光學溶氧電極在工業(yè)發(fā)酵過程監(jiān)測及優(yōu)化中的應用

張鑫，王澤建

(華東理工大學，上海，200237)

生物醫(yī)藥、食品等工業(yè)發(fā)酵中，溶氧一直被視為重要的操作參數(shù)。發(fā)酵液中溶氧水平能反映出該發(fā)酵體系中供氧與耗氧之間的關系。目前廣泛使用極譜氧電極是基于電化學原理的電極，電極膜和電極電解液均為高耗耗材，而且成本很高。此外，電極經過高溫滅菌和長期發(fā)酵使用后，漂移大。梅特勒托利多公司新開發(fā)的光學溶氧電極則克服了這些缺點。

氧是難溶于水的氣體，在室溫及常壓條件下，空氣中氧的溶解度僅為7.5 ～8 mg/L。當水中溶有糖或其他鹽類時，氧的溶解度則更低。發(fā)酵過程中，氧參與菌體的生長、產物的形成和維持細胞的代謝，供氧水平的高低嚴重影響著產物的合成。因此，氧傳遞速率的控制對好氧微生物發(fā)酵過程非常關鍵。尤其在大規(guī)模反應器發(fā)酵放大過程中，供氧能力的差異是導致發(fā)酵結果不能重復的一個重要原因。

在耗氧發(fā)酵中，溶氧起著至關重要的作用。各種耗氧微生物發(fā)酵過程中，溶氧水平影響微生物生理代謝從而影響細胞的生長、產物的合成［1］。研究證實，低溶氧會對微生物NAD(P)H、FADH 氧化產生ATP過程產生抑制［2］。據文獻報道，供氧在很多產品，例如有機酸［3］、氨基酸［4］、多糖［5］等的發(fā)酵過程中微生物的代謝調控中作為一個非常關鍵的因素。然而，過高的氧供給會直接將底物氧化而沒有產物表達，提高了發(fā)酵成本。

在工業(yè)過程放大中，氧傳遞速率是一個非常值得注意的參數(shù)［6］。隨著溶氧傳感器技術的發(fā)展，基于氧傳遞和溶氧水平的放大方法被建立，并且在發(fā)酵工業(yè)中越來越廣泛的被應用［1］。影響溶氧的因素有氧傳質系數(shù)(kLa)和氧消耗速率(OUR)。在一些高耗氧或高密度發(fā)酵過程中，溶氧水平經常會處于臨界氧濃度以下，此時溶氧就很難反應出設備的供氧能力［7］。

1 材料與方法

發(fā)酵罐，上海國強生化裝備有限公司的30L 和50L 自動發(fā)酵罐;電極，梅特勒－托利多pH 和光學溶氧電極InPro6860i;尾氣測量采用Extral Max300-LG過程質譜儀;數(shù)據采集分析采用華東理工大學開發(fā)的Biostar5.1。

在線檢測參數(shù)由傳感器獲取后發(fā)送到發(fā)酵罐工控機上，再由上位機Biostar 采集，在線計算參數(shù)由Biostar 根據在線測量參數(shù)自動計算［8］。

2 光學溶氧電極的原理和特點

光學溶氧電極是基于熒光消減原理:通過熒光信號與一個參比信號對比，根據這兩個信號的時間差來計算出氧濃度。此外，梅特勒－托利多的光學溶氧電極采用了ISM(智能電極管理系統(tǒng))模塊。通過這個模塊，溶氧電極可以將獲取到的溶氧值直接以數(shù)字信號的形式傳遞給配備的M400 變送器。與傳統(tǒng)的極譜氧電極相比，梅特勒－托利多的光學溶氧電極主要有以下優(yōu)點:

(1)漂移小、響應快。傳統(tǒng)極譜氧電極每一次使用都要進行標定，光學溶氧電極可以連續(xù)使用多批而不需標定，而且響應速度也是明顯優(yōu)于傳統(tǒng)電極，尤其是對低溶氧條件下。光學溶氧電極連續(xù)使用近半年后，對空氣中氧氣顯示仍在100% ±10%，90%相應時間在30s 內。由于其原理和數(shù)字信號傳輸，光學溶氧電極的噪音波動非常小，信號比較平穩(wěn)，測量精度1%或8 ppb，顯示精度4 位有效數(shù)字，對低溶氧有更靈敏、更精確的響應。

(2)便于管理。具有ISM 的電極，每一支電極都具有獨一無二的電子編號，并且在電極上而不是變送器上保存著標定信息、滅菌次數(shù)、剩余壽命數(shù)據等信息。使用任何一個兼容的變送器都可以將所有的信息讀出，標定過的電極可以插在任何一個變送器上立即開始使用。

(3)壽命長，耗材少。對于傳統(tǒng)的極譜氧電極，膜和電解液都是高耗值耗材。在5L 罐上，曾出現(xiàn)過新電極使用兩個月后膜就出現(xiàn)可見磨損。相對比的是光學溶氧電極沒有電解液，不需要定期維護。此外，根據ISM 可以計算出剩余壽命供參考。

(4)受溫度影響小。圖1 中展示了在常壓下極譜氧電極電流信號強度和溫度之間關系，通過研究我們發(fā)現(xiàn):在沒有溫度補償?shù)那闆r下，溶氧值顯示受溫度影響是很大的。其原因是電極膜對氧的通透性與溫度有關，且溫度會影響電化學反應的速率。光學溶氧電極InPro6860i 本身是光學技術工作原理，且內置溫度探頭做了改進，M400 變送器獲取探頭溫度數(shù)據直接進行自動補償，因此受溫度影響更小，精度更高。

圖1 極譜氧電極受溫度影響Fig．1 Influenc of temperature on polarographic oxygen sensor

(5)數(shù)字信號傳輸。具有ISM 的電極都是采用數(shù)字信號傳輸:電極獲取到信號后，直接由自身芯片(ISM)轉化為數(shù)字信號，通過電纜線傳給變送器，抗干擾能力大大高于nA 信號。M400 變送器可以直接以數(shù)字形式向工控機輸出，除此之外也提供了4 ～20mA 模擬輸出，對于舊設備的改造也是有很好的兼容性。

3 光學溶氧電極在工業(yè)發(fā)酵過程優(yōu)化中的應用

3.1 工作原理

工業(yè)發(fā)酵中，氧氣可以看作是微生物代謝的一種底物，同樣可以作為限制性底物，同時溶氧一直被作為一個非常重要的操作變量。溶氧水平反應了發(fā)酵過程中供養(yǎng)與耗氧之間的關系，可用以下公式表示:

其中，c為溶氧濃度，OTR為供氧速率，OUR為耗氧速率。根據溶氧的變化，可以在一定程度上推測出微生物的耗氧狀態(tài)。結合尾氣質譜分析，我們可以進一步計算出氧消耗速率(OUR)、二氧化碳生成速率(CER)、呼吸商(RQ)以及氧傳質系數(shù)(KLa)。KLa 可用以下公式計算［8］:

其中，OUR為氧氣消耗速率，c*是氧氣飽和濃度，c為發(fā)酵液實測濃度。KLa的在線計算可以實時反應出發(fā)酵液狀態(tài)，設備的狀態(tài)等等。

不同微生物，不同的發(fā)酵過程都具有不同的限制性氧濃度(圖2)。發(fā)酵液中氧濃度低于這個值，微生物就進入氧限制狀態(tài)，即供氧速率(OTR)達不到正常代謝所需的耗氧速率(OUR)，一般會伴隨代謝通路遷移，結果就是產量降低，副產物增多。

圖2 臨界氧濃度和OUR 的關系Fig．2 The relationship between critical oxygen concentration and OUR

3.2 溶氧電極在發(fā)酵應用實例

3.2.1 發(fā)酵液溶氧—轉速聯(lián)動控制

畢赤酵母是一種高耗氧微生物，OUR 水平可達150 ～200mmol/(L·h)，發(fā)酵前期需要控制一個合適的溶氧水平，保證菌濃的快速增長。與復旦大學合作的畢赤酵母表達的項目中，采用了上海國強生化公司的30L 自動發(fā)酵罐。在發(fā)酵初期，采用了溶氧水平反饋調節(jié)攪拌轉速的策略，通過計算機的自動控制使溶氧水平一直保持在25%以上，滿足了微生物迅速繁殖的要求，菌濃在較短時間內達到誘導水平(圖3)。

3.2.2 溶氧－補料控制

圖3 溶氧－攪拌聯(lián)動控制Fig．3 DO-agitation linkage control

發(fā)酵過程中，溶氧的突然回升一般是由于菌體裂解或者底物不足引起的。對于底物不足引起的溶氧回升，補加底物溶氧會迅速下降。因此，可以通過溶氧來反饋控制底物補加，使補加速率在一個合適的水平上。圖4 為另一畢赤酵母發(fā)酵曲線，采用分批補料策略，每當溶氧迅速回升，就意味著發(fā)酵液中碳源不足，此時補入一定量碳源，溶氧快速下降。誘導階段，停止甘油的補加，溶氧回升后經過1 h 左右以后補入一定量的甲醇，溶氧開始緩慢下降，表明微生物已經開始利用甲醇。待溶氧再次快速回升，表明甲醇消耗殆盡，而后開始根據溶氧控制甲醇的流加速率在一個合適的范圍。

3.2.3 溶氧控制發(fā)酵過程節(jié)能減排

圖5 是另一個產品的發(fā)酵曲線。原工藝由于沒有溶氧電極的監(jiān)測，攪拌電機一直高速開到最終放罐。后來經過實驗發(fā)現(xiàn)，后期由于發(fā)酵液黏度下降，使得KLa 上升，供氧能力提高，最終導致溶氧上升。降低攪拌轉速，OUR、CER、RQ均沒有明顯變化，目標產物濃度上升和原工藝對照無明顯差別。因此，新工藝中到發(fā)酵后期采取降轉速策略，節(jié)省了電能。

4 結論

圖5 根據溶氧控制攪拌Fig．5 Control of agitation based on DO

溶氧早已成為現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵中不可缺少的操作參數(shù)之一，新型溶氧電極的出現(xiàn)不僅彌補了老式電極的缺陷，還帶有功能強大的智能功能，為工藝開發(fā)放大到生產提供了便利，同時也為工廠生產過程中分析儀表的維護和管理提供了可靠的保障。在發(fā)酵過程監(jiān)測、優(yōu)化放大中，參數(shù)相關分析更加離不開溶氧的數(shù)據?？刂坪线m的溶氧，既能保證菌體的正常生長，又能盡可能降低攪拌和通氣的成本。

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