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技术文章
生物发酵罐 pH / DO 在线监测、电极原理与常见问题
发酵罐里的 pH 和溶氧（DO）均采用可高温灭菌的在线电极实时监测，信号接入控制器后，可自动联动加酸/加碱、调节通气/搅拌，实现闭环控制。
一、在线监测基本方式
- 安装：电极通过卫生级快装接口安装在罐侧或罐顶，可在位蒸汽灭菌（121℃），无需反复拆装。
- 系统：电极 → 变送器 → 控制柜（显示+PID调节）。
- 控制逻辑：
- pH 偏低/偏高 → 自动泵入碱液/酸液；
- DO 偏低 → 自动提高转速、加大通气、提升罐压。
二、pH 电极（pH 传感器）
1. 工作原理
发酵罐使用耐高温高压复合 pH 电极，核心是玻璃电极法：
1. 电极前端有特殊pH 敏感玻璃膜，膜内外 H⁺浓度不同会产生电势差；
2. 内置参比电极提供稳定基准电位；
3. 电势差与 pH 值符合能斯特方程，变送器将信号换算为 pH 值显示。
特点：响应快、精度高（±0.01~0.1），可 121℃ 反复蒸汽灭菌。
2. pH 电极常见问题
- 读数漂移、不稳定
参比液损耗、电解液污染、玻璃膜老化或结垢。
- 响应极慢
玻璃膜被蛋白、菌丝、多糖包裹钝化；电极长期未活化。
- 灭菌后失效/读数跳变
玻璃膜因热冲击破裂；密封圈渗漏导致内部进水。
- 测量不准、校正不过
电极未充分浸泡活化；标准液过期；玻璃膜划伤。
- 参比系统堵塞
培养基中的蛋白、胶体堵塞液接界，导致信号无法稳定。
三、DO 溶氧电极
工业发酵主流两类：极谱式（Clark 氧电极） 和 荧光法 DO 电极。
1. 极谱式 DO 电极（传统经典型）
原理：
1. 电极内部有阴极、阳极、电解液，外部覆盖透气聚四氟乙烯膜；
2. 氧气透过薄膜扩散到阴极，发生还原反应产生扩散电流；
3. 电流大小与溶解氧浓度成正比，从而计算出 DO 值。
特点：成本较低，但需要极化时间（30~60min），膜易污染。
2. 荧光法 DO 电极（目前发酵主流）
原理：
1. 探头前端有荧光物质涂层，被蓝光激发后发出红光；
2. 氧气会对荧光产生淬灭作用，氧浓度越高，荧光寿命越短；
3. 通过检测荧光衰减时间计算 DO，无消耗、无极化、不耗氧。
特点：免维护、耐污染、不受流速影响、灭菌稳定，是发酵罐首-选。
3. DO 电极常见问题
- 读数偏低、上不去
透气膜/荧光膜被菌丝、蛋白、油污覆盖；膜破损漏气。
- 读数波动大
电极附近气泡干扰；搅拌不均导致局部氧浓度波动。
- 极谱电极需频繁极化、零点漂移
电解液减少、阳极老化、透气膜增厚。
- 荧光电极读数不准
荧光膜老化、长期高温灭菌导致涂层衰减；未做空气/无氧标定。
- 灭菌后无信号
电极密封损坏进水；电缆接头高温受潮短路。
四、通用共性问题（发酵工况特-有）
- 生物污染附着：菌丝、蛋白、多糖包裹探头 → 测量失真
- 高温灭菌损伤：反复 121℃ 导致膜老化、电解液变质
- 安装位置不当：靠近气泡、挡板或死角，代表性差
- 维护缺失：长期不清洗、不标定、不更换膜/电解液
- 干扰：静电、变频器干扰导致信号跳变
五、简单判断口诀
- pH 迟钝、飘移 → 膜脏或参比坏
- DO 偏低不动 → 探头被糊住
- 灭菌后失灵 → 密封漏水或膜裂
- 波动-乱跳 → 干扰或气泡影响
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