生物發(fā)酵罐的在線監(jiān)測傳感器選型與布置需兼顧測量精度、可靠性、滅菌兼容性及工藝需求，不同參數(shù)的傳感器選擇和安裝要點如下：

一、pH傳感器  

選型原則  

- 電極類型：優(yōu)先選復(fù)合pH電極（玻璃電極+參比電極集成），耐受高溫滅菌（121℃濕熱滅菌），需具備自動溫度補償功能（內(nèi)置溫度探頭）。  

- 材質(zhì)與結(jié)構(gòu)：電極外殼用316L不銹鋼或PEEK材質(zhì)，耐腐蝕性強；流通式設(shè)計適用于高粘度發(fā)酵液（如真菌發(fā)酵），減少菌絲纏繞。  

- 精度要求：測量范圍0–14 pH，精度±0.05 pH，響應(yīng)時間＜30秒，滿足實時調(diào)控需求。  

布置要點  

- 安裝位置：  

 - 罐體側(cè)壁切線方向插入，距攪拌槳上方0.2–0.5米處，避開渦流區(qū)和機械攪拌直接沖擊，確保電極接觸均勻混合的發(fā)酵液。  

 - 若罐內(nèi)有擋板，電極應(yīng)位于擋板與攪拌槳之間的流體主流道上，避免貼壁安裝導(dǎo)致測量滯后。  

- 滅菌保護：采用帶蒸汽滅菌接口的衛(wèi)生型法蘭（如DIN 11864標準），滅菌時通入蒸汽對電極外部滅菌，避免污染。  

二、溶解氧（DO）傳感器  

選型原則  

- 測量原理：  

 - 極譜法：適用于需氧發(fā)酵（如細菌、酵母培養(yǎng)），需定期更換電解液和膜片，對硫化物等干擾敏感。  

 - 熒光法：新型光學(xué)傳感器，無電解液消耗，抗干擾能力強（如抗消泡劑、培養(yǎng)基成分），適合長期連續(xù)監(jiān)測（如發(fā)酵周期＞100小時）。  

- 響應(yīng)特性：90%響應(yīng)時間＜60秒，耐滅菌溫度130℃，耐壓0.3–0.5 MPa（適應(yīng)帶壓發(fā)酵）。  

布置要點  

- 安裝位置：  

 - 靠近攪拌槳下游的高剪切區(qū)域（如渦輪槳后方），此處氣液混合劇烈，DO測量更能反映真實溶氧水平。  

 - 若罐體分層明顯（如真菌發(fā)酵液粘度高），可在不同高度安裝多支DO電極（如上部、中部、底部），監(jiān)測溶氧梯度。  

- 避免氣泡附著：電極前端需加裝防氣泡罩（如多孔不銹鋼篩網(wǎng)），防止上升氣泡附著在膜表面導(dǎo)致假高值。  

三、溫度傳感器  

選型原則  

- 類型：首-選Pt100熱電阻（精度±0.1℃），信號穩(wěn)定性優(yōu)于熱電偶，適合發(fā)酵罐的中低溫環(huán)境（0–150℃）。  

- 結(jié)構(gòu)：衛(wèi)生型套管式設(shè)計（316L不銹鋼材質(zhì)），便于快速拆卸校準，套管內(nèi)部填充導(dǎo)熱油增強傳熱效率。  

布置要點  

- 安裝位置：  

 - 罐體軸向中點高度，插入發(fā)酵液深度為管徑的3–5倍，避開攪拌槳直接沖擊區(qū)域（防止機械磨損）。  

 - 若采用夾套或盤管換熱，溫度傳感器應(yīng)位于換熱介質(zhì)出口側(cè)的對側(cè)，確保測量的是罐內(nèi)主體溫度而非局部熱點。  

- 滅菌注意：套管需能承受蒸汽滅菌，連接處采用焊接或卡箍密封，避免滅菌時冷凝水滲入影響精度。 

四、液位傳感器  

選型原則  

- 類型選擇：  

 - 靜壓式：利用壓力變送器測量液體靜壓（P=ρgh），適用于清潔液體或低粘度發(fā)酵液，需定期校準零點（考慮培養(yǎng)基密度變化）。  

 - 雷達式：高頻電磁波測量，不受泡沫、粘度影響，適合高泡發(fā)酵（如酵母產(chǎn)酒精）或含固形物的發(fā)酵液（如真菌菌絲體）。  

 - 電容式：通過電極間電容變化監(jiān)測液位，需注意發(fā)酵液電導(dǎo)率變化（如添加電解質(zhì)時）可能干擾信號。  

布置要點  

- 安裝位置：  

 - 靜壓式傳感器安裝于罐體底部側(cè)面，避開出料口和攪拌槳渦流區(qū)，防止湍流導(dǎo)致壓力波動誤測。  

 - 雷達式傳感器需垂直安裝于罐頂，確保波束路徑無障礙物（如攪拌軸、擋板），天線材質(zhì)選用聚四氟乙烯（PTFE），耐化學(xué)腐蝕。  

- 泡沫補償：對易起泡的發(fā)酵（如細菌培養(yǎng)），可在液位傳感器旁安裝獨立的泡沫電極（如電容式），當(dāng)泡沫觸及電極時觸發(fā)消泡動作，避免誤判真實液位。 

五、壓力傳感器  

選型原則  

- 類型：選用隔膜式壓力變送器，隔膜材質(zhì)為316L不銹鋼或哈氏合金，耐發(fā)酵液腐蝕；測量范圍0–0.6 MPa（涵蓋大多數(shù)需氧發(fā)酵的正壓需求）。  

- 精度：±0.25%FS（滿量程誤差），響應(yīng)時間＜100毫秒，滿足快速壓力波動監(jiān)測（如通氣量突變時）。  

布置要點  

- 安裝位置：  

 - 罐頂中央或側(cè)面氣相空間，遠離通氣口和攪拌槳上方的湍流區(qū)域，避免液體飛濺進入傳感器（可加裝防濺擋板）。  

 - 若發(fā)酵過程需負壓操作（如真空消泡），需選用雙向壓力傳感器（-0.1–0.5 MPa），安裝位置同上，確保密封性能。  

- 滅菌與校準：傳感器前端管路需能通過蒸汽滅菌（如設(shè)置蒸汽旁路），定期用標準壓力源（如活塞式壓力計）校準零點和量程。 

六、通用設(shè)計要點  

1. 滅菌兼容性：所有傳感器需通過SIP（在線滅菌）驗證，接口符合3A衛(wèi)生標準，避免滅菌死角（如傳感器與罐體連接處的死角長度≤2D，D為管徑）。  

2. 抗干擾與布線：傳感器信號電纜需用屏蔽雙絞線，遠離動力電纜（如攪拌電機線路），采用4–20 mA模擬信號或數(shù)字信號（如Modbus協(xié)議）傳輸，減少信號衰減。  

3. 冗余與校準：關(guān)鍵參數(shù)（如pH、DO）可設(shè)置雙傳感器冗余，便于在線切換校準；定期（如每批次發(fā)酵前）用標準液校準電極（如pH緩沖液、空氣飽和水校準DO）。  

4. 防黏附與清洗：傳感器探頭表面需電拋光處理（粗糙度Ra≤0.8 μm），或采用涂層（如聚四氟乙烯）減少培養(yǎng)基成分黏附；可集成CIP（在線清洗）管路，定期用酸堿液沖洗探頭。 

七、典型微生物的特殊需求  

- 細菌發(fā)酵（如大腸桿菌）：需高頻率監(jiān)測DO和pH，傳感器布置側(cè)重攪拌槳附近的高傳氧區(qū)域，避免泡沫影響液位測量。  

- 真菌發(fā)酵（如青霉菌）：高粘度發(fā)酵液易堵塞靜壓式液位傳感器，優(yōu)先選雷達式；DO傳感器需防菌絲纏繞，可采用可旋轉(zhuǎn)清洗刷（如自動刮刀裝置）。  

- 酵母發(fā)酵（如釀酒酵母）：厭氧階段需監(jiān)測罐內(nèi)壓力（防止爆罐），壓力傳感器精度需提高至±0.1%FS；泡沫控制需求高，液位傳感器需搭配獨立泡沫檢測電極。  

傳感器選型需以“精準測量、耐受滅菌、易維護"為核心，布置時需結(jié)合流體力學(xué)特性（如攪拌流場、氣泡分布）和微生物代謝特點，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)真實反映發(fā)酵狀態(tài)。

實際應(yīng)用中，可通過傳感器集成的智能診斷功能（如電極斜率監(jiān)測、壓力變送器膜片破損預(yù)警）提前發(fā)現(xiàn)故障，結(jié)合SCADA系統(tǒng)實現(xiàn)多參數(shù)聯(lián)動控制（如DO與通氣量、pH與補料速率的串級調(diào)節(jié)），提升發(fā)酵過程自動化水平。