生物反應(yīng)器
DO電極的使用、維護與保養(yǎng)
時間：2022.07.15
發(fā)酵液中的溶氧濃度（Dissolved Oxygen，簡稱DO）是需氧微生物發(fā)酵、細胞培養(yǎng)過程中一個至關(guān)重要的參數(shù)，DO值的改變對菌體生長、目標(biāo)物的性質(zhì)和產(chǎn)量都會產(chǎn)生不同一定的影響，通過觀察發(fā)酵液中溶氧量的變化，可以了解到微生物生長代謝是否正常、工藝控制是否合理、設(shè)備供氧能力是否完善等。
因此，對這個參數(shù)進行實時的精確測量是實現(xiàn)溶氧自動控制的基本前提，目前行業(yè)內(nèi)多是通過插入式DO電極進行罐內(nèi)監(jiān)測。
（溶氧電極結(jié)構(gòu)圖）
光學(xué)溶氧電極采用的是基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對活性熒光的猝熄原理。傳感器的設(shè)計是通過一個發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的藍光照射在熒光帽內(nèi)表面的熒光物質(zhì)上，特定的發(fā)光體被藍光激發(fā)后會發(fā)生冷光現(xiàn)象（紅光），通過檢測紅光與藍光之間的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值比對，便可計算出氧濃度最后再經(jīng)過溫度和氣壓自動補償輸出最終值。
注意：HOLVES生物反應(yīng)器標(biāo)配METTLERTOLEDO InPro6800系列極譜式DO電極，以下內(nèi)容也只針對此款電極。
一、DO電極的基本種類
發(fā)酵行業(yè)中常用的是兩種溶氧電極——極譜式溶氧電極和光學(xué)溶氧電極。
極譜式溶氧電極是由鉑（或者金環(huán)）作陰極，由銀-氯化銀（或者汞-氯化亞汞）作陽極。電解液為KCl溶液。陰極外表面覆蓋一層透氧薄膜，薄膜可采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、硅橡膠等透氣材料。陰陽兩電極之間需要外加0.5~1.5V的極化電壓。使用過程中，溶解氧透過薄膜到達陰極表面時會被電離，在此過程中釋放出的電子，會在電解液中形成電流，由于透過薄膜的溶解氧含量與水中的溶解氧含量成正比，所以在不同的溶解氧含量下，電解液中形成的電流強度也不相同，而電流的強度的大小可由電極監(jiān)測到。電極監(jiān)測到的電流強度可以根據(jù)法拉第定律換算為具體的氧濃度，得到數(shù)值再經(jīng)過溫度、氣壓補償輸出最終值。由于整個過程中電解質(zhì)參與了反應(yīng)，因此需要定期更換電解液。
極譜式溶氧電極是由鉑（或者金環(huán)）作陰極，由銀-氯化銀（或者汞-氯化亞汞）作陽極。電解液為KCl溶液。陰極外表面覆蓋一層透氧薄膜，薄膜可采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、硅橡膠等透氣材料。陰陽兩電極之間需要外加0.5~1.5V的極化電壓。使用過程中，溶解氧透過薄膜到達陰極表面時會被電離，在此過程中釋放出的電子，會在電解液中形成電流，由于透過薄膜的溶解氧含量與水中的溶解氧含量成正比，所以在不同的溶解氧含量下，電解液中形成的電流強度也不相同，而電流的強度的大小可由電極監(jiān)測到。電極監(jiān)測到的電流強度可以根據(jù)法拉第定律換算為具體的氧濃度，得到數(shù)值再經(jīng)過溫度、氣壓補償輸出最終值。由于整個過程中電解質(zhì)參與了反應(yīng)，因此需要定期更換電解液。
（溶氧電極結(jié)構(gòu)圖）
光學(xué)溶氧電極采用的是基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對活性熒光的猝熄原理。傳感器的設(shè)計是通過一個發(fā)光二極管（LED）發(fā)出的藍光照射在熒光帽內(nèi)表面的熒光物質(zhì)上，特定的發(fā)光體被藍光激發(fā)后會發(fā)生冷光現(xiàn)象（紅光），通過檢測紅光與藍光之間的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值比對，便可計算出氧濃度最后再經(jīng)過溫度和氣壓自動補償輸出最終值。
注意：HOLVES生物反應(yīng)器標(biāo)配METTLERTOLEDO InPro6800系列極譜式DO電極，以下內(nèi)容也只針對此款電極。
二、DO電極使用前的準備
1、電極液：
首次使用或者長期未使用的DO電極，建議在使用前更換電解液。一般建議客戶每三個月更換一次電解液，可根據(jù)具體情況自行決定。
首次使用或者長期未使用的DO電極，建議在使用前更換電解液。一般建議客戶每三個月更換一次電解液，可根據(jù)具體情況自行決定。
如果電極信號不正常（如出現(xiàn)響應(yīng)時間長、無氧介質(zhì)中電流增大等情況）或電極出現(xiàn)“機械損壞時”，就需要更換膜或者退回原廠檢修。
2、更換電解液的操作步驟：
2、更換電解液的操作步驟：
① 將膜內(nèi)的殘余電解液倒掉，用去離子水沖洗溶氧膜內(nèi)部，沖洗完成后再用吸水紙吸水跡；
② 將膜傾斜，電解液瓶的管口垂直向下；
③ 輕輕擠壓電解液瓶，使電解液緩慢的流入膜內(nèi)；
④ 電解液加入量為二分一左右；
⑤ 確認膜內(nèi)部沒有氣泡，如有氣泡可輕彈膜體，排除氣泡；
⑥ 將膜緩慢的旋轉(zhuǎn)套入內(nèi)電極上，再小心的旋緊不銹鋼套管。
3、DO電極的極化：
（DO電極極化時間表）
三、DO電極的校準
DO電極校準前必須充分極化。DO電極使用的兩點校準需要結(jié)合具體情況進行操作，連接溫度電極，同時設(shè)定標(biāo)準大氣壓為1013mbar。
若有相關(guān)條件，請按如下操作進行校準：
將電極接通電源后，先放入無氧環(huán)境中，待讀數(shù)穩(wěn)定后點擊“零點確認”，再將電極放入純氧環(huán)境中，待讀數(shù)穩(wěn)定后點擊“滿度確認”，彈出窗口“DO電極OK”即表示校準完成。
若無相關(guān)條件，請按如下操作進行校準：
溶氧電極在使用前須通電極化6小時以上。通過電纜線將電極和變送器連接起來，變送器通電后電極即開始極化。
下列情況中的電極需要進行極化：
① 電極第一次使用，極化6小時以上；
② 更換膜或電解液，極化6小時以上；
③ 變送器斷電或電極與電纜線斷開，最小極化時間見下表。
（DO電極極化時間表）
三、DO電極的校準
將電極接通電源后，先放入無氧環(huán)境中，待讀數(shù)穩(wěn)定后點擊“零點確認”，再將電極放入純氧環(huán)境中，待讀數(shù)穩(wěn)定后點擊“滿度確認”，彈出窗口“DO電極OK”即表示校準完成。
若無相關(guān)條件，請按如下操作進行校準：
不接電極，點擊“零點確認”，滿度校準方法由校準介質(zhì)而定：
① 如果以空氣為校準介質(zhì)，將電極放在空氣中，并擦干膜上的水跡。待讀數(shù)穩(wěn)定后，點擊“滿度確認”即可；
② 生化發(fā)酵過程中，一般以飽和介質(zhì)為校準介質(zhì)。在實消后以及接種前，于適宜溫度下將攪拌開至最大，同時通入最大通氣量的飽和空氣一定時間，待讀數(shù)穩(wěn)定后點擊“滿度確認”即可。建議在統(tǒng)一的通氣時間后進行校準，以統(tǒng)一不同罐批和不同發(fā)酵罐的飽和狀態(tài)。
四、DO電極的性能測試
每支電極都有自己的零點和斜率，而隨著使用時間的延長，電解液逐漸消耗，電極的斜率和零點也會隨之發(fā)生變化。而通過斜率和零點的變化，我們可以推斷出電極的性能情況。
斜率判斷法：
四、DO電極的性能測試
斜率判斷法：
以空氣為校準介質(zhì)進行校準后，參考極譜式溶氧電極電流信號表中空氣電流的標(biāo)準，判斷DO電極的斜率是否正常。
若處于警告或警報范圍，更換電極的電解液或膜后再重新校準，校準后若仍處于警告或警報范圍，則需要將電極返廠維修。
零點判斷法：
（極譜式溶氧電極電流信號表）
空氣中的電流值偏低，可能的原因及解決方法：
以純度99.995%的氮氣為校準介質(zhì)進行校準后，參考極譜式溶氧電極電流信號表中零點電流的標(biāo)準，判斷DO電極的零點是否正常。
若處于警告或報警范圍，更換電極的電解液或膜后再重新校準，校準后若仍處于警告或警報范圍，則需要將電極返廠維修。
（極譜式溶氧電極電流信號表）
五、電極在空氣中的電流值異常
電極在空氣中的電流值指把電暴露在空氣中的電流值，一般用絕對值表示，不同類型的DO電極在空氣中的電流值范圍不同。詳見電極使用說明書。空氣中的電流值偏低，可能的原因及解決方法：
① 鉑陰極表面有氧化物質(zhì)覆蓋
這種情況下，將內(nèi)電極的頭部對著光源觀察陰極，可以看到陰極表面顯露出黑色?？墒褂脴?biāo)號1000目以上的砂紙在鉑絲頭部輕輕打磨數(shù)次，至鉑絲表面發(fā)亮即可。切不可過度打磨，否則會使內(nèi)電極頭部受損。
② 鉑陰極未能接觸到溶氧膜
檢查溶氧膜是否旋緊到位，若未旋緊，則必須將膜旋緊到位，并旋緊膜保護套直至黑色密封圈看不到為止。
檢查溶氧膜膜片，如果有過度的突起，如下圖示，使陰極不能接觸到膜片，則必須更換溶氧膜。
空氣中的電流值偏高，可能的原因及解決方法
希望以上的內(nèi)容能對您的發(fā)酵提供一點幫助，如有問題可與我們聯(lián)系，HOLVES將竭誠為您服務(wù)！
| 原因： | 處理方法： |
| 電極極化不充分 | 確認極化時間是否符合 |
| 電極受到污損 | 清洗電極，應(yīng)采用去離子水，不能采用含乙醇的清洗液。 |
| 電解液老化 | 更換電解液 |
| 膜老化或損壞 | 更換膜 |
| 電纜損壞 | 更換電纜，不接電極時變送器應(yīng)顯示很低且穩(wěn)定的電流值。 |
| 變送器損壞 | 更換變送器 |
六、DO電極的保養(yǎng)
使用過程中最容易發(fā)生因為膜的堵塞而導(dǎo)致測量不準或不穩(wěn)的現(xiàn)象，這往往是微小離子在膜表面的附著造成的，這類堵塞一般僅憑肉眼是不易發(fā)現(xiàn)的。對這類污染，可將電極取下，用3%～5%的稀鹽酸浸泡幾個小時后再使用。
電極較長時間不用時應(yīng)將保護帽套好，放置在保護盒內(nèi)保存。
注：本篇文章內(nèi)容為霍爾斯HOLVES版權(quán)所有，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載及使用。
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HOLVES提供不同類型的發(fā)酵罐知識、技術(shù)文章，例如：發(fā)酵罐發(fā)展歷史、發(fā)酵罐日常保養(yǎng)。在發(fā)酵罐產(chǎn)品更新方面，最新的新生代實驗室玻璃發(fā)酵罐，能滿足更多用戶的需求。
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