在生物發(fā)酵過程中，溶解氧(Dissolved Oxygen,DO)是影響微生物生長、代謝及產(chǎn)物合成的關(guān)鍵參數(shù)之一。為了實現(xiàn)對發(fā)酵液中溶氧濃度的實時監(jiān)測與控制，發(fā)酵過程溶氧電極作為核心檢測裝置被廣泛應(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氧氣而不允許水分子和離子通過的高分子材料，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，陽極發(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。該電流大小與進(jìn)入電極的氧分子數(shù)量成正比，從而實現(xiàn)對溶氧濃度的測量。
 

　　三、溫度補償與極化電壓控制
 

　　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，通過軟件算法進(jìn)行實時溫度補償，以提高測量精度。此外，電極需要施加一個穩(wěn)定的極化電壓，使電極處于較佳工作狀態(tài)，避免因電壓波動導(dǎo)致的測量誤差。
 

　　四、動態(tài)響應(yīng)與校準(zhǔn)要求
 

　　在發(fā)酵過程中，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態(tài)響應(yīng)能力。同時，為保證測量數(shù)據(jù)的可靠性，電極在使用前和運行過程中需定期進(jìn)行兩點校準(zhǔn)，即在無氧環(huán)境(如亞硫酸鈉溶液)和飽和氧環(huán)境中分別校正零點和滿量程。
 

　　五、應(yīng)用中的關(guān)鍵維護(hù)措施
 

　　為延長電極壽命和保持測量精度，日常維護(hù)至關(guān)重要。主要包括：
 

　　定期更換或補充電解液；
 

　　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)酵過程溶氧電極作為發(fā)酵過程在線監(jiān)測的核心工具，其測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，未來溶氧電極將向更高精度、更長壽命、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。