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哈美顿光学溶氧传感器电极 243666 应用方案:生物发酵过程溶氧精准监测的全流程落地
上海仪器网 / 2025-09-26

 一、方案背景与核心价值​

1.1 行业痛点直击​
生物发酵中溶氧(DO)浓度直接影响微生物代谢与产物合成,但传统电化学传感器存在寿命短(6-12 个月)、精度衰减快(偏差 ±5%)、响应滞后(预热 15-30 分钟)、交叉干扰严重等致命缺陷,导致发酵过程失控风险高、维护成本占设备总价 30% 以上。​
1.2 传感器核心优势​
哈美顿 243666(VisiFerm DO Arc 225 H2)基于氧依赖性发光淬灭原理,完美适配发酵场景需求:​
  • 精度卓越:25℃时测量精度达 ±0.05% vol(低浓度段)至 ±0.5% vol(高浓度段),每周漂移 < 1%;​
  • 免维护设计:无电解液、无氧消耗,奥多帽 H2 传感器盖更换周期长,寿命较传统传感器提升 3 倍以上;​
  • 强环境适配:耐受 140℃蒸汽灭菌、原位清洗(CIP),-1 至 12bar 压力范围,适配厌氧 / 好氧发酵全场景;​
  • 快速响应:t98% 响应时间 < 25 秒,温度补偿功能避免预热等待。​
二、全流程落地实施指南​
2.1 前期适配规划(发酵罐预调试阶段)​

适配维度​
 
 
 
 
实施要点​
 
 
 
 
接口匹配​
 
 
 
 
采用 PG13.5 过程连接,确认发酵罐电极接口尺寸,加装食品级 EPDM 胶圈确保密封;​
 
 
 
 
系统对接​
 
 
 
 
通过 4-20mA 模拟信号或 RS485 Modbus(支持 115200 Bd 速率)连接发酵控制系统,实现数据实时上传;​
 
 
 
 
材质兼容​
 
 
 
 
接液部件为 316L 不锈钢(Ra<0.4μm)与 PTFE,适配抗生素、酵母、CHO 细胞等主流发酵体系。​
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2 安装与校准规范(灭菌前准备阶段)​
2.2.1 安装操作流程​
  1. 预处理:用超纯水冲洗传感器,检查光学帽无破损,确认 2 个密封胶圈完好;​
  1. 定位安装:垂直插入发酵罐电极插口,徒手拧紧螺扣(避免扳手损伤),确保与搅拌桨间距≥5cm,手动转动桨叶测试无碰撞;​
  1. 管路核查:连接通气环与传感器监测区域,确保气流均匀覆盖电极感应面。​
2.2.2 精准校准方案(关键控制步骤)​

校准场景​
 
 
 
 
操作方法​
 
 
 
 
注意事项​
 
 
 
 
新传感器 / 换光学帽后​
 
 
 
 
两点校准法:1. 零点校准:通入 99.99% 氮气至信号稳定,设为 0% air;2. 满度校准:通入饱和空气,输入实际压力(P = 大气压 + 罐压)与湿度,设为 100% air​
 
 
 
 
氮气校准需用流通池,避免直接通入发酵罐导致污染;压力误差 50mbar 将引发 5% 测量偏差;​
 
 
 
 
灭菌后 / 批次间隔​
 
 
 
 
一点斜率校准:在发酵培养基中,维持搅拌 50rpm(细胞罐)/500rpm(微生物罐)、通气稳定后,将当前值校准为 100% air​
 
 
 
 
校准前需确保培养基温度与发酵设定温度一致,信号稳定≥3 分钟;​
 
 
 
 
高耗氧发酵(如 CHO 细胞)​
 
 
 
 
过程校准:通过 M400 变送器执行 Process Scaling,接种前锁定满度值,确保补料阶段精度​
 
 
 
 
需同步记录 pH 值与温度,避免交叉干扰影响校准结果。​
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 发酵过程动态监测(核心执行阶段)​
2.3.1 分阶段监测策略​

发酵阶段​
 
 
 
 
监测重点​
 
 
 
 
传感器应用价值​
 
 
 
 
种子培养期​
 
 
 
 
溶氧维持 15%-30% air,监测接种后氧耗突变​
 
 
 
 
响应速度 < 25 秒,及时捕捉微生物活化信号,避免延迟导致的接种失败;​
 
 
 
 
对数生长期​
 
 
 
 
高频波动(0-100% air),需联动通气 / 搅拌调控​
 
 
 
 
低漂移特性(每周 < 1%)确保补料时机精准,如酵母发酵中避免溶氧低于 5% 抑制生长;​
 
 
 
 
产物合成期​
 
 
 
 
维持稳定溶氧区间(如抗生素发酵需 5%-10% air)​
 
 
 
 
精度 ±0.2% vol 保障代谢环境稳定,提升产物合成率 10%-15%;​
 
 
 
 
衰亡期​
 
 
 
 
监测溶氧回升拐点​
 
 
 
 
为放罐时机提供精准依据,减少产物降解风险。​
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3.2 异常处理机制​
  • 信号漂移:若读数偏差超 ±3%,检查光学帽污染情况,原位清洗后重新执行一点校准;​
  • 灭菌后无响应:确认传感器温度恢复至 85℃以下(高温时暂停读数),重启变送器连接;​
  • 厌氧发酵干扰:利用无 CO₂/H₂S 交叉干扰特性,直接监测 0-5% air 低浓度区间,无需额外补偿。​
2.4 后期维护与寿命优化(批次后阶段)​
  1. 即时维护:发酵结束后用超纯水冲洗传感器,擦干光学帽后储存于干燥环境,避免保护液干涸;​
  1. 定期更换:奥多帽 H2 每 6-12 个月更换一次,更换后必须执行两点校准;​
  1. 性能核查:每月通过空气校准(读数应接近 100%)与氮气零点测试验证传感器性能,不合格及时更换。​
三、方案效果验证与案例参考​
3.1 核心指标提升​
  • 测量精度:从传统传感器 ±5% 降至 ±0.5% 以内,满足 FDA 对生物药生产的 QbD 要求;​
  • 维护成本:年维护费用降低 60%,无需更换电解液与透气膜;​
  • 发酵稳定性:某抗生素企业应用后,批次间产物浓度变异系数从 8% 降至 2.3%。​
3.2 典型应用场景​
  • 微生物发酵:罗氏公司在 Basel 研发中心用其监测微生物发酵,实现氧耗与产物合成的精准关联;​
  • 酵母发酵:配合细胞密度传感器,优化木糖醇发酵条件,yield 提升 12%;​
  • 细胞培养:CHO 细胞批次培养中,实时监测溶氧波动,确保抗体表达量稳定。​
四、扩展建议​
  1. 系统集成:联动哈美顿 pH / 细胞密度传感器,构建多参数监测体系,支持 PAT(过程分析技术)落地;​
  1. 数据建模:基于 Modbus 输出的历史数据,建立溶氧 - 产物合成动力学模型,实现预测性调控;​
  1. 合规管理:保留校准记录与传感器序列号,满足 GMP 审计中设备追溯要求。​

 

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