生物发酵罐 pH 传感器：无菌设计与长期稳定性保障

在生物发酵行业（如抗生素、疫苗、氨基酸、酶制剂生产）中，pH 值是调控微生物代谢、保障发酵过程稳定及产物质量的核心参数。发酵罐内的 pH 传感器需同时满足两大核心要求：一是无菌设计，杜绝传感器与发酵体系的接触部位成为污染源头（如杂菌侵入），否则会导致发酵失败、产物污染等严重后果；二是长期稳定性，发酵周期通常为数十小时至数天（如青霉素发酵周期约 6~8 天），传感器需在高温灭菌、高渗透压、复杂培养基环境下持续精准测量，避免因数据漂移导致工艺调控失误。

一、无菌设计：守住发酵体系的“无菌防线"

生物发酵的核心是“纯种培养"，杂菌污染会与生产菌株争夺营养、产生有毒代谢产物，导致产物收率下降甚至批次报废。pH 传感器作为插入发酵罐内的关键器件，其无菌设计需覆盖“安装接口、密封结构、灭菌兼容性"三大核心环节，形成全链条无菌防护。

（一）安装接口：符合卫生级标准的结构设计

传感器与发酵罐的连接接口是无菌防护的第-道关卡，需满足“易清洁、耐灭菌"要求：① 优先采用符合 3A、EHEDG 卫生级标准的法兰接口（如 DIN 11851 法兰），接口表面粗糙度 Ra≤0.8 μm，避免凹陷、缝隙等清洁死角，防止培养基残留滋生杂菌；② 接口需配备“蒸汽屏障"结构，即在传感器与法兰连接处设置独立的蒸汽通入通道，灭菌时通入高温蒸汽（121℃、0.1 MPa），形成无菌屏障，阻止外界空气或杂菌通过接口间隙侵入；③ 传感器插入深度需精准控制，通常伸出罐内壁 5~10 mm，既要确保敏感膜与发酵液充分接触，又要避免与搅拌桨碰撞，同时减少培养基在传感器根部的堆积。

某疫苗生产企业曾因采用普通螺纹接口连接 pH 传感器，接口缝隙处残留的培养基在发酵过程中滋生杂菌，导致连续 3 批疫苗发酵污染，直接经济损失超 50 万元。更换为卫生级法兰接口并增设蒸汽屏障后，污染问题解决。

（二）密封结构：零泄漏的双重密封设计

密封结构的核心目标是“阻止发酵液渗漏、防止外界杂菌侵入"，需采用“双重密封+耐灭菌材料"设计：① 密封件优先选用全氟弹性体（如 Kalrez）或氟橡胶（FKM），这类材料耐高温（可耐受 134℃ 反复灭菌）、耐培养基腐蚀（如酸、碱、有机溶剂），且不会释放有害物质污染发酵液；避免使用普通橡胶密封件，其在高温灭菌后易老化、变形，导致密封失效；② 采用“径向密封+轴向密封"双重结构：径向密封通过密封圈与传感器外壳的过盈配合，阻断径向泄漏通道；轴向密封通过压盖螺栓施加预紧力，使密封圈紧密贴合法兰端面，阻断轴向泄漏通道；③ 密封件安装时需确保无扭曲、无划痕，安装后需进行气密性测试（采用压力衰减法，压力维持 0.2 MPa，30 分钟内压力下降≤0.01 MPa 为合格）。

（三）灭菌兼容性：适配原位灭菌（SIP）与在线灭菌（CIP）

发酵罐通常采用原位灭菌（SIP）方式（121~134℃、0.1~0.2 MPa 蒸汽灭菌 20~30 分钟），部分场景需配合在线清洗（CIP），pH 传感器需适配这两种工艺：① 传感器整体需具备 SIP 兼容性，敏感膜、参比电极、电缆接口等部件均需耐受反复灭菌（通常要求可耐受 1000 次以上 121℃ 灭菌）；② 参比电极需采用“双液接"设计，内液接界与发酵液隔离，避免灭菌时高温蒸汽破坏参比体系，同时防止培养基成分污染参比液；③ 电缆接口需采用密封式航空插头，灭菌时需套上专用密封帽，防止蒸汽侵入电缆内部导致短路或绝缘性能下降；CIP 清洗时，传感器需能耐受酸碱清洗液（如 0.5% 氢氧化钠溶液、1% 硝酸溶液）的浸泡，且表面无残留。

二、长期稳定性保障：应对复杂发酵环境的核心策略

发酵罐内环境复杂：高温灭菌的反复冲击、培养基中高浓度糖分/蛋白质/盐类的侵蚀、微生物代谢产生的有机酸/生物碱导致的 pH 剧烈波动、搅拌桨带来的机械磨损，均会影响 pH 传感器的稳定性。传感器的长期稳定性需通过“电极结构优化、抗污染设计、校准与维护策略"三大维度保障，确保在整个发酵周期内（数十小时至数天）测量误差≤±0.1 pH。

（一）电极结构优化：提升抗冲击与抗干扰能力

电极是传感器的核心部件，其结构设计直接决定稳定性：① 工作电极采用“低阻抗玻璃膜"（阻抗＜100 MΩ），这类膜响应速度快（≤20 秒），且在高温灭菌后性能衰减慢，能长期维持稳定的氢离子响应；玻璃膜表面需进行“增强耐磨损处理"（如涂覆纳米陶瓷涂层），减少搅拌桨带来的机械磨损；② 参比电极采用“凝胶型参比体系+大孔径液接界"，凝胶型参比液（如 3M KCl 凝胶）不会因高温灭菌导致体积膨胀泄漏，大孔径液接界（孔径＞10 μm）能减少培养基中蛋白质、多糖等大分子物质的堵塞，确保参比电位稳定；③ 内置高精度温度补偿电极（如 PT1000），实时监测发酵液温度并修正 pH 测量值，避免温度变化（发酵过程中因微生物代谢放热，温度可能升高 5~10℃）导致的误差。

（二）抗污染设计：阻断污染物对电极的侵蚀

培养基中的蛋白质、多糖、微生物代谢产物等易吸附在电极表面，形成“污染膜"，导致响应迟钝、数据漂移。抗污染设计需从“表面改性、自动清洁"两方面入手：① 电极表面进行“疏水性改性"（如涂覆聚四氟乙烯涂层），降低蛋白质、多糖的吸附能力，减少污染膜形成；② 配备“在线自动清洁装置"，常见类型包括：超声波清洁（发酵间隙开启，频率 20~40 kHz，每次清洁 30 秒，去除表面吸附物）、蒸汽清洁（利用 SIP 灭菌的蒸汽，对电极表面进行高温吹扫）、化学清洁（定期通入微量清洁液，如稀盐酸溶液，溶解表面沉积物）；③ 采用“流通式测量"结构（适用于高黏度培养基），通过泵将发酵液循环流经传感器测量腔，避免高黏度培养基在电极表面堆积。