生物發酵罐(guan)常用的(de)在(zai)線(xian)監測傳感器如(ru)何(he)選(xuan)型(xing)和布(bu)置(zhi)？

生物發酵罐(guan)的在(zai)線(xian)監測傳感器選(xuan)型(xing)與(yu)布(bu)置(zhi)需兼(jian)顧(gu)測量精度(du)、可靠(kao)性(xing)、滅(mie)菌兼容(rong)性(xing)及工(gong)藝(yi)需求(qiu)，不同(tong)參數的(de)傳感器選(xuan)擇和安裝(zhuang)要(yao)點如(ru)下：

壹、pH傳感器  

選(xuan)型(xing)原則  

- 電極類型(xing)：優(you)先(xian)選(xuan)復(fu)合pH電極（玻璃電(dian)極+參比(bi)電極集成），耐受高(gao)溫(wen)滅(mie)菌（121℃濕熱滅(mie)菌），需具(ju)備自動溫度(du)補(bu)償(chang)功能（內(nei)置(zhi)溫度(du)探頭(tou)）。  

- 材(cai)質與(yu)結構：電極外殼用316L不銹鋼或PEEK材(cai)質，耐腐蝕(shi)性(xing)強(qiang)；流(liu)通式(shi)設(she)計適(shi)用於高(gao)粘度(du)發酵液(ye)（如(ru)真菌發酵），減(jian)少(shao)菌絲纏(chan)繞。  

- 精度(du)要(yao)求：測(ce)量範(fan)圍0–14 pH，精度(du)±0.05 pH，響(xiang)應(ying)時間(jian)＜30秒，滿(man)足(zu)實時調控(kong)需求(qiu)。  

布(bu)置(zhi)要(yao)點  

- 安裝(zhuang)位置(zhi)：  

 - 罐(guan)體(ti)側壁(bi)切(qie)線(xian)方(fang)向插(cha)入(ru)，距攪拌槳上(shang)方0.2–0.5米處，避(bi)開渦(wo)流(liu)區(qu)和機械(xie)攪拌直接(jie)沖(chong)擊，確保電極接(jie)觸均(jun)勻(yun)混合的發酵液(ye)。  

 - 若(ruo)罐(guan)內有(you)擋(dang)板，電(dian)極應(ying)位於擋(dang)板與(yu)攪拌槳之(zhi)間(jian)的(de)流(liu)體(ti)主(zhu)流(liu)道上(shang)，避免(mian)貼壁(bi)安(an)裝(zhuang)導(dao)致測量滯(zhi)後。  

- 滅(mie)菌保護：采(cai)用(yong)帶(dai)蒸(zheng)汽滅(mie)菌接(jie)口的衛(wei)生型(xing)法(fa)蘭(lan)（如(ru)DIN 11864標準(zhun)），滅(mie)菌時通入蒸(zheng)汽對電極外部(bu)滅(mie)菌，避免(mian)汙染。  

二、溶(rong)解(jie)氧（DO）傳感器  

選(xuan)型(xing)原則  

- 測量原理：  

 - 極譜(pu)法：適用(yong)於需氧發酵（如(ru)細菌、酵母(mu)培養），需定期更換電(dian)解液(ye)和膜片，對(dui)硫(liu)化物等幹擾(rao)敏感。  

 - 熒光法：新型(xing)光學傳感器，無(wu)電解液(ye)消(xiao)耗，抗(kang)幹擾(rao)能力(li)強(qiang)（如(ru)抗消(xiao)泡劑、培養基(ji)成(cheng)分），適(shi)合(he)長(chang)期連(lian)續監測（如(ru)發酵周(zhou)期＞100小時）。  

- 響(xiang)應(ying)特性(xing)：90%響(xiang)應(ying)時間(jian)＜60秒，耐滅(mie)菌溫度(du)130℃，耐壓0.3–0.5 MPa（適應(ying)帶(dai)壓發酵）。  

布(bu)置(zhi)要(yao)點  

- 安裝(zhuang)位置(zhi)：  

 - 靠(kao)近攪拌槳下遊(you)的(de)高(gao)剪(jian)切(qie)區(qu)域(yu)（如(ru)渦(wo)輪槳(jiang)後方），此(ci)處氣(qi)液(ye)混合劇烈，DO測量更能反(fan)映(ying)真實溶(rong)氧水平。  

 - 若(ruo)罐(guan)體(ti)分層(ceng)明(ming)顯(xian)（如(ru)真菌發酵液(ye)粘度(du)高(gao)），可(ke)在(zai)不同(tong)高(gao)度(du)安裝多(duo)支DO電極（如(ru)上部(bu)、中部(bu)、底(di)部），監測溶(rong)氧梯度(du)。  

- 避免(mian)氣泡(pao)附(fu)著：電極前端需加(jia)裝防(fang)氣(qi)泡(pao)罩（如(ru)多孔(kong)不銹鋼篩網(wang)），防止上(shang)升(sheng)氣(qi)泡(pao)附(fu)著在(zai)膜表面導致假高(gao)值(zhi)。  

三(san)、溫度(du)傳感器  

選(xuan)型(xing)原則  

- 類型(xing)：首(shou)-選(xuan)Pt100熱電阻（精度(du)±0.1℃），信號(hao)穩(wen)定性(xing)優於熱電偶(ou)，適合發酵罐(guan)的中(zhong)低溫環境(jing)（0–150℃）。  

- 結構：衛(wei)生型(xing)套(tao)管(guan)式(shi)設(she)計（316L不銹鋼材(cai)質），便(bian)於快(kuai)速(su)拆卸校(xiao)準(zhun)，套(tao)管內部填(tian)充(chong)導熱油(you)增強(qiang)傳熱效(xiao)率(lv)。  

布(bu)置(zhi)要(yao)點  

- 安裝(zhuang)位置(zhi)：  

 - 罐(guan)體(ti)軸向中(zhong)點(dian)高(gao)度(du)，插入發酵液(ye)深度(du)為管徑(jing)的(de)3–5倍(bei)，避(bi)開攪拌槳直接(jie)沖(chong)擊區(qu)域(yu)（防(fang)止機(ji)械(xie)磨損）。  

 - 若(ruo)采(cai)用(yong)夾(jia)套(tao)或盤管換熱，溫度(du)傳感器應(ying)位於換熱介質出口側的對(dui)側，確保測量的(de)是罐(guan)內主(zhu)體(ti)溫度(du)而非局(ju)部(bu)熱點。  

- 滅(mie)菌註意(yi)：套管(guan)需能承受蒸(zheng)汽滅(mie)菌，連接(jie)處采(cai)用(yong)焊(han)接(jie)或卡箍密(mi)封，避(bi)免(mian)滅(mie)菌時冷(leng)凝(ning)水(shui)滲入影響(xiang)精度(du)。 

四、液(ye)位傳感器  

選(xuan)型(xing)原則  

- 類型(xing)選(xuan)擇：  

 - 靜壓式(shi)：利(li)用壓力(li)變送(song)器測(ce)量液(ye)體(ti)靜壓（P=ρgh），適用(yong)於清潔液(ye)體(ti)或低粘度(du)發酵液(ye)，需定期校(xiao)準(zhun)零(ling)點（考慮(lv)培(pei)養基(ji)密(mi)度(du)變化）。  

 - 雷達(da)式(shi)：高(gao)頻(pin)電(dian)磁(ci)波測(ce)量，不受泡沫、粘度(du)影響(xiang)，適合(he)高(gao)泡(pao)發酵（如(ru)酵母(mu)產酒精）或含(han)固形物的發酵液(ye)（如(ru)真菌菌絲體(ti)）。  

 - 電容(rong)式(shi)：通(tong)過電極間(jian)電(dian)容(rong)變(bian)化監測液(ye)位，需註(zhu)意(yi)發酵液(ye)電導率(lv)變化（如(ru)添(tian)加(jia)電(dian)解質(zhi)時）可能幹擾(rao)信號(hao)。  

布(bu)置(zhi)要(yao)點  

- 安裝(zhuang)位置(zhi)：  

 - 靜壓式(shi)傳感器安(an)裝於罐(guan)體(ti)底(di)部側(ce)面，避開出料口和攪拌槳渦(wo)流(liu)區(qu)，防(fang)止湍(tuan)流(liu)導致壓力(li)波動誤測。  

 - 雷達(da)式(shi)傳感器需垂(chui)直安(an)裝(zhuang)於罐(guan)頂，確保波束路徑(jing)無(wu)障礙(ai)物（如(ru)攪拌軸、擋(dang)板），天(tian)線(xian)材(cai)質選(xuan)用(yong)聚四(si)氟(fu)乙(yi)烯(xi)（PTFE），耐化學(xue)腐(fu)蝕(shi)。  

- 泡沫補(bu)償(chang)：對易(yi)起(qi)泡的發酵（如(ru)細菌培養），可(ke)在(zai)液(ye)位傳感器旁(pang)安裝(zhuang)獨(du)立(li)的泡沫電(dian)極（如(ru)電容(rong)式(shi)），當泡(pao)沫觸及電極時觸發消(xiao)泡動作，避免誤判(pan)真實液(ye)位。 

五、壓力(li)傳感器  

選(xuan)型(xing)原則  

- 類型(xing)：選(xuan)用(yong)隔膜式(shi)壓力(li)變送(song)器，隔膜材(cai)質為(wei)316L不銹鋼或哈氏合金(jin)，耐發酵液(ye)腐蝕(shi)；測量範(fan)圍0–0.6 MPa（涵蓋(gai)大多(duo)數需氧發酵的(de)正壓需求(qiu)）。  

- 精度(du)：±0.25%FS（滿量程(cheng)誤差(cha)），響(xiang)應(ying)時間(jian)＜100毫秒，滿(man)足(zu)快(kuai)速(su)壓力(li)波動監測（如(ru)通氣(qi)量突(tu)變時）。  

布(bu)置(zhi)要(yao)點  

- 安裝(zhuang)位置(zhi)：  

 - 罐(guan)頂中(zhong)央(yang)或側面氣相(xiang)空(kong)間(jian)，遠離通(tong)氣(qi)口和攪拌槳上(shang)方的湍流(liu)區(qu)域(yu)，避(bi)免(mian)液(ye)體(ti)飛濺(jian)進入(ru)傳感器（可(ke)加裝防(fang)濺擋(dang)板）。  

 - 若(ruo)發酵過(guo)程需負壓操(cao)作（如(ru)真空(kong)消(xiao)泡），需選(xuan)用(yong)雙向壓力(li)傳感器（-0.1–0.5 MPa），安裝(zhuang)位置(zhi)同(tong)上，確保密(mi)封性(xing)能。  

- 滅(mie)菌與校(xiao)準(zhun)：傳感器前(qian)端管路需能通(tong)過(guo)蒸(zheng)汽滅(mie)菌（如(ru)設(she)置(zhi)蒸(zheng)汽旁(pang)路），定期用(yong)標準(zhun)壓力(li)源（如(ru)活塞(sai)式(shi)壓力(li)計）校(xiao)準(zhun)零(ling)點和量程(cheng)。 

六、通(tong)用設(she)計要(yao)點  

1. 滅(mie)菌兼容(rong)性(xing)：所有(you)傳感器需通(tong)過SIP（在(zai)線(xian)滅(mie)菌）驗證，接(jie)口符合(he)3A衛(wei)生標準(zhun)，避(bi)免滅(mie)菌死角(jiao)（如(ru)傳感器與(yu)罐(guan)體(ti)連接(jie)處的(de)死角(jiao)長(chang)度(du)≤2D，D為管(guan)徑(jing)）。  

2. 抗幹擾(rao)與布(bu)線(xian)：傳感器信(xin)號(hao)電(dian)纜(lan)需用(yong)屏蔽(bi)雙絞(jiao)線(xian)，遠離動力電纜(lan)（如(ru)攪拌電機(ji)線(xian)路），采(cai)用(yong)4–20 mA模擬信號(hao)或數字信(xin)號(hao)（如(ru)Modbus協(xie)議(yi)）傳輸(shu)，減(jian)少(shao)信(xin)號(hao)衰(shuai)減(jian)。  

3. 冗余與校(xiao)準(zhun)：關鍵參(can)數(shu)（如(ru)pH、DO）可設(she)置(zhi)雙傳感器冗(rong)余，便於在(zai)線(xian)切(qie)換校(xiao)準(zhun)；定期（如(ru)每批次發酵前(qian)）用標(biao)準(zhun)液(ye)校(xiao)準(zhun)電(dian)極（如(ru)pH緩沖(chong)液(ye)、空氣飽(bao)和水校(xiao)準(zhun)DO）。  

4. 防黏(nian)附(fu)與(yu)清洗(xi)：傳感器探頭(tou)表面需電(dian)拋光處理（粗糙(cao)度(du)Ra≤0.8 μm），或采(cai)用(yong)塗(tu)層(ceng)（如(ru)聚四(si)氟(fu)乙(yi)烯(xi)）減(jian)少(shao)培(pei)養基(ji)成(cheng)分黏(nian)附(fu)；可(ke)集成CIP（在(zai)線(xian)清洗(xi)）管(guan)路，定期用(yong)酸堿(jian)液(ye)沖(chong)洗(xi)探頭(tou)。 

七(qi)、典型(xing)微(wei)生物的特殊(shu)需求(qiu)  

- 細菌發酵（如(ru)大腸(chang)桿菌）：需高(gao)頻(pin)率(lv)監測DO和pH，傳感器布(bu)置(zhi)側重(zhong)攪拌槳附(fu)近(jin)的(de)高(gao)傳氧區(qu)域(yu)，避(bi)免(mian)泡(pao)沫影響(xiang)液(ye)位測量。  

- 真菌發酵（如(ru)青黴(mei)菌）：高(gao)粘度(du)發酵液(ye)易(yi)堵(du)塞(sai)靜壓式(shi)液(ye)位傳感器，優(you)先(xian)選(xuan)雷達(da)式(shi)；DO傳感器需防(fang)菌絲纏(chan)繞，可(ke)采(cai)用(yong)可(ke)旋(xuan)轉(zhuan)清洗(xi)刷(shua)（如(ru)自動刮(gua)刀(dao)裝置(zhi)）。  

- 酵母(mu)發酵（如(ru)釀酒酵母(mu)）：厭(yan)氧階段(duan)需監測罐(guan)內壓力(li)（防止爆罐(guan)），壓力(li)傳感器精度(du)需提(ti)高(gao)至(zhi)±0.1%FS；泡沫控(kong)制(zhi)需求(qiu)高(gao)，液(ye)位傳感器需搭(da)配獨(du)立(li)泡沫檢測電(dian)極。  

傳感器選(xuan)型(xing)需以“精準(zhun)測(ce)量、耐受滅(mie)菌、易(yi)維護"為(wei)核(he)心，布(bu)置(zhi)時需結(jie)合流(liu)體(ti)力學(xue)特性(xing)（如(ru)攪拌流(liu)場、氣(qi)泡分布(bu)）和微生物代謝(xie)特點(dian)，確保監測數(shu)據真(zhen)實反(fan)映(ying)發酵狀(zhuang)態。

實際應(ying)用(yong)中，可(ke)通過(guo)傳感器集成的(de)智能診(zhen)斷功能（如(ru)電極斜率(lv)監測、壓力(li)變送(song)器膜片破(po)損預(yu)警）提(ti)前(qian)發現(xian)故障，結(jie)合SCADA系統實現(xian)多(duo)參(can)數(shu)聯(lian)動控(kong)制(zhi)（如(ru)DO與通(tong)氣量、pH與補(bu)料速(su)率(lv)的串(chuan)級調(tiao)節(jie)），提(ti)升(sheng)發酵過(guo)程自(zi)動化水(shui)平(ping)。