液位电极

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。一、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，而电流的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。（溶氧电极结构图）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，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METTLERTOLEDO InPro6800系列极谱式DO电极，以下内容也只针对此款电极。二、DO电极使用前的准备1、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。2、更换电解液的操作步骤：① 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；② 将膜倾斜，电解液瓶的管口垂直向下；③ 轻轻挤压电解液瓶，使电解液缓慢的流入膜内；④ 电解液加入量为二分一左右；⑤ 确认膜内部没有气泡，如有气泡可轻弹膜体，排除气泡；⑥ 将膜缓慢的旋转套入内电极上，再小心的旋紧不锈钢套管。3、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：① 电极第一次使用，极化6小时以上；② 更换膜或电解液，极化6小时以上；③ 变送器断电或电极与电缆线断开，最小极化时间见下表。（DO电极极化时间表）三、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，请按如下操作进行校准：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，请按如下操作进行校准：不接电极，点击“零点确认”，满度校准方法由校准介质而定：① 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；② 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。四、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：以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。（极谱式溶氧电极电流信号表）五、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：① 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。② 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，如下图示，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：处理方法：电极极化不充分确认极化时间是否符合电极受到污损清洗电极，应采用去离子水，不能采用含乙醇的清洗液。电解液老化更换电解液膜老化或损坏更换膜电缆损坏更换电缆，不接电极时变送器应显示很低且稳定的电流值。变送器损坏更换变送器六、DO电极的保养使用过程中最容易发生因为膜的堵塞而导致测量不准或不稳的现象，这往往是微小离子在膜表面的附着造成的，这类堵塞一般仅凭肉眼是不易发现的。对这类污染，可将电极取下，用3%～5%的稀盐酸浸泡几个小时后再使用。电极较长时间不用时应将保护帽套好，放置在保护盒内保存。 希望以上的内容能对您的发酵提供一点帮助，如有问题可与我们联系，HOLVES将竭诚为您服务！注：本篇文章内容为霍尔斯HOLVES版权所有，未经授权禁止转载及使用。

据最新一期《科学机器人》杂志报道，瑞士洛桑联邦理工学院研究团队设计出一种能插入人类头骨的微创电极。这种新颖的电极可通过头骨上的一个小孔，插入一个较大的皮质电极阵列，将其部署在头骨和大脑表面之间约1毫米的空间内，而不会损害大脑。这种电极有螺旋状的“手臂”，每只“手臂”可在高度敏感的脑组织上展开。这是结合软生物电子学和软机器人技术概念后的工程设计。这个电极阵列能穿过一个直径2厘米的孔，但当展开时，会延伸成直径4厘米的表面。它有6个螺旋形“手臂”，以最大限度地扩大电极阵列的表面积，从而增加与皮质接触的电极数量。研究人员表示，该装置有点像一只螺旋蝴蝶，在变形之前复杂地挤在它的茧里，电极阵列连同它的螺旋臂被整齐地折叠在一个圆柱形的管子里，即装载器，能在通过头骨上的小孔后展开。受软机器人启发，根据外翻驱动机制，每个螺旋“手臂”都轻轻地依次在敏感的脑组织上展开。研究人员表示，外翻机制的美妙之处在于，他们可以部署任意大小的电极，同时对大脑施加持续且最小的压力。电极阵列看起来像一种橡胶手套，每个螺旋形“手指”的一侧都有柔性电极图案。“手套”是倒置的，或是从里到外翻转的，并在圆柱形装载器内折叠。在展开时，液体被注入每个倒置的“手指”中，一次一个，将倒置的“手指”向外旋转。到目前为止，可展开电极阵列已经在小型猪身上测试成功。未来，该技术可能为癫痫患者提供微创解决方案。

发酵培养基的pH值，对微生物生长具有非常明显的影响，也是影响发酵过程中各种酶活的重要因素。因此，pH的监测与调节，于发酵过程而言十分重要。 发酵过程中通常是采用复合pH电极直接插入罐内发酵液的方式对pH进行实时监测。而高压高温的灭菌操作和发酵液的理化性质会对pH电极测量造成影响，所以正确的使用方法和日常的维护保养尤其关键。 1. 安装使用前的准备① 打开包装时，要仔细检查电极的pH敏感膜玻璃、隔膜（素烧陶瓷芯）和玻璃体是否存在机械损伤。② 取下盛液套并用纯水清洗电极顶部，然后用湿纸巾或者吸水纸轻轻擦干。注意不要摩擦pH敏感膜，以防增加响应时间。③ 将pH电极平缓移至垂直位置以防pH敏感膜玻璃球泡内存有气泡。如没有充满液体或存有气泡，应轻轻甩动电极使球泡内充满液体，直至没有气泡。④ 电极使用前可先在酸性缓冲液（pH4.01）中浸泡数分钟，用纯水冲洗玻璃球泡部分，再用吸水纸轻轻将玻璃球泡部分的水吸干，再在中性缓冲液（pH6.86或7.00等）中浸泡数分钟以活化电极，然后再开始校准。 2. pH电极两点校准操作将pH电极在标准缓冲液中浸泡10min，待测定数值稳定1min左右后，再依次进行pH电极的第1点标定和第二点标定。以HOLVES发酵罐为例：① 进行校准前，根据缓冲液类型进行参数选择：[GB]指使用的是符合GB/T27501-2011标准的缓冲液，一般使用的几种缓冲液pH值为4.00、6.86和9.18，其相对应的“稳定度”即“缓冲液的不确定度”通常选择±0.02pH。霍尔斯通常使用的是METTLER TOLEDO InPro3030系列pH电极，参数[MT_9]即对应其品牌的缓冲液，一般使用的缓冲液pH值为4.01、7.00和9.21，其“稳定度”需根据所使用的缓冲液型号进行选择。 ② 连接电极，并用纯水冲洗电极，冲洗后再用吸水纸轻轻吸干探头上的水。③ 将玻璃球泡部分浸没在第1种缓冲液（例pH=4.01）内（隔膜应完全浸没在缓冲液中），待标准值稳定后（30秒至60秒）点击第1点确认，第1点标定结束。 ④ 将电极从第1种缓冲液中取出，并用纯水冲洗电极，冲洗后再用吸水纸轻轻吸干探头上的水。⑤ 将玻璃球泡部分浸没在第二种缓冲液（例pH=9.18）内（隔膜应完全浸没在缓冲液中），待标准值稳定后（30秒至60秒）点击第二点确认，第二点标定结束，等待使用（建议时间不要太长）。 3. 电极校准时的注意事项① 校准时请注意采用新鲜的缓冲液；② 电极在缓冲液中放置1min后再进行后续操作；③ 冲洗电极后只能用柔软的吸水纸吸干水分，切勿摩擦pH敏感膜；④ 电极的校准周期根据不同的使用环境和精度要求而定，请在保证精度的前提下确定适当的校准周期；⑤ 由于pH电极探头及其易碎，所以在使用过程中切勿磕碰。 4. pH电极性能测试pH电极测定酸碱度法是依据能斯特（Nernst）方程原理来进行的，电极的电动势与pH值呈线性关系，一般用两种不同pH值的缓冲液进行标定，用来确定曲线的斜率。而通常所说的pH电极响应斜率，是指pH电极用来把电极的毫伏（mV）信号转换为pH值，它是通过不同缓冲液测得的电压差值，除以缓冲液差值得到的。这个斜率是判定电极寿命是否耗尽的一个重要指标。 （Nernst能斯特方程） 需要注意的是，由于斜率与温度呈正比关系，当溶液温度发生变化，根据能斯特方程，溶液的ΔE将随温度T呈线性变化，而电极是根据检测到的溶液电动势能换算成pH值的，所以必须进行温度补偿以抵消温度对测量结果的影响。 （斜率与温度呈正比关系）所谓温度补偿，是将电极在标定温度下（一般为25℃）得到的斜率按能斯特公式换算到当前温度下的斜率，从而得到当前温度下正确的pH值。主要用来修正由于标准缓冲液等标样在标定时的温度与实际样品溶液温度不同引起的偏差。HOLVES系列产品可以通过设备的温度电极测量到当前液体温度，然后通过自身软件计算后，显示经温度补偿后的pH值。所以，无论是校准还是性能测试，都需要确保设备的温度电极是工作状态。 斜率测试具体操作方法：① 把进行两点校准后的电极用纯水清洗，并用柔软的吸水纸吸干水分。② 按照上文校准时使用的方法调整参数与稳定度，下文以MT标准为例。③ 首先使用pH=7.00的缓冲液测定零点，并在显示屏上读出mV值。HOLVES标配的pH电极零点在6.5~7.5范围内，表示电极正常。④ 将电极清洗后，再插入pH=4.01（记作pH1）的标准缓冲溶液中，在显示屏上读出mV值（记作mV1）⑤ 将电极清洗后，再插入pH=9.21（记作pH2）的标准缓冲溶液中，在显示屏上读出mV值（记作mV2）⑥ 计算电极的斜率，即（mV1-mV2）/（pH1-pH2）⑦ 根据能斯特方程理想状态下（25℃）时，理想斜率为59mV/pH，即溶液每变化一个pH值，电极就产生59mv的电位变化。那么理想校正下，斜率应在59mV/pH左右。当斜率的值小于53mV/pH或者大于63mV/pH时，需要更换新的pH电极，所以当校正斜率在53~63mV/pH范围时，结果是可信的。 HOLVES系列发酵罐可直接读出电极所测液体的电压信号，并且如果电极出现问题或者安装、使用错误，pH校准界面下方会弹出电极不可用红色提示字样，方便客户了解电极的使用状态。 5. 电极的清洗① 一般性污染用水、0.1mol/L NaOH或0.1mol/L HCl清洗电极数分钟。② 油脂或有机物污染用丙酮或乙醇清洗电极数秒钟。③ 硫化物污染（隔膜发黑）用硫脲/HCl处理，将玻璃球泡部分浸泡在溶液中（隔膜应没入溶液中），直到隔膜无色（至少1小时），然后浸泡在3mol/L的KCl中至少12小时，完全冲洗并重新校准后可使用。④ 蛋白质污染（隔膜发黄）用胃液素/HCl处理，将玻璃球泡部分放入溶液中，确保隔膜浸没在溶液中（至少1小时），然后用蒸馏水冲洗、重新校准。 6. 电极的保存① 每个生产周期结束后，使用去离子水认真冲洗电极头与隔膜，绝不可使这些零件上的测量溶液变干。② 电极不可放在蒸馏水中保存，较长时间不用时，应当将其连同电极头与隔膜充分浸泡在3mol/L的KCI或9816/ViscolytTM电解液内。③ 电极不能长期干放，不能在表面附有干燥介质时贮存电极。如果因错误导致电极被干燥存放数日，应在使用之前将其浸泡在正常存储电解液内若干小时。④ 应时常检查连接器是否出现受潮迹象。如有必要,用去离子水或酒精彻底清洗，然后小心擦干。希望以上的内容能对您的发酵提供一点帮助，如有问题可与我们联系，HOLVES将竭诚为您服务！注：本篇文章内容及图片均为霍尔斯HOLVES版权所有，未经授权禁止转载及使用。