生物发酵罐常用的在线监测传感器如何选型和布置？

生物发酵罐的在线监测传感器选型与布置需兼顾测量精度、可靠性、灭菌兼容性及工艺需求，不同参数的传感器选择和安装要点如下：

一、pH传感器  

选型原则  

- 电极类型：优先选复合pH电极（玻璃电极+参比电极集成），耐受高温灭菌（121℃湿热灭菌），需具备自动温度补偿功能（内置温度探头）。  

- 材质与结构：电极外壳用316L不锈钢或PEEK材质，耐腐蚀性强；流通式设计适用于高粘度发酵液（如真菌发酵），减少菌丝缠绕。  

- 精度要求：测量范围0–14 pH，精度±0.05 pH，响应时间＜30秒，满足实时调控需求。  

布置要点  

- 安装位置：  

 - 罐体侧壁切线方向插入，距搅拌桨上方0.2–0.5米处，避开涡流区和机械搅拌直接冲击，确保电极接触均匀混合的发酵液。  

 - 若罐内有挡板，电极应位于挡板与搅拌桨之间的流体主流道上，避免贴壁安装导致测量滞后。  

- 灭菌保护：采用带蒸汽灭菌接口的卫生型法兰（如DIN 11864标准），灭菌时通入蒸汽对电极外部灭菌，避免污染。  

二、溶解氧（DO）传感器  

选型原则  

- 测量原理：  

 - 极谱法：适用于需氧发酵（如细菌、酵母培养），需定期更换电解液和膜片，对硫化物等干扰敏感。  

 - 荧光法：新型光学传感器，无电解液消耗，抗干扰能力强（如抗消泡剂、培养基成分），适合长期连续监测（如发酵周期＞100小时）。  

- 响应特性：90%响应时间＜60秒，耐灭菌温度130℃，耐压0.3–0.5 MPa（适应带压发酵）。  

布置要点  

- 安装位置：  

 - 靠近搅拌桨下游的高剪切区域（如涡轮桨后方），此处气液混合剧烈，DO测量更能反映真实溶氧水平。  

 - 若罐体分层明显（如真菌发酵液粘度高），可在不同高度安装多支DO电极（如上部、中部、底部），监测溶氧梯度。  

- 避免气泡附着：电极前端需加装防气泡罩（如多孔不锈钢筛网），防止上升气泡附着在膜表面导致假高值。  

三、温度传感器  

选型原则  

- 类型：首-选Pt100热电阻（精度±0.1℃），信号稳定性优于热电偶，适合发酵罐的中低温环境（0–150℃）。  

- 结构：卫生型套管式设计（316L不锈钢材质），便于快速拆卸校准，套管内部填充导热油增强传热效率。  

布置要点  

- 安装位置：  

 - 罐体轴向中点高度，插入发酵液深度为管径的3–5倍，避开搅拌桨直接冲击区域（防止机械磨损）。  

 - 若采用夹套或盘管换热，温度传感器应位于换热介质出口侧的对侧，确保测量的是罐内主体温度而非局部热点。  

- 灭菌注意：套管需能承受蒸汽灭菌，连接处采用焊接或卡箍密封，避免灭菌时冷凝水渗入影响精度。 

四、液位传感器  

选型原则  

- 类型选择：  

 - 静压式：利用压力变送器测量液体静压（P=ρgh），适用于清洁液体或低粘度发酵液，需定期校准零点（考虑培养基密度变化）。  

 - 雷达式：高频电磁波测量，不受泡沫、粘度影响，适合高泡发酵（如酵母产酒精）或含固形物的发酵液（如真菌菌丝体）。  

 - 电容式：通过电极间电容变化监测液位，需注意发酵液电导率变化（如添加电解质时）可能干扰信号。  

布置要点  

- 安装位置：  

 - 静压式传感器安装于罐体底部侧面，避开出料口和搅拌桨涡流区，防止湍流导致压力波动误测。  

 - 雷达式传感器需垂直安装于罐顶，确保波束路径无障碍物（如搅拌轴、挡板），天线材质选用聚四氟乙烯（PTFE），耐化学腐蚀。  

- 泡沫补偿：对易起泡的发酵（如细菌培养），可在液位传感器旁安装独立的泡沫电极（如电容式），当泡沫触及电极时触发消泡动作，避免误判真实液位。 

五、压力传感器  

选型原则  

- 类型：选用隔膜式压力变送器，隔膜材质为316L不锈钢或哈氏合金，耐发酵液腐蚀；测量范围0–0.6 MPa（涵盖大多数需氧发酵的正压需求）。  

- 精度：±0.25%FS（满量程误差），响应时间＜100毫秒，满足快速压力波动监测（如通气量突变时）。  

布置要点  

- 安装位置：  

 - 罐顶中央或侧面气相空间，远离通气口和搅拌桨上方的湍流区域，避免液体飞溅进入传感器（可加装防溅挡板）。  

 - 若发酵过程需负压操作（如真空消泡），需选用双向压力传感器（-0.1–0.5 MPa），安装位置同上，确保密封性能。  

- 灭菌与校准：传感器前端管路需能通过蒸汽灭菌（如设置蒸汽旁路），定期用标准压力源（如活塞式压力计）校准零点和量程。 

六、通用设计要点  

1. 灭菌兼容性：所有传感器需通过SIP（在线灭菌）验证，接口符合3A卫生标准，避免灭菌死角（如传感器与罐体连接处的死角长度≤2D，D为管径）。  

2. 抗干扰与布线：传感器信号电缆需用屏蔽双绞线，远离动力电缆（如搅拌电机线路），采用4–20 mA模拟信号或数字信号（如Modbus协议）传输，减少信号衰减。  

3. 冗余与校准：关键参数（如pH、DO）可设置双传感器冗余，便于在线切换校准；定期（如每批次发酵前）用标准液校准电极（如pH缓冲液、空气饱和水校准DO）。  

4. 防黏附与清洗：传感器探头表面需电抛光处理（粗糙度Ra≤0.8 μm），或采用涂层（如聚四氟乙烯）减少培养基成分黏附；可集成CIP（在线清洗）管路，定期用酸碱液冲洗探头。 

七、典型微生物的特殊需求  

- 细菌发酵（如大肠杆菌）：需高频率监测DO和pH，传感器布置侧重搅拌桨附近的高传氧区域，避免泡沫影响液位测量。  

- 真菌发酵（如青霉菌）：高粘度发酵液易堵塞静压式液位传感器，优先选雷达式；DO传感器需防菌丝缠绕，可采用可旋转清洗刷（如自动刮刀装置）。  

- 酵母发酵（如酿酒酵母）：厌氧阶段需监测罐内压力（防止爆罐），压力传感器精度需提高至±0.1%FS；泡沫控制需求高，液位传感器需搭配独立泡沫检测电极。  

传感器选型需以“精准测量、耐受灭菌、易维护"为核心，布置时需结合流体力学特性（如搅拌流场、气泡分布）和微生物代谢特点，确保监测数据真实反映发酵状态。

实际应用中，可通过传感器集成的智能诊断功能（如电极斜率监测、压力变送器膜片破损预警）提前发现故障，结合SCADA系统实现多参数联动控制（如DO与通气量、pH与补料速率的串级调节），提升发酵过程自动化水平。