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%。 溶氧電極無信號輸出時，檢查電源線連接、電解液是否干涸或膜是否破損。江蘇微生物培養(yǎng)用溶解氧電極報價

溶氧電極測量得到的數(shù)據(jù)需要進行處理和分析，才能為發(fā)酵過程的控制提供有效的指導(dǎo)。一般來說，可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將溶氧電極測量得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，然后使用相應(yīng)的軟件進行處理和分析。處理和分析的內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的濾波、平滑、趨勢分析等。通過對溶氧電極數(shù)據(jù)的處理和分析，可以更好地了解發(fā)酵過程中的溶氧變化規(guī)律，為優(yōu)化發(fā)酵條件提供依據(jù)。為了確保溶氧電極的正常工作，需要對其進行定期的維護和保養(yǎng)。維護和保養(yǎng)的內(nèi)容包括清洗電極、更換電極膜、校準電極等。在清洗電極時，需要使用適當(dāng)?shù)那逑磩苊馐褂脧娝帷妷A等腐蝕性清洗劑。在更換電極膜時，需要選擇合適的電極膜，并按照說明書進行更換。定期校準電極可以確保其測量結(jié)果的準確性。北京高精度溶氧電極固態(tài)電解質(zhì)界面膜研究解決溶氧電極電解液泄漏的行業(yè)痛點。

對于深海探測而言，溶氧電極面臨著巨大的挑戰(zhàn)。深海環(huán)境具有高壓、低溫、黑暗以及復(fù)雜的海水成分等特點。為適應(yīng)這種極端環(huán)境，深海溶氧電極在材料選擇上必須極為嚴苛。電極外殼需采用**度、耐腐蝕且能承受高壓的合金材料，如鈦合金。透氣膜要具備在低溫下仍能保持良好透氣性能的特性，且不會被海水中的鹽分和微生物侵蝕。同時，電極的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮到高壓對電解液和電子元件的影響，確保在深海環(huán)境下能夠準確、穩(wěn)定地測量溶解氧濃度，為深海生態(tài)研究提供重要數(shù)據(jù)。

溶氧電極測值的變化還會影響微生物的群落結(jié)構(gòu)。在不同的溶氧水平下，微生物群落會發(fā)生適應(yīng)性變化。例如，在高鹽環(huán)境的微生物燃料電池中，當(dāng)溶氧電極測值顯示特定的溶氧水平時，陰極生物膜中的微生物群落會發(fā)生改變，一些特定的菌種如 Desulfuromonas sp. 和 Gammaproteobacteria 會成為關(guān)鍵物種，影響微生物燃料電池的性能。因此，通過溶氧電極監(jiān)測溶氧水平的變化，可以研究微生物群落結(jié)構(gòu)與溶氧水平之間的關(guān)系。對于一些對氧氣敏感的微生物，溶氧電極的測值尤為重要。例如，微需氧微生物在低氧環(huán)境下生長，但對氧氣的濃度要求非常嚴格。溶氧電極可以精確地測量這種低氧水平，幫助研究人員確定微需氧微生物的較好生長條件。同時，對于一些在低氧環(huán)境下具有特殊代謝功能的微生物，如在微氧條件下能夠有效降解生物毒性污染物的微生物，溶氧電極可以監(jiān)測到適宜的溶氧水平，促進其代謝過程。溶氧電極的氧分子通過膜擴散速率決定測量靈敏度，需穩(wěn)定傳質(zhì)條件。

溶氧電極與其他傳感器的協(xié)同作用，在發(fā)酵罐廠中，溶氧電極通常與其他傳感器協(xié)同工作，如pH電極、溫度傳感器等。這些傳感器共同監(jiān)測發(fā)酵過程中的各種參數(shù)，為發(fā)酵過程的優(yōu)化提供完整的數(shù)據(jù)支持。例如，pH電極可以監(jiān)測發(fā)酵液的酸堿度，溫度傳感器可以監(jiān)測發(fā)酵液的溫度。通過綜合考慮這些參數(shù)，可以更好地控制發(fā)酵過程，提高發(fā)酵產(chǎn)物的產(chǎn)量和質(zhì)量。不同的發(fā)酵工藝對溶氧水平的要求不同。例如，在好氧發(fā)酵過程中，需要較高的溶氧水平，以滿足微生物的生長和代謝需求；而在厭氧發(fā)酵過程中，則需要較低的溶氧水平，甚至是無氧環(huán)境。溶氧電極可以根據(jù)不同的發(fā)酵工藝要求，實時監(jiān)測溶氧水平，并為調(diào)整發(fā)酵條件提供依據(jù)。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的發(fā)酵工藝選擇合適的溶氧電極，并進行合理的安裝和調(diào)試，以確保其能夠準確地測量溶氧水平。抗腐蝕溶氧電極適用于高鹽、強酸強堿等惡劣工業(yè)環(huán)境。北京高精度溶氧電極

溶解氧電極的耐滅菌性能至關(guān)重要，需能承受高溫高壓或化學(xué)消毒劑的反復(fù)處理。江蘇微生物培養(yǎng)用溶解氧電極報價

采用先進的控制系統(tǒng)能夠提高溶氧電極的穩(wěn)定性，1、模糊自適應(yīng) PID 控制器，發(fā)酵罐系統(tǒng)中的溶氧具有非線性、時變的特點，傳統(tǒng)的 PID 控制器通常不適用于這類系統(tǒng)。因此，可以采用一種新的模糊自適應(yīng) PID 控制器，在 Simulink 環(huán)境中構(gòu)建 PID 控制系統(tǒng)，并使用 Matlab 中的模糊邏輯控制工具箱設(shè)計模糊控制器。這種模糊自適應(yīng) PID 控制器具有響應(yīng)速度快、控制靈敏度高、適應(yīng)性強等優(yōu)點，可以提高溶氧電極在發(fā)酵罐廠應(yīng)用中的穩(wěn)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(fā)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(chǎn)量和穩(wěn)定性。該策略是在發(fā)酵過程 0～16 h 維持體積傳氧系數(shù) kLa 為 100h-1，16 h 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 1 L?L-1?min-1。采用這種分階段供氧控制策略，可以實現(xiàn)高細胞生長速率和高產(chǎn)物產(chǎn)率的統(tǒng)一，同時也可以提高溶氧電極在發(fā)酵罐廠應(yīng)用中的穩(wěn)定性。江蘇微生物培養(yǎng)用溶解氧電極報價