溶氧仪及其在赖氨酸发酵过程中的应用研究

骆红侠

（中粮生化（安徽）股份有限公司，233010）

0 前言

赖氨酸是人体所必须的八种氨基酸之一，生产方法多重多样，有水解法、酶法、合成法和生物发酵法等，目前采用最多的是液态生物发酵法生产赖氨酸。赖氨酸发酵属于耗氧发酵，发酵过程溶解氧含量的控制是赖氨酸生产过程重要的操作步骤，溶氧量的高低直接影响发酵产物的积累[1]。因此，检测溶氧含量对赖氨酸发酵工艺管理的最佳化和工艺过程放大具有重要意义。

1 溶氧的检测方法及原理

溶氧是溶解氧（Dissolved Oxygen）的简称，是表征被测量溶液中氧的浓度的参数。赖氨酸发酵液中溶氧的测量方法有很多，如化学分析测量，顺磁法测量，荧光法测量，电化学法测量等，每一种方法都有其特定的测量原理和使用范围[2]。

1.1 化学分析法测量溶氧

Winkler 滴定法又称碘量法，是化学分析法中最经典可靠的溶解氧检测方法。主要原理是在被检测样品中添加硫酸锰和碱性碘化钾，样品中的氧是低价锰转变成高价锰，然后加酸使碘游离出来，最后用硫代硫酸钠测量碘量计算出溶解氧的含量。该方法精度高，但操作复杂、耗时长，不能实现在线检测。

1.2 顺磁法测量溶氧

通过永磁体或电磁铁形成梯度磁场，利用氧气是一种典型的顺磁性介质的特性，被检测液体中的氧在梯度磁场中会受到磁场的吸引，在Kelvin 磁场力的作用下，提高氧气在水中溶解度。以周围空气作为参比气体，利用顺磁原理通过改变压力，对氧进行测量。该方法主要应用于化工环保技术领域，具有经济，无噪声等优点。

1.3 荧光法测量溶氧

荧光法又称荧光猝灭法，它是基于氧分子对荧光物质的猝灭效应原理，根据试样溶液所发生的荧光的强度来测定试样溶液中荧光物质的含量，通过光纤传感器来实现光信号的传输。特点是体积小、重量轻、电绝缘性好、无电火花、安全、抗电磁干扰、灵敏度高、便于利用现有光通信技术组成遥测网络等。

1.4 电化学法测量

电化学法测量时工业上常用的溶氧测量方法，从测量原理上又分为YSI 原电池法和极谱法。电化学法即电流测定法，测量部件溶氧电极最早是由美国人克拉克（Clark）先生于1956年发明的，它是由一透气薄膜覆盖的电流型电极。

该方法测量速度就比碘量法要快，它是基于检测电极上氧化还原反应产生电流的原理。根据法拉第定律：流过电极的电流和氧分压成正比，在温度不变的情况下电极的输出电流和氧浓度之间呈线性关系。这样就可以根据电极输出电流的大小计算出溶液中氧浓度的大小。

极谱法传感器包括一个银质的阳极和在底部呈环形的金质的阴极。原电池传感器包含一个锌制的阳极和银质的阴极。极谱法传感器需要施加一个电压用于操作而原电池法的电极电势差距比较大足可以利用施加的电压降低氧气。两种传感器都有一个薄的半透性膜，在传感器上展开，可以将点击和外部环境隔离的同时允许气体进入。在操作时传感器的底部会充满含少量的表面活性剂电解液以提高湿润效果。极谱法电极的优点是使用寿命长，缺点是需要十分钟左右的预热时间，原电池法的优点是响应时间快，缺点是使用寿命短，更换周期仅有1-3个月。

2 影响溶解氧测量的因素

溶解氧测量仪测量水中的溶解氧主要取决于温度、压力和水中溶解的盐。由于温度变化，膜的扩散系数和氧的溶解度系数都将发生变化，直接影响溶氧电极电流的输出。温度上升，扩散系数增加，溶解度反而减小。温度对溶解度系数的影响可以根据Henry 定律来估算，温度对膜扩散系数B 可以通过阿仑尼乌斯定律来估算。根据Henry 定律，气体的溶解度与其分压成正比。氧分压与该地区的海拔高度有关，高原地区和平原地区的差可达20%，使用前必须根据当地大气压进行补偿。有些仪表内部配有气压表，在标定时可自动进行校正；有些仪表未配置气压表，在标定时要根据当地气象站提供的数据进行设置，如果数据有误，将导致较大的测量误差。溶液中含盐量的影响：盐水中的溶解氧明显低于自来水中的溶解氧，为了准确测量，必须考虑含盐量对溶解氧的影响。在温度不变的情况下，盐含量每增加100mg／L，溶解氧降低约1%。如果仪表在标定时使用的溶液的含盐量低，而实际测量的溶液的含盐量高，也会导致误差。在实际使用中必须对测量介质的含盐量进行分析，以便准确测量及正确补偿。样品流速的影响：氧通过膜扩散比通过样品进行扩散要慢，必须保证电极膜与溶液完全接触。对于流通式检测方式，溶液中的氧会向流通池内扩散，使靠近膜的溶液中的氧损失，产生扩散干扰，影响测量。为了测量准确，应增加流过膜的溶液的流量来补偿扩散失去的氧，样品的最小流速为0.3m／s。

3 赖氨酸发酵过程溶氧检测系统的选择

3.1 溶氧仪的种类

随着科技的进步，工业自动化水平得到不断提升，溶解氧检测系统（以下简称溶氧仪）在赖氨酸发酵过程的应用越来越普遍。溶氧仪的种类多种多样，从安装使用的角度分类，有在线DO 溶解氧仪、便携式溶氧仪、手提式溶氧仪和台式溶氧仪。便携式溶氧仪以微电脑为中心设计而成，可测量溶氧（含压力，盐度补偿）及温度。功耗低，可靠性高，可实现智能化测量，具有稳定可靠、操作简单方便（可单手操作）等优点。主要用于水中氧气浓度和饱和度的检测。手提式溶氧仪又称手持式溶氧仪，其体积略大于便携式溶氧仪，它优点与便携式溶氧仪相似，应用领域也基本相同。区别在于手提式溶氧仪显示屏幕较大，功能较齐全，比便携式多了氧气分压检测功能。台式溶氧仪又称实验室台式溶氧仪，主要是实验室用于超低溶解氧浓度的检测，工业上用于锅炉给水和凝结水等ppb 级溶解氧的测量。在线DO 溶解氧仪在工业上使用最为广泛，生物发酵、化工化肥、冶金、环保水处理工程、制药、食品、养殖和自来水等行业均有应用。

3.2 赖氨酸发酵过程的特点及溶氧仪的选择

赖氨酸发酵属于液态好痒中性发酵，对无菌操作要求高，发酵罐在启用前需经高温杀毒。因此赖氨酸发酵的溶氧检测系统多为耐高温的溶氧电极和溶氧仪表组成，另外有测量精度高、气密性好、便于拆洗、使用寿命长的优点。我公司采用了瑞士METTLER TOLEDO 公司生产的Inpro6850i 型工业在线溶氧仪，传感器使用的是新的电极测量原理，有一个独立的铂金阳极，尤其增加了在低氧测量中信号的稳定性，具有智能电极管理技术，安装即便，可以自动诊断，便于及时维护保养。另外，它还具有防腐蚀、耐高温、灵敏度高等优点，适合赖氨酸发酵过程溶氧监控系统使用。

4 溶氧仪的安装和维护

溶氧仪一般采用浸入式安装，在此应注意最好选用原厂的安装支架。厂家配带 的安装支架为不锈钢制成，带有调节钢丝绳，通过调整钢丝绳长度可以改变传感器的浸入深度，支架上的引导管保证了传感器始终处于垂直位置。支架部分都经过特殊设计，它可以将水面的波动传至浸入管，从而引起浸入管的轻微振动，使得通过浸入管在探头的表面产生一个附加的清洗效果[3]。

5 赖氨酸发酵过程中溶解氧浓度的调控措施

溶氧是发酵过程控制中的一个相对值，而非绝对值，在发酵控制中的溶氧显示实际是相对发酵0h 时的溶氧而言的，为了让溶氧相对值和绝对值尽量保持吻合，以方便自控辩识和进行过程控制，可进行以下异常处理：

5.1 当发酵起始1h 内溶氧仍显示100%，察看溶氧变送器显示数据，如溶氧显示值与100%相差不多，可不进行调整，如溶氧显示值与100%相差较大，可联系仪表对溶氧变送器内参数进行调整，具体方法举例如下：

例一，自控电脑溶氧显示100%（发酵罐溶氧检测仪最大量程为200%），如果溶氧变送器显示170%，相差较大。此时需将溶氧检测仪量程设置为200%。如此操作后，溶氧变送器显示值不变，仍为170%，但自控电脑显示值为变送器显示值的1/2，即电脑显示85%，过程溶氧控制可参考该溶氧值进行。同样，如果变送器显示值为240%，可将溶氧检测仪最大量程为250%，如此操作后，溶氧变送器显示值不变，仍为240%，但自控电脑显示值为变送器显示值的1/2.5，即电脑显示96%，过程溶氧控制可参考该溶氧值进行。

5.2 当起始溶氧显示值较低时，溶氧变送器内参数进行调整方法举例如下：

例二，自控电脑溶氧显示30%（最大量程为200%），溶氧变送器显示30%（起始值较低，不利于中后期溶氧判断），可以将量程设置为30%。如此操作后，溶氧变送器显示值不变，仍为30%，但自控电脑显示值为变送器显示值的1/0.3，即电脑显示99%，过程溶氧控制可参考该溶氧值进行。同样，如变送器显示值为45%，可将量程设置为50%，如此操作后，溶氧变送器显示值不变，仍为40%，但自控电脑显示值为变送器显示值的1/0.5，即电脑显示90%。过程溶氧控制可参考该溶氧值进行。

如果溶氧变送器显示值瞬间波动较大，表明溶氧电极已出现故障，可不作以上调整。

总之，溶解氧浓度对赖氨酸的发酵过程来说是一个有很重要的影响因素，发酵水平的提升，对溶氧仪的要求也越来越高。就溶氧仪在赖氨酸发酵行业的合理应用值得我们更加深入细致的研究。

[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]刘庆.高精度溶解氧测量仪的研究与设计 [J]，南京信息工程大学硕士论文，2009，5：2-3.

[3]李颖清，刘晓峰，高亚州，等.M4640 型溶解氧分析仪[J].仪器仪表用户，2003，（6）：73—74.