生不可逆的抑制菌體生長和產物合成異常現象極譜法溶氧電極供應商極譜法溶氧電極具有優異的測量性能，還具備遠程監控和數據傳輸的能力，為水質監測、生物反應、污水處理等。

加強人員培訓和管理也能夠提高溶氧電極在監測過程中的穩定性。1、操作人員培訓：對發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，提高操作人員的專業技能和水平。操作人員應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，以及在發酵過程中如何根據溶氧水平的變化調整發酵罐的操作條件。2、質量管理體系：建立健全發酵罐廠的質量管理體系，加強對溶氧電極的質量控制和管理。對溶氧電極的采購、驗收、安裝、維護、校準和使用等環節進行嚴格的質量控制，確保溶氧電極的性能和穩定性符合發酵工藝的要求。總之，提高溶氧電極在發酵罐廠應用中的穩定性需要從選擇合適的電極類型、正確安裝和維護電極、優化發酵罐的操作條件、采用先進的控制系統和加強人員培訓和管理等方面入手。通過綜合采取這些措施，可以提高溶氧電極的穩定性，保證發酵過程的順利進行，提高發酵產品的質量和產量。

在大規模生物發酵生產中，改善溶氧電極水平均勻性對于提高發酵效率和產品質量至關重要，以下是優化攪拌轉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 自控式發酵罐培養研究溶氧控制條件（攪拌轉速和通氣量）對雙孢菇發酵過程的影響。結果表明，攪拌轉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。得出較佳的培養條件為：溫度 25℃、攪拌轉速 160r/min、通氣量 0.9vvm，此條件下，培養 5d，菌體生物量多達 20.81g/L，胞外多糖產量多達 3.75g/L。2、在大規模生物發酵生產中，可以根據不同的發酵菌種和生產要求，優化攪拌轉速和通氣量，以提高溶氧水平的均勻性。溶氧電極的陰極（鉑 / 金）發生氧還原反應，陽極（銀 / 氯化銀）發生金屬氧化反應。

如何結合先進的控制技術實現對溶氧電極水平的精確控制以提高產酶效率？1、采用模型參考自適應控制（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控制（MRAC）應用于非線性系統中溶解氧濃度的控制，該系統為活性污泥生物反應器，大量用于廢水處理和凈化操作。通過與經典的PI控制方法進行比較，驗證了該方法在MATLAB環境中的有效性。這種自適應控制技術能夠根據系統的實際運行情況不斷調整控制參數，以實現對溶氧水平的精確控制，從而為提高產酶效率創造有利條件。2、分階段供氧控制策略何寧等人在2004年的研究中，在3L發酵罐上系統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。具體為發酵過程0-16h維持體積傳氧系數kLa為100h?1，16h后降低kLa為40h?1至發酵結束，整個發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，生物絮凝劑產量達到900mg?L?1，發酵周期縮短，實現了高細胞生長速率和高產物產率的統一。這種控制策略可以根據不同發酵階段的需求，精確調整溶氧水平，為提高產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

溶氧電極在發酵罐廠的應用中，穩定性至關重要。提高溶氧電極的穩定性可以優化發酵罐的操作條件：1、控制攪拌轉速和通氣量，攪拌轉速和通氣量對發酵過程中的溶氧水平有重要影響。適當提高攪拌轉速 可以增加發酵液與空氣的接觸面積，提高溶氧傳遞效率；增加通氣量 可以提高發酵罐內的氧氣含量，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，較佳的培養條件為溫度25℃、攪拌轉速160r/min、通氣量0.9vvm，此條件下，菌體生物量至多達20.81g/L，胞外多糖產量多達3.75g/L。2、控制發酵溫度和pH值，發酵溫度和pH值對發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定性。一般來說，發酵溫度和pH值應控制在適合發酵菌種生長和代謝的范圍內。過高或過低的發酵溫度和pH值會影響微生物的活性和代謝產物的生成，從而影響溶氧水平的變化。同時，也會對溶氧電極的性能產生一定的影響，降低其穩定性。因此，需要根據發酵菌種的特性和發酵工藝的要求，優化發酵溫度和pH值，以提高溶氧電極的穩定性。杭州不銹鋼溶解氧電極