溶氧儀及其在賴氨酸發(fā)酵過程中的應(yīng)用研究

駱紅俠

（中糧生化（安徽）股份有限公司，233010）

0 前言

賴氨酸是人體所必須的八種氨基酸之一，生產(chǎn)方法多重多樣，有水解法、酶法、合成法和生物發(fā)酵法等，目前采用最多的是液態(tài)生物發(fā)酵法生產(chǎn)賴氨酸。賴氨酸發(fā)酵屬于耗氧發(fā)酵，發(fā)酵過程溶解氧含量的控制是賴氨酸生產(chǎn)過程重要的操作步驟，溶氧量的高低直接影響發(fā)酵產(chǎn)物的積累[1]。因此，檢測(cè)溶氧含量對(duì)賴氨酸發(fā)酵工藝管理的最佳化和工藝過程放大具有重要意義。

1 溶氧的檢測(cè)方法及原理

溶氧是溶解氧（Dissolved Oxygen）的簡(jiǎn)稱，是表征被測(cè)量溶液中氧的濃度的參數(shù)。賴氨酸發(fā)酵液中溶氧的測(cè)量方法有很多，如化學(xué)分析測(cè)量，順磁法測(cè)量，熒光法測(cè)量，電化學(xué)法測(cè)量等，每一種方法都有其特定的測(cè)量原理和使用范圍[2]。

1.1 化學(xué)分析法測(cè)量溶氧

Winkler 滴定法又稱碘量法，是化學(xué)分析法中最經(jīng)典可靠的溶解氧檢測(cè)方法。主要原理是在被檢測(cè)樣品中添加硫酸錳和堿性碘化鉀，樣品中的氧是低價(jià)錳轉(zhuǎn)變成高價(jià)錳，然后加酸使碘游離出來，最后用硫代硫酸鈉測(cè)量碘量計(jì)算出溶解氧的含量。該方法精度高，但操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè)。

1.2 順磁法測(cè)量溶氧

通過永磁體或電磁鐵形成梯度磁場(chǎng)，利用氧氣是一種典型的順磁性介質(zhì)的特性，被檢測(cè)液體中的氧在梯度磁場(chǎng)中會(huì)受到磁場(chǎng)的吸引，在Kelvin 磁場(chǎng)力的作用下，提高氧氣在水中溶解度。以周圍空氣作為參比氣體，利用順磁原理通過改變壓力，對(duì)氧進(jìn)行測(cè)量。該方法主要應(yīng)用于化工環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，具有經(jīng)濟(jì)，無噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

1.3 熒光法測(cè)量溶氧

熒光法又稱熒光猝滅法，它是基于氧分子對(duì)熒光物質(zhì)的猝滅效應(yīng)原理，根據(jù)試樣溶液所發(fā)生的熒光的強(qiáng)度來測(cè)定試樣溶液中熒光物質(zhì)的含量，通過光纖傳感器來實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的傳輸。特點(diǎn)是體積小、重量輕、電絕緣性好、無電火花、安全、抗電磁干擾、靈敏度高、便于利用現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)絡(luò)等。

1.4 電化學(xué)法測(cè)量

電化學(xué)法測(cè)量時(shí)工業(yè)上常用的溶氧測(cè)量方法，從測(cè)量原理上又分為YSI 原電池法和極譜法。電化學(xué)法即電流測(cè)定法，測(cè)量部件溶氧電極最早是由美國人克拉克（Clark）先生于1956年發(fā)明的，它是由一透氣薄膜覆蓋的電流型電極。

該方法測(cè)量速度就比碘量法要快，它是基于檢測(cè)電極上氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生電流的原理。根據(jù)法拉第定律：流過電極的電流和氧分壓成正比，在溫度不變的情況下電極的輸出電流和氧濃度之間呈線性關(guān)系。這樣就可以根據(jù)電極輸出電流的大小計(jì)算出溶液中氧濃度的大小。

極譜法傳感器包括一個(gè)銀質(zhì)的陽極和在底部呈環(huán)形的金質(zhì)的陰極。原電池傳感器包含一個(gè)鋅制的陽極和銀質(zhì)的陰極。極譜法傳感器需要施加一個(gè)電壓用于操作而原電池法的電極電勢(shì)差距比較大足可以利用施加的電壓降低氧氣。兩種傳感器都有一個(gè)薄的半透性膜，在傳感器上展開，可以將點(diǎn)擊和外部環(huán)境隔離的同時(shí)允許氣體進(jìn)入。在操作時(shí)傳感器的底部會(huì)充滿含少量的表面活性劑電解液以提高濕潤(rùn)效果。極譜法電極的優(yōu)點(diǎn)是使用壽命長(zhǎng)，缺點(diǎn)是需要十分鐘左右的預(yù)熱時(shí)間，原電池法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快，缺點(diǎn)是使用壽命短，更換周期僅有1-3個(gè)月。

2 影響溶解氧測(cè)量的因素

溶解氧測(cè)量?jī)x測(cè)量水中的溶解氧主要取決于溫度、壓力和水中溶解的鹽。由于溫度變化，膜的擴(kuò)散系數(shù)和氧的溶解度系數(shù)都將發(fā)生變化，直接影響溶氧電極電流的輸出。溫度上升，擴(kuò)散系數(shù)增加，溶解度反而減小。溫度對(duì)溶解度系數(shù)的影響可以根據(jù)Henry 定律來估算，溫度對(duì)膜擴(kuò)散系數(shù)B 可以通過阿侖尼烏斯定律來估算。根據(jù)Henry 定律，氣體的溶解度與其分壓成正比。氧分壓與該地區(qū)的海拔高度有關(guān)，高原地區(qū)和平原地區(qū)的差可達(dá)20%，使用前必須根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮哼M(jìn)行補(bǔ)償。有些儀表內(nèi)部配有氣壓表，在標(biāo)定時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行校正；有些儀表未配置氣壓表，在標(biāo)定時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑臄?shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，如果數(shù)據(jù)有誤，將導(dǎo)致較大的測(cè)量誤差。溶液中含鹽量的影響：鹽水中的溶解氧明顯低于自來水中的溶解氧，為了準(zhǔn)確測(cè)量，必須考慮含鹽量對(duì)溶解氧的影響。在溫度不變的情況下，鹽含量每增加100mg／L，溶解氧降低約1%。如果儀表在標(biāo)定時(shí)使用的溶液的含鹽量低，而實(shí)際測(cè)量的溶液的含鹽量高，也會(huì)導(dǎo)致誤差。在實(shí)際使用中必須對(duì)測(cè)量介質(zhì)的含鹽量進(jìn)行分析，以便準(zhǔn)確測(cè)量及正確補(bǔ)償。樣品流速的影響：氧通過膜擴(kuò)散比通過樣品進(jìn)行擴(kuò)散要慢，必須保證電極膜與溶液完全接觸。對(duì)于流通式檢測(cè)方式，溶液中的氧會(huì)向流通池內(nèi)擴(kuò)散，使靠近膜的溶液中的氧損失，產(chǎn)生擴(kuò)散干擾，影響測(cè)量。為了測(cè)量準(zhǔn)確，應(yīng)增加流過膜的溶液的流量來補(bǔ)償擴(kuò)散失去的氧，樣品的最小流速為0.3m／s。

3 賴氨酸發(fā)酵過程溶氧檢測(cè)系統(tǒng)的選擇

3.1 溶氧儀的種類

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化水平得到不斷提升，溶解氧檢測(cè)系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱溶氧儀）在賴氨酸發(fā)酵過程的應(yīng)用越來越普遍。溶氧儀的種類多種多樣，從安裝使用的角度分類，有在線DO 溶解氧儀、便攜式溶氧儀、手提式溶氧儀和臺(tái)式溶氧儀。便攜式溶氧儀以微電腦為中心設(shè)計(jì)而成，可測(cè)量溶氧（含壓力，鹽度補(bǔ)償）及溫度。功耗低，可靠性高，可實(shí)現(xiàn)智能化測(cè)量，具有穩(wěn)定可靠、操作簡(jiǎn)單方便（可單手操作）等優(yōu)點(diǎn)。主要用于水中氧氣濃度和飽和度的檢測(cè)。手提式溶氧儀又稱手持式溶氧儀，其體積略大于便攜式溶氧儀，它優(yōu)點(diǎn)與便攜式溶氧儀相似，應(yīng)用領(lǐng)域也基本相同。區(qū)別在于手提式溶氧儀顯示屏幕較大，功能較齊全，比便攜式多了氧氣分壓檢測(cè)功能。臺(tái)式溶氧儀又稱實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式溶氧儀，主要是實(shí)驗(yàn)室用于超低溶解氧濃度的檢測(cè)，工業(yè)上用于鍋爐給水和凝結(jié)水等ppb 級(jí)溶解氧的測(cè)量。在線DO 溶解氧儀在工業(yè)上使用最為廣泛，生物發(fā)酵、化工化肥、冶金、環(huán)保水處理工程、制藥、食品、養(yǎng)殖和自來水等行業(yè)均有應(yīng)用。

3.2 賴氨酸發(fā)酵過程的特點(diǎn)及溶氧儀的選擇

賴氨酸發(fā)酵屬于液態(tài)好癢中性發(fā)酵，對(duì)無菌操作要求高，發(fā)酵罐在啟用前需經(jīng)高溫殺毒。因此賴氨酸發(fā)酵的溶氧檢測(cè)系統(tǒng)多為耐高溫的溶氧電極和溶氧儀表組成，另外有測(cè)量精度高、氣密性好、便于拆洗、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。我公司采用了瑞士METTLER TOLEDO 公司生產(chǎn)的Inpro6850i 型工業(yè)在線溶氧儀，傳感器使用的是新的電極測(cè)量原理，有一個(gè)獨(dú)立的鉑金陽極，尤其增加了在低氧測(cè)量中信號(hào)的穩(wěn)定性，具有智能電極管理技術(shù)，安裝即便，可以自動(dòng)診斷，便于及時(shí)維護(hù)保養(yǎng)。另外，它還具有防腐蝕、耐高溫、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，適合賴氨酸發(fā)酵過程溶氧監(jiān)控系統(tǒng)使用。

4 溶氧儀的安裝和維護(hù)

溶氧儀一般采用浸入式安裝，在此應(yīng)注意最好選用原廠的安裝支架。廠家配帶 的安裝支架為不銹鋼制成，帶有調(diào)節(jié)鋼絲繩，通過調(diào)整鋼絲繩長(zhǎng)度可以改變傳感器的浸入深度，支架上的引導(dǎo)管保證了傳感器始終處于垂直位置。支架部分都經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，它可以將水面的波動(dòng)傳至浸入管，從而引起浸入管的輕微振動(dòng)，使得通過浸入管在探頭的表面產(chǎn)生一個(gè)附加的清洗效果[3]。

5 賴氨酸發(fā)酵過程中溶解氧濃度的調(diào)控措施

溶氧是發(fā)酵過程控制中的一個(gè)相對(duì)值，而非絕對(duì)值，在發(fā)酵控制中的溶氧顯示實(shí)際是相對(duì)發(fā)酵0h 時(shí)的溶氧而言的，為了讓溶氧相對(duì)值和絕對(duì)值盡量保持吻合，以方便自控辯識(shí)和進(jìn)行過程控制，可進(jìn)行以下異常處理：

5.1 當(dāng)發(fā)酵起始1h 內(nèi)溶氧仍顯示100%，察看溶氧變送器顯示數(shù)據(jù)，如溶氧顯示值與100%相差不多，可不進(jìn)行調(diào)整，如溶氧顯示值與100%相差較大，可聯(lián)系儀表對(duì)溶氧變送器內(nèi)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具體方法舉例如下：

例一，自控電腦溶氧顯示100%（發(fā)酵罐溶氧檢測(cè)儀最大量程為200%），如果溶氧變送器顯示170%，相差較大。此時(shí)需將溶氧檢測(cè)儀量程設(shè)置為200%。如此操作后，溶氧變送器顯示值不變，仍為170%，但自控電腦顯示值為變送器顯示值的1/2，即電腦顯示85%，過程溶氧控制可參考該溶氧值進(jìn)行。同樣，如果變送器顯示值為240%，可將溶氧檢測(cè)儀最大量程為250%，如此操作后，溶氧變送器顯示值不變，仍為240%，但自控電腦顯示值為變送器顯示值的1/2.5，即電腦顯示96%，過程溶氧控制可參考該溶氧值進(jìn)行。

5.2 當(dāng)起始溶氧顯示值較低時(shí)，溶氧變送器內(nèi)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整方法舉例如下：

例二，自控電腦溶氧顯示30%（最大量程為200%），溶氧變送器顯示30%（起始值較低，不利于中后期溶氧判斷），可以將量程設(shè)置為30%。如此操作后，溶氧變送器顯示值不變，仍為30%，但自控電腦顯示值為變送器顯示值的1/0.3，即電腦顯示99%，過程溶氧控制可參考該溶氧值進(jìn)行。同樣，如變送器顯示值為45%，可將量程設(shè)置為50%，如此操作后，溶氧變送器顯示值不變，仍為40%，但自控電腦顯示值為變送器顯示值的1/0.5，即電腦顯示90%。過程溶氧控制可參考該溶氧值進(jìn)行。

如果溶氧變送器顯示值瞬間波動(dòng)較大，表明溶氧電極已出現(xiàn)故障，可不作以上調(diào)整。

總之，溶解氧濃度對(duì)賴氨酸的發(fā)酵過程來說是一個(gè)有很重要的影響因素，發(fā)酵水平的提升，對(duì)溶氧儀的要求也越來越高。就溶氧儀在賴氨酸發(fā)酵行業(yè)的合理應(yīng)用值得我們更加深入細(xì)致的研究。

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[2]劉慶.高精度溶解氧測(cè)量?jī)x的研究與設(shè)計(jì) [J]，南京信息工程大學(xué)碩士論文，2009，5：2-3.

[3]李穎清，劉曉峰，高亞州，等.M4640 型溶解氧分析儀[J].儀器儀表用戶，2003，（6）：73—74.