生化反應(yīng)參數(shù)檢測(cè)及控制(4-2)課件

3.1.2化學(xué)參數(shù)檢測(cè)二、溶解氧（DO）的測(cè)量三、氧化還原電位（ORP）的測(cè)量四、溶解二氧化碳測(cè)量五、發(fā)酵尾氣的在線(xiàn)分析六、菌量測(cè)量一、pH測(cè)量3.1.2化學(xué)參數(shù)檢測(cè)二、溶解氧（DO）的測(cè)量三、氧化1一、pH測(cè)量pH測(cè)量的意義pH測(cè)量的概念 pH電極的安裝及使用pH測(cè)量應(yīng)用示例一、pH測(cè)量pH測(cè)量的意義pH測(cè)量的概念 p2pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響

在微生物培養(yǎng)過(guò)程中，不同的環(huán)境pH對(duì)菌體細(xì)胞產(chǎn)生明顯的作用，這些作用可以表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。各種微生物都有最適生長(zhǎng)的pH值，超過(guò)這個(gè)pH范圍，微生物生長(zhǎng)就受到影響甚至停止。有的適宜于酸性培養(yǎng)，有的宜于中性，也有的宜于堿性。一般來(lái)說(shuō)，霉菌和酵母菌的最適的pH為3—6，大多數(shù)的細(xì)菌和放線(xiàn)菌適宜于中性或微堿性（pH6.8—7.6）。pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響 在微生物培3pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響pH變化對(duì)酶的生長(zhǎng)影響，例對(duì)E.Coli菌雖然在pH4.5—9之間能生長(zhǎng)，但對(duì)菌體脫氨酶和脫羧酶的形成則有嚴(yán)重的影響。pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響pH變化對(duì)酶4pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響即使酶的體系已形成，但由于環(huán)境pH的不同，使酶的活性受到抑制，因而改變了代謝產(chǎn)物的形成。例在研究E.Coli菌時(shí)，在pH6.2時(shí)，二氧化碳和氫就從葡萄糖發(fā)酵中產(chǎn)生，而在pH7.8時(shí)，由于蟻酸溶菌酶的作用，使氣體形成受抑制，代之產(chǎn)生等量的蟻酸。pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響即使酶的體系5pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響發(fā)酵過(guò)程pH的變化引起ATP生產(chǎn)率的減少，使細(xì)胞產(chǎn)量減少，傳代時(shí)間增加。例葡萄糖進(jìn)行酒精發(fā)酵時(shí)，當(dāng)pH從7.2變到5.01時(shí)，每100mmol葡萄糖形成的ATP從224mmol降到153mmol，相當(dāng)菌絲體從2.58g降到1.77g。傳代時(shí)間從2h增加到4h。pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響發(fā)酵過(guò)程pH6pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響pH變化對(duì)細(xì)胞壁的機(jī)械強(qiáng)度也有明顯的作用，膨脹或收縮改變了內(nèi)部的滲透壓。例如青霉菌在pH大于6時(shí)菌絲長(zhǎng)度縮短，而在pH大于或等于7時(shí)膨脹菌絲的數(shù)目增多。在膨脹的細(xì)胞里，結(jié)構(gòu)的改變引起細(xì)胞壁強(qiáng)度降低；結(jié)果難以承受內(nèi)部的滲透壓。pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響pH變化對(duì)細(xì)7pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響有時(shí)，離子毒性作用也由于pH的變化而間接形成。即當(dāng)在環(huán)境pH較低的情況下一些不離解的分子透過(guò)細(xì)胞壁，在中性的內(nèi)部就發(fā)生離解，從而改變細(xì)胞內(nèi)部的組成。一般當(dāng)使用有機(jī)酸作緩沖液時(shí)，抑制作用就是這種效應(yīng)的結(jié)果。pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響有時(shí)，離子毒8pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響 由上可見(jiàn)，盡管pH變化對(duì)菌體細(xì)胞的影響是多種多樣，其最后的作用結(jié)果雖各不相同，但菌體細(xì)胞對(duì)pH的變化異常敏感則是共同的，所以pH值是發(fā)酵過(guò)程中很重要的參數(shù)。在發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵液的pH必須予以控制，才能符合菌體生長(zhǎng)和產(chǎn)物合成的需要。pH測(cè)量的意義pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝的影響 由上可見(jiàn)，9pH測(cè)量的意義菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝對(duì)環(huán)境pH的影響

微生物的生命活動(dòng)對(duì)環(huán)境pH的影響主要有兩種方式 其一是酸性或堿性代謝物的形成，使培養(yǎng)液的pH發(fā)生變化； 例在通氣發(fā)酵過(guò)程中，許多微生物在過(guò)量糖的存在下，產(chǎn)生有機(jī)酸等代謝物，使pH降低。當(dāng)菌絲自溶時(shí)，蛋白質(zhì)分解或其他含氮化合物產(chǎn)生氨或產(chǎn)生其他堿性化合物，使pH升高。pH測(cè)量的意義菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝對(duì)環(huán)境pH的影響 微生物10pH測(cè)量的意義菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝對(duì)環(huán)境pH的影響 其二就是菌體對(duì)培養(yǎng)基中生理酸性或生理堿性物質(zhì)的利用，使環(huán)境的pH發(fā)生變化。 例如氨基酸作為主要或唯一碳源進(jìn)行好氣培養(yǎng)時(shí)，將引起氨的產(chǎn)生，當(dāng)其量超過(guò)菌體需氮量時(shí)，就要引起pH上升。如果以氨基酸進(jìn)行厭氧代謝，當(dāng)脫氨作用時(shí)，既產(chǎn)生酸也產(chǎn)生堿。pH測(cè)量的意義菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝對(duì)環(huán)境pH的影響 其二就11pH測(cè)量的意義菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝對(duì)環(huán)境pH的影響 所以，培養(yǎng)液pH變化是特定環(huán)境條件下微生物生命活動(dòng)的綜合結(jié)果，在同一時(shí)間也許既存在pH上升的因素，又存在使pH降低的可能，最后趨勢(shì)則決定于這些因素的綜合結(jié)果，如果不對(duì)pH加以控制調(diào)節(jié)的話(huà)，就要影響過(guò)程的進(jìn)行。pH測(cè)量的意義菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝對(duì)環(huán)境pH的影響 所以，12pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)

和代謝的的關(guān)系細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝環(huán)境pH外部pH控制pH對(duì)菌體細(xì)胞的生長(zhǎng)

和代謝的的關(guān)系細(xì)胞的生長(zhǎng)和代謝環(huán)境pH13pH測(cè)量的概念pH定義pH測(cè)量原理測(cè)量電極復(fù)合pH電極的技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表pH測(cè)量的概念pH定義pH測(cè)量原理測(cè)量電極復(fù)14 pH是氫離子活度的負(fù)對(duì)數(shù)。pH＝-lgα式中α——?dú)潆x子活度；pH——?dú)潆x子活度的負(fù)對(duì)數(shù)。 其中“p”只表明了在離子和變量之間有一種指數(shù)相關(guān)的數(shù)學(xué)關(guān)系。帶一價(jià)正電荷的氫離子存在于全部含水或酸的液體中。在稀溶液中，氫離子活度近似等于其濃度。pH定義 pH是氫離子活度的負(fù)對(duì)數(shù)。pH定義15 電極電位法測(cè)量pH是基于兩個(gè)電極上所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。用電極電位法測(cè)量溶液pH值，可以獲得較準(zhǔn)確結(jié)果。pH測(cè)量原理電極電位法pH測(cè)量原理

電極電位法測(cè)量pH是基于兩個(gè)電極上所發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)。16 電極電位法的原理是用兩個(gè)電極插在被測(cè)量溶液中（見(jiàn)上圖），其中一電極為指示電極（如玻璃pH電極），它的輸出電位隨被測(cè)溶液中的氫離子活度變化而變化；另一電極為參比電極（例如氯化銀電極），其電位是固定不變的。上述兩個(gè)電極在溶液中構(gòu)成了一個(gè)原電池，該電池所產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)E的大小與溶液的pH值有關(guān)，電動(dòng)勢(shì)E與pH的變化關(guān)系可用下式表示：pH測(cè)量原理

E＝E*－D×pH 電極電位法的原理是用兩個(gè)電極插在被測(cè)量溶液中（見(jiàn)上圖17式中E——測(cè)量電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)；E*——測(cè)量電池的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)（其與溫度有關(guān)）；pH——溶液的pH值；D——測(cè)量電極的響應(yīng)級(jí)差（其與溫度有關(guān)）。 因此，若已知E*和D，則只要準(zhǔn)確地測(cè)量?jī)蓚€(gè)電極間的電動(dòng)勢(shì)，就可以測(cè)得溶液中的pH值了。pH測(cè)量原理 根據(jù)電極法原理構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)用測(cè)量系統(tǒng)，它應(yīng)有發(fā)送器（即電極部分）和測(cè)量?jī)x器（如變送器等）兩大部分組成。式中E——測(cè)量電池產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)；pH測(cè)量原理 根據(jù)電極18 如上所述，對(duì)溶液pH值的測(cè)量，實(shí)際上是由發(fā)送器所得毫伏信號(hào)經(jīng)由測(cè)量?jī)x表放大指示其pH值。該發(fā)送器所得的毫伏信號(hào)實(shí)際上就是由指示（pH）電極、參比電極和被測(cè)溶液所組成的原電池的電動(dòng)勢(shì)。pH測(cè)量原理 因此了解各有關(guān)電極與pH變化的響應(yīng)原理，對(duì)掌握溶液（或發(fā)酵液）pH精確測(cè)量無(wú)疑是有幫助的。 如上所述，對(duì)溶液pH值的測(cè)量，實(shí)際上是由發(fā)送器所得毫伏信號(hào)19 對(duì)參比電極的基本要求是它的電位盡可能地恒定不變。 在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，經(jīng)驗(yàn)表明，大多數(shù)測(cè)量中的問(wèn)題來(lái)自參比電極系統(tǒng)，因此，有必要認(rèn)真研究一下參比電極的性質(zhì)。測(cè)量電極參比電極 對(duì)參比電極的基本要求是它的電位盡可能地恒定不變。測(cè)量電極參20 一個(gè)理想的參比電極要滿(mǎn)足下列這些要求：（1）電位穩(wěn)定；（2）沒(méi)有極化性；（3）在重負(fù)荷下指示電位可逆變化；（4）電位響應(yīng)只遵守能斯特方程；（5）沒(méi)有溫度滯后現(xiàn)象；（6）溫度系數(shù)低。最常用的參比電極有甘汞電極和氧化銀電極。測(cè)量電極參比電極 一個(gè)理想的參比電極要滿(mǎn)足下列這些要求：測(cè)量電極參比電極21甘汞電極 甘汞電極一般有隔膜、參比液、導(dǎo)出系統(tǒng)及參比液補(bǔ)加孔等組成，其結(jié)構(gòu)如圖所示。甘汞電極 甘汞電極一般有隔膜、參比液、導(dǎo)出系統(tǒng)及參比液補(bǔ)加孔22 電極的外殼是一個(gè)玻璃管，里面套有一根小玻璃管，它的頂部伸出電極引線(xiàn)（或接線(xiàn)柱），引線(xiàn)的下端浸沒(méi)在汞中。汞的下面有糊狀甘汞（Hg2Cl2），汞和甘汞用棉花堵住，只有離子才能通過(guò)，而汞和甘汞不會(huì)漏失。小管與大管之間充以氯化鉀（KCl）溶液，末端用多孔陶瓷堵塞（稱(chēng)為隔膜或鹽橋）。甘汞電極插入溶液中時(shí)，電極內(nèi)的少量氯化鉀溶液通過(guò)多孔陶瓷滲入到被測(cè)溶液中，實(shí)現(xiàn)電極引線(xiàn)和溶液間的電的連通。甘汞電極 電極的外殼是一個(gè)玻璃管，里面套有一根小玻璃管，它的頂部伸23 甘汞電極電位只與氯化鉀溶液的濃度有關(guān)，不隨被測(cè)溶液的酸堿度而變化。所以只要氯化鉀的濃度保持不變，甘汞電極的電位在一定的溫度條件下是一個(gè)常數(shù)。例如25℃時(shí)充有1mol／LKCI溶液的甘汞電極的電位為+0.2802V，充有飽和氯化鉀溶液的甘汞電極的電位為+0.2415V。 然而，當(dāng)溫度變化時(shí)，甘汞電極的電位隨之而變，充有飽和氯化鉀溶液的甘汞電極的溫度系數(shù)為-0.76mV／℃，充有0.lmol/LKCI溶液的甘汞電極的溫度系數(shù)為-0.07mV／℃，雖然飽和甘汞電極的電位易受溫度變化的影響，但因配制飽和氯化鉀溶液比較方便，所以飽和甘汞電極還是最為常用的。甘汞電極 甘汞電極電位只與氯化鉀溶液的濃度有關(guān)，不隨被測(cè)溶液的酸堿度24 甘汞電極不宜在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性的溶液中使用，因?yàn)榇藭r(shí)的液體接界電位較大，給測(cè)量帶來(lái)較大誤差。在發(fā)酵液中由于大分子的帶電粒子（如蛋白質(zhì)）或其他相的存在而成乳濁液時(shí)，都要使液接界電位升高，有時(shí)可達(dá)30—50mV，造成發(fā)酵液培養(yǎng)過(guò)程中pH測(cè)量值的較大偏離。甘汞電極 甘汞電極的缺點(diǎn)是高溫時(shí)電極電位的穩(wěn)定性較差。 甘汞電極不宜在強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性的溶液中使用，因?yàn)榇藭r(shí)的液體接界25 氯化銀電極的結(jié)構(gòu)和原理都和甘汞電極相似（見(jiàn)圖）。在一根鉑絲上鍍上純銀（或銀絲），然后使其表面復(fù)蓋一層氯化銀膜，并將它浸沒(méi)在盛有氯化鉀溶液的下端具有隔膜結(jié)構(gòu)的玻璃管內(nèi)。氯化銀電極 氯化銀電極的結(jié)構(gòu)和原理都和甘汞電極相似（見(jiàn)圖）。在一根鉑絲26 同樣其電極電位由參比電解質(zhì)溶液中氯化鉀的濃度所決定，與被測(cè)離子濃度無(wú)關(guān)。 該電極的優(yōu)點(diǎn)是在較高溫度時(shí)，電極電位比較穩(wěn)定，一般可以用于250℃以下。氯化銀電極 氯化銀電極電位的溫度系數(shù)隨參比電解質(zhì)溶液中氯離子濃度增大而減小，故氯化銀電極通常都充有較高濃度的氯化鉀溶液。 同樣其電極電位由參比電解質(zhì)溶液中氯化鉀的濃度所決定，與被測(cè)27 對(duì)指示電極的基本要求是其電極電位值隨被測(cè)溶液氫離子活度的變化而變化。原則上講，任何與氫離子可逆反應(yīng)的電極都可以用來(lái)測(cè)定溶液中的pH值。如鉑／氫電極、金屬電極等。測(cè)量電極指示電極 近年來(lái)，玻璃電極仍是各種類(lèi)型pH測(cè)量指示電極的主要趨勢(shì)。目前鉑／氫電極只用于熱力學(xué)研究或非還原性緩沖溶液pH值的精確測(cè)量上。雖然鉑／氫電極可以給出很精確的測(cè)量結(jié)果，但因其操作不便，易被吸附物毒化，暴露在氧化還原系統(tǒng)中電位會(huì)有變化等因素影響了其普遍使用。 對(duì)指示電極的基本要求是其電極電位值隨被測(cè)溶液氫離子活度的變28玻璃pH電極 玻璃電極的結(jié)構(gòu)如圖所示。在玻璃電極內(nèi)部裝有緩沖溶液和電極引線(xiàn)，H+的交換通過(guò)玻璃膜進(jìn)行。玻璃電極結(jié)構(gòu)1—塞子；2—引線(xiàn)；3—保護(hù)層；4—內(nèi)部緩沖液；5—膜玻璃pH電極 玻璃電極的結(jié)構(gòu)如圖所示。在玻璃電極內(nèi)部裝有緩沖29玻璃pH電極玻璃膜的功能如圖所示。下圖是玻璃膜橫斷面的一半。當(dāng)玻璃電極插入待測(cè)溶液中，就在玻璃膜（厚約0.2～0.5mm）的外表面和內(nèi)表面分別形成一凝膠層（其厚度約為10-4mm）。若待測(cè)溶液是酸性，則在外表形成一正的電勢(shì)場(chǎng)，反之若是堿性，則形成一負(fù)的電勢(shì)場(chǎng)。玻璃pH電極玻璃膜的功能如圖所示。下圖是玻璃膜橫斷面的一半。30玻璃pH電極 因?yàn)椴Ａщ姌O內(nèi)部具有恒定pH值的緩沖溶液，所以，玻璃膜的內(nèi)表面的電勢(shì)在測(cè)量期間仍是常數(shù)，因此，玻璃膜上總的電勢(shì)是膜的內(nèi)外電場(chǎng)的差，即：式中Eel——電極電勢(shì)；E0——零電位；S——斜率（mV／每單位pH）；pHi——內(nèi)部緩沖液的pH值；pHa——待測(cè)量溶液的pH值。玻璃pH電極 因?yàn)椴Ａщ姌O內(nèi)部具有恒定pH值的緩沖溶液，所以31復(fù)合pH電極 發(fā)酵過(guò)程測(cè)量pH用的電極要求結(jié)構(gòu)緊湊，故常用把指示電極和參比電極合為一體的復(fù)合型pH玻璃電極，結(jié)構(gòu)如圖所示。復(fù)合電極結(jié)構(gòu)1—塞子；2—引線(xiàn)；3—參考電解質(zhì)溶液；4—內(nèi)部緩沖液；5—膜；6—參考元件復(fù)合pH電極 發(fā)酵過(guò)程測(cè)量pH用的電極要求結(jié)構(gòu)緊湊，故常用把32 因?yàn)閺?fù)合電極遠(yuǎn)比分開(kāi)的電極測(cè)量容易，因此，所用的電極形式都是復(fù)合電極。在復(fù)合電極中，玻璃電極是由參考電極包裹著。這種結(jié)構(gòu)不但便于安裝與使用，而且外參比液也起屏蔽作用，以防電氣干擾作用于指示電極。復(fù)合pH電極 復(fù)合電極的響應(yīng)為： 因?yàn)閺?fù)合電極遠(yuǎn)比分開(kāi)的電極測(cè)量容易，因此，所用的電極形式都33式中S——電極斜率，等于電極實(shí)際極差與理論級(jí)差之比；pHis——復(fù)合pH電極等電位點(diǎn)pH，pHis=pHo＋pH*，其中pH*為等電位點(diǎn)pH偏離，其在數(shù)值上大小與玻璃膜不平衡電位的溫度系數(shù)，隔膜液接界電位的溫度系數(shù)及內(nèi)、外參比液中氯的離子活度不一致性有關(guān)。復(fù)合pH電極 因?yàn)闇囟葘?duì)pH值的準(zhǔn)確測(cè)量有很大的影響，為了補(bǔ)償溫度的影響，則在pH復(fù)合電極中加一溫度敏感元件，從而構(gòu)成測(cè)量電極、參考電極和溫度傳感元件三為一體的三合一電極。這樣的電極，對(duì)測(cè)量環(huán)境溫度的變化有很好的補(bǔ)償功能。式中S——電極斜率，等于電極實(shí)際極差與理論級(jí)差之比；復(fù)合34復(fù)合pH電極的技術(shù)指標(biāo)

一個(gè)理想的復(fù)合pH電極要滿(mǎn)足下列這些要求：

（1）等電點(diǎn)電位為零；（2）溫度系數(shù)為零；（3）電極斜率為1。這實(shí)際上很難做到。實(shí)際復(fù)合pH電極與理想復(fù)合pH電極在不同溫度下的響應(yīng)曲線(xiàn)復(fù)合pH電極的技術(shù)指標(biāo) 一個(gè)理想的復(fù)合pH電極要滿(mǎn)足下列這些35復(fù)合pH電極的技術(shù)指標(biāo)零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移；級(jí)差與斜率；電極內(nèi)阻與膜電阻；電極響應(yīng)時(shí)間；等電位點(diǎn)；溫度影響；線(xiàn)性范圍。復(fù)合pH電極的主要技術(shù)指標(biāo)：復(fù)合pH電極的技術(shù)指標(biāo)零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移；復(fù)合pH電極的主要技術(shù)36 α電極零點(diǎn) 電極零點(diǎn)即是電極響應(yīng)電位為零時(shí)的pH值，它與電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)不同，后者是指電極內(nèi)緩沖參比液的pH值，通常電極零點(diǎn)表示方法有兩種；零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 （1）以電極輸出為零時(shí)的pH值表示，稱(chēng)為電極零點(diǎn)pH，記為pH零點(diǎn)

故通常情況下電極零點(diǎn)是與溫度有關(guān)的。 α電極零點(diǎn)零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 （1）以電極輸出為零時(shí)的37零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 （2）以電極處于電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)（即內(nèi)緩沖參比液pH值）條件下的電極響應(yīng)電位值表示，稱(chēng)為電極零點(diǎn)電位偏差或不對(duì)稱(chēng)電位，記為E不對(duì)稱(chēng)，零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 （2）以電極處于電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)（即內(nèi)緩沖參比液38零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 若已知電極的斜率和電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)，E不對(duì)稱(chēng)與pH零點(diǎn)是可以相互換算的；零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 若已知電極的斜率和電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)，E不對(duì)稱(chēng)與39 b電極零點(diǎn)在使用中與如下問(wèn)題有關(guān)：（1）選配電極時(shí)要注意使電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)與pH測(cè)量?jī)x表本機(jī)設(shè)定零點(diǎn)相一致。（2）為了減少溫度對(duì)pH測(cè)定的影響，應(yīng)當(dāng)盡可能的使用電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)與被測(cè)環(huán)境pH值相近的電極，例如在檸檬酸發(fā)酵中應(yīng)當(dāng)使用設(shè)計(jì)零點(diǎn)為pH4的電極。（3）電極零點(diǎn)與電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)的偏差代表電極不可用性，若電極零點(diǎn)與電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)偏差太大（與pH測(cè)量?jī)x表有關(guān)，通常約

1pH），電極將無(wú)法在儀表上標(biāo)定，因而電極也就無(wú)法正常使用。零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 b電極零點(diǎn)在使用中與如下問(wèn)題有關(guān)：零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移40 c零點(diǎn)漂移 零點(diǎn)漂移即零點(diǎn)隨使用時(shí)間延長(zhǎng)而不斷變化，由于高溫消毒或其他使用環(huán)境條件變化，可能使pH電極零點(diǎn)不斷變化，不適當(dāng)?shù)氖褂脤⒓铀倭泓c(diǎn)漂移，這種變化若比較快，即在電極使用中必須頻繁標(biāo)定，當(dāng)漂移的累積達(dá)到一定程度則表明電極必須再生處理或報(bào)廢。零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移 c零點(diǎn)漂移零點(diǎn)與零點(diǎn)漂移41 級(jí)差即復(fù)合pH電極對(duì)每單位pH變化響應(yīng)輸出電位值差（常以毫伏表示），記為D，級(jí)差與溫度有關(guān)。級(jí)差與斜率 斜率即電極實(shí)際級(jí)差與理論級(jí)差的比率，記為S，斜率與溫度無(wú)關(guān)，一般小于100％。 斜率大小也表明電極可用性，若電極斜率太?。ㄅcpH測(cè)量?jī)x表有關(guān)，通常為90％），電極將無(wú)法在儀表上標(biāo)定，因而也就無(wú)法正常使用。 級(jí)差即復(fù)合pH電極對(duì)每單位pH變化響應(yīng)輸出電位值差（常以毫42復(fù)合pH電極電阻的等效電路圖。電極內(nèi)阻與膜電阻復(fù)合pH電極電阻的等效電路圖。電極內(nèi)阻與膜電阻43 由于正常情況下電極封裝電阻（R封）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玻璃膜電阻（RM），而內(nèi)參比液溶液電阻（RL,內(nèi)參），內(nèi)參比電極電化學(xué)電阻（Re,內(nèi)參），被測(cè)液溶液電阻（RL,被測(cè)），隔膜電阻（RD），外參比液溶液電阻（RL,外參）和外參比電極電化學(xué)電阻（Re,外參）都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玻璃膜電阻（RM），所以正常情況下電極內(nèi)阻就等于玻璃膜電阻。電極內(nèi)阻與膜電阻 從實(shí)用角度出發(fā)，希望電極內(nèi)阻越小越好，一般的pH電極膜電阻約在500M

左右，特殊制造的（低膜電阻）pH電極膜電阻可小到10M

左右。玻璃膜電阻與溫度有關(guān)，溫度越高，膜電阻越小。 由于正常情況下電極封裝電阻（R封）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于玻璃膜電阻（R44 由于pH電極內(nèi)阻高，所以對(duì)pH儀表有特殊要求。根據(jù)實(shí)測(cè)電極內(nèi)阻與電極說(shuō)明書(shū)中給出的膜電阻分析比較，可以發(fā)現(xiàn)有故障電極故障所在。 正常情況下電極內(nèi)阻應(yīng)等于膜電阻，當(dāng)電極內(nèi)部斷路或隔膜堵塞時(shí)電極內(nèi)阻將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于膜電阻，當(dāng)電極內(nèi)部短路（包括溶液引起的電氣短路）或玻璃膜破裂時(shí)，電極內(nèi)阻將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常膜電阻。電極內(nèi)阻與膜電阻 由于pH電極內(nèi)阻高，所以對(duì)pH儀表有特殊要求。根據(jù)實(shí)測(cè)電極45 按國(guó)際規(guī)定，響應(yīng)時(shí)間為電極響應(yīng)電位達(dá)到與穩(wěn)定響應(yīng)電位相差1毫伏時(shí)的時(shí)間，實(shí)際中常用電極電位達(dá)到穩(wěn)定響應(yīng)電位的某一百分率的時(shí)間，并稱(chēng)為百分之多少的響應(yīng)時(shí)間，如95％響應(yīng)時(shí)間等等。正常情況下pH電極響應(yīng)緩慢的原因可能如下：電極響應(yīng)時(shí)間 （1）玻璃膜未充分水化；（2）玻璃膜污染或老化；（3）隔膜污染。 按國(guó)際規(guī)定，響應(yīng)時(shí)間為電極響應(yīng)電位達(dá)到與穩(wěn)定響應(yīng)電位相差146電極響應(yīng)時(shí)間不同溫度下pH電極的響應(yīng)曲線(xiàn)電極響應(yīng)時(shí)間不同溫度下pH電極的響應(yīng)曲線(xiàn)47 pH電極等電位點(diǎn)即是不同溫度下電極響應(yīng)曲線(xiàn)的交點(diǎn)，見(jiàn)上圖。 電極在等溫下標(biāo)定與使用，等電位點(diǎn)無(wú)關(guān)緊要，在非等溫下標(biāo)定使用，等電位點(diǎn)與能否準(zhǔn)確測(cè)量pH關(guān)系重大。 性能優(yōu)良的pH電極，其等電位點(diǎn)與零點(diǎn)重合，且等于電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)。等電位點(diǎn) pH電極等電位點(diǎn)即是不同溫度下電極響應(yīng)曲線(xiàn)的交點(diǎn)，見(jiàn)上圖。48 根據(jù)電極等電位點(diǎn)，可以知道電極在非等溫環(huán)境中使用時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)確性或可用性。如果與電極匹配的pH測(cè)量?jī)x表沒(méi)有溫度補(bǔ)償裝置或沒(méi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，只有等電位點(diǎn)pH測(cè)定是準(zhǔn)確的，當(dāng)溫度變化時(shí)，偏離該點(diǎn)的pH測(cè)定必定要產(chǎn)生測(cè)量誤差，若偏離等電位點(diǎn)越遠(yuǎn)，測(cè)量誤差越大。等電位點(diǎn) 根據(jù)電極等電位點(diǎn)，可以知道電極在非等溫環(huán)境中使用時(shí)測(cè)量的準(zhǔn)49 對(duì)那些已進(jìn)行了溫度補(bǔ)償?shù)膒H測(cè)量裝置（假設(shè)利用自動(dòng)或手動(dòng)溫度補(bǔ)償設(shè)置已進(jìn)行了最佳溫度補(bǔ)償），如果所使用的電極等電位點(diǎn)與電極設(shè)計(jì)零點(diǎn)偏差存在，在不等溫過(guò)程中pH測(cè)量也注定要產(chǎn)生測(cè)量誤差，測(cè)量誤差的大小正比于測(cè)定溫度與標(biāo)定溫度差異大小，也正比于電極等電位偏差大小。 對(duì)那些具有等電位點(diǎn)補(bǔ)償?shù)膒H測(cè)量?jī)x表，只有根據(jù)測(cè)定的電極等電位點(diǎn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了適當(dāng)?shù)牡入娢稽c(diǎn)補(bǔ)償，在非等溫環(huán)境中使用才有可能獲得準(zhǔn)確pH測(cè)量結(jié)果。等電位點(diǎn) 對(duì)那些已進(jìn)行了溫度補(bǔ)償?shù)膒H測(cè)量裝置（假設(shè)利用自動(dòng)或手動(dòng)溫50 溫度對(duì)出電極響應(yīng)的影響表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面；溫度影響 （1）對(duì)pH電極響應(yīng)級(jí)差及零點(diǎn)的影響，該影響前面已有討論，這種影響對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生的作用可由儀表的溫度及等電位點(diǎn)補(bǔ)償校正。 溫度對(duì)出電極響應(yīng)的影響表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面；溫度影響 （151溫度影響 （2）pH電極響應(yīng)溫度滯后，當(dāng)測(cè)量時(shí)，如果迅速改變pH電極工作溫度，pH電極響應(yīng)一般不能立即跟隨溫度變化而輸出新的溫度下穩(wěn)定響應(yīng)值，而是經(jīng)歷了一定時(shí)間后才接近新溫度下穩(wěn)定響應(yīng)值，見(jiàn)后圖。在迅速降溫過(guò)程中也有類(lèi)似現(xiàn)象，該現(xiàn)象稱(chēng)為pH電極響應(yīng)的溫度滯后。 pH電極響應(yīng)的溫度滯后限制了pH電極在快速變溫場(chǎng)合下的使用，一般的電極響應(yīng)溫度滯后大約為30—40分鐘，快速熱平衡pH電極的溫度響應(yīng)只要數(shù)分鐘即可。溫度影響 （2）pH電極響應(yīng)溫度滯后，當(dāng)測(cè)量時(shí)，如果迅速改變52 pH電極響應(yīng)的溫度滯后溫度影響 pH電極響應(yīng)的溫度滯后溫度影響53 電極響應(yīng)有一定的線(xiàn)性范圍，該范圍由玻璃敏感膜的酸誤差或堿誤差決定，線(xiàn)性范圍的定義如圖所示。線(xiàn)性范圍的下限由酸誤差響應(yīng)曲線(xiàn)段切線(xiàn)與響應(yīng)曲線(xiàn)直線(xiàn)段延長(zhǎng)線(xiàn)交點(diǎn)確定，線(xiàn)性范圍的上限由堿誤差響應(yīng)曲線(xiàn)的切線(xiàn)與響應(yīng)曲線(xiàn)直線(xiàn)段延長(zhǎng)線(xiàn)交點(diǎn)確定，這兩個(gè)交點(diǎn)確定的范圍，即線(xiàn)性范圍。對(duì)pH電極用戶(hù)來(lái)說(shuō)，希望線(xiàn)性范圍大一點(diǎn)好，尤其在兩個(gè)極端環(huán)境（強(qiáng)堿或強(qiáng)酸）中使用。線(xiàn)性范圍 電極響應(yīng)有一定的線(xiàn)性范圍，該范圍由玻璃敏感膜的酸誤差或堿誤54線(xiàn)性范圍線(xiàn)性范圍55堿誤差在堿溶液中膠層的氫離子部分或全部被堿離子尤其是鈉離子置換。膠層這種低氫離子活度造成指示出的低pH值是虛假的。當(dāng)膠層的氫離子活度低至可忽略的值時(shí)，玻璃電極響應(yīng)的主要是鈉離子（鈉效應(yīng)）。理論和實(shí)際的pH值差別即堿誤差。

堿誤差隨pH值的增加、堿濃度和溫度的升高而增大。

線(xiàn)性范圍堿誤差線(xiàn)性范圍56線(xiàn)性范圍酸誤差玻璃pH電極在強(qiáng)酸性溶液中也表現(xiàn)了與理論響應(yīng)的偏離，該現(xiàn)象稱(chēng)為酸誤差。有人已用放射性示蹤試驗(yàn)證明，在強(qiáng)酸性溶液中膠層吸收酸分子，這就增加了膠層的氫離子活度，導(dǎo)致虛假的高pH值。 酸誤差不如堿誤差重要，在很低的pH值下它才值得注意。

一個(gè)玻璃電極的堿誤差低，同樣酸誤差也低。

線(xiàn)性范圍酸誤差57 pH測(cè)量?jī)x表包括pH計(jì)和pH變送器（也稱(chēng)工業(yè)pH計(jì)）pH計(jì)和pH變送器在功能或結(jié)構(gòu)上差異在于是否具有信號(hào)隔離作用。pH測(cè)量?jī)x表輸入單元隔離單元顯示單元輸出單元報(bào)警單元pH變送器的功能方框圖 pH測(cè)量?jī)x表包括pH計(jì)和pH變送器（也稱(chēng)工業(yè)pH計(jì)）58生化反應(yīng)參數(shù)檢測(cè)及控制(4-2)課件59 工業(yè)中在線(xiàn)檢測(cè)用pH裝置，必須使用具有信號(hào)隔離作用的pH測(cè)量?jī)x表，否則可能造成外參比電位旁路，使外參比極化，造成顯示不穩(wěn)，使測(cè)量誤差增大。pH測(cè)量?jī)x表 根據(jù)pH電極的特點(diǎn)，對(duì)pH測(cè)量?jī)x表有下列基本要求：

（1）計(jì)量特性：高輸入阻抗，低輸入電流，高穩(wěn)定性，低漂移，低顯示誤差；（2）調(diào)節(jié)特性：要求有零點(diǎn)（定位）調(diào)節(jié)，斜率（靈敏度）調(diào)節(jié)，溫度補(bǔ)償調(diào)節(jié)和等電位點(diǎn)調(diào)節(jié)。（3）使用特性：要求有pH顯示，信號(hào)隔離和電流或電壓信號(hào)輸出。 工業(yè)中在線(xiàn)檢測(cè)用pH裝置，必須使用具有信號(hào)隔離作用的pH測(cè)60pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表A儀表的輸入阻抗玻璃pH電極內(nèi)阻約幾百兆歐，微小電流流過(guò)電極就會(huì)引起顯著的電壓降。因此，pH測(cè)量?jī)x表應(yīng)有足夠高的輸入阻抗（一般為1011—1012Ω）。B儀表輸入電流儀表輸入電流是由儀器輸入端電子器件的泄漏電流所產(chǎn)生的。輸入電流一般隨輸入端電壓變化而變化，由于儀器輸入電流會(huì)在測(cè)量電池等效電阻上產(chǎn)生額外電壓，從而造成測(cè)量誤差。一般輸入電流不得大于1×10-12A。pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表A儀表的輸入阻抗B儀61pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表C儀表的穩(wěn)定性 儀表的穩(wěn)定性是一項(xiàng)綜合性指標(biāo)，溫度對(duì)元器件影響，電源引起的波動(dòng)，儀器的抗干擾特點(diǎn)等都將影響儀器的穩(wěn)定性，儀表不穩(wěn)定將直接影響到讀數(shù)的準(zhǔn)確度和重現(xiàn)性，特別是用于連續(xù)或自動(dòng)測(cè)量的pH測(cè)量?jī)x器，對(duì)穩(wěn)定性要求更高，性能良好的儀器當(dāng)電源電壓變化±10％或連續(xù)使用24h后，顯示飄移為±2mV（約±0.03pH）以?xún)?nèi)，高精密度儀器要求比值在±0.5mV（約±0.007pH）以?xún)?nèi)。pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表C儀表的穩(wěn)定性62pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表D儀表的測(cè)量范圍及分辨率 目前使用的pH儀表測(cè)量范圍基本上都設(shè)計(jì)成0—14pH數(shù)字顯示，有些設(shè)計(jì)成分檔可調(diào)式。對(duì)實(shí)驗(yàn)室使用的高精度pH計(jì)，分辨率可達(dá)0.01pH，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中使用的pH變送器，分辨率大都為0.01pH或者0.1pH，因?yàn)楣I(yè)現(xiàn)場(chǎng)影響測(cè)量pH準(zhǔn)確度的因素主要不是儀表的分辨率，而是其他干擾。pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表D儀表的測(cè)量范圍及分63pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表E儀表的信號(hào)隔離及信號(hào)輸出 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中使用的pH測(cè)量?jī)x表，必須具有信號(hào)隔離功能，及信號(hào)輸出遠(yuǎn)傳的能力，信號(hào)輸出格式為電壓（0～10mV或0～5V）或電流（0～10mA或4～20mA）信號(hào)。pH測(cè)量?jī)x表的主要技術(shù)指標(biāo)pH測(cè)量?jī)x表E儀表的信號(hào)隔離及信64pH電極的安裝及使用pH電極安裝pH測(cè)量裝置的標(biāo)定測(cè)量電極的使用測(cè)量電極的維護(hù)pH電極的安裝及使用pH電極安裝pH測(cè)量裝置的標(biāo)定測(cè)量電65pH電極安裝基本pH自動(dòng)控制系統(tǒng)變送器電纜pH探頭護(hù)套pH電極安裝基本pH自動(dòng)控制系統(tǒng)變送器電纜pH探頭護(hù)套66pH電極安裝基本pH自動(dòng)控制系統(tǒng)pH電極安裝基本pH自動(dòng)控制系統(tǒng)67 上圖為常見(jiàn)的pH自動(dòng)控制的基本系統(tǒng)，其中插入發(fā)酵罐的復(fù)合pH電極把培養(yǎng)液中的pH值轉(zhuǎn)換成毫伏電信號(hào)，經(jīng)pH變送器（也有用高阻轉(zhuǎn)換器）轉(zhuǎn)換后，輸出標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)（如4—20mA）送調(diào)節(jié)器，經(jīng)一定的調(diào)節(jié)規(guī)律運(yùn)算以后，輸出控制信號(hào)，啟動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)加入pH調(diào)節(jié)劑，達(dá)到精確控制pH的目的。為了對(duì)過(guò)程的pH變化跟蹤記錄，有時(shí)在pH變送器后面接上記錄儀。pH電極安裝 上圖為常見(jiàn)的pH自動(dòng)控制的基本系統(tǒng)，其中插入發(fā)酵罐的復(fù)合68 發(fā)酵過(guò)程的pH控制可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制回路，但與發(fā)酵過(guò)程中其他控制系統(tǒng)比較，更易遭到失敗，失敗的多數(shù)原因是一次傳感，即pH電極的安裝、設(shè)計(jì)或電極失效。這是因?yàn)椋簆H電極安裝 （1）發(fā)酵罐的高溫（120—130℃）滅菌和10—40℃實(shí)際培養(yǎng)，因而要求電極既在常溫下有較高的測(cè)量精度，又要能經(jīng)受蒸氣滅菌對(duì)電極的損壞。 （2）為了保持不受到污染，發(fā)酵設(shè)備一般都保持在0.01—0.1MPa的罐壓，因而需對(duì)參比電極的電解液施以壓力，保證不會(huì)通過(guò)液絡(luò)部發(fā)生倒灌。 發(fā)酵過(guò)程的pH控制可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的控制回路，但與發(fā)酵過(guò)程中69（1）發(fā)酵罐的高溫（120—130℃）滅菌和10—40℃實(shí)際培養(yǎng)，因而要求電極既在常溫下有較高的測(cè)量精度，又要能經(jīng)受蒸氣滅菌對(duì)電極的損壞。pH電極安裝（2）為了保持不受到污染，發(fā)酵設(shè)備一般都保持在0.01—0.1MPa的罐壓，因而需對(duì)參比電極的電解液施以壓力，保證不會(huì)通過(guò)液絡(luò)部發(fā)生倒灌。（3）必需保證培養(yǎng)過(guò)程長(zhǎng)周期使用中的穩(wěn)定測(cè)量。（4）pH電極安裝設(shè)計(jì)還要考慮高阻抗絕緣和溫度補(bǔ)償要求。（1）發(fā)酵罐的高溫（120—130℃）滅菌和10—40℃實(shí)70生物發(fā)酵中的關(guān)鍵----高溫滅菌通常溫度在121度最高溫度可達(dá)130度通常蒸汽壓在1.05bar最高蒸汽壓可達(dá)1.68bar滅菌時(shí)間通常在20--30分鐘生物發(fā)酵中的關(guān)鍵----高溫滅菌71高溫滅菌對(duì)電極的影響pH電極pH玻璃膜的老化(響應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),斜率降低)銀線(xiàn)上的AgCl溶解蒸汽引起電極接頭短路氧電極氧膜的老化陰極的老化高溫滅菌對(duì)電極的影響pH電極72為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝a就地安裝方式 把pH電極直接浸在發(fā)酵罐中，如圖所示，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間短，減少了控制系統(tǒng)的純遲后，有利于提高調(diào)節(jié)品質(zhì)。此外，特別對(duì)一些較粘稠的發(fā)酵液，罐內(nèi)安裝的pH電極較能反映菌體培養(yǎng)的實(shí)際環(huán)境情況。這種方法的主要問(wèn)題是pH電極必需經(jīng)受滅菌溫度沖擊，對(duì)pH電極性能要求高。且當(dāng)發(fā)生電極故障時(shí)，修理、調(diào)換困難，最常見(jiàn)的是培養(yǎng)基高溫滅菌后常出現(xiàn)電極性能變化，或發(fā)酵長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)液絡(luò)部的液接電位變化。為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝a就73pH電極安裝a就地安裝方式在小型罐中的就地安裝在大、中型罐中的就地安裝pH電極安裝a就地安裝方式在小型罐中的就地安裝在大、中型罐74為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝b外循環(huán)測(cè)量裝置 測(cè)量電極裝置于罐外的發(fā)送器內(nèi)，靠攪拌裝置產(chǎn)生的壓差使發(fā)酵液通過(guò)導(dǎo)管在發(fā)送器中循環(huán)，將球閥關(guān)閉后對(duì)電極采用較低溫度的滅菌或化學(xué)消毒，參見(jiàn)圖。為了保證發(fā)送器的發(fā)酵液流通速度，也有采用齒輪泵或隔薄式循環(huán)泵強(qiáng)制循環(huán)。本法的主要優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電極故障時(shí)，可以不停罐拆卸調(diào)換。此外，可以采用化學(xué)滅菌方法避開(kāi)對(duì)電極的高溫破壞，一般可采用1％過(guò)氧乙酸或5％的碘酊滅菌，在發(fā)酵設(shè)備滅菌冷卻后帶壓插入。為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝b75pH電極安裝b外循環(huán)測(cè)量裝置發(fā)酵罐外循環(huán)pH測(cè)量裝置pH電極安裝b外循環(huán)測(cè)量裝置發(fā)酵罐外循環(huán)pH測(cè)量裝置76為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝c電極護(hù)套的設(shè)計(jì) 當(dāng)采用以液體參比液的復(fù)合玻璃pH電極時(shí)，在受壓的發(fā)酵罐內(nèi)安裝時(shí)必須采用加壓護(hù)套。根據(jù)不同的使用要求有幾種電極護(hù)套的設(shè)計(jì)。若選用固定插入式護(hù)套，使用前須用打氣筒向加壓室壓入空氣，以使電解液在護(hù)套內(nèi)所受壓力大于發(fā)酵罐內(nèi)壓力而不至產(chǎn)生倒流，并使電解液能勻速向外滲出，加壓室頂部裝有壓力表，可以監(jiān)視內(nèi)部壓力。電極插入罐內(nèi)部分一般可裝有可拆卸的保護(hù)套以保護(hù)電極玻璃球泡。為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝c電77為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝c電極護(hù)套的設(shè)計(jì) 為了在長(zhǎng)周期使用，可選用一種可隨時(shí)拉出pH電極進(jìn)行標(biāo)定、維修的護(hù)套。對(duì)于膠體電解質(zhì)復(fù)合電極來(lái)說(shuō)，由于無(wú)需加壓，護(hù)套結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，使用操作較方便。 電極護(hù)套的設(shè)計(jì)或選擇時(shí)要注意護(hù)套材料、插入位置、插入長(zhǎng)度和插入頭直徑。一般采用不銹鋼料，在發(fā)酵罐上可取垂直或15°傾斜安裝，插入長(zhǎng)度根據(jù)電極長(zhǎng)度決定，一般大于70mm以上。插入頭直徑一般采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)φ25mm。為了克服困難，可以從下面幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：pH電極安裝c電78pH電極安裝pH電極安裝79 pH測(cè)量系統(tǒng)（包括電極及儀表）在測(cè)量前必須加以標(biāo)定，長(zhǎng)久干置不用的電極，在頭次標(biāo)定前必須先把玻璃敏感球泡浸泡在與外參比液相同成份的溶液（通常是氯化鉀溶液）中24h，標(biāo)定及測(cè)量時(shí)要去掉電極上外參比液補(bǔ)加孔上的閉封塞，保持足夠的外參比液，除掉電極內(nèi)緩沖參比液及外參比液中可能存在的氣泡，標(biāo)定或測(cè)量時(shí)應(yīng)使隔膜浸在溶液中。pH測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定有三種方式，一是標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定法；其又包括兩點(diǎn)標(biāo)定及一點(diǎn)標(biāo)定，二是樣品校合法；三是參數(shù)整定法。pH測(cè)量裝置的標(biāo)定 pH測(cè)量系統(tǒng)（包括電極及儀表）在測(cè)量前必須加以標(biāo)定，長(zhǎng)久干80 標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定法用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液對(duì)pH測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定是最基本的方法，發(fā)酵過(guò)程用該法標(biāo)定時(shí)，通常都是在兩批發(fā)酵間隔期進(jìn)行，如果使用可伸縮式pH探頭，則可隨時(shí)標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定法 標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定法用標(biāo)準(zhǔn)緩沖液對(duì)pH測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定是最基本的方81

(A)兩點(diǎn)標(biāo)定方法 先連接好整套測(cè)量裝置，接上pH電極，接通電源。將pH電極置于pH7標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中，顯示穩(wěn)定后調(diào)pH變送器的零點(diǎn)（或定位）旋紐，使pH變送器顯示為該緩沖液實(shí)際pH值。然后提出pH電極，用蒸餾水沖洗，用吸水紙（衛(wèi)生紙或?yàn)V紙）吸干水份。再將pH電極置于第二種標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中（通常為pH4或者pH9標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中的一種，選哪種應(yīng)當(dāng)視過(guò)程偏酸性或偏堿性而定），待顯示穩(wěn)定后，調(diào)pH變送器的斜率（或靈敏度）旋鈕，使pH變送器顯示為第二種標(biāo)準(zhǔn)緩沖液的實(shí)際pH值，斜率標(biāo)定后沖洗電極并吸干水分，再返回pH7標(biāo)準(zhǔn)緩沖液中檢查，反復(fù)調(diào)整，使這兩步皆滿(mǎn)足要求，此時(shí)該pH測(cè)量裝置標(biāo)定好。標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定法 (A)兩點(diǎn)標(biāo)定方法標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定法82 (B)一點(diǎn)標(biāo)定法方法 所謂一點(diǎn)標(biāo)定法即只利用pH7標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定pH測(cè)量系統(tǒng)的零點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)定法 (B)一點(diǎn)標(biāo)定法方法標(biāo)準(zhǔn)緩沖液標(biāo)83樣品校合法通常在以下條件下使用： 已作過(guò)兩點(diǎn)標(biāo)定，在不太長(zhǎng)時(shí)間的使用過(guò)程中，為了補(bǔ)償pH電極的零點(diǎn)漂移（高溫消毒過(guò)程可能引起零點(diǎn)漂移，但對(duì)斜率影響較小），可用樣品校合法標(biāo)定儀表。方法如下： 放出部分正在測(cè)量的溶液（發(fā)酵液），立即用一套標(biāo)準(zhǔn)pH測(cè)量裝置（實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)當(dāng)有一套可隨時(shí)進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定的pH測(cè)量裝置）測(cè)其pH值。根據(jù)測(cè)得的結(jié)果，調(diào)節(jié)待校合pH變送器上的零點(diǎn)（或點(diǎn)位）旋鈕，使其顯示為標(biāo)準(zhǔn)pH裝置離線(xiàn)測(cè)量的pH值。樣品的校合法樣品校合法通常在以下條件下使用：樣品的校合法84 參數(shù)整定法即是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的pH電極的斜率，零點(diǎn)（精確地說(shuō)應(yīng)當(dāng)是電極的等位點(diǎn)）數(shù)據(jù)，對(duì)pH測(cè)量?jī)x表進(jìn)行調(diào)諧整定，使之與電極相配套。參數(shù)整定法多在智能化儀表中使用。參數(shù)整定法 參數(shù)整定法即是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的pH電極的斜率，零點(diǎn)（精確地85 護(hù)套方式安裝的pH電極在使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）護(hù)套內(nèi)壓力應(yīng)大于pH檢測(cè)點(diǎn)壓力；（2）電極上外參比液補(bǔ)加孔不應(yīng)浸沒(méi)于溶液中；（3）非等溫過(guò)程中測(cè)量pH，由于測(cè)量時(shí)溫度不同于標(biāo)定時(shí)溫度，盡管進(jìn)行了最佳溫度補(bǔ)償，但也可能會(huì)引起測(cè)量誤差，其誤差正比于電極的等電位點(diǎn)偏移和測(cè)量溫度與標(biāo)定溫度之差。為了減少或避免非等溫過(guò)程中由此原因造成測(cè)量誤差，除了應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償外，還應(yīng)當(dāng)選用等電位點(diǎn)偏移小的快速熱平衡電極。測(cè)量電極的使用 護(hù)套方式安裝的pH電極在使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：測(cè)量電極的使86 護(hù)套方式安裝的pH電極在使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（4）非等溫環(huán)境中測(cè)量pH的另一個(gè)問(wèn)題是快速變溫過(guò)程中pH電極的溫度響應(yīng)滯后，因此，凡快速變溫場(chǎng)合下測(cè)量pH，應(yīng)首先考慮選用快速熱平衡電極。測(cè)量電極的使用 護(hù)套方式安裝的pH電極在使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：測(cè)量電極的使87 pH電極是一種電化學(xué)傳感器，其原理是利用電極和待測(cè)溶液間發(fā)生的可逆反應(yīng)來(lái)測(cè)量pH值的。如果在玻璃膜上有固體沉淀物或參考系統(tǒng)的反應(yīng)影響該可逆反應(yīng)，則信號(hào)的精確性就會(huì)降低。測(cè)量電極的維護(hù) 所以，pH測(cè)量成功的關(guān)鍵在于pH電極和儀表的日常正確使用和維護(hù)。 pH電極是一種電化學(xué)傳感器，其原理是利用電極和待測(cè)溶液間發(fā)88 如果待測(cè)溶液污染了電極或電極老化，則會(huì)造成電極響應(yīng)時(shí)間增加，零點(diǎn)漂移，斜率減小等現(xiàn)象。電極的使用壽命取決于玻璃的化學(xué)性質(zhì)。即便是電極不投入使用，高溫也會(huì)減少電極的壽命。在實(shí)驗(yàn)室條件下，電極的使用壽命可多于3年。如果電極在80℃下進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，則電極的使用年限會(huì)大大下降（可能只能用幾個(gè)月）。如果待測(cè)溶液和電解液間的反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生干擾信號(hào)，則使用電橋或特定的電解液可以改善測(cè)量條件電極功能維護(hù) 如果待測(cè)溶液污染了電極或電極老化，則會(huì)造成電極響應(yīng)時(shí)間增加89 避免污染的方法：①經(jīng)常用適當(dāng)溶劑沖洗電極；②如果可能有固體物質(zhì)沉淀于膜表面，則可提高攪拌轉(zhuǎn)速或增大通氣速率來(lái)去除之。 當(dāng)電極的玻璃膜和連結(jié)部受污染后，則電極應(yīng)及時(shí)清洗。根據(jù)污染的不同類(lèi)型，可采用不同的清洗方法。電極功能維護(hù) 避免污染的方法：電極功能維護(hù)90電極功能維護(hù)污染類(lèi)型清洗方法含有蛋白質(zhì)的待測(cè)溶液（接合處污染）電極浸入胃蛋白酶／HCI溶液幾小時(shí)含有硫化物的待測(cè)溶液（接合處變黑）接合處浸入尿素／HCI溶液直至變白脂類(lèi)或其他有機(jī)待測(cè)溶液用丙酮或乙醇短時(shí)間沖洗電極酸溶或堿溶的污染物用0.1mol／LNaOH或0.1mol／LHCI沖洗電極幾分鐘電極功能維護(hù)污染類(lèi)型清洗方法含有蛋白質(zhì)的待測(cè)溶液（接合91電極功能維護(hù) 在用這些方法處理過(guò)電極以后，應(yīng)將電極浸入?yún)⒖茧娊庖褐?5分鐘，在測(cè)量之前還要先標(biāo)定電極，這是因?yàn)榍逑匆簳?huì)擴(kuò)散進(jìn)入接合處，引起擴(kuò)散電勢(shì)。電極只能淋洗，不能擦洗或機(jī)械清洗，因?yàn)檫@種洗法會(huì)導(dǎo)致靜電荷，同時(shí)會(huì)增加電極測(cè)量響應(yīng)時(shí)間。 當(dāng)參考電極的傳導(dǎo)元件已不再能完全浸入到電解液中（由于電解質(zhì)會(huì)通過(guò)接合處擴(kuò)散），或參考電解質(zhì)溶液已污染（由于待測(cè)溶液的擴(kuò)散），或參考電解液由于水分蒸發(fā)引起濃度升高時(shí)，電解液需要補(bǔ)充或更新。在更新電解液時(shí)要注意應(yīng)使用與電極相同的電解質(zhì)溶液。電極功能維護(hù) 在用這些方法處理過(guò)電極以后，應(yīng)將電極浸入?yún)⒖?2電極貯存 電極應(yīng)貯存在參考電解液中，這便于電極即時(shí)投入使用，同時(shí)保證電極的響應(yīng)時(shí)間較短。 如果電極長(zhǎng)時(shí)間干燥貯存，為了獲得準(zhǔn)確pH測(cè)量，則在再次使用前往往需要浸入到參考電解液中活化數(shù)小時(shí)，也可以使用特定的活化溶液。 如果電極是放入蒸餾水中貯存，則其響應(yīng)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。 特別要注意，有些電極是不能干燥貯存的。電極貯存 電極應(yīng)貯存在參考電解液中，這便于電極即時(shí)投入使用93 生化工程一般都是常溫常壓下進(jìn)行的，反應(yīng)溫度在40℃左右。因此，玻璃電極能否經(jīng)受滅菌的高溫是電極的關(guān)鍵因素，通常滅菌是將121～130℃的高溫蒸汽通入發(fā)酵罐中進(jìn)行的。由于不可能在滅菌后進(jìn)行電極的標(biāo)定，因此電極的零點(diǎn)穩(wěn)定性是電極的另一個(gè)重要因素。pH測(cè)量應(yīng)用示例單克隆抗體的生產(chǎn)青霉素生產(chǎn) 生化工程一般都是常溫常壓下進(jìn)行的，反應(yīng)溫度在40℃左右。因94 單克隆抗體是由哺乳動(dòng)物細(xì)胞在小型生化反應(yīng)器中（0.05～10M3）懸浮生產(chǎn)的，細(xì)胞活性和抗體的產(chǎn)生是在一很窄的pH值范圍。哺乳動(dòng)物細(xì)胞的營(yíng)養(yǎng)液中包含2.5％～10％血漿、葡萄糖、鹽、氨基酸和維生素，通過(guò)加入有機(jī)磷酸鹽和碳酸鹽緩沖液調(diào)節(jié)pH在7.0～7.6。在培養(yǎng)過(guò)程中有些代謝產(chǎn)物會(huì)影響發(fā)酵液的pH值。這種培養(yǎng)過(guò)程長(zhǎng)至幾個(gè)星期，由于長(zhǎng)期的在線(xiàn)測(cè)量以及培養(yǎng)條件的苛刻。要求進(jìn)行嚴(yán)格的消毒處理。（1）單克隆抗體的生產(chǎn)許多哺乳動(dòng)物細(xì)胞能夠存活的pH范圍為6.6～7.8，最佳生產(chǎn)條件為pH7.2～7.4。為了維持該條件，必須通過(guò)加入酸堿或改變氣體中空氣與CO2的比例來(lái)連續(xù)地控制pH的數(shù)值。 單克隆抗體是由哺乳動(dòng)物細(xì)胞在小型生化反應(yīng)器中（0.05～195 上述培養(yǎng)過(guò)程對(duì)pH電極的耐高溫性和高可靠性都提出了很高的要求。（1）單克隆抗體的生產(chǎn) 解決上述問(wèn)題往往使用液體電解質(zhì)電極或凝膠電解質(zhì)電極。凝膠電解質(zhì)電極沒(méi)有內(nèi)部壓縮空氣室，避免待測(cè)溶液進(jìn)入電極。此外，這種電極所需維護(hù)工作量很少，因?yàn)闆](méi)有必要向電極補(bǔ)入電解液和正壓操作． 上述培養(yǎng)過(guò)程對(duì)pH電極的耐高溫性和高可靠性都提出了很高的要96 青霉素是在200M3以上的大型生物反應(yīng)器中，由絲狀菌在液體中培養(yǎng)而獲得的。青霉素的生產(chǎn)和菌體的生長(zhǎng)都很依賴(lài)于發(fā)酵液的pH值，僅在較窄的pH范圍內(nèi)才能得到優(yōu)化生長(zhǎng)。發(fā)酵培養(yǎng)基中包括乳糖、葡萄糖、5％玉米漿、豆油或其他氮源。發(fā)酵的初始階段發(fā)酵液的最適宜pH為6.0～6.8。發(fā)酵培養(yǎng)液接種后，開(kāi)始攪拌、通氣，菌絲開(kāi)始繁殖生長(zhǎng)，而后釋放出青霉素。（2）青霉素生產(chǎn) 在發(fā)酵過(guò)程中必須連續(xù)地嚴(yán)格控制pH值，以維持最佳的生長(zhǎng)和生產(chǎn)條件，如果pH有所升高或降低，則通過(guò)加入氨水或酸來(lái)中和，一旦pH值超過(guò)8，則青霉素的生產(chǎn)將會(huì)停止。 青霉素是在200M3以上的大型生物反應(yīng)器中，由絲狀菌在液體97 在青霉素發(fā)酵過(guò)程中，底物的利用和產(chǎn)物的形成都會(huì)改變發(fā)酵液的pH值。此外，菌絲體的繁殖生長(zhǎng)會(huì)造成測(cè)量介質(zhì)粘度上升，甚至堵塞電極的接合處。發(fā)酵液中的蛋白質(zhì)與測(cè)量溶液接觸產(chǎn)生沉淀也會(huì)堵塞接合處，導(dǎo)致pH值不穩(wěn)定和產(chǎn)生不正確的測(cè)量信號(hào)，也會(huì)降低電極響應(yīng)時(shí)間。（2）青霉素生產(chǎn) 使用具有可伸縮保護(hù)套、能夠進(jìn)行壓力補(bǔ)償?shù)碾姌O，就可以進(jìn)行長(zhǎng)期的可靠的青霉素生產(chǎn)過(guò)程pH值的測(cè)量。另外，通過(guò)使用特殊的電解質(zhì)，來(lái)有效地避免蛋白質(zhì)沉淀。 在青霉素發(fā)酵過(guò)程中，底物的利用和產(chǎn)物的形成都會(huì)改變發(fā)酵液的98二、溶解氧（DO）的測(cè)量溶解氧測(cè)量的意義溶解氧測(cè)量的概念 溶解氧測(cè)量裝置的安裝及使用二、溶解氧（DO）的測(cè)量溶解氧測(cè)量的意義溶解氧測(cè)量的概99

在好氣菌發(fā)酵過(guò)程中，必須連續(xù)地通入無(wú)菌空氣，氧由氣相溶解到液相，然后經(jīng)過(guò)液流傳給細(xì)胞壁進(jìn)入到細(xì)胞質(zhì)，作為碳源氧化過(guò)程的電子最終受體，獲得滿(mǎn)足菌體生長(zhǎng)以及合成產(chǎn)物等所需要的能量。因此，培養(yǎng)液溶氧濃度對(duì)菌體生長(zhǎng)及產(chǎn)量有極其重要的意義。一般總希望在發(fā)酵不同階段均使溶氧水平維持在略高于臨界值以上，這樣既不影響菌體的正常代謝，又不致因?yàn)榫S持過(guò)高的溶氧水平而大量消耗動(dòng)力。不過(guò)，有時(shí)過(guò)高的溶氧水平反而對(duì)菌體代謝有不可逆的抑制作用。溶解氧測(cè)量的意義 在好氣菌發(fā)酵過(guò)程中，必須連續(xù)地通入無(wú)菌空氣，氧由氣相溶解到100

在一般情況下，微生物在發(fā)酵過(guò)程中的需氧量約為20－50mmol／L·h，而在0.1MPa罐壓，25℃時(shí)用空氣飽和的培養(yǎng)液中的溶解氧，只能維持菌的正常呼吸15－

30s。為了維持菌體代謝活動(dòng)，必需不斷地補(bǔ)充培養(yǎng)液中的溶解氧，因此就存在一個(gè)發(fā)酵罐的不斷供氧和菌體細(xì)胞的不斷耗氧問(wèn)題，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，當(dāng)供氧速率小于需氧時(shí)，則培養(yǎng)液中氧濃度下降。溶解氧測(cè)量的意義

在發(fā)酵過(guò)程中，常用以電化學(xué)為基礎(chǔ)的電極法進(jìn)行D0測(cè)量，由溶氧電極所獲得的數(shù)據(jù)不僅可以給出微生物生理生化的動(dòng)態(tài)信息，而且是發(fā)酵罐傳質(zhì)能力、設(shè)計(jì)放大和中間控制等研究的基礎(chǔ)。 在一般情況下，微生物在發(fā)酵過(guò)程中的需氧量約為20－50101

在發(fā)酵過(guò)程中，可以應(yīng)用溶氧電極所測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)過(guò)程工藝進(jìn)行指導(dǎo)，用來(lái)判斷工藝操作的合理性，一般有下面幾點(diǎn)考慮：溶解氧測(cè)量的意義A發(fā)酵過(guò)程的臨界氧濃度BKL

估算C指導(dǎo)補(bǔ)料操作D菌體活性和菌量估計(jì)C意外操作分析 在發(fā)酵過(guò)程中，可以應(yīng)用溶氧電極所測(cè)得的數(shù)據(jù)對(duì)過(guò)程工藝進(jìn)行指102溶解氧測(cè)量的概念電位型電極和電流型電極氧電極測(cè)量的基本原理溶解氧電極結(jié)構(gòu)溶解氧電極的技術(shù)指標(biāo)溶解氧測(cè)量?jī)x表溶解氧測(cè)量的概念電位型電極和電流型電極氧電極測(cè)量103空氣的組成空氣的組成104

在分析工作中所使用的電極可分為兩種類(lèi)型，即電位型電極和電流型電極。電位型電極和電流型電極

電位型電極是利用一個(gè)特定離子的活性產(chǎn)生電位。這些電極的實(shí)例是玻璃pH電極及大多數(shù)離子選擇電極。測(cè)量的是指示電極與一個(gè)惰性參考電極之間的電位差，而參考電極的電位必須是恒定的。

所有電位型電極都服從Nernst定律，因此電極與測(cè)量?jī)x器在大多數(shù)情況下是通用的，電位測(cè)量的必要條件實(shí)際上是電極電壓的無(wú)電流測(cè)定。在測(cè)量中，基本上不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。 在分析工作中所使用的電極可分為兩種類(lèi)型，即電位型電極和電流105

電流型電極（如氧電極）對(duì)活度的測(cè)定是基于電流的測(cè)量。電位型電極和電流型電極

包含一個(gè)陰極與一個(gè)陽(yáng)極的氧電極由一種電解質(zhì)傳導(dǎo)連接。加在陽(yáng)極與陰極之間的適宜的極化電位在陰極上選擇性地將氧還原。

陰極反應(yīng)O2＋2H2O＋4e-40H-陽(yáng)極反應(yīng)4Ag＋4Cl-4AgCl＋4e-

電流型電極（如氧電極）對(duì)活度的測(cè)定是基于電流的測(cè)量。電位106

化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)與氧分壓（PO2）成正比的電流。由于氧電極上消耗的樣品連續(xù)從溶液中獲得，因而溶液的粘度與流速對(duì)測(cè)量有很大影響。電位型電極和電流型電極

氧電極的電極電流不僅與氧分壓有關(guān)，也與電極的其他參數(shù)有關(guān)，不同類(lèi)型或規(guī)格的氧電極，他們的電流可能相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)．為此氧電極與放大器不能自由替換。 化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)與氧分壓（PO2）成正比的電流。由于氧電極1071）氧的極譜電位與電流氧電極測(cè)量的基本原理

在某一溶氧濃度一定的溶液系統(tǒng)中，當(dāng)在某一貴重金屬（如鉑、金或銀等）電極與合適的參比電極（甘汞或Ag—AgCl）之間加入0.6～0.8V負(fù)電壓時(shí)，溶液中的溶解氧就在陰極被還原。1）氧的極譜電位與電流氧電極測(cè)量的基本原理 在某一溶氧濃度1081）氧的極譜電位與電流氧電極測(cè)量的基本原理

從電極的電流—電壓極譜圖可看出，OA為極譜殘余電流；A點(diǎn)為氧的分解電壓，當(dāng)外加電壓大于分解電壓A后，這時(shí)電極輸出電流I隨著負(fù)電壓增加而增加，當(dāng)?shù)竭_(dá)B后，電極電流就不再隨著外加電壓而增加，即電極電流進(jìn)入恒定區(qū)，這時(shí)稱(chēng)為飽和電流（也稱(chēng)極限擴(kuò)散電流）。當(dāng)外加電壓繼續(xù)增加到C點(diǎn)時(shí)，電極輸出電流就迅速增加，這是由于水被分解成氧和氫所造成。1）氧的極譜電位與電流氧電極測(cè)量的基本原理 從電極的電流—1091）氧的極譜電位與電流氧電極測(cè)量的基本原理

陰極與陽(yáng)極之間電壓的選擇是要使氧能被充分地還原（見(jiàn)圖＞A），而對(duì)另一些氣體不發(fā)生作用（＜C）。這時(shí)的電壓稱(chēng)為極譜電壓，此時(shí)所產(chǎn)生的電流與溶液中氧含量成正比，此時(shí)的電極電流稱(chēng)為飽和電流。

對(duì)Pt，Ag／AgCl系統(tǒng)，選擇的理論電壓在600與750mV之間。此外還必須滿(mǎn)足以下條件：即電解質(zhì)溶液薄層的電阻必須較小，陽(yáng)極必須有一個(gè)大的表面積，以防止電極電流將陽(yáng)極極化，避免陰極極化電壓下降。1）氧的極譜電位與電流氧電極測(cè)量的基本原理 陰極與陽(yáng)極之間1102）極譜型溶氧電極和還原型溶氧電極氧電極測(cè)量的基本原理

氧電極的電化學(xué)是根據(jù)氧在陰極的電化學(xué)反應(yīng)： 反應(yīng)結(jié)果在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生氫氧根離子以及少量的過(guò)氧化氫，在陰極上產(chǎn)生一個(gè)半電池電位，這里陰極多數(shù)是貴金屬如銀、金、鉑等制成，“陰極”的命名不是基于電極的極性，而是根據(jù)發(fā)生在電極上反應(yīng)的性質(zhì)，凡發(fā)生還原反應(yīng)的就被定為陰極，貴金屬僅起傳遞電子的作用。O2＋2H2O＋2e-H2O2+20H-H2O2＋2e20H-2）極譜型溶氧電極和還原型溶氧電極氧電極測(cè)量的基本原理 氧111陽(yáng)極g＋Cl-AgCl＋2e-

2）極譜型溶氧電極和還原型溶氧電極氧電極測(cè)量的基本原理

在電極系統(tǒng)中，如果選用一個(gè)電位比陰極電位低或相等的參比電極，就需要外加一個(gè)電源電壓，使之維持在-0.6—-0.8V（相對(duì)于氯化銀電極電位）的氧極譜電位，這種氧電極稱(chēng)為極譜型氧電極。例如陰極和陽(yáng)極都利用銀制成，若參比電極的電解質(zhì)溶液為氯化鉀溶液時(shí)，則反應(yīng)為：

陰極O2＋2H2O＋4e-40H-電極反應(yīng)4Ag＋O2＋2H2O＋4Cl-4AgCl＋40H-陽(yáng)極g＋Cl-AgCl112陽(yáng)極Ag＋Cl-AgCl＋2e-

2）極譜型溶氧電極和還原型溶氧電極氧電極測(cè)量的基本原理

由于氫氧根離子隨著反應(yīng)進(jìn)行而交換出氯離子，當(dāng)電解質(zhì)溶液中氯離子耗盡時(shí)，就必須再補(bǔ)充才能繼續(xù)使用。

陰極O2＋2H2O＋4e-40H-電極反應(yīng)4Ag＋O2＋2H2O＋4Cl-4AgCl＋40H-陽(yáng)極Ag＋Cl-Ag113陽(yáng)極Pb

Pb2+＋2e2）極譜型溶氧電極和還原型溶氧電極氧電極測(cè)量的基本原理

在電極系統(tǒng)中，如果選用陰極電位高于陽(yáng)極電位的參比電極，例鋅、鉛或銀等堿性金屬作陰極，這時(shí)，氧就可在陰極表面自發(fā)地被還原，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，當(dāng)接上電流表，就有電流產(chǎn)生，這種電極被稱(chēng)為原電池型氧電極。銀—鉛電池型電極的電子反應(yīng)如下：

陰極O2＋2H2O＋4e40H-電極反應(yīng)2Pb＋O2＋2H2O2Pb(0H)2陽(yáng)極PbPb2114陽(yáng)極Pb

Pb2+＋2e2）極譜型溶氧電極和還原型溶氧電極氧電極測(cè)量的基本原理

可看出與極譜型電極不同的是，這時(shí)電解質(zhì)溶液不參加反應(yīng)，而陽(yáng)極表面被逐漸氧化，因此原電池型電極的壽命決定于陽(yáng)極可利用表面的大小。

陰極O2＋2H2O＋4e40H-電極反應(yīng)2Pb＋O2＋2H2O2Pb(0H)2

無(wú)論是上述那種電極,它們都屬于電流型電極.陽(yáng)極PbPb115

氧濃度與飽和電流成正比關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是涉及到了穩(wěn)定的氧擴(kuò)散電流問(wèn)題。3）復(fù)膜氧電極氧電極測(cè)量的基本原理

當(dāng)我們把電極放在一被測(cè)溶液中時(shí)，就在陰極表面發(fā)生了電極反應(yīng)，使距表面越近的溶液中的氧被還原了，此時(shí)，電極表面的氧濃度與液流主體中的氧濃度就形成了一個(gè)梯度，這時(shí)電極反應(yīng)速度是受氧擴(kuò)散控制的。由于這個(gè)氧濃度梯度隨時(shí)間而減小，且易受到攪拌程度等物理因素的影響，造成電極輸出信號(hào)不穩(wěn)定，使整個(gè)電極測(cè)量難以進(jìn)行。 氧濃度與飽和電流成正比關(guān)系，實(shí)質(zhì)上是涉及到了穩(wěn)定的氧擴(kuò)散電116

由此可見(jiàn)，一個(gè)基本的DO電極測(cè)量系統(tǒng)不僅要具備指示電極和參比電極之間形成的電位差（即氧的極譜電位），使此時(shí)只有氧在電極上發(fā)生反應(yīng)，而且要使電極表面與液流主體間有一個(gè)穩(wěn)定的氧擴(kuò)散梯度。3）復(fù)膜氧電極氧電極測(cè)量的基本原理 由此可見(jiàn)，一個(gè)基本的DO電極測(cè)量系統(tǒng)不僅要具備指示電極和參117

克拉克（Clark）復(fù)膜氧電極概念的提出，使氧電極在技術(shù)上有了重大突破。電極的陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)被一層聚分子膜（例聚四氟乙烯等）與被測(cè)溶液隔開(kāi)，這層薄膜的特性是能透過(guò)氧分子而不能通過(guò)溶液中的其他離子或分子。電極的陰極表面被覆上此膜之后，在一定條件下當(dāng)膜成為氧擴(kuò)散的控制因素時(shí)，氧分壓的變化與電流輸出的穩(wěn)態(tài)對(duì)應(yīng)式具有如下形式：3）復(fù)膜氧電極氧電極測(cè)量的基本原理 克拉克（Clark）復(fù)膜氧電極概念的提出，使氧電極在技術(shù)上118式中IS——電極電流；N——電子數(shù)；F——法拉第常數(shù)；A——陰極表面積；Pm——氧在復(fù)膜中的穿透系數(shù)；dm——膜厚；PO2——被測(cè)溶液中的氧分壓。3）復(fù)膜氧電極氧電極測(cè)量的基本原理式中IS——電極電流；3）復(fù)膜氧電極氧電極測(cè)量的基本119

由于復(fù)膜電極中聚分子膜的應(yīng)用，就可以通過(guò)選擇膜厚dm使之成為膜阻控制系統(tǒng)，即從電極陰極表面到液流主體的氧擴(kuò)散梯度固定在一定的范圍內(nèi)，不隨時(shí)間和液流主體湍流程度的影響。滿(mǎn)足了電極在實(shí)際測(cè)量中的要求。3）復(fù)膜氧電極氧電極測(cè)量的基本原理 由于復(fù)膜電極中聚分子膜的應(yīng)用，就可以通過(guò)選擇膜厚dm使之成120根據(jù)發(fā)酵過(guò)程實(shí)際使用要求，對(duì)氧電極具有如下要求：氧電極的基本結(jié)構(gòu)1）在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能穩(wěn)定工作；2)電極輸出電流足夠大并與DO成正比；3）電極功能受液流影響小；4）電極響應(yīng)快速靈敏；5）測(cè)量時(shí)不易受培養(yǎng)基中溫度的影響；6）電極必須能耐高溫（不超過(guò)120℃）滅菌消毒；7）電極應(yīng)具有合理的結(jié)構(gòu)和合適的外形。根據(jù)上述要求，電極基本結(jié)構(gòu)如圖所示。根據(jù)發(fā)酵過(guò)程實(shí)際使用要求，對(duì)氧電極具有如下要求：氧電極的基121溶氧探頭的結(jié)構(gòu)電纜接頭（VP或T-82)內(nèi)電極溶氧膜保護(hù)套管電極殼體材料為316L不銹鋼溶氧探頭的結(jié)構(gòu)電纜接頭內(nèi)電極溶氧膜保護(hù)套管電極殼體材料為31122溶氧探頭內(nèi)電極的結(jié)構(gòu)陰極溶氧探頭內(nèi)電極的結(jié)構(gòu)陰極123

用于發(fā)酵中的溶氧電極被人們所關(guān)心的首要問(wèn)題是電極是否能耐高溫滅菌消毒，使用壽命長(zhǎng)否和電極電氣性能的可靠性。這幾項(xiàng)指標(biāo)是相互影響的，必須權(quán)衡考慮。溶解氧電極的質(zhì)量指標(biāo)一般包括電極的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、殘余電流和溫度效應(yīng)等。氧電極的技術(shù)指標(biāo)1)電極靈敏度 電極靈敏度的增加可通過(guò)增加膜穿透系數(shù)Pm，減小膜厚dm，和增加陰極表面積A。另外，必須使膜緊緊貼于陰極表面，均可提高電極靈敏度ΔIS／ΔDO。 用于發(fā)酵中的溶氧電極被人們所關(guān)心的首要問(wèn)題是電極是否能耐1242)電極的響應(yīng)時(shí)間 DO電極的響應(yīng)時(shí)間是指當(dāng)改變氧分壓后，電極輸出達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間。按理增加穿透系數(shù)Pm和減少膜厚dm可縮短響應(yīng)時(shí)間。但當(dāng)聚分子膜中氧擴(kuò)散控制作用減小之后，陰極表面的穩(wěn)定的氧擴(kuò)散梯度將受到外部液流狀態(tài)的影響，如攪拌速度、通氣量和培養(yǎng)液粘度等對(duì)電極測(cè)量的影響將增加。氧電極的技術(shù)指標(biāo)3)電極殘余電流 殘余電流定義為在無(wú)氧情況下，電極的穩(wěn)定的輸出電流。也稱(chēng)為氮電流或零電流。要求越小越好。它主要來(lái)自于電解質(zhì)中雜質(zhì)的含量、漏電情況和內(nèi)相氧的擴(kuò)散等因素。2)電極的響應(yīng)時(shí)間氧電極的技術(shù)指標(biāo)3)電極殘余電流1254)溫度效應(yīng) 電極受溫度影響主要來(lái)自?xún)煞矫妫浩湟皇怯捎跍囟茸兓?，氧在液體中的溶解度隨溫度上升而下降；其二是溫度上升，將使膜穿透系數(shù)Pm增加，且氧在電解質(zhì)溶液中的內(nèi)相擴(kuò)散增加，加快了電化學(xué)反應(yīng)速度。由于后者的影響是比較顯著的，因此，隨溫度的上升，電極輸出電流呈指數(shù)律上升。所以，溶氧電極須有溫度補(bǔ)償功能，才能真正反映出氧溶解度隨溫度變化的情況。氧電極的技術(shù)指標(biāo) 除了上述因素外，電極的重演性、使用壽命和受主體液流的影響等在實(shí)際使用場(chǎng)合也是重要的考慮因素。4)溫度效應(yīng)氧電極的技術(shù)指標(biāo) 除了上述因素外，電極的重演性、126 通常溶氧電極輸出電流信號(hào)都送至溶氧放大器（或溶氧變進(jìn)器），由后者把電極電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為一定的溶氧單位顯示出來(lái)。除顯示功能外，溶氧放大器還應(yīng)具有以下功能：（1）零點(diǎn)（殘余電流）補(bǔ)償；（2）靈敏度（斜率）校正；（3）溫度補(bǔ)償；（4）信號(hào)隔離；（5）信號(hào)輸出（按規(guī)定格式）；（6）有的儀表還有量程切換和溶氧超限設(shè)置與報(bào)警功能，溶解氧測(cè)量?jī)x表 通常溶氧電極輸出電流信號(hào)都送至溶氧放大器（或溶氧變進(jìn)器），127 （7）現(xiàn)場(chǎng)安裝的溶氧儀應(yīng)考慮防漏，防塵，防濕要求。 溶氧放大器與pH變送器比較在技術(shù)上較容易實(shí)現(xiàn)，這是因?yàn)槿苎蹼姌O輸出信號(hào)阻抗較低。由于不同型號(hào)的溶氧電極靈敏度可能相差很大，且溶氧電極還有極譜型和原電池型之分，故使用中不同型號(hào)電極放大器不可互換。溶解氧測(cè)量?jī)x表 （7）現(xiàn)場(chǎng)安裝的溶氧儀應(yīng)考慮防漏，防塵，防濕要求。溶解氧測(cè)128DO變送器的功能方框圖溶解氧測(cè)量?jī)x表輸入單元隔離單元顯示單元輸出單元報(bào)警單元DO變送器的功能方框圖溶解氧測(cè)量?jī)x表輸入單元隔離單元顯示單元129溶氧電極的安裝溶解氧測(cè)量裝置的安裝及使用溶氧電極的存放與使用溶氧水平的表示方法溶氧電極的安裝溶解氧測(cè)量裝置的安裝及使用溶氧電極的存放與130 溶氧電極的安裝有直接插入式與探頭安裝方式兩種，這兩種方式在發(fā)酵罐中安裝都是借助于焊在罐上的插入孔進(jìn)行的，這種插入孔與pH探頭插入孔具有統(tǒng)一規(guī)格，可以直接互換使用。直接插入式雖然簡(jiǎn)單，但在發(fā)酵期間不能對(duì)電極進(jìn)行標(biāo)定、維修或調(diào)換，而在可伸拉護(hù)套中的探頭安裝方式，可以隨時(shí)對(duì)溶氧電極進(jìn)行這些操作。 由于溶氧電極信號(hào)阻抗相對(duì)pH電極較低（約20M

），若使用性能較好的屏蔽線(xiàn)，溶氧電極與溶氧放大器間距可大到50m。溶氧電極的安裝 溶氧電極的安裝有直接插入式與探頭安裝方式兩種，這兩種方式在131 不用時(shí)，溶氧電極也應(yīng)處于工作狀態(tài)，即原電池型電極應(yīng)短路存放，極譜型電極應(yīng)加上合適的極化電壓存放（可接在溶氧電極極化器或溶氧放大器上）溶氧電極的存放與使用 久置重用或重新裝配（換電解液或膜）的電極，頭一次使用前應(yīng)置于無(wú)氧環(huán)境極化數(shù)小時(shí)，以降低電極零氧電流。 不用時(shí)，溶氧電極也應(yīng)處于工作狀態(tài)，即原電池型電極應(yīng)短路存放132極化時(shí)間探頭非極化狀態(tài)指探頭未處于被極化的狀態(tài)，即：1、更換電解液時(shí)；2、更換膜時(shí)；3、與變送器或極化器斷開(kāi)時(shí)。極化時(shí)間探頭非極化狀態(tài)指探頭未處于被極化的狀態(tài)，即：133 電極在頭次使用或使用過(guò)程中，每隔一定時(shí)間應(yīng)標(biāo)定一次，標(biāo)定方法如下：溶氧電極的存放與使用 （1）把溶氧電極置于無(wú)氧環(huán)境中（純氮?dú)庵谢蛐屡渲频膩喠蛩徕c溶液中），待電極響應(yīng)穩(wěn)定后，調(diào)零點(diǎn)補(bǔ)償旋鈕，使儀表顯示為零。 （2）把電極再置于一個(gè)已知溶氧水平的環(huán)境（一定壓力下空氣飽和的水或培養(yǎng)基中）中，調(diào)溶氧儀靈敏度或斜率旋鈕，使儀表顯示為以某溶氧水平單位表示的該已知環(huán)境的溶氧水平。 斜率標(biāo)定與溶氧水平的表示方法有關(guān)。 電極在頭次使用或使用過(guò)程中，每隔一定時(shí)間應(yīng)標(biāo)定一次，標(biāo)定134

當(dāng)某一溶液與氧分壓氣相平衡時(shí)（即飽和），氣相和液相中該物質(zhì)的化學(xué)位應(yīng)相等。 溶氧電極輸出電流實(shí)際上是與溶解在溶液中的氧的活度或與之平衡的氣相中氧分壓有關(guān)的，只要與之平衡的氣相的氧分壓不變，則溶氧電極的輸出電流也不變。1)氧分壓表示法溶解氧電極的指示讀數(shù)

因此，電極測(cè)量的是溶液中氧的活度或與之平衡的氣相中氧的分壓，而不是溶液中的氧濃度。故溶氧水平的氧分壓表示法是最基本和最本質(zhì)的表示法。 當(dāng)某一溶液與氧分壓氣相平衡時(shí)（即飽和），氣相和液相中該物質(zhì)135

用該表示法標(biāo)定電極方法如下：1)氧分壓表示法溶氧水平的表示方法

被空氣飽和的水（或培養(yǎng)基）通常用作氧電極的核準(zhǔn)介質(zhì)?？諝庵泻?0.9％的氧，在一定的大氣壓力、溫度與表壓下，就可以通過(guò)計(jì)算得到發(fā)酵罐中標(biāo)定時(shí)與液相平衡的氣相中氧分壓的大?。簆O2=0.209(pb+pu+pw）式中pb——大氣壓；pu——罐壓（表壓）；pw——水蒸氣分壓；pO2——標(biāo)定時(shí)飽和氧分壓 用該表示法標(biāo)定電極方法如下：1)氧分壓表示法溶氧水136

在DO電極實(shí)際使用時(shí)由于缺乏氧（或空氣）在不同發(fā)酵液中的飽和溶解度的確切數(shù)據(jù)，因此常用氧（或空氣）在發(fā)酵液中飽和時(shí)的電極電流輸出值為100％，殘余電流值為0％來(lái)進(jìn)行標(biāo)定，在測(cè)量過(guò)程中的氧濃度以飽和度的百分?jǐn)?shù)（％）來(lái)表示。例如，在發(fā)酵條件恒定的情況下，設(shè)在無(wú)耗氧情況下的氧濃度定為100％，讀出發(fā)酵過(guò)程中的氧的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示相對(duì)氧含量。這種方法是目前實(shí)際生產(chǎn)中最常用的方法。2）百分飽和濃度表示法溶氧水平的表示方法 在DO電極實(shí)際使用時(shí)由于缺乏氧（或空氣）在不同發(fā)酵液中的飽137

如果知道氧（或空氣）在某溶液中的飽和溶解度，就可以對(duì)DO電極的輸出電流加以標(biāo)定，可得到相對(duì)于該溶液中氧含量的相對(duì)濃度。如在25℃時(shí)，氧在純水中的氧飽和濃度為1.27mmol／L。而空氣在同樣條件下為0.267mmol／L。一般可粗略的把空氣通入發(fā)酵液時(shí)氧的飽和溶解度估計(jì)為0.2mmol／L。3）氧濃度表示法溶氧水平的表示方法 如果知道氧（或空氣）在某溶液中的飽和溶解度，就可以對(duì)DO電138

但實(shí)際上，當(dāng)培養(yǎng)液組分不同時(shí)，被氧或空氣飽和時(shí)的氧濃度是不同的，可用亨利定律求得不同氧分壓時(shí)的氧濃度：3）氧濃度表示法溶氧水平的表示方法式中PO2——氧分壓；H——亨利常數(shù)。由此可見(jiàn)，不同組分培養(yǎng)液中氧濃度的不同，表現(xiàn)在亨利常數(shù)和飽和溶解度的不同，因此；用氧濃度來(lái)表達(dá)氧在發(fā)酵液中的氧含量具有很大的局限性，而氧分壓是不隨組分改變而變化的。 但實(shí)際上，當(dāng)培養(yǎng)液組分不同時(shí)，被氧或空氣飽和時(shí)的氧濃度是不139三、氧化還原電位（ORP）的測(cè)量ORP測(cè)量的意義氧化還原電位的測(cè)量 pH和溶氧對(duì)氧化還原電位的影響三、氧化還原電位（ORP）的測(cè)量ORP測(cè)量的意義氧化140

在發(fā)酵時(shí)通過(guò)測(cè)量發(fā)酵液中的氧化還原電位也可以了解微生物的一些生理參數(shù)，產(chǎn)生氧化還原電位下降的原因可能有如下情況：菌體培養(yǎng)物產(chǎn)生的還原電位；在氧化還原鏈中一系列的氧化還原物質(zhì)，如在呼吸鏈中酶的排列次序所造成的影響；培養(yǎng)液中可能形成所需產(chǎn)物的氧化還原物質(zhì)的自由能，通過(guò)營(yíng)養(yǎng)液和活性細(xì)胞液之間的電位差，就可以獲得生化反應(yīng)所需的能量。ORP測(cè)量的意義 在發(fā)酵時(shí)通過(guò)測(cè)量發(fā)酵液中的氧化還原電位也可以了解微生物的一141 當(dāng)將一惰性電極與參比電極連接后，置于一具有氧化還原系統(tǒng)的溶液中，最后的氧化還原電位決定于系統(tǒng)中氧化型與還原型物質(zhì)的比例：氧化還原電位的測(cè)量 根據(jù)上述原理，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)包括指示電極，參比電極和配套測(cè)量?jī)x表。 當(dāng)將一惰性電極與參比電極連接后，置于一具有氧化還原系統(tǒng)的溶142 測(cè)量系統(tǒng)中指示電極必須是情性的，即不參加還原反應(yīng)，僅作為當(dāng)電路連接時(shí)從系統(tǒng)中導(dǎo)通或拿走電子的作用，因此電極必須是貴金屬。此外，電極材料要有高的電導(dǎo)率。電極與溶液邊界上要有足夠的交換電流密度，以保證電極電勢(shì)的穩(wěn)定和氧化還原系統(tǒng)的可逆性。否則對(duì)氧化還原電位測(cè)量的精確度、響應(yīng)時(shí)間及重現(xiàn)性有極大影響。電流密度在很大程度上取決于電極材料、氧化還原體系及其在樣品溶液中的濃度。氧化還原電位的測(cè)量 測(cè)量系統(tǒng)中指示電極必須是情性的，即不參加還原反應(yīng)，僅作為當(dāng)143 可以選用的指示電極的電極材料很多，有光滑的金屬體，大表面積的薄層情性金屬，水銀或其他鍍金電極，碳異構(gòu)電極，半導(dǎo)體電極，玻璃電極，一般選用貴金屬鉑作為指示電極。由于鉑表面易生成含氧的表層，而使電極的標(biāo)準(zhǔn)電位增高，可產(chǎn)生較大的交換電流密度。此外，表面粗糙的鉑電極比表面光滑的能吸附更多的氧，使Eh值測(cè)量不正確，且響應(yīng)時(shí)間遲緩，為此，用光滑或拋光過(guò)的鉑電極較好。電極在使用前必須預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)。氧化還原電位的測(cè)量 可以選用的指示電極的電極材料很多，有光滑的金屬體，大表面積144 參比電極采用經(jīng)常使用的低溶解度鹽的第二類(lèi)電極，如甘汞電極、氯化銀電極，這時(shí)電極不易被氧化。氧化還原電位的測(cè)量 測(cè)量?jī)x表的選擇。雖然電極系統(tǒng)的輸出阻抗不如玻璃電極那樣高，但如果采用普通電橋進(jìn)行測(cè)量，還會(huì)因阻抗太低而造成電極極化現(xiàn)象。因此，最好還是選用類(lèi)似pH計(jì)或其他高輸入阻抗的放大器，以避免引起極化。此時(shí)電極與儀表間的連接導(dǎo)線(xiàn)要嚴(yán)格屏蔽。 參比電極采用經(jīng)常使用的低溶解度鹽的第二類(lèi)電極，如甘汞電極、145pH對(duì)氧化還原電位的影響pH和溶氧對(duì)