霍尔斯HOLVES | 如何做好发酵罐溶氧电极的维护与保养？

基础发酵知识之DO电极的维护与保养

发酵液中的溶氧浓度（Dissolved Oxygen，简称DO）是需氧微生物发酵、细胞培养过程中一个至关重要的参数，DO值的改变对菌体生长、目标物的性质和产量都会产生不同一定的影响，通过观察发酵液中溶氧量的变化，可以了解到微生物生长代谢是否正常、工艺控制是否合理、设备供氧能力是否完善等。

因此，对这个参数进行实时的精确测量是实现溶氧自动控制的基本前提，目前行业内多是通过插入式DO电极进行罐内监测。

# 1
DO电极的基本种类

发酵行业中常用的是两种溶氧电极——极谱式溶氧电极和光学溶氧电极。

极谱式溶氧电极是由铂（或者金环）作阴极，由银-氯化银（或者汞-氯化亚汞）作阳极。电解液为KCl溶液。阴极外表面覆盖一层透氧薄膜，薄膜可采用聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯、硅橡胶等透气材料。阴阳两电极之间需要外加0.5~1.5V的极化电压。

使用过程中，溶解氧透过薄膜到达阴极表面时会被电离，在此过程中释放出的电子，会在电解液中形成电流，由于透过薄膜的溶解氧含量与水中的溶解氧含量成正比，所以在不同的溶解氧含量下，电解液中形成的电流强度也不相同，而电流强度的大小可由电极监测到。电极监测到的电流强度可以根据法拉第定律换算为具体的氧浓度，得到数值再经过温度、气压补偿输出最终值。由于整个过程中电解质参与了反应，因此需要定期更换电解液。

光学溶氧电极采用的是基于物理学中特定物质对活性荧光的猝熄原理。传感器的设计是通过一个发光二极管（LED）发出的蓝光照射在荧光帽内表面的荧光物质上，特定的发光体被蓝光激发后会发生冷光现象（红光），通过检测红光与蓝光之间的相位差，并与内部标定值比对，便可计算出氧浓度，最后再经过温度和气压自动补偿输出最终值。

注意：HOLVES生物反应器标配METTLER TOLEDO InPro6800系列极谱式DO电极，以下内容也只针对此款电极。

# 2
DO电极使用前的准备

电极液

首次使用或者长期未使用的DO电极，建议在使用前更换电解液。一般建议客户每三个月更换一次电解液，可根据具体情况自行决定。
如果电极信号不正常（如出现响应时间长、无氧介质中电流增大等情况）或电极出现“机械损坏时”，就需要更换膜或者退回原厂检修。

更换电解液的操作步骤：

将膜内的残余电解液倒掉，用去离子水冲洗溶氧膜内部，冲洗完成后再用吸水纸吸水迹；
将膜倾斜，电解液瓶的管口垂直向下；
轻轻挤压电解液瓶，使电解液缓慢地流入膜内；
电解液加入量为二分一左右；
确认膜内部没有气泡，如有气泡可轻弹膜体，排除气泡；
将膜缓慢地旋转套入内电极上，再小心地旋紧不锈钢套管。

DO电极的极化

溶氧电极在使用前须通电极化6小时以上。通过电缆线将电极和变送器连接起来，变送器通电后电极即开始极化。

下列情况中的电极需要进行极化：

电极第一次使用，极化6小时以上；
更换膜或电解液，极化6小时以上；
变送器断电或电极与电缆线断开，最小极化时间见下表。

# 3
DO电极的校准

DO电极校准前必须充分极化。DO电极使用的两点校准需要结合具体情况进行操作，连接温度电极，同时设定标准大气压为1013mbar。

# 若有相关条件，请按如下操作校准：

将电极接通电源后，先放入无氧环境中，待读数稳定后点击“零点确认”，再将电极放入纯氧环境中，待读数稳定后点击“满度确认”，弹出窗口“DO电极OK”即表示校准完成。

# 若无相关条件，请按如下操作校准：

不接电极，点击“零点确认”，满度校准方法由校准介质而定：

如果以空气为校准介质，将电极放在空气中，并擦干膜上的水迹。待读数稳定后，点击“满度确认”即可；
生化发酵过程中，一般以饱和介质为校准介质。在实消后以及接种前，于适宜温度下将搅拌开至最大，同时通入最大通气量的饱和空气一定时间，待读数稳定后点击“满度确认”即可。建议在统一的通气时间后进行校准，以统一不同罐批和不同发酵罐的饱和状态。

# 4
DO电极的性能测试

每支电极都有自己的零点和斜率，而随着使用时间的延长，电解液逐渐消耗，电极的斜率和零点也会随之发生变化。而通过斜率和零点的变化，我们可以推断出电极的性能情况。

# 斜率判断法：

空气为校准介质进行校准后，参考极谱式溶氧电极电流信号表中（见下表）空气电流的标准，判断DO电极的斜率是否正常。
若处于警告或警报范围，更换电极的电解液或膜后再重新校准，校准后若仍处于警告或警报范围，则需要将电极返厂维修。

# 零点判断法：

以纯度99.995%的氮气为校准介质进行校准后，参考极谱式溶氧电极电流信号表中（见下表）零点电流的标准，判断DO电极的零点是否正常。
若处于警告或报警范围，更换电极的电解液或膜后再重新校准，校准后若仍处于警告或警报范围，则需要将电极返厂维修。

# 5
电极在空气中的电流值异常

电极在空气中的电流值指把电暴露在空气中的电流值，一般用绝对值表示，不同类型的DO电极在空气中的电流值范围不同。详见电极使用说明书。

# 空气中的电流值偏低，可能的原因及解决方法：

铂阴极表面有氧化物质覆盖

这种情况下，将内电极的头部对着光源观察阴极，可以看到阴极表面显露出黑色。可使用标号1000目以上的砂纸在铂丝头部轻轻打磨数次，至铂丝表面发亮即可。切不可过度打磨，否则会使内电极头部受损。

铂阴极未能接触到溶氧膜

检查溶氧膜是否旋紧到位，若未旋紧，则必须将膜旋紧到位，并旋紧膜保护套直至黑色密封圈看不到为止。
检查溶氧膜膜片，如果有过度的突起，使阴极不能接触到膜片，则必须更换溶氧膜。

# 空气中的电流值偏高，可能的原因及解决方法：

原因①：电极极化不充分	处理方法：确认极化时间是否符合。
原因②：电极受到污损	处理方法：清洗电极，应采用去离子水，不能采用含乙醇的清洗液。
原因③：电解液老化	处理方法：更换电解液
原因④：膜老化或损坏	处理方法：更换膜
原因⑤：电缆损坏	处理方法：更换电缆，不接电极时变送器应显示很低且稳定的电流值。
原因⑥：变送器损坏	处理方法：更换变送器