生物反應及化學合成過程如何測量氧含量

-溶解氧及氣體氧測量

         生物反應及化學合成過程中氣體氧和溶解氧含量的控制直接或間接影響反應過程和最終產品的質量。要控制好反應過程中的氣體氧和溶解氧含量，首先需要制定正確的檢測方案。這是保證測量準確性和穩(wěn)定性的基礎工作。

       由于生物及化學合成工藝種類繁多，工程師們在實際測量中常對測量氣體氧還是溶解氧存有爭議。為解決這一問題，需要從工藝和設備的角度詳細了解氧傳感器檢測技術，尤其是測量介質的濁度、粘度、溫度、壓力和流量對測量方式、精度、穩(wěn)定性及維護頻率的影響。此外，還需明確介質中的氧是如 何從工藝中引入的。例如，許多生物反應和化學合成反應溶液中的溶解氧來源于反應釜頂部的頂空氧氣。在頂空氧氣主導溶解氧的情況下，是通過測量頂空氧氣間接控制溶解氧，還是通過測量溶解氧控制頂空氧？下面我們就為此展開分析。

       首先，先從氧檢測原理說起，氣體氧的檢測原理眾多，比如說順磁式氧、燃料電池式氧、庫侖式氧、極譜法氧、氧化鋯固體電解質式氧、TDLAS紅外激光氧、熒光氧等，溶解氧檢測原理目前比較常見的就是極譜法和熒光法2種。

       氣體氧檢測傳感器的原理多種多樣，各有優(yōu)缺點，即使是相同原理，不同廠商的技術水平也存在較大差異。在選擇zui佳檢測原理之前，我們需要考慮的主要因素如下：

1、 測量的取樣方式（原位插入式測量還是旁路流通式取樣測量）；

2、 測量介質的溫度及壓力；

3、 樣氣的濕度；

4、 樣氣是否含有有毒有害或腐蝕性氣體組分；

       只有搞清楚以上的測量影響因素，我們才能夠選擇出zui佳的檢測原理并制定性價比、測量性能及穩(wěn)定性都zui優(yōu)的測量方案（具體各個測量原理的特點后續(xù)單獨篇章論述）。

溶解氧檢測原理主要有以上提到的2種，具體選擇哪種原理參考依據如下：

1、 如果測量精度要求較高（如0.1ppb）或測量下限較低（如低于2ppb），則應選擇極譜法。這種方法通常應用于半導體和核電領域。

2、 如果測量介質含有氯氣、有機溶劑氣體、強氧化劑，則也需要極譜法。

3、 如果成本預算有限，則也可以考慮性價比更高的極譜法，熒光法在非痕量溶解氧測量領域成本普遍高于極譜法。

4、 在一些具有放射性工況的應用領域，也需要選擇極譜法，比如核電領域。

其次，從現場2種測量方式（原位直插式和旁路取樣流通式）來看，具體選擇哪種原理參考依據如下：

1、 痕量及微量（ppb級）的溶氧檢測需采用旁路取樣流通式測量，因為管道或容器內樣品的流量和壓力波動會干擾測量結果，而旁路取樣流通式測量能確保樣品流量和壓力的穩(wěn)定。

2、 ppm級的溶氧檢測則可以考慮原位直插式，如果涉及到高壓溶解氧測量，則需要同時引入壓力測量值對溶解氧測量進行壓力補償。

       接下來，我們來分析一下在生物及化學合成過程中氣體氧和溶解氧在氣液兩項中如何相互影響并達到平衡的。下面我們以計算如下條件下的頂空氣體氧含量和水中溶解氧含量對應表為例：1，一個大氣壓，25、30、40、50、60攝氏度條件下，2，對應的頂空氧氣含量分別是：20.9%，2.09%，0.209%，0.0209%，0.002%。

計算公式

1. 亨利定律：
   

2. 氧氣的亨利常數      kH：
   

3. 溶解氧換算為 mg/L：

   
   

計算步驟

1. 根據頂空氧含量計算氧氣分壓 P。

2. 使用亨利定律計算溶解氧濃度 C。

3. 將濃度轉換為 mg/L。

計算結果

以下是根據上述公式計算的結果：

說明

• 溶解氧濃度隨溫度升高而降低，這是因為氧氣的溶解度隨著溫度升高而減小。

• 頂空氣體氧含量越低，水中溶解氧濃度越低，呈線性關系。

• 溶解氧和氣體氧濃度的差異巨大，大概差了2.5萬倍。

• 溶解氧和氣體氧的擴散平衡主要由氧分壓和溫度決定，實際測量還會受到溶液鹽度、還原性物質等因素的影響。

       綜上所述，我們可以很容易得出，在溫度、壓力及影響溶解氧因素變化不大的情況下，我們完全可以通過測量氣體氧來間接測量溶解氧，也可以通過測量溶解氧來間接測量氣體氧。如果溫度、壓力變化不大的情況下，反應釜內的溶液高度比較高，那么頂空氣體氧和溶液內溶解氧的滲透就會比較慢（尤其在溶液的下部），如果想要更快的完成氣液的滲透，那么可以對反應釜采用一些特殊的設計，如噴氣器設計、氣體流量和攪拌速度等因素顯著影響DO。

       為什么我們要通過測量氣體氧來間接測量溶解氧或通過測量溶解氧來間接測量氣體氧？因為在很多生物及化學合成過程中反應釜溶液中的成分比較復雜或粘度較大，如果直接測量會影響傳感器的測量精度或穩(wěn)定性，還會導致傳感器需要頻繁維護和校準，這時如果測量頂空的氣體氧含量，那么問題可能就會得到大大的改善。還有很多反應釜溶液可以直接測量溶解氧并不會出現以上問題，但是溶解氧變化的影響因素是頂空氣體氧的攝入，這時如果單純測量溶解氧可能得到的已經是不利的結果，要想從源頭解決溶解氧控制不利的問題，還需要解決頂空氣體氧控制的問題（實際生產過程控制中，反應釜內溶液中的溶解氧大多數是由頂空氣體氧影響的，而氣體氧溶解到溶液中需要溶解時間，一旦測出溶解氧超出工藝要求范圍，再反過來調節(jié)頂空氧濃度已經來不及了）。

       最后，要做好測量并更好地服務于控制，必須充分了解生產工藝和設備工況，選擇合適的檢測方法和測量方案。檢測需與自動化控制、設備和工藝有機結合，以發(fā)揮最大作用，同時確保穩(wěn)定可靠并節(jié)省成本。

關鍵點

- 溶解氧的測量對于優(yōu)化生物過程中的細胞生長和化學合成反應生成物至關重要，但實現準確測量具有挑戰(zhàn)性。

- 在三元正極前驅體材料合成過程中，上海忻成科技已經向客戶證明采用頂空氣體氧含量測量及控制方案明顯優(yōu)于采用溶液溶解氧測量及控制方案，且更節(jié)省成本。

- 正確的DO測量優(yōu)化氧氣轉移率（OTR）和氧氣攝取率（OUR），這對細胞健康至關重要。

- 噴氣器設計、氣體流量和攪拌速度等因素顯著影響DO測量的準確性。

- 擴大生物反應器過程引入了挑戰(zhàn)，例如氧氣轉移率減慢，需要調整控制算法。

- 傳感器安裝，包括深度、角度和位置，對于避免測量錯誤至關重要。

- 校準錯誤可能源于過程中的氣壓、濕度和溫度變化。

- 產品校準經常引入不準確性。

- 清潔和消毒過程（CIP/SIP）可能導致傳感器漂移的累積，需頻繁重新校準。

- 光漂白是一種自然老化過程，隨著時間推移，降低光學DO傳感器的準確性。

- 電解液缺失或pH變化、膜片變形及老化會降低極譜法溶解氧傳感器性能。

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