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DO電極的使用、維護與保養 時間:2022.07.15
發酵液中的溶氧濃度(Dissolved Oxygen,簡稱DO)是需氧微生物發酵、細胞培養過程中一個至關重要的參數,DO值的改變對菌體生長、目標物的性質和產量都會產生不同一定的影響,通過觀察發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、設備供氧能力是否完善等。
因此,對這個參數進行實時的精確測量是實現溶氧自動控制的基本前提,目前行業內多是通過插入式DO電極進行罐內監測。


一、DO電極的基本種類
發酵行業中常用的是兩種溶氧電極——極譜式溶氧電極和光學溶氧電極。
極譜式溶氧電極是由鉑(或者金環)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測到。電極監測到的電流強度可以根據法拉第定律換算為具體的氧濃度,得到數值再經過溫度、氣壓補償輸出最終值。由于整個過程中電解質參與了反應,因此需要定期更換電解液。
 

(溶氧電極結構圖)

光學溶氧電極采用的是基于物理學中特定物質對活性熒光的猝熄原理。傳感器的設計是通過一個發光二極管(LED)發出的藍光照射在熒光帽內表面的熒光物質上,特定的發光體被藍光激發后會發生冷光現象(紅光),通過檢測紅光與藍光之間的相位差,并與內部標定值比對,便可計算出氧濃度最后再經過溫度和氣壓自動補償輸出最終值。
 

注意:HOLVES生物反應器標配METTLERTOLEDO InPro6800系列極譜式DO電極,以下內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,可根據具體情況自行決定。
如果電極信號不正常(如出現響應時間長、無氧介質中電流增大等情況)或電極出現“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:
① 將膜內的殘余電解液倒掉,用去離子水沖洗溶氧膜內部,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;
④ 電解液加入量為二分一左右;
⑤ 確認膜內部沒有氣泡,如有氣泡可輕彈膜體,排除氣泡;
⑥ 將膜緩慢的旋轉套入內電極上,再小心的旋緊不銹鋼套管。
3、DO電極的極化:
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
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合具體情況進行操作,連接溫度電極,同時設定標準大氣壓為1013mbar。
若有相關條件,請按如下操作進行校準:
將電極接通電源后,先放入無氧環境中,待讀數穩定后點擊“零點確認”,再將電極放入純氧環境中,待讀數穩定后點擊“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而定:
① 如果以空氣為校準介質,將電極放在空氣中,并擦干膜上的水跡。待讀數穩定后,點擊“滿度確認”即可;
② 生化發酵過程中,一般以飽和介質為校準介質。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,待讀數穩定后點擊“滿度確認”即可。建議在統一的通氣時間后進行校準,以統一不同罐批和不同發酵罐的飽和狀態。

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:
以空氣為校準介質進行校準后,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:
以純度99.995%的氮氣為校準介質進行校準后,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覆蓋
這種情況下,將內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??墒褂脴颂?000目以上的砂紙在鉑絲頭部輕輕打磨數次,至鉑絲表面發亮即可。切不可過度打磨,否則會使內電極頭部受損。
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
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顯示很低且穩定的電流值。
變送器損壞 更換變送器

 
六、DO電極的保養
使用過程中最容易發生因為膜的堵塞而導致測量不準或不穩的現象,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現的。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將保護帽套好,放置在保護盒內保存。
 
希望以上的內容能對您的發酵提供一點幫助,如有問題可與我們聯系,HOLVES將竭誠為您服務!


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