溶氧儀及其在賴氨酸發酵過程中的應用研究

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，生產方法多重多樣，有水解法、酶法、合成法和生物發酵法等，目前采用最多的是液態生物發酵法生產賴氨酸。賴氨酸發酵屬于耗氧發酵，發酵過程溶解氧含量的控制是賴氨酸生產過程重要的操作步驟，溶氧量的高低直接影響發酵產物的積累[1]。因此，檢測溶氧含量對賴氨酸發酵工藝管理的最佳化和工藝過程放大具有重要意義。

1 溶氧的檢測方法及原理

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

1.1 化學分析法測量溶氧

Winkler 滴定法又稱碘量法，是化學分析法中最經典可靠的溶解氧檢測方法。主要原理是在被檢測樣品中添加硫酸錳和堿性碘化鉀，樣品中的氧是低價錳轉變成高價錳，然后加酸使碘游離出來，最后用硫代硫酸鈉測量碘量計算出溶解氧的含量。該方法精度高，但操作復雜、耗時長，不能實現在線檢測。

1.2 順磁法測量溶氧

通過永磁體或電磁鐵形成梯度磁場，利用氧氣是一種典型的順磁性介質的特性，被檢測液體中的氧在梯度磁場中會受到磁場的吸引，在Kelvin 磁場力的作用下，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，對氧進行測量。該方法主要應用于化工環保技術領域，具有經濟，無噪聲等優點。

1.3 熒光法測量溶氧

熒光法又稱熒光猝滅法，它是基于氧分子對熒光物質的猝滅效應原理，根據試樣溶液所發生的熒光的強度來測定試樣溶液中熒光物質的含量，通過光纖傳感器來實現光信號的傳輸。特點是體積小、重量輕、電絕緣性好、無電火花、安全、抗電磁干擾、靈敏度高、便于利用現有光通信技術組成遙測網絡等。

1.4 電化學法測量

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

該方法測量速度就比碘量法要快，它是基于檢測電極上氧化還原反應產生電流的原理。根據法拉第定律：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系。這樣就可以根據電極輸出電流的大小計算出溶液中氧濃度的大小。

極譜法傳感器包括一個銀質的陽極和在底部呈環形的金質的陰極。原電池傳感器包含一個鋅制的陽極和銀質的陰極。極譜法傳感器需要施加一個電壓用于操作而原電池法的電極電勢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薄的半透性膜，在傳感器上展開，可以將點擊和外部環境隔離的同時允許氣體進入。在操作時傳感器的底部會充滿含少量的表面活性劑電解液以提高濕潤效果。極譜法電極的優點是使用壽命長，缺點是需要十分鐘左右的預熱時間，原電池法的優點是響應時間快，缺點是使用壽命短，更換周期僅有1-3個月。

2 影響溶解氧測量的因素

溶解氧測量儀測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，膜的擴散系數和氧的溶解度系數都將發生變化，直接影響溶氧電極電流的輸出。溫度上升，擴散系數增加，溶解度反而減小。溫度對溶解度系數的影響可以根據Henry 定律來估算，溫度對膜擴散系數B 可以通過阿侖尼烏斯定律來估算。根據Henry 定律，氣體的溶解度與其分壓成正比。氧分壓與該地區的海拔高度有關，高原地區和平原地區的差可達20%，使用前必須根據當地大氣壓進行補償。有些儀表內部配有氣壓表，在標定時可自動進行校正；有些儀表未配置氣壓表，在標定時要根據當地氣象站提供的數據進行設置，如果數據有誤，將導致較大的測量誤差。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，為了準確測量，必須考慮含鹽量對溶解氧的影響。在溫度不變的情況下，鹽含量每增加100mg／L，溶解氧降低約1%。如果儀表在標定時使用的溶液的含鹽量低，而實際測量的溶液的含鹽量高，也會導致誤差。在實際使用中必須對測量介質的含鹽量進行分析，以便準確測量及正確補償。樣品流速的影響：氧通過膜擴散比通過樣品進行擴散要慢，必須保證電極膜與溶液完全接觸。對于流通式檢測方式，溶液中的氧會向流通池內擴散，使靠近膜的溶液中的氧損失，產生擴散干擾，影響測量。為了測量準確，應增加流過膜的溶液的流量來補償擴散失去的氧，樣品的最小流速為0.3m／s。

3 賴氨酸發酵過程溶氧檢測系統的選擇

3.1 溶氧儀的種類

隨著科技的進步，工業自動化水平得到不斷提升，溶解氧檢測系統（以下簡稱溶氧儀）在賴氨酸發酵過程的應用越來越普遍。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、手提式溶氧儀和臺式溶氧儀。便攜式溶氧儀以微電腦為中心設計而成，可測量溶氧（含壓力，鹽度補償）及溫度。功耗低，可靠性高，可實現智能化測量，具有穩定可靠、操作簡單方便（可單手操作）等優點。主要用于水中氧氣濃度和飽和度的檢測。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，它優點與便攜式溶氧儀相似，應用領域也基本相同。區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功能。臺式溶氧儀又稱實驗室臺式溶氧儀，主要是實驗室用于超低溶解氧濃度的檢測，工業上用于鍋爐給水和凝結水等ppb 級溶解氧的測量。在線DO 溶解氧儀在工業上使用最為廣泛，生物發酵、化工化肥、冶金、環保水處理工程、制藥、食品、養殖和自來水等行業均有應用。

3.2 賴氨酸發酵過程的特點及溶氧儀的選擇

賴氨酸發酵屬于液態好癢中性發酵，對無菌操作要求高，發酵罐在啟用前需經高溫殺毒。因此賴氨酸發酵的溶氧檢測系統多為耐高溫的溶氧電極和溶氧儀表組成，另外有測量精度高、氣密性好、便于拆洗、使用壽命長的優點。我公司采用了瑞士METTLER TOLEDO 公司生產的Inpro6850i 型工業在線溶氧儀，傳感器使用的是新的電極測量原理，有一個獨立的鉑金陽極，尤其增加了在低氧測量中信號的穩定性，具有智能電極管理技術，安裝即便，可以自動診斷，便于及時維護保養。另外，它還具有防腐蝕、耐高溫、靈敏度高等優點，適合賴氨酸發酵過程溶氧監控系統使用。

4 溶氧儀的安裝和維護

溶氧儀一般采用浸入式安裝，在此應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，帶有調節鋼絲繩，通過調整鋼絲繩長度可以改變傳感器的浸入深度，支架上的引導管保證了傳感器始終處于垂直位置。支架部分都經過特殊設計，它可以將水面的波動傳至浸入管，從而引起浸入管的輕微振動，使得通過浸入管在探頭的表面產生一個附加的清洗效果[3]。

5 賴氨酸發酵過程中溶解氧濃度的調控措施

溶氧是發酵過程控制中的一個相對值，而非絕對值，在發酵控制中的溶氧顯示實際是相對發酵0h 時的溶氧而言的，為了讓溶氧相對值和絕對值盡量保持吻合，以方便自控辯識和進行過程控制，可進行以下異常處理：

5.1 當發酵起始1h 內溶氧仍顯示100%，察看溶氧變送器顯示數據，如溶氧顯示值與100%相差不多，可不進行調整，如溶氧顯示值與100%相差較大，可聯系儀表對溶氧變送器內參數進行調整，具體方法舉例如下：

例一，自控電腦溶氧顯示100%（發酵罐溶氧檢測儀最大量程為200%），如果溶氧變送器顯示170%，相差較大。此時需將溶氧檢測儀量程設置為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行。同樣，如果變送器顯示值為240%，可將溶氧檢測儀最大量程為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行。

5.2 當起始溶氧顯示值較低時，溶氧變送器內參數進行調整方法舉例如下：

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行。同樣，如變送器顯示值為45%，可將量程設置為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行。

如果溶氧變送器顯示值瞬間波動較大，表明溶氧電極已出現故障，可不作以上調整。

總之，溶解氧濃度對賴氨酸的發酵過程來說是一個有很重要的影響因素，發酵水平的提升，對溶氧儀的要求也越來越高。就溶氧儀在賴氨酸發酵行業的合理應用值得我們更加深入細致的研究。

[1]ZIMMERMANN H F，ANDERLEIT，BüCHS J，et al.Oxygen limitation is a pitfall during screening for industrial strains[J].Applied Microbiology and Biotechnology，2006，72（6）：1157-1160.

[2]劉慶.高精度溶解氧測量儀的研究與設計 [J]，南京信息工程大學碩士論文，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.