在生物發(fā)酵行業(yè)（如抗生素、疫苗、氨基酸、酶制劑生產(chǎn)）中，pH 值是調(diào)控微生物代謝、保障發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定及產(chǎn)物質(zhì)量的核心參數(shù)。發(fā)酵罐內(nèi)的 pH 傳感器需同時(shí)滿足兩大核心要求：一是無(wú)菌設(shè)計(jì)，杜絕傳感器與發(fā)酵體系的接觸部位成為污染源頭（如雜菌侵入），否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)酵失敗、產(chǎn)物污染等嚴(yán)重后果；二是長(zhǎng)期穩(wěn)定性，發(fā)酵周期通常為數(shù)十小時(shí)至數(shù)天（如青霉素發(fā)酵周期約 6~8 天），傳感器需在高溫滅菌、高滲透壓、復(fù)雜培養(yǎng)基環(huán)境下持續(xù)精準(zhǔn)測(cè)量，避免因數(shù)據(jù)漂移導(dǎo)致工藝調(diào)控失誤。

一、無(wú)菌設(shè)計(jì)：守住發(fā)酵體系的“無(wú)菌防線"

生物發(fā)酵的核心是“純種培養(yǎng)"，雜菌污染會(huì)與生產(chǎn)菌株?duì)帄Z營(yíng)養(yǎng)、產(chǎn)生有毒代謝產(chǎn)物，導(dǎo)致產(chǎn)物收率下降甚至批次報(bào)廢。pH 傳感器作為插入發(fā)酵罐內(nèi)的關(guān)鍵器件，其無(wú)菌設(shè)計(jì)需覆蓋“安裝接口、密封結(jié)構(gòu)、滅菌兼容性"三大核心環(huán)節(jié)，形成全鏈條無(wú)菌防護(hù)。

（一）安裝接口：符合衛(wèi)生級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳感器與發(fā)酵罐的連接接口是無(wú)菌防護(hù)的第-道關(guān)卡，需滿足“易清潔、耐滅菌"要求：① 優(yōu)先采用符合 3A、EHEDG 衛(wèi)生級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的法蘭接口（如 DIN 11851 法蘭），接口表面粗糙度 Ra≤0.8 μm，避免凹陷、縫隙等清潔死角，防止培養(yǎng)基殘留滋生雜菌；② 接口需配備“蒸汽屏障"結(jié)構(gòu)，即在傳感器與法蘭連接處設(shè)置獨(dú)立的蒸汽通入通道，滅菌時(shí)通入高溫蒸汽（121℃、0.1 MPa），形成無(wú)菌屏障，阻止外界空氣或雜菌通過(guò)接口間隙侵入；③ 傳感器插入深度需精準(zhǔn)控制，通常伸出罐內(nèi)壁 5~10 mm，既要確保敏感膜與發(fā)酵液充分接觸，又要避免與攪拌槳碰撞，同時(shí)減少培養(yǎng)基在傳感器根部的堆積。

某疫苗生產(chǎn)企業(yè)曾因采用普通螺紋接口連接 pH 傳感器，接口縫隙處殘留的培養(yǎng)基在發(fā)酵過(guò)程中滋生雜菌，導(dǎo)致連續(xù) 3 批疫苗發(fā)酵污染，直接經(jīng)濟(jì)損失超 50 萬(wàn)元。更換為衛(wèi)生級(jí)法蘭接口并增設(shè)蒸汽屏障后，污染問(wèn)題解決。

（二）密封結(jié)構(gòu)：零泄漏的雙重密封設(shè)計(jì)

密封結(jié)構(gòu)的核心目標(biāo)是“阻止發(fā)酵液滲漏、防止外界雜菌侵入"，需采用“雙重密封+耐滅菌材料"設(shè)計(jì)：① 密封件優(yōu)先選用全氟彈性體（如 Kalrez）或氟橡膠（FKM），這類(lèi)材料耐高溫（可耐受 134℃ 反復(fù)滅菌）、耐培養(yǎng)基腐蝕（如酸、堿、有機(jī)溶劑），且不會(huì)釋放有害物質(zhì)污染發(fā)酵液；避免使用普通橡膠密封件，其在高溫滅菌后易老化、變形，導(dǎo)致密封失效；② 采用“徑向密封+軸向密封"雙重結(jié)構(gòu)：徑向密封通過(guò)密封圈與傳感器外殼的過(guò)盈配合，阻斷徑向泄漏通道；軸向密封通過(guò)壓蓋螺栓施加預(yù)緊力，使密封圈緊密貼合法蘭端面，阻斷軸向泄漏通道；③ 密封件安裝時(shí)需確保無(wú)扭曲、無(wú)劃痕，安裝后需進(jìn)行氣密性測(cè)試（采用壓力衰減法，壓力維持 0.2 MPa，30 分鐘內(nèi)壓力下降≤0.01 MPa 為合格）。

（三）滅菌兼容性：適配原位滅菌（SIP）與在線滅菌（CIP）

發(fā)酵罐通常采用原位滅菌（SIP）方式（121~134℃、0.1~0.2 MPa 蒸汽滅菌 20~30 分鐘），部分場(chǎng)景需配合在線清洗（CIP），pH 傳感器需適配這兩種工藝：① 傳感器整體需具備 SIP 兼容性，敏感膜、參比電極、電纜接口等部件均需耐受反復(fù)滅菌（通常要求可耐受 1000 次以上 121℃ 滅菌）；② 參比電極需采用“雙液接"設(shè)計(jì)，內(nèi)液接界與發(fā)酵液隔離，避免滅菌時(shí)高溫蒸汽破壞參比體系，同時(shí)防止培養(yǎng)基成分污染參比液；③ 電纜接口需采用密封式航空插頭，滅菌時(shí)需套上專(zhuān)用密封帽，防止蒸汽侵入電纜內(nèi)部導(dǎo)致短路或絕緣性能下降；CIP 清洗時(shí)，傳感器需能耐受酸堿清洗液（如 0.5% 氫氧化鈉溶液、1% 硝酸溶液）的浸泡，且表面無(wú)殘留。

二、長(zhǎng)期穩(wěn)定性保障：應(yīng)對(duì)復(fù)雜發(fā)酵環(huán)境的核心策略

發(fā)酵罐內(nèi)環(huán)境復(fù)雜：高溫滅菌的反復(fù)沖擊、培養(yǎng)基中高濃度糖分/蛋白質(zhì)/鹽類(lèi)的侵蝕、微生物代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸/生物堿導(dǎo)致的 pH 劇烈波動(dòng)、攪拌槳帶來(lái)的機(jī)械磨損，均會(huì)影響 pH 傳感器的穩(wěn)定性。傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性需通過(guò)“電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化、抗污染設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)與維護(hù)策略"三大維度保障，確保在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)（數(shù)十小時(shí)至數(shù)天）測(cè)量誤差≤±0.1 pH。

（一）電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化：提升抗沖擊與抗干擾能力

電極是傳感器的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接決定穩(wěn)定性：① 工作電極采用“低阻抗玻璃膜"（阻抗＜100 MΩ），這類(lèi)膜響應(yīng)速度快（≤20 秒），且在高溫滅菌后性能衰減慢，能長(zhǎng)期維持穩(wěn)定的氫離子響應(yīng)；玻璃膜表面需進(jìn)行“增強(qiáng)耐磨損處理"（如涂覆納米陶瓷涂層），減少攪拌槳帶來(lái)的機(jī)械磨損；② 參比電極采用“凝膠型參比體系+大孔徑液接界"，凝膠型參比液（如 3M KCl 凝膠）不會(huì)因高溫滅菌導(dǎo)致體積膨脹泄漏，大孔徑液接界（孔徑＞10 μm）能減少培養(yǎng)基中蛋白質(zhì)、多糖等大分子物質(zhì)的堵塞，確保參比電位穩(wěn)定；③ 內(nèi)置高精度溫度補(bǔ)償電極（如 PT1000），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)酵液溫度并修正 pH 測(cè)量值，避免溫度變化（發(fā)酵過(guò)程中因微生物代謝放熱，溫度可能升高 5~10℃）導(dǎo)致的誤差。

（二）抗污染設(shè)計(jì)：阻斷污染物對(duì)電極的侵蝕

培養(yǎng)基中的蛋白質(zhì)、多糖、微生物代謝產(chǎn)物等易吸附在電極表面，形成“污染膜"，導(dǎo)致響應(yīng)遲鈍、數(shù)據(jù)漂移?？刮廴驹O(shè)計(jì)需從“表面改性、自動(dòng)清潔"兩方面入手：① 電極表面進(jìn)行“疏水性改性"（如涂覆聚四氟乙烯涂層），降低蛋白質(zhì)、多糖的吸附能力，減少污染膜形成；② 配備“在線自動(dòng)清潔裝置"，常見(jiàn)類(lèi)型包括：超聲波清潔（發(fā)酵間隙開(kāi)啟，頻率 20~40 kHz，每次清潔 30 秒，去除表面吸附物）、蒸汽清潔（利用 SIP 滅菌的蒸汽，對(duì)電極表面進(jìn)行高溫吹掃）、化學(xué)清潔（定期通入微量清潔液，如稀鹽酸溶液，溶解表面沉積物）；③ 采用“流通式測(cè)量"結(jié)構(gòu)（適用于高黏度培養(yǎng)基），通過(guò)泵將發(fā)酵液循環(huán)流經(jīng)傳感器測(cè)量腔，避免高黏度培養(yǎng)基在電極表面堆積。