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%。 食品工業中，溶氧電極用于檢測包裝內殘氧，確保產品保質期。四川污水處理用溶解氧電極

溶氧電極——溶氧對生物發酵產類胡蘿卜素影響案列：1、典型案例?紅酵母（Rhodotorulaglutinis）DO維持在30%時，β-胡蘿卜素產量較10%DO提高2-3倍。（1）三孢布拉霉（Blakesleatrispora）兩階段控制：0-24hDO=50%24-120hDO=20%β-胡蘿卜素產量達1.5g/L。（2）雨生紅球藻（Haematococcuspluvialis）低氧DO<10%誘導蝦青素積累，但需結合高光強脅迫。二、挑戰與未來方向：（1）動態監測：在線DO傳感器與代謝通量分析結合，實現實時調控。（2）合成生物學：構建氧不敏感菌株或人工?氧響應途徑。（3）節能優化：開發低能耗曝氣系統（如微氣泡曝氣）通過調控溶解氧，可提高類胡蘿卜素的發酵產量和經濟性，但需結合菌種特性、工藝參數及成本進行綜合優化。耐消殺溶氧電極批發溶解氧電極的維護成本是發酵工廠選型時的重要考量因素，影響長期經濟效益。

在使用溶氧電極的過程中，可能會出現各種故障，如電極響應時間過長、測量結果不準確等。對于這些故障，需要進行及時的診斷和排除。故障診斷的方法包括檢查電極的連接是否良好、電極是否損壞、電極膜是否過期等。根據故障診斷的結果，可以采取相應的措施進行排除，如重新連接電極、更換電極、更換電極膜等。以某發酵罐廠為例，該廠在生產過程中使用了溶氧電極對發酵過程進行實時監測。通過對溶氧電極數據的分析，發現發酵過程中的溶氧水平存在波動。經過進一步的調查和分析，發現是由于通氣量不穩定導致的。該廠采取了相應的措施，如調整通氣量控制系統、增加備用通氣設備等，有效地解決了溶氧水平波動的問題，提高了發酵產物的產量和質量。

    1、大腸桿菌對溶氧的需求，大腸桿菌是一種兼性厭氧菌，在有氧條件下可通過有氧呼吸高效代謝。在高密度發酵過程中，充足的氧氣供應至關重要，通常需要將溶解氧（DO）水平維持在20%-30%。若DO低于此范圍，菌體可能轉向厭氧代謝，通過“Crabtree效應”積累乙酸，進而抑制蛋白質合成和菌體生長，影響發酵效率。2、DO-STAT控制策略，DO-STAT（溶氧關聯補料控制）是一種基于實時溶氧反饋的智能補料技術，通過動態調節補料速率使耗氧與供氧達到平衡。該技術廣泛應用于工業微生物發酵領域，尤其在大腸桿菌和酵母菌的高密度培養中表現優異，是重組蛋白、疫苗及酶制劑生產的關鍵工藝之一。溶氧水平的精細控制直接決定了菌體生長速率和產物合成效率。3、溶氧監測，目前發酵過程中的溶氧在線監測主要依賴兩類傳感器，極譜型溶氧電極：傳統電化學傳感器，響應快，需定期維護。光學溶氧傳感器：基于熒光淬滅原理，穩定性高，維護需求低。4、溶氧分段控制根據發酵階段動態調整DO水平，可大幅度提升產物產量，生長期：維持DO20%-30%，配合高攪拌速率（500-800rpm），促進菌體快速增殖。誘導期：降低DO至10%-20%，減少乙酸積累，同時促進外源蛋白表達（如IPTG誘導系統）。 溶氧電極的膜破損會導致電解液滲漏，需立即停止使用并更換。

淀粉液化芽孢桿菌、出芽短梗霉和短梗霉，在生物發酵產酶過程中對溶氧電極水平的具體需求和差異說明。1、淀粉液化芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）BS5582 在 IOL - 全自動發酵罐規模生產 β- 葡聚糖酶時，通過控制通氣量、罐壓和攪拌轉速進行溶氧優化。在裝液量 6L，接種量 6.67％，發酵溫度 37℃的條件下，優化后通氣量 9L/min，攪拌轉速 600r／min，罐壓 0.6MPa，β- 葡聚糖酶酶活在 44h 達到 511U／mL，比優化前提高了 122.76％。2、從自然界中分離篩選出的短梗霉菌株 ipe-3 和 ipe-5，經 2.7L 發酵罐發酵。研究發現，在 70％溶氧條件下，ipe-3 聚蘋果酸產量為 10.027g/L，蘋果酸產量為 5.70g/L，ipe-5 聚蘋果酸產量為 03g/L，蘋果酸產量較高為 57.24g/L。與 70％溶氧條件下發酵產量相比，在 10％溶氧條件下，ipe-3 聚蘋果酸產量降低了 41.67％，蘋果酸產量降低了 62.63％；ipe-5 不產聚蘋果酸，蘋果酸產量降低了 83.05％。得出溶氧降低導致菌體濃度及葡萄糖利用速率降低，從而造成短梗霉發酵產酸的產量降低。中外合資企業促進溶氧電極技術本地化，適應不同水質條件。耐消殺溶氧電極批發

溶解氧電極的耐腐蝕性能影響其在酸性或堿性發酵液中的長期可靠性。四川污水處理用溶解氧電極

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。四川污水處理用溶解氧電極