在生物發(fā)酵過(guò)程中，溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)是影響微生物生長(zhǎng)、代謝及產(chǎn)物合成的關(guān)鍵參數(shù)之一。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)酵液中溶氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，
發(fā)酵過(guò)程溶氧電極作為核心檢測(cè)裝置被廣泛應(yīng)用于各類發(fā)酵系統(tǒng)中。其工作原理主要基于電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，并結(jié)合現(xiàn)代傳感技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。
一、溶氧電極的基本結(jié)構(gòu)
典型的溶氧電極由陰極、陽(yáng)極、電解液、透氣膜等部分組成。其中，陰極通常為金或鉑金屬，陽(yáng)極為銀或鉛；電解液一般采用KCL溶液；而覆蓋在電極前端的氣體滲透膜則是一種選擇性透過(guò)氧氣而不允許水分子和離子通過(guò)的高分子材料，如聚四氟乙烯(PTFE)或硅橡膠。
二、工作原理：電化學(xué)還原反應(yīng)
溶氧電極的工作基于克拉克(Clark)氧傳感器原理。當(dāng)電極通電后，在陰極表面發(fā)生氧的還原反應(yīng)，與此同時(shí)，陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)釋放電子以維持電路平衡。溶解在發(fā)酵液中的氧氣通過(guò)透氣膜擴(kuò)散進(jìn)入電極內(nèi)部，并在陰極處參與反應(yīng)，產(chǎn)生電流信號(hào)。該電流大小與進(jìn)入電極的氧分子數(shù)量成正比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溶氧濃度的測(cè)量。
三、溫度補(bǔ)償與極化電壓控制
由于氧氣的溶解度和電極響應(yīng)受溫度影響較大，現(xiàn)代溶氧電極通常內(nèi)置溫度傳感器，通過(guò)軟件算法進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度。此外，電極需要施加一個(gè)穩(wěn)定的極化電壓，使電極處于較佳工作狀態(tài)，避免因電壓波動(dòng)導(dǎo)致的測(cè)量誤差。
四、動(dòng)態(tài)響應(yīng)與校準(zhǔn)要求
在發(fā)酵過(guò)程中，溶氧水平可能隨攪拌、通氣等因素快速變化，因此溶氧電極需具備良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。同時(shí)，為保證測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性，電極在使用前和運(yùn)行過(guò)程中需定期進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)，即在無(wú)氧環(huán)境(如亞硫酸鈉溶液)和飽和氧環(huán)境中分別校正零點(diǎn)和滿量程。
五、應(yīng)用中的關(guān)鍵維護(hù)措施
為延長(zhǎng)電極壽命和保持測(cè)量精度，日常維護(hù)至關(guān)重要。主要包括：
定期更換或補(bǔ)充電解液；
清洗透氣膜防止污染堵塞；
避免機(jī)械碰撞造成電極損傷；
周期性檢查電纜連接和密封性能。
發(fā)酵過(guò)程溶氧電極作為發(fā)酵過(guò)程在線監(jiān)測(cè)的核心工具，其測(cè)量精度直接影響到發(fā)酵工藝的調(diào)控效果。深入理解其工作原理、掌握正確的操作與維護(hù)方法，對(duì)于提升發(fā)酵效率、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)溶氧電極將向更高精度、更長(zhǎng)壽命、智能化方向不斷演進(jìn)，為生物制造領(lǐng)域提供更加穩(wěn)定可靠的技術(shù)支持。
