Was ist zu tun, wenn die pH- und DO-Messwerte während des biologischen Fermentationsprozesses ungenau sind?

In der biologischen Fermentationstechnik sind pH-Wert (Säuregrad und Alkalität) und gelöster Sauerstoff (DO) Schlüsselparameter, die das Wachstum von Bakterien, die Synthese von Stoffwechselprodukten und die Ertragskontrolle beeinflussen. Moderne automatisierten Gärtanks Fermentationsanlagen sind in der Regel mit Online-pH- und DO-Sensoren ausgestattet, um die Fermentationsumgebung in Echtzeit zu überwachen und eine automatische Anpassung zu ermöglichen. Im praktischen Produktions- oder Forschungs- und Entwicklungsprozess treten jedoch häufig Probleme wie ungenaue Messungen, große Drift oder verzögerte Reaktionszeiten auf, die die Stabilität des Fermentationsprozesses und die Produktqualität erheblich beeinträchtigen.

Wie können wir also bei ungenauen Messungen von pH- und Sauerstoffmessgeräten die Ursache ermitteln und wirksame Maßnahmen zur Behebung des Problems ergreifen? Dieser Artikel analysiert dies detailliert aus drei Perspektiven: häufige Ursachen, Diagnosemethoden und Lösungsansätze.

I. Problemphänomene und Auswirkungen

Ungenaue pH- und DO-Messungen äußern sich üblicherweise wie folgt:

• Die Werte weichen erheblich von der tatsächlichen Situation ab (z. B. sind sie ganz anders als die Ergebnisse der Offline-Erkennung);
• Die Sensorreaktion ist langsam, und die numerische Änderung hinkt nach der Anpassung der Kontrollparameter hinterher.
• Signalsprung oder große Messwertschwankung;
• Die Abweichung war in der mittleren und späteren Phase des Gärungszyklus deutlich erkennbar;
• Das Regelsystem ist nicht in der Lage, eine präzise Rückkopplungsregelung zu erreichen.

Zu seinen Einflüssen zählen:

• Ungenauer pH-Wert → Ein Ungleichgewicht in der Kontrolle des Säure- und Basengehalts der Fermentationsbrühe führt zu einer Verringerung der Aktivität des Stammes und einer Reduzierung der Umwandlungsrate der Zielmetaboliten.
• Ungenaue Sauerstoffzufuhr → Abnorme Anpassung des Ventilationsvolumens und der Rührgeschwindigkeit, was zu Hypoxie oder Hyperxie führt und die Zellatmung und den Energiestoffwechsel beeinträchtigt;
• Prozessdatenverzerrung → beeinflusst die Analyse von Fermentationskurven und die Beurteilung der Chargenstabilität;
• Dies führt zu Fehleinschätzungen des Steuerungssystems und zum Auftreten von Verriegelungsfehlern.

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II. Häufige Ursachen für ungenaue pH/DO-Messgeräte

1. Verunreinigung oder Alterung der Elektrode

Die Fermentationsbrühe enthält Komponenten wie Proteine, Zucker und Fermentationsnebenprodukte, die dazu neigen, sich an den Sensormembrankopf oder die Referenzelektrode anzulagern, was zu einer Verringerung der Empfindlichkeit führt.

Die Membran der DO-Elektrode ist verunreinigt oder der Elektrolyt ist ausgetrocknet;

Die Reaktion des Glasfilms der pH-Elektrode verlangsamt sich oder es kommt zu einem internen Flüssigkeitsaustritt;

Die Leistungsfähigkeit der Elektrode verschlechtert sich nach längerem Gebrauch, und das Ausgangssignal ist instabil.

2. Nicht rechtzeitige oder nicht standardmäßige Kalibrierung

Die Elektrode wurde nicht regelmäßig kalibriert oder die Kalibrierungsmethode war fehlerhaft;

Die für die pH-Elektrode verwendete Standardpufferlösung ist defekt und verunreinigt.

Die DO-Elektrode wurde keiner Zweipunktkalibrierung (Luftsättigungspunkt und Nullpunkt des Sauerstoffs) unterzogen;

Nach der Kalibrierung wurde keine effektive statische Lagerung oder Vorbehandlung durchgeführt, was zu Fehlern führte.

3. Unangemessener Installationsort oder ungeeignete Störeinflüsse

Die Elektrode wurde nicht in den Bereich eingeführt, der gründlich durchmischt wurde, was zu einem ungleichmäßigen lokalen pH-Wert bzw. Sauerstoffgehalt führte.

Blasen haften an der Oberfläche der DO-Elektrodenmembran und verursachen so ein Phänomen der „virtuellen Höhe“.

Der Luftstrom des Rührflügels verursacht Signalschwankungen.

Die pH-Elektrode ist mit festen Substanzen (wie z. B. Bakterienablagerungen) bedeckt, was zu einer Drift der Messwerte führt.

4. Temperaturkompensation fehlgeschlagen

Die meisten pH- und DO-Sensoren müssen in Verbindung mit Temperaturfühlern kompensiert werden.

Wenn der Temperaturfühler beschädigt ist oder das Signal nicht korrekt angeschlossen ist, führt dies zu einer erheblichen Abweichung des berechneten Wertes.

Drastische Temperaturänderungen (z. B. durch Störungen im Kühlsystem) können ebenfalls zu kurzfristigen Fehleinschätzungen führen.

5. Ausfall der Kabelverbindung oder des Gerätegehäuses

Die Signalleitung ist alt und hat schlechten Kontakt.

Wassereintritt und Korrosion an den Instrumentenverbindungen;

Fehler in den Schaltungen von Instrumentenverstärkern und -sendern;

Elektromagnetische Störungen beeinträchtigen die Stabilität von Signalen.

III. Diagnosemethoden und Screening-Schritte

• Vergleichen Sie die Offline-Erkennungsergebnisse

Die Fermentationsbrühe sollte alle 4 bis 6 Stunden entnommen und der pH-Wert sowie der gelöste Sauerstoff offline gemessen werden. Die Messwerte sind mit den online ermittelten Werten zu vergleichen. Weicht die Abweichung um mehr als 0,2 (pH-Wert) bzw. 10 % (gelöster Sauerstoff) ab, muss der Sensor auf einen Defekt überprüft werden.

• Überprüfung der Elektrodenkalibrierung

Den Sensor entnehmen, kalibrieren und mit Standardpufferlösungen (pH 4,00, 7,00, 10,00) vergleichen. Die DO-Elektrode kann mit luftgesättigtem Wasser und Natriumsulfitlösung überprüft werden.

• Beobachten Sie den Oberflächenzustand der Elektrode.

Prüfen Sie, ob sich auf dem Membrankopf Ablagerungen, Blasenanhaftungen, Korrosion oder andere Phänomene gebildet haben, reinigen oder ersetzen Sie die Elektrode und zerlegen Sie sie gegebenenfalls zur Inspektion.

• Überprüfen Sie den Temperaturkompensationskanal.

Verwenden Sie ein Multimeter, um zu überprüfen, ob der Widerstandswert der Temperatursonde oder das Ausgangssignal normal ist.

• System-Selbstprüfung und Signalwegtest

Prüfen Sie, ob das Gerät Alarme oder anormale Daten anzeigt, ob die Signalleitung fest angeschlossen ist und ob Probleme mit der Schirmung und Erdung vorliegen.

IV. Lösungsstrategien und Präventivmaßnahmen

1. Regelmäßige Kalibrierung und Wartung

pH-Elektrode: Mindestens einmal pro Fermentationszyklus kalibrieren und nach längerem Gebrauch wöchentlich die Reaktionsgeschwindigkeit überprüfen.

DO-Elektrode: Vor jeder Charge sollten eine Nullpunkt- und eine Vollausschlagkalibrierung durchgeführt werden, und es sollte sichergestellt werden, dass sich der Elektrolyt und der Membrankopf in einem guten Zustand befinden.

Die Standardpufferlösung sollte regelmäßig ausgetauscht werden, um sie frisch zu halten.

Reinigen Sie die Membranoberfläche mit der vom Hersteller empfohlenen Elektrodenreinigungslösung (z. B. Proteaselösung, Zitronensäure usw.).

2. Installation und Nutzung standardisieren

Stellen Sie sicher, dass sich die Elektrode in dem Bereich befindet, in dem die Flüssigkeit vollständig vermischt ist;

Verhindern Sie, dass Rührflügel oder Luftblasen den Sensor beeinträchtigen;

Es wird empfohlen, den Installationswinkel leicht nach unten zu neigen, um die Ansammlung von Blasen zu vermeiden.

Die pH-Glasfolie vor der Installation anfeuchten und 1 Stunde einwirken lassen.

3. Angemessenes Ersatzteilmanagement

Legen Sie einen Elektrodenwechselzyklus fest (z. B. Austausch nach einem halben Jahr oder nach 1.000 Betriebsstunden);

Um zuverlässige Daten zu gewährleisten, sollten die gealterten Elektroden vor wichtigen Chargen ausgetauscht werden.

Ersatzelektroden und Kalibrierwerkzeuge sind vorhanden. Tauschen Sie diese bei Auffälligkeiten umgehend aus.

4. Datentrendanalyse und Alarmsystem

Die historischen pH/DO-Kurven werden mithilfe des SCADA- oder DCS-Systems aufgezeichnet;

Den Zustand der Elektrode anhand der Steigung und der Schwankungsamplitude überwachen;

Um zu verhindern, dass abnormale Prozesse außer Kontrolle geraten, sollten Alarme für hohe/niedrige Grenzwerte eingerichtet werden.

Es wurde eine Multi-Parameter-Kreuzvalidierung durchgeführt, indem Daten wie Sauerstofftransfereffizienz und Alkalilösungsverbrauch kombiniert wurden.

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Abschluss

pH- und Sauerstoffmessgeräte spielen eine entscheidende Rolle im biologischen Fermentationsprozess. Jede ungenaue Messung kann zu Prozessstörungen, Produktschwankungen oder sogar zum Verwerfen von Chargen führen. Daher müssen Unternehmen und Forschungs- und Entwicklungsabteilungen der Genauigkeit und Stabilität der Online-Sensoren höchste Priorität einräumen.

Durch regelmäßige Kalibrierung, standardisierte Bedienung, rechtzeitige Wartung und Datenüberwachung lässt sich der Messfehler von pH-Wert und gelöstem Sauerstoff (DO) weitestgehend minimieren. Dies gewährleistet die Kontrollierbarkeit des Fermentationsprozesses, die Zuverlässigkeit der Daten und die Stabilität der Produkte. Insbesondere bei der großtechnischen Produktion oder Fermentation hochwertiger Bioprodukte ist ein standardisiertes Instrumentenmanagementsystem unerlässlich, um die Gesamtzuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit des biologischen Reaktionssystems sicherzustellen.

Andererseits, bei der Auswahl eines Bioreaktor-FermenterUm die Produktqualität zu gewährleisten, ist es notwendig, einen zuverlässigen Hersteller mit gutem Ruf und entsprechender Leistungsfähigkeit zu finden. Jiangsu Mike Biotechnology Co., Ltd. wurde 2008 gegründet und ist ein Hightech-Unternehmen, das sich auf die Forschung und Entwicklung, Produktion und den Vertrieb von Anlagen zur biologischen Fermentation spezialisiert hat. Unser Unternehmen verfügt über eine Pilotfermentationsplattform mit integrierter Intelligenz und Automatisierung sowie ein ausgereiftes Fermentationssystem. Dieses ermöglicht die Optimierung des Pilotfermentationsprozesses, die Inbetriebnahme aller Prozessschritte von der Pilotfermentation bis zur Trennung und Reinigung der Fermentationsprodukte und die Einrichtung einer Doktorarbeitsstation sowie eines modernen Labors.

Unser Unternehmen verfügt über eine standardisierte Produktionsanlage mit kompletten Ausrüstungssätzen und Werkzeugen, die für die Installation erforderlich sind. Dazu gehören hauptsächlich verschiedene Werkzeugmaschinen, eine automatische Argon-Lichtbogenschweißanlage, eine automatische Poliermaschine, eine automatische Schneidemaschine und eine Fehlererkennungsmaschine sowie mehr als 60 weitere Produktions- und Prüfgeräte. Der gesamte Produktionsprozess entspricht modernen Standards, um den Kunden professionelle Qualität und technischen Support zu bieten.