摘要：在生物發酵过程中，发酵液的pH变化可以表明微生物细胞生长及产物生成的情况，是最重要的发酵过程参数之一。不同的微生物细胞生长、代谢有其最适pH范围，快速、精准的pH值监测与控制是发酵成败的关键因素之一，而正确的pH电极使用与维护就显得尤为重要。


在生物发酵过程中，发酵液pH值的监测和控制，是指导和进行发酵生产的重要参数之一。传统生产是定时人工取样测量，不仅工作量大，而且滞后严重，很难及时掌握pH的变化，不利于生产。因此，实现pH值的在线监测和控制具有很重要的意义。


由于生物发酵过程中，pH值的测量具有特定的范围条件。发酵开始前，发酵料液要经122℃至123℃的高温和0.13MPa的蒸汽消毒，而在发酵时温度只有26℃～30℃，因此要求pH电极在常温下有较高的灵敏度，并能经受高温高压消毒而不致损坏。微生物发酵周期普遍较长，要求电极性能稳定，漂移小，这些都给准确稳定地测量发酵过程的pH值带来了困难。


 PH电极的选择


由于发酵开始前，要对发酵料液进行高温高压消毒，温度可达123℃，一般四十分钟左右，由于在高温时不需要电极的工作，可以不要求电极的高温工作性能，只需要在高温中电极不损坏和在恢复到正常工作温度后，电极性能正常即可。由于金属电极容易与发酵料液产生较多的副反应，因此可供选择的电极只有玻璃电极。

ph电极基本原理图

ph电极使用前的准备和校验


1）使用前取下电极装有浸泡液的保护浸泡瓶，将电极测量端浸在蒸馏水中清洗，然后取出用滤纸吸干残留蒸馏水。


2）观察敏感球泡内部是否全部充满液体，如发现有气泡，则应将电极向下轻轻甩动（像甩体温计），以消除敏感球泡内的气泡，否则将影响测试精度。


3）pH电极的校准在发酵罐外进行，将pH电极浸没到含有一种标准缓冲液的适当容器中进行校准。一般进行两点校准，零点选用6.86标准缓冲溶液，斜率要视发酵过程应用在酸性还是碱性环境，酸性选用4.00标准缓冲溶液，碱性选用9.18标准缓冲溶液。上述校准过程必须保证缓冲溶液温度为25℃。缓冲液温度改变，校验标准值要相应变化。用缓冲液校验电极时，应注意每次电极插入缓冲液时，要将隔膜完全浸入在液面之下。


 PH电极的使用


1）pH电极在使用过程中由于与发酵液接触，随着时间的推移，发酵料液中含有的硫化物和蛋白质使电极受到污染，玻璃膜周围会形成一层胶，在玻璃表面趋于结晶化，从而引起电极性能的恶化，这个现象是电极老化现象。电极老化的特征是：mV/pH斜率下降、零点漂移、响应迟钝。


2）防止机械破坏：目前使用的pH电极在发酵罐的清洗、空消和安装电极过程中容易破碎，因此在发酵准备后期再安装pH电极，发酵结束放罐后及时取出pH电极并妥善存放。


ph电极的维护与保养


当pH电极表现出老化现象时，说明pH电极玻璃膜已被污染需要对其进行清洗。正确的日常维护可以使电极工作在最佳状态，并可使其延长使用寿命以节约成本。硫化物污染一般表现为电极玻璃膜发黑，清洗时把电极浸入由0.3%HCl溶液和8%硫脲溶液组成的清洗液中（隔膜不得露出液面）至少1h，直至黑色褪去，然后放置在3mol/L的KCl溶液中浸泡24h，最后用蒸馏水冲洗干净；蛋白质污染表现为电极玻璃膜发黄，清洗时，把pH电极浸入由胃元酶与0.3%的HCl溶液组成的清洗液中（隔膜不得露出液面），浸泡至少1h，然后取出，用蒸馏水冲洗干净，然后检查备用。


pH电极不能长期干放或放在蒸馏水中保存，应按说明书要求保存在合适的液体中，不能在表面附有干燥介质时贮存电极。干放的电极应先放在合适的保存液中活化后才能使用。


结合工作实际，总结了一些关于生物发酵中pH电极使用与维护的经验与心得。pH是现代生物发酵重要参数之一，正确使用和维护pH电极不仅可以获得精确的实验数据，而且能有效延长pH电极的使用寿命，更加节约成本。