宋有星 辛 亮

（山東鴻基換熱技術(shù)有限公司，山東濟(jì)南250022）

0 引言

溶解氧（DissolvedOxygen，簡稱DO）是指溶解在水或發(fā)酵液中的氧，溶解氧以分子狀態(tài)存在于水或發(fā)酵液中。

水中溶解氧的含量受到2種作用的影響：一種是使DO下降的耗氧作用，包括耗氧有機(jī)物降解的耗氧和生物呼吸耗氧；另一種是使DO增加的復(fù)氧作用，主要有空氣中氧的溶解、水生植物的光合作用等。這2種作用的相互消長，使水中溶解氧的含量呈現(xiàn)出時(shí)空變化。

微生物發(fā)酵是指利用微生物在適宜的條件下，將原料經(jīng)過特定的代謝途徑轉(zhuǎn)化為人類所需要的產(chǎn)物的過程。微生物發(fā)酵生產(chǎn)水平主要取決于菌種本身的遺傳特性和培養(yǎng)條件。

微生物細(xì)胞在發(fā)酵過程中要進(jìn)行上百個(gè)酶反應(yīng)，并受到多種工藝參數(shù)的影響，因此發(fā)酵過程非常復(fù)雜，其若要實(shí)現(xiàn)藥品質(zhì)量的過程控制較化學(xué)合成方式要復(fù)雜得多。但隨著對菌體的培養(yǎng)規(guī)律、菌體對環(huán)境條件的要求和代謝變化規(guī)律的創(chuàng)新研究，以及過程檢測技術(shù)的長足進(jìn)步，通過適時(shí)檢測控制發(fā)酵條件和微生物細(xì)胞代謝變化有關(guān)的各項(xiàng)工藝參數(shù)，可檢測與控制整個(gè)發(fā)酵過程，使菌種的代謝變化按照所需要的條件進(jìn)展，以達(dá)到預(yù)期目的。

微生物發(fā)酵中各工藝參數(shù)的過程檢測與控制對于微生物的生長和產(chǎn)物形成有著重要的影響，需要進(jìn)行過程檢測的有溫度、壓力、空氣流量（需氧發(fā)酵的參數(shù)控制，影響氧或其他參數(shù)的傳遞）、濁度（適時(shí)反映細(xì)胞生長的狀態(tài)）、pH值（依據(jù)試驗(yàn)條件獲取的最適宜的pH值作為參照進(jìn)行適時(shí)檢測與調(diào)控）、濃度（適時(shí)檢測發(fā)酵液中糖、氮等重要營養(yǎng)物質(zhì)的濃度以及菌體或目標(biāo)物濃度）、溶氧量（需氧菌發(fā)酵的必備條件和重要參數(shù)）等數(shù)10種工藝參數(shù)。

發(fā)酵液中的溶氧濃度是需氧菌發(fā)酵的必備條件和重要參數(shù)，發(fā)酵液的DO值對菌體生長、目標(biāo)物的性質(zhì)和產(chǎn)量都會(huì)產(chǎn)生不同影響，通過發(fā)酵液中溶氧量的變化，可以了解微生物生長代謝是否正常、工藝控制是否合理、設(shè)備供氧能力是否正常等，因此溶氧濃度是生物產(chǎn)品質(zhì)量過程控制的重要參數(shù)之一。

1 溶氧量控制的作用

溶解氧是發(fā)酵過程中至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)指標(biāo)，控制溶解氧的目的是把溶解氧濃度值穩(wěn)定在一定的期望值或范圍內(nèi)。對這些參數(shù)進(jìn)行精確、實(shí)時(shí)在線測量是實(shí)現(xiàn)溶解氧自動(dòng)控制的一個(gè)基本前提。

發(fā)酵中因受到生物反應(yīng)器中多種物理、化學(xué)和微生物因素的影響和制約，溶解氧濃度與其他工藝參數(shù)的關(guān)系也變得極為復(fù)雜。在生物反應(yīng)器內(nèi)的質(zhì)量傳遞主要為氣-液傳遞和液-固傳遞。氣-液傳遞主要是好氧發(fā)酵過程中的氧傳遞以及二氧化碳的釋放，而液-固傳遞主要發(fā)生于反應(yīng)系統(tǒng)中含固定化酶、固定化細(xì)胞、生物膜、絮凝細(xì)胞的過程。

大多數(shù)微生物發(fā)酵過程為好氧的，對于好氧發(fā)酵來說，溶解氧通常既是營養(yǎng)因素，又是環(huán)境因素。特別是對于具有一定氧化還原性質(zhì)的代謝產(chǎn)物的生產(chǎn)來說，DO值的改變勢必會(huì)影響到菌株培養(yǎng)體系的氧化還原電位，同時(shí)也會(huì)對細(xì)胞生長和產(chǎn)物的形成產(chǎn)生影響。

發(fā)酵過程中溶氧量會(huì)隨著菌體生長的不同階段呈短暫曲線型變化。在發(fā)酵前期，因菌絲大量繁殖，需氧量會(huì)大于供氧，溶氧出現(xiàn)短暫低峰；在生長與產(chǎn)物合成階段，需氧量會(huì)逐漸減少，溶氧趨于穩(wěn)定，但受補(bǔ)料等條件的影響，又會(huì)引起溶氧濃度的下降；在發(fā)酵后期，由于菌體衰老，溶氧濃度又會(huì)逐漸上升，一旦菌體自溶，溶氧濃度則會(huì)明顯上升。整個(gè)發(fā)酵過程是通過在線溶氧濃度檢測和適時(shí)改變通氣速率來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的，以便把溶解氧濃度值穩(wěn)定在該菌體生長所需的可控期望值或范圍內(nèi)。

2 溶氧對微生物生長的影響

根據(jù)對氧的需求情況，微生物可分為好氧生物（通氣發(fā)酵）和厭氧生物（靜置發(fā)酵）。

好氧生物的發(fā)酵，只能在有氧的環(huán)境中生存，屬于微生物中的一部分，好氧生物是把氧作為最終的電子受體，借助有氧呼吸獲取生長所需的能量。它包括原核生物中的一部分細(xì)菌、放線菌、螺旋體、支原體、立克次氏體、衣原體；真核生物中的一部分真菌、藻類、原生動(dòng)物；一部分非細(xì)胞類的病毒和亞病毒。此類微生物在發(fā)酵過程中為促進(jìn)生長，一般需要盡可能地提高溶氧度。

厭氧微生物的發(fā)酵有如丙酮丁醇發(fā)酵、酵母菌的酒精發(fā)酵、乳酸發(fā)酵等。其中，產(chǎn)生丙酮、丁醇的梭狀芽孢桿菌（Clostridium）是一種專性厭氧微生物，它的發(fā)酵和菌體發(fā)酵應(yīng)在無氧條件下進(jìn)行，氧對其顯示為毒性，會(huì)產(chǎn)生甲烷桿菌，此時(shí)能否限制DO值在一個(gè)較低值就會(huì)成為發(fā)酵成敗的關(guān)鍵因素。

還有一種菌種為兼性厭氧微生物，例如酵母菌根據(jù)其生理特點(diǎn)，在種子制備時(shí)應(yīng)在攪拌通風(fēng)的條件下進(jìn)行，以促使其生長繁殖，而酒精發(fā)酵則在缺氧條件下進(jìn)行。乳酸菌大多屬耐氣性厭氧菌，它們的生長和代謝產(chǎn)物合成與氧的有無關(guān)系不大，但為了防止雜菌污染，還是以在缺氧環(huán)境中發(fā)酵為宜。

溶解氧對微生物自身生長的影響很大，DO值的高低會(huì)改變微生物的代謝途徑，以致改變發(fā)酵環(huán)境甚至使目標(biāo)產(chǎn)物發(fā)生偏離。所以，精確檢測溶氧值以便適時(shí)調(diào)節(jié)相應(yīng)的裝置，才能有效完成發(fā)酵過程，降低風(fēng)險(xiǎn)。

3 傳統(tǒng)的溶氧檢測方式

水中溶解氧的含量與大氣壓力、水溫及含鹽量等因素有關(guān)。早在1984年國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5814—1984中，即對溶解氧的測定有了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定，該標(biāo)準(zhǔn)又在1990年國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5814—1990中進(jìn)行過修訂。我國的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)GB11913—89《水質(zhì)溶解氧的測定電化學(xué)探頭法》的制定時(shí)間是1989年，是采用了國際標(biāo)準(zhǔn)ISO5814—1984編制而成。

2009年12月1日我國頒布實(shí)施的HJ506—2009《水質(zhì)溶解氧的測定電化學(xué)探頭法》中，規(guī)定了測定水中溶解氧的電化學(xué)探頭法。該標(biāo)準(zhǔn)是對《水質(zhì)溶解氧的測定電化學(xué)探頭法》（GB11913—89）的修訂。自該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施之日起，原國家環(huán)境保護(hù)局于1989年12月25日批準(zhǔn)、發(fā)布的國家環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)《水質(zhì)溶解氧的測定電化學(xué)探頭法》（GB11913—89）廢止。

3.1 電化學(xué)探頭法

在HJ506—2009標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定溶解氧的測定方法為電化學(xué)探頭法，在GB11913—89標(biāo)準(zhǔn)中也規(guī)定了電化學(xué)探頭法，兩者的原理與測量方法基本一致。

3.1.1 測量原理

溶解氧電化學(xué)探頭是一個(gè)用選擇性薄膜封閉的小室，室內(nèi)有2個(gè)金屬電極并充有電解液，氧和一定數(shù)量的其他氣體及親液物質(zhì)可透過這層薄膜，但水和可溶物質(zhì)的離子幾乎不能透過這層膜。將探頭浸入水中進(jìn)行溶解氧的測定時(shí)，通過電池作用或外加電壓在2個(gè)電極間產(chǎn)生電位差，使金屬離子在陽極進(jìn)入溶液，同時(shí)氧氣通過薄膜擴(kuò)散在陰極獲得電子被還原，產(chǎn)生的電流與穿過薄膜和電解質(zhì)層的氧的傳遞速度成正比，即在一定的溫度下該電流與水中氧的分壓（或濃度）成正比。

薄膜對氣體的滲透性受溫度變化的影響較大，要采用數(shù)學(xué)方法對溫度進(jìn)行校正，也可在電路中安裝熱敏元件對溫度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

3.1.2 測量探頭

測量探頭有原電池型（例如鉛/銀）和極譜型（例如銀/金），探頭上宜附有溫度補(bǔ)償裝置。

3.1.3 校準(zhǔn)

當(dāng)測量的溶解液濃度水平低于1mg/L（或10%飽和度），或者當(dāng)更換溶解氧罩或內(nèi)部的填充電解液時(shí)，需要進(jìn)行零點(diǎn)檢查和調(diào)整。若儀器具有零點(diǎn)補(bǔ)償功能，則不必調(diào)整零點(diǎn)。

3.1.4 測定

將探頭浸入樣品，不能有空氣泡截留在膜上，停留足夠時(shí)間，待探頭溫度與水溫達(dá)到平衡，且數(shù)字顯示穩(wěn)定時(shí)讀數(shù)。必要時(shí)根據(jù)所用儀器的型號及對測量結(jié)果的要求，檢測水溫、水壓或含鹽量，并對測量結(jié)果進(jìn)行校正。探頭的膜接觸樣品時(shí)，樣品要保持一定的流速，防止與膜接觸的瞬間將該部位樣品中的溶解氧耗盡，使讀數(shù)發(fā)生波動(dòng)。

3.1.5 結(jié)果計(jì)算

溶解氧的質(zhì)量濃度以每升水中氧的毫克數(shù)表示，也可以用飽和百分率來表示溶解氧的濃度。

3.1.6 電極的維護(hù)

注意電極與膜片的清洗，若膜片和電極上有污染物，會(huì)引起測量誤差，一般要求1～2周清洗1次。

當(dāng)電極的線性不合格時(shí)，就需要對電極進(jìn)行再生，電極的再生一般1年1次，包括更換溶解氧膜罩、電解液和清洗電極。每隔一定時(shí)間或當(dāng)膜被損壞和污染時(shí)，需要更換溶解氧膜罩并補(bǔ)充新的填充電解液。如果膜未被損壞或污染，建議2個(gè)月更換1次填充電解液。

3.2 碘量法

在GB7489—89中規(guī)定了碘量法的溶氧檢測方式，是一種離線取樣檢測的方法。

3.2.1 原理

在水樣中加入硫酸錳和堿性碘化鉀，水中溶解氧將低價(jià)錳氧化成高價(jià)錳，生成四價(jià)錳的氫氧化物棕色沉淀。加酸后，氫氧化物沉淀溶解并與碘離子反應(yīng)而釋出游離碘。以淀粉作指示劑，用硫代硫酸鈉滴定釋出碘，可計(jì)算溶解氧的含量。

3.2.2 測量

3.2.2.1 溶解氧的固定

用吸管插入溶解氧瓶的液面下，加入1mL硫酸錳溶液、2mL堿性碘化鉀溶液，蓋好瓶塞，顛倒混合數(shù)次，靜置。待棕色沉淀物降至瓶內(nèi)一半時(shí)，再顛倒混合一次，待沉淀物下降到瓶底。溶解氧一般在取樣現(xiàn)場固定。

3.2.2.2 析出碘

輕輕打開瓶塞，立即用吸管插入液面下，加入2mL硫酸。小心蓋好瓶塞，顛倒混合搖勻，至沉淀物全部溶解為止，放置暗處5min。

3.2.2.3 滴定

吸取100mL上述溶液于250mL錐形瓶中，用硫代硫酸鈉溶液滴定至溶液呈淡黃色，加入1mL淀粉溶液，繼續(xù)滴定至藍(lán)色剛好褪去為止，記錄硫代硫酸鈉溶液用量。

計(jì)算：

式中 M——硫代硫酸鈉溶液濃度，mol/L；

V——滴定時(shí)消耗硫代硫酸鈉溶液體積，mL。

3.2.2.4 精密度和準(zhǔn)確度

經(jīng)不同海拔高度的4個(gè)實(shí)驗(yàn)室分析于20℃含飽和溶解氧6.85～9.09mg/L的蒸餾水，單個(gè)實(shí)驗(yàn)室的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過0.3%；含4.73～11.4mg/L溶解氧的地面水，單個(gè)實(shí)驗(yàn)室的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差不超過0.5%。

溶解氧測量方法除上述幾種最常用的測量方式外，還有“疊氮化鈉修正法”、“高錳酸鉀修正法”等。

4 光學(xué)熒光法測量技術(shù)的應(yīng)用

在過去的50多年里，一直采用電流法和極譜法測量溶解氧。這種方法對于發(fā)酵、市政和工業(yè)廢水中的溶解氧監(jiān)測曾起著非常重要的作用，但是傳統(tǒng)的電化學(xué)方法的使用膜、電極和電解液會(huì)導(dǎo)致很多問題，即使進(jìn)行定期維護(hù)，還是不能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

新型熒光技術(shù)不需要使用膜和電解液，幾乎不用維護(hù)，性能優(yōu)異，使用方便。本文將淺談光學(xué)熒光法的測量的有關(guān)技術(shù)應(yīng)用。

4.1 原理

熒光法測量溶解氧的技術(shù)是基于熒光淬滅原理，如圖1所示。藍(lán)綠光照射到熒光物質(zhì)上激發(fā)熒光物質(zhì)并發(fā)出紅光，由于氧分子可以帶走能量（淬滅效應(yīng)），所以激發(fā)的紅光的時(shí)間和強(qiáng)度與氧分子的濃度成反比。通過測量激發(fā)紅光與參比光的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值對比，從而可計(jì)算出氧分子的濃度。

圖1 熒光淬滅原理

4.2 國外光學(xué)溶氧傳感器的產(chǎn)品研發(fā)與應(yīng)用

在歐美等國家基于“熒光淬滅”原理已經(jīng)研發(fā)出具體的光學(xué)溶氧傳感器或相應(yīng)的溶氧測量儀，在生物發(fā)酵、水質(zhì)監(jiān)測等領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛使用，光學(xué)溶氧傳感器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是通過一個(gè)發(fā)光二極管來監(jiān)視傳感器的藍(lán)色LED，特定的發(fā)光體被藍(lán)光激發(fā)后發(fā)生冷光現(xiàn)象（熒光），帶有紅光過濾器的發(fā)光二極管用來測量冷光產(chǎn)生的紅光，以判斷和計(jì)算氧分子的數(shù)量。

4.3 與電化學(xué)方式的比較

極譜式溶氧電極在近10年來應(yīng)用廣泛，但具有一定的局限性，在進(jìn)行微量測量時(shí)不能保證穩(wěn)定和輸出測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，當(dāng)溶氧量保持一定時(shí)，因傳感器沒有電流流動(dòng)而不能動(dòng)態(tài)地顯示結(jié)果。當(dāng)線纜發(fā)生故障時(shí)，顯示結(jié)果也會(huì)保持不變，導(dǎo)致難以發(fā)現(xiàn)故障所在。

光學(xué)溶氧傳感器適用于實(shí)時(shí)溶解氧監(jiān)測，堅(jiān)固耐用，測量結(jié)果準(zhǔn)確，并且易于維護(hù)。光學(xué)溶解氧傳感器具有很強(qiáng)的耐受性，能承受壓力沖擊、溫度驟變以及能夠?qū)е码娀瘜W(xué)電極產(chǎn)生誤報(bào)警的斷流效應(yīng)。光學(xué)傳感器無電解液，無需極化，僅需定期更換膜組件即可。更換過程僅需1min，光學(xué)溶解氧傳感器的維護(hù)便捷。即插即測啟動(dòng)，所有的傳感器數(shù)據(jù)，包括校準(zhǔn)歷史都存儲在傳感器內(nèi)。在執(zhí)行完維護(hù)和校準(zhǔn)后，在線安裝操作非常簡單。由于具有“即插即測”功能，在將傳感器連接后，所有相關(guān)的數(shù)據(jù)都自動(dòng)上傳至變送器，并立即顯示氧含量讀數(shù)，且無需極化。傳感器甚至可以預(yù)校準(zhǔn)并校準(zhǔn)曲線，以方便隨時(shí)使用，從而更快、更方便地更換傳感器。

表1為光學(xué)溶氧與電化學(xué)溶氧監(jiān)測技術(shù)的比較與特點(diǎn)。

表1 光學(xué)溶氧與電化學(xué)溶氧監(jiān)測技術(shù)比較與特點(diǎn)

4.4 以德國Centec光學(xué)溶氧傳感器為例簡述其技術(shù)應(yīng)用

4.4.1 在線溶氧傳感器

表2為在線溶氧傳感器外形及技術(shù)參數(shù)。

4.4.2 便攜式溶氧傳感器

表3為便攜式溶氧傳感器外形及技術(shù)參數(shù)。

4.4.3 應(yīng)用

過程連接根據(jù)被測設(shè)備的接口尺寸選擇，電氣連接輸入一般為24V直流電源，輸出為電流或電壓信號，用于外部顯示或PLC的信號采集。

表2 在線溶氧傳感器外形及技術(shù)參數(shù)

表3 便攜式溶氧傳感器外形及技術(shù)參數(shù)

測量方法是將光學(xué)溶氧測量探頭浸入被測液體，通過專用軟件或儀器外部顯示器對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，如測量范圍、精度、測量間隔時(shí)間、壓力范圍、溫度補(bǔ)償、上限溫度、報(bào)警值等項(xiàng)目。氧敏感層的使用壽命與以上參數(shù)的設(shè)定有著密切的關(guān)系，如果測量的間隔時(shí)間縮短、測量頻率增大就會(huì)縮短敏感層的使用壽命。通過設(shè)定測量溫度和壓力的上限值，可以在高溫及高壓環(huán)境下停止溶解氧的測量，對光敏感層起到一個(gè)保護(hù)作用。

5 風(fēng)險(xiǎn)分析

在傳統(tǒng)溶氧類傳感器的產(chǎn)品應(yīng)用案例中，近年來食品與藥品行業(yè)對傳統(tǒng)電化學(xué)式溶氧電極中因?yàn)殡娊庖簼B漏帶來的潛在風(fēng)險(xiǎn)而受到越來越多的關(guān)注。

電化學(xué)溶氧電解的電解液為氫氧化鉀或氯化鉀溶液，具強(qiáng)堿性及腐蝕性。當(dāng)溶解于水、醇或用酸處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，屬中等毒性，溶于乙醇，微溶于醚，對組織有燒灼作用，可溶解蛋白，形成堿性變性蛋白。溶液或粉塵濺到皮膚上，尤其濺到黏膜，可產(chǎn)生軟痂。溶液濃度越高，溫度越高，作用越強(qiáng)。濺入眼內(nèi)，不僅可損傷角膜，而且能使眼深部組織損傷。

在發(fā)酵過程中出現(xiàn)電解液泄漏的情況會(huì)破壞發(fā)酵液的pH值，導(dǎo)致整個(gè)批次產(chǎn)品被污染。如果后期沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)，成品流通到市場則會(huì)對消費(fèi)者的生命安全帶來極大的威脅。

6 結(jié)語

風(fēng)險(xiǎn)控制并非完全意義上的杜絕風(fēng)險(xiǎn)，而是如何通過先進(jìn)的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新以及質(zhì)量體系文件的建立等多種舉措使得運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)可控化、可視化，并可實(shí)現(xiàn)可追溯。

隨著中國食品藥品質(zhì)量監(jiān)管體系的日趨完善，尤其是在制藥、生物發(fā)酵等特殊行業(yè)中，對于過程的適時(shí)檢測與理化分析勢必會(huì)成為未來的主流技術(shù)發(fā)展方向。溶氧雖然只是發(fā)酵行業(yè)的諸多工藝參數(shù)之一，但是卻有著至關(guān)重要的作用，所以光學(xué)溶氧檢測技術(shù)一定會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

［1］HJ506—2009 水質(zhì) 溶解氧的測定 電化學(xué)探頭法［S］

［2］GB7489—89 水質(zhì)溶解氧測定［S］

［3］付燕.微生物來源藥物制備工藝研究中質(zhì)量控制要素探討——發(fā)酵工藝的過程控制［J］.中外健康文摘，2012（8）