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?，F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%。 租賃模式為臨時監測項目提供溶氧電極解決方案，降低初期投入。湖北溶氧電極訂購

采用先進的控制系統能夠提高溶氧電極的穩定性，1、模糊自適應 PID 控制器，發酵罐系統中的溶氧具有非線性、時變的特點，傳統的 PID 控制器通常不適用于這類系統。因此，可以采用一種新的模糊自適應 PID 控制器，在 Simulink 環境中構建 PID 控制系統，并使用 Matlab 中的模糊邏輯控制工具箱設計模糊控制器。這種模糊自適應 PID 控制器具有響應速度快、控制靈敏度高、適應性強等優點，可以提高溶氧電極在發酵罐廠應用中的穩定性。2、分階段供氧控制策略，在谷氨酸棒桿菌合成新型生物絮凝劑的分批發酵過程中，采用分階段供氧控制策略可以提高生物絮凝劑的產量和穩定性。該策略是在發酵過程 0～16 h 維持體積傳氧系數 kLa 為 100h-1，16 h 后降低 kLa 為 40h-1 至發酵結束，整個發酵過程通氣量保持在 1 L?L-1?min-1。采用這種分階段供氧控制策略，可以實現高細胞生長速率和高產物產率的統一，同時也可以提高溶氧電極在發酵罐廠應用中的穩定性。熒光淬滅溶解氧電極廠家推薦極譜式溶氧電極的線性范圍通常為 0-20 mg/L，適用于高精度測量。

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從多個方面入手。一、選擇合適的溶氧電極類型，目前市場上主要有傳統極譜氧電極和光學溶氧電極兩種類型。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。在發酵過程中，光學溶氧電極具有代替傳統極譜氧電極的巨大潛力。因此，在發酵罐廠應用中，可以優先選擇光學溶氧電極，以提高穩定性。二、正確安裝和維護，1、溶氧電極安裝位置的選擇，溶氧電極應安裝在發酵罐內能夠準確反映發酵液中溶氧水平的位置。一般來說，應避免安裝在攪拌器附近、進氣口或出氣口等容易產生湍流或氣泡的地方，以免影響測量的準確性。安裝時應確保電極與發酵液充分接觸，同時要注意電極的密封性，防止發酵液泄漏或外部氣體進入影響測量結果。2、定期維護和校準，定期對溶氧電極進行維護和校準是保證其穩定性的重要措施。維護包括清洗電極表面、檢查電極的密封性和電纜連接等。校準可以采用兩點校準法或三點校準法，根據發酵液的實際情況選擇合適的校準液進行校準。校準的頻率應根據發酵罐的使用情況和電極的性能來確定，一般建議每周或每月進行一次校準。

溶氧電極在石油開采領域也有應用。在油藏開采過程中，向油層注入含有一定溶解氧的水，可促進油層中微生物的生長和代謝，這些微生物能夠分解原油中的一些復雜有機物，降低原油黏度，提高原油的流動性，從而提高原油采收率。溶氧電極可用于監測注入水中的溶解氧濃度，以及油層中溶解氧的分布情況，幫助工程師優化注水方案，提高石油開采效率，降低開采成本。新型智能溶氧電極具備自我診斷功能。它能夠實時監測自身的工作狀態，如電極的極化電壓是否正常、透氣膜是否有破損、電解液是否充足等。一旦發現異常，電極會自動發出警報，并通過內置的算法對故障進行初步診斷，提示用戶可能出現問題的部位和原因。這種自我診斷功能**提高了電極的可靠性和維護效率，減少了因電極故障導致的監測中斷和數據不準確的情況。隨著材料科學與電子技術進步，溶氧電極的精度、耐用性和智能化水平將持續提升。

不同發酵罐規模下的應用差異，在中試規模（20和250升）及生產規模（15000升）的novobiocin發酵中，對溶氧的測量發現，在中試罐中，當渦輪攪拌器的直徑與罐直徑之比（D/T）為0.40時，整體混合不完全，而當D/T=0.69時，混合較為均勻。這表明在不同規模的發酵罐中，攪拌器的設計會影響溶氧的分布和測量。在生產規模的發酵罐中，對三種不同尺寸的攪拌器（D/T分別為0.28、0.33和0.43）進行測試，發現整體混合是完全的，但呼吸速率仍然受到限制，主要是由于液體與細胞之間存在阻力。這說明在不同規模的發酵罐中，溶氧電極的應用需要考慮攪拌器的設計以及液體與細胞之間的阻力差異，以確保準確監測溶氧水平并優化發酵過程。通過溶解氧電極的連續監測，可以建立發酵過程的動力學模型，預測產物積累趨勢。杭州熒光淬滅溶氧電極

溶氧電極的氣泡附著會阻礙氧擴散，需在測量前排除溶液氣泡。湖北溶氧電極訂購

在微生物工程和生物技術領域，溶氧電極的應用可以為優化生產工藝和提高產品質量提供重要支持。通過精確控制溶氧水平，可以提高微生物的生長速度和代謝效率，降低生產成本，提高產品的競爭力。同時，結合現代化生物技術手段，如基因工程、代謝工程等，可以進一步優化微生物的性能，使其更好地適應不同的溶氧條件和生產要求?？傊?，溶氧電極在研究溶氧水平對微生物生長和代謝的影響方面具有重要作用。通過準確測量溶氧水平，可以深入了解微生物在不同溶氧條件下的生長規律、代謝變化、酶活性、生存策略等方面的特點，為優化發酵工藝、提高生產效率、改善產品質量、保護生態環境等提供科學依據。在未來的研究和應用中，溶氧電極將繼續發揮重要作用，為推動微生物學和相關領域的發展做出貢獻。湖北溶氧電極訂購