淺談pH電極在生物發(fā)酵中的應(yīng)用

劉光銘

摘 要：在生物發(fā)酵過程中，發(fā)酵液的pH變化可以表明微生物細(xì)胞生長及產(chǎn)物生成的情況，是最重要的發(fā)酵過程參數(shù)之一。不同的微生物細(xì)胞生長、代謝有其最適pH范圍，快速、精準(zhǔn)的pH值監(jiān)測與控制是發(fā)酵成敗的關(guān)鍵因素之一，而正確的pH電極使用與維護(hù)就顯得尤為重要。

關(guān)鍵詞：生物發(fā)酵；pH電極；應(yīng)用

1 引言

在生物發(fā)酵過程中，發(fā)酵液pH值的監(jiān)測和控制，是指導(dǎo)和進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)的重要參數(shù)之一。傳統(tǒng)生產(chǎn)是定時(shí)人工取樣測量，不僅工作量大，而且滯后嚴(yán)重，很難及時(shí)掌握pH的變化，不利于生產(chǎn)。因此，實(shí)現(xiàn)pH值的在線監(jiān)測和控制具有很重要的意義。

由于生物發(fā)酵過程中，pH值的測量具有特定的范圍條件。發(fā)酵開始前，發(fā)酵料液要經(jīng)122℃至123℃的高溫和0.13MPa的蒸汽消毒，而在發(fā)酵時(shí)溫度只有26℃～30℃，因此要求pH電極在常溫下有較高的靈敏度，并能經(jīng)受高溫高壓消毒而不致?lián)p壞。微生物發(fā)酵周期普遍較長，要求電極性能穩(wěn)定，漂移小，這些都給準(zhǔn)確穩(wěn)定地測量發(fā)酵過程的pH值帶來了困難。

2 PH電極的選擇

由于發(fā)酵開始前，要對發(fā)酵料液進(jìn)行高溫高壓消毒，溫度可達(dá)123℃，一般四十分鐘左右，由于在高溫時(shí)不需要電極的工作，可以不要求電極的高溫工作性能，只需要在高溫中電極不損壞和在恢復(fù)到正常工作溫度后，電極性能正常即可。由于金屬電極容易與發(fā)酵料液產(chǎn)生較多的副反應(yīng)，因此可供選擇的電極只有玻璃電極。

3 使用前的準(zhǔn)備和校驗(yàn)

1）使用前取下電極裝有浸泡液的保護(hù)浸泡瓶，將電極測量端浸在蒸餾水中清洗，然后取出用濾紙吸干殘留蒸餾水。

2）觀察敏感球泡內(nèi)部是否全部充滿液體，如發(fā)現(xiàn)有氣泡，則應(yīng)將電極向下輕輕甩動(dòng)（像甩體溫計(jì)），以消除敏感球泡內(nèi)的氣泡，否則將影響測試精度。

3）pH電極的校準(zhǔn)在發(fā)酵罐外進(jìn)行，將pH電極浸沒到含有一種標(biāo)準(zhǔn)緩沖液的適當(dāng)容器中進(jìn)行校準(zhǔn)。一般進(jìn)行兩點(diǎn)校準(zhǔn)，零點(diǎn)選用6.86標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，斜率要視發(fā)酵過程應(yīng)用在酸性還是堿性環(huán)境，酸性選用4.00標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液，堿性選用9.18標(biāo)準(zhǔn)緩沖溶液。上述校準(zhǔn)過程必須保證緩沖溶液溫度為25℃。緩沖液溫度改變， 校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值要相應(yīng)變化。用緩沖液校驗(yàn)電極時(shí)，應(yīng)注意每次電極插入緩沖液時(shí)，要將隔膜完全浸入在液面之下。

4 PH電極的使用

1）pH電極在使用過程中由于與發(fā)酵液接觸，隨著時(shí)間的推移，發(fā)酵料液中含有的硫化物和蛋白質(zhì)使電極受到污染，玻璃膜周圍會形成一層膠，在玻璃表面趨于結(jié)晶化，從而引起電極性能的惡化，這個(gè)現(xiàn)象是電極老化現(xiàn)象。電極老化的特征是：mV/pH斜率下降、零點(diǎn)漂移、響應(yīng)遲鈍。

2）防止機(jī)械破壞：目前使用的pH電極在發(fā)酵罐的清洗、空消和安裝電極過程中容易破碎，因此在發(fā)酵準(zhǔn)備后期再安裝pH電極，發(fā)酵結(jié)束放罐后及時(shí)取出pH電極并妥善存放。

5 PH電極的日常維護(hù)

當(dāng)pH電極表現(xiàn)出老化現(xiàn)象時(shí)，說明pH電極玻璃膜已被污染需要對其進(jìn)行清洗。正確的日常維護(hù)可以使電極工作在最佳狀態(tài)，并可使其延長使用壽命以節(jié)約成本。硫化物污染一般表現(xiàn)為電極玻璃膜發(fā)黑， 清洗時(shí)把電極浸入由0.3%HCl溶液和8%硫脲溶液組成的清洗液中（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，最后用蒸餾水沖洗干凈；蛋白質(zhì)污染表現(xiàn)為電極玻璃膜發(fā)黃，清洗時(shí)，把pH電極浸入由胃元酶與0.3%的HCl溶液組成的清洗液中（隔膜不得露出液面），浸泡至少1h，然后取出，用蒸餾水沖洗干凈，然后檢查備用。

pH電極不能長期干放或放在蒸餾水中保存，應(yīng)按說明書要求保存在合適的液體中，不能在表面附有干燥介質(zhì)時(shí)貯存電極。干放的電極應(yīng)先放在合適的保存液中活化后才能使用。

6 小結(jié)

結(jié)合工作實(shí)際，總結(jié)了一些關(guān)于生物發(fā)酵中pH電極使用與維護(hù)的經(jīng)驗(yàn)與心得。pH是現(xiàn)代生物發(fā)酵重要參數(shù)之一，正確使用和維護(hù)pH電極不僅可以獲得精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而且能有效延長pH電極的使用壽命，更加節(jié)約成本。