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哈美頓光學(xué)溶氧傳感器電極 243666 應(yīng)用方案：生物發(fā)酵過程溶氧精準(zhǔn)監(jiān)測的全流程落地
上海儀器網(wǎng) / 2025-09-26

 一、方案背景與核心價值?

1.1 行業(yè)痛點直擊?
生物發(fā)酵中溶氧（DO）濃度直接影響微生物代謝與產(chǎn)物合成，但傳統(tǒng)電化學(xué)傳感器存在壽命短（6-12 個月）、精度衰減快（偏差 ±5%）、響應(yīng)滯后（預(yù)熱 15-30 分鐘）、交叉干擾嚴重等致命缺陷，導(dǎo)致發(fā)酵過程失控風(fēng)險高、維護成本占設(shè)備總價 30% 以上。?
1.2 傳感器核心優(yōu)勢?
哈美頓 243666（VisiFerm DO Arc 225 H2）基于氧依賴性發(fā)光淬滅原理，完美適配發(fā)酵場景需求：?
  • 精度卓越：25℃時測量精度達 ±0.05% vol（低濃度段）至 ±0.5% vol（高濃度段），每周漂移 < 1%；?
  • 免維護設(shè)計：無電解液、無氧消耗，奧多帽 H2 傳感器蓋更換周期長，壽命較傳統(tǒng)傳感器提升 3 倍以上；?
  • 強環(huán)境適配：耐受 140℃蒸汽滅菌、原位清洗（CIP），-1 至 12bar 壓力范圍，適配厭氧 / 好氧發(fā)酵全場景；?
  • 快速響應(yīng)：t98% 響應(yīng)時間 < 25 秒，溫度補償功能避免預(yù)熱等待。?
二、全流程落地實施指南?
2.1 前期適配規(guī)劃（發(fā)酵罐預(yù)調(diào)試階段）?

?

適配維度?
 
 
 
 
實施要點?
 
 
 
 
接口匹配?
 
 
 
 
采用 PG13.5 過程連接，確認發(fā)酵罐電極接口尺寸，加裝食品級 EPDM 膠圈確保密封；?
 
 
 
 
系統(tǒng)對接?
 
 
 
 
通過 4-20mA 模擬信號或 RS485 Modbus（支持 115200 Bd 速率）連接發(fā)酵控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時上傳；?
 
 
 
 
材質(zhì)兼容?
 
 
 
 
接液部件為 316L 不銹鋼（Ra<0.4μm）與 PTFE，適配抗生素、酵母、CHO 細胞等主流發(fā)酵體系。?
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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2.2 安裝與校準(zhǔn)規(guī)范（滅菌前準(zhǔn)備階段）?
2.2.1 安裝操作流程?
  1. 預(yù)處理：用超純水沖洗傳感器，檢查光學(xué)帽無破損，確認 2 個密封膠圈完好；?
  1. 定位安裝：垂直插入發(fā)酵罐電極插口，徒手擰緊螺扣（避免扳手損傷），確保與攪拌槳間距≥5cm，手動轉(zhuǎn)動槳葉測試無碰撞；?
  1. 管路核查：連接通氣環(huán)與傳感器監(jiān)測區(qū)域，確保氣流均勻覆蓋電極感應(yīng)面。?
2.2.2 精準(zhǔn)校準(zhǔn)方案（關(guān)鍵控制步驟）?

?

校準(zhǔn)場景?
 
 
 
 
操作方法?
 
 
 
 
注意事項?
 
 
 
 
新傳感器 / 換光學(xué)帽后?
 
 
 
 
兩點校準(zhǔn)法：1. 零點校準(zhǔn)：通入 99.99% 氮氣至信號穩(wěn)定，設(shè)為 0% air；2. 滿度校準(zhǔn)：通入飽和空氣，輸入實際壓力（P = 大氣壓 + 罐壓）與濕度，設(shè)為 100% air?
 
 
 
 
氮氣校準(zhǔn)需用流通池，避免直接通入發(fā)酵罐導(dǎo)致污染；壓力誤差 50mbar 將引發(fā) 5% 測量偏差；?
 
 
 
 
滅菌后 / 批次間隔?
 
 
 
 
一點斜率校準(zhǔn)：在發(fā)酵培養(yǎng)基中，維持攪拌 50rpm（細胞罐）/500rpm（微生物罐）、通氣穩(wěn)定后，將當(dāng)前值校準(zhǔn)為 100% air?
 
 
 
 
校準(zhǔn)前需確保培養(yǎng)基溫度與發(fā)酵設(shè)定溫度一致，信號穩(wěn)定≥3 分鐘；?
 
 
 
 
高耗氧發(fā)酵（如 CHO 細胞）?
 
 
 
 
過程校準(zhǔn)：通過 M400 變送器執(zhí)行 Process Scaling，接種前鎖定滿度值，確保補料階段精度?
 
 
 
 
需同步記錄 pH 值與溫度，避免交叉干擾影響校準(zhǔn)結(jié)果。?
 
 
 
 
 
 
 
 
 

?

2.3 發(fā)酵過程動態(tài)監(jiān)測（核心執(zhí)行階段）?
2.3.1 分階段監(jiān)測策略?

?

發(fā)酵階段?
 
 
 
 
監(jiān)測重點?
 
 
 
 
傳感器應(yīng)用價值?
 
 
 
 
種子培養(yǎng)期?
 
 
 
 
溶氧維持 15%-30% air，監(jiān)測接種后氧耗突變?
 
 
 
 
響應(yīng)速度 < 25 秒，及時捕捉微生物活化信號，避免延遲導(dǎo)致的接種失敗；?
 
 
 
 
對數(shù)生長期?
 
 
 
 
高頻波動（0-100% air），需聯(lián)動通氣 / 攪拌調(diào)控?
 
 
 
 
低漂移特性（每周 < 1%）確保補料時機精準(zhǔn)，如酵母發(fā)酵中避免溶氧低于 5% 抑制生長；?
 
 
 
 
產(chǎn)物合成期?
 
 
 
 
維持穩(wěn)定溶氧區(qū)間（如抗生素發(fā)酵需 5%-10% air）?
 
 
 
 
精度 ±0.2% vol 保障代謝環(huán)境穩(wěn)定，提升產(chǎn)物合成率 10%-15%；?
 
 
 
 
衰亡期?
 
 
 
 
監(jiān)測溶氧回升拐點?
 
 
 
 
為放罐時機提供精準(zhǔn)依據(jù)，減少產(chǎn)物降解風(fēng)險。?
 
 
 
 
 
 
 
 
 

?

2.3.2 異常處理機制?
  • 信號漂移：若讀數(shù)偏差超 ±3%，檢查光學(xué)帽污染情況，原位清洗后重新執(zhí)行一點校準(zhǔn)；?
  • 滅菌后無響應(yīng)：確認傳感器溫度恢復(fù)至 85℃以下（高溫時暫停讀數(shù)），重啟變送器連接；?
  • 厭氧發(fā)酵干擾：利用無 CO?/H?S 交叉干擾特性，直接監(jiān)測 0-5% air 低濃度區(qū)間，無需額外補償。?
2.4 后期維護與壽命優(yōu)化（批次后階段）?
  1. 即時維護：發(fā)酵結(jié)束后用超純水沖洗傳感器，擦干光學(xué)帽后儲存于干燥環(huán)境，避免保護液干涸；?
  1. 定期更換：奧多帽 H2 每 6-12 個月更換一次，更換后必須執(zhí)行兩點校準(zhǔn)；?
  1. 性能核查：每月通過空氣校準(zhǔn)（讀數(shù)應(yīng)接近 100%）與氮氣零點測試驗證傳感器性能，不合格及時更換。?
三、方案效果驗證與案例參考?
3.1 核心指標(biāo)提升?
  • 測量精度：從傳統(tǒng)傳感器 ±5% 降至 ±0.5% 以內(nèi)，滿足 FDA 對生物藥生產(chǎn)的 QbD 要求；?
  • 維護成本：年維護費用降低 60%，無需更換電解液與透氣膜；?
  • 發(fā)酵穩(wěn)定性：某抗生素企業(yè)應(yīng)用后，批次間產(chǎn)物濃度變異系數(shù)從 8% 降至 2.3%。?
3.2 典型應(yīng)用場景?
  • 微生物發(fā)酵：羅氏公司在 Basel 研發(fā)中心用其監(jiān)測微生物發(fā)酵，實現(xiàn)氧耗與產(chǎn)物合成的精準(zhǔn)關(guān)聯(lián)；?
  • 酵母發(fā)酵：配合細胞密度傳感器，優(yōu)化木糖醇發(fā)酵條件，yield 提升 12%；?
  • 細胞培養(yǎng)：CHO 細胞批次培養(yǎng)中，實時監(jiān)測溶氧波動，確保抗體表達量穩(wěn)定。?
四、擴展建議?
  1. 系統(tǒng)集成：聯(lián)動哈美頓 pH / 細胞密度傳感器，構(gòu)建多參數(shù)監(jiān)測體系，支持 PAT（過程分析技術(shù)）落地；?
  1. 數(shù)據(jù)建模：基于 Modbus 輸出的歷史數(shù)據(jù)，建立溶氧 - 產(chǎn)物合成動力學(xué)模型，實現(xiàn)預(yù)測性調(diào)控；?
  1. 合規(guī)管理：保留校準(zhǔn)記錄與傳感器序列號，滿足 GMP 審計中設(shè)備追溯要求。?

 

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