pH計介紹-發(fā)酵pH計的應(yīng)用、原理、電極組成百科

　　一、什么是pH計？
 

　　??pH計??(又稱酸度計)是一種用于??精確測量溶液酸堿度（pH值）??的電子儀器，其核心功能是通過電化學(xué)方法將溶液中氫離子(H?)的活度轉(zhuǎn)化為可讀的pH數(shù)值。pH值是衡量溶液酸性(pH < 7)、中性(pH = 7)或堿性(pH > 7)的關(guān)鍵參數(shù)，定義為氫離子活度的負(fù)對數(shù)：??pH = -log[H?]??([H?]為氫離子摩爾濃度)。
 

　　pH計的工作原理基于??電位分析法??——通過一對特殊電極(??指示電極??和??參比電極??)組成原電池，測量兩極間的??電動勢（電位差）??，該電位差與溶液pH值呈線性關(guān)系(能斯特方程)，再經(jīng)儀器內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換并顯示為pH數(shù)值。現(xiàn)代pH計通常采用??復(fù)合電極??(指示電極與參比電極一體化設(shè)計)，簡化了操作并提升了穩(wěn)定性。
 

　　二、發(fā)酵pH計的應(yīng)用
 

　　發(fā)酵pH計是??生物發(fā)酵工程中在線監(jiān)測與控制工具??，主要用于實時監(jiān)控發(fā)酵過程中培養(yǎng)液pH的動態(tài)變化，并通過自動調(diào)節(jié)維持最適pH環(huán)境，直接影響微生物生長、代謝途徑及目標(biāo)產(chǎn)物的合成效率。其核心應(yīng)用場景包括：
 

　　1. 實時監(jiān)測發(fā)酵液pH動態(tài)
 

　　在發(fā)酵過程中，微生物分解底物(如糖類、蛋白質(zhì))會產(chǎn)生酸性或堿性代謝產(chǎn)物(如乳酸、乙酸導(dǎo)致pH下降；氨釋放導(dǎo)致pH上升)，或因營養(yǎng)消耗(如銨鹽減少)改變pH。發(fā)酵pH計通過浸入發(fā)酵液的??在線pH電極??，每秒至每分鐘采集一次pH數(shù)據(jù)，幫助操作人員或控制系統(tǒng)掌握pH的實時波動(例如：細(xì)菌發(fā)酵初期pH可能快速下降至5.0，隨后因代謝適應(yīng)回升至6.5~7.0)。
 

　　2. 自動控制pH穩(wěn)定在最適范圍
 

　　不同微生物對pH的耐受范圍不同(如酵母最適pH 4.5~5.5，大腸桿菌最適pH 6.5~7.5)，且pH偏離最適值會抑制酶活性、破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)、降低營養(yǎng)吸收效率，甚至引發(fā)菌體自溶或產(chǎn)物合成中斷。發(fā)酵pH計與??自動加酸（如H?SO?、HCl）/加堿（如NaOH、KOH）系統(tǒng)??或??補料系統(tǒng)??(如補糖調(diào)節(jié)碳源、補氨水調(diào)節(jié)氮源)聯(lián)動，當(dāng)檢測到pH超出預(yù)設(shè)閾值(如±0.2~0.3)時，自動觸發(fā)調(diào)節(jié)裝置，確保pH始終維持在微生物生長和產(chǎn)物合成的最佳區(qū)間(例如：青霉素發(fā)酵需嚴(yán)格控制pH 6.5~7.0以促進次級代謝產(chǎn)物積累)。
 

　　3. 保障發(fā)酵工藝的穩(wěn)定性與重復(fù)性
 

　　pH是發(fā)酵過程中的??關(guān)鍵控制參數(shù)??之一，其波動可能導(dǎo)致代謝流轉(zhuǎn)向副產(chǎn)物合成(如乳酸過量積累抑制目標(biāo)產(chǎn)物生成)，或影響發(fā)酵周期與產(chǎn)量。通過發(fā)酵pH計的精準(zhǔn)監(jiān)測與調(diào)控，可減少人為干預(yù)誤差，保證不同批次發(fā)酵條件的一致性，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量(如抗生素效價、氨基酸純度)和生產(chǎn)效率(如縮短發(fā)酵時間、提高產(chǎn)物得率)。
 

　　4. 輔助工藝優(yōu)化與故障診斷
 

　　結(jié)合其他參數(shù)(如溶解氧、溫度、攪拌轉(zhuǎn)速)，pH的變化趨勢可反映發(fā)酵過程中的潛在問題(例如：pH持續(xù)快速下降可能提示碳源過量或氮源不足；pH異常升高可能因滅菌不導(dǎo)致雜菌污染)。發(fā)酵工程師可通過分析pH數(shù)據(jù)優(yōu)化補料策略(如分批補糖控制pH平穩(wěn))、調(diào)整通氣量(影響代謝途徑)或排查污染風(fēng)險，推動發(fā)酵工藝向“智能化、精細(xì)化”發(fā)展。
  

　　三、發(fā)酵pH計的原理
 

　　發(fā)酵pH計的核心原理是??電位法（離子選擇性電極法）??，通過測量由??氫離子選擇性電極（玻璃電極）??與??參比電極??組成的原電池的電動勢，結(jié)合能斯特方程計算溶液的pH值。具體過程如下：
 

　　1. 電極組成與工作原理
 

　　??指示電極（玻璃電極）??：核心部件為特殊的??敏感玻璃膜??(通常為鋰玻璃，厚度約0.1 mm)，膜表面存在可移動的鈉離子(Na?)，但對氫離子(H?)具有選擇性響應(yīng)。當(dāng)玻璃膜浸入待測溶液時，膜內(nèi)外氫離子活度差異會導(dǎo)致膜兩側(cè)產(chǎn)生??電位差（膜電位，E?）??，該電位差與溶液中氫離子活度的對數(shù)呈線性關(guān)系(符合能斯特方程)。
 

　　膜電位公式：E? = 常數(shù) + (2.303RT/F) × log[H?](25℃時，2.303RT/F ≈ 0.05916 V，即每變化1個pH單位，膜電位變化約59.16 mV)。
 

　　??參比電極??：通常為??銀/氯化銀（Ag/AgCl）電極??，其電位穩(wěn)定且不受待測溶液成分影響，提供恒定的參比電位(E?)。參比電極內(nèi)部填充飽和(KCl)溶液，通過鹽橋(多孔陶瓷或纖維)與發(fā)酵液接觸，確保離子導(dǎo)通。
 

　　??復(fù)合電極??：現(xiàn)代發(fā)酵pH計多采用??復(fù)合電極??(玻璃電極與參比電極一體化設(shè)計)，將兩者封裝于同一外殼中，僅通過一個電極帽浸入溶液，簡化了操作并避免了單獨使用時的液接電位干擾。
 

　　2. 原電池電動勢與pH計算
 

　　玻璃電極(指示電極)與參比電極浸入發(fā)酵液后，構(gòu)成一個原電池，其總電動勢(E)為參比電極電位(E?)與玻璃電極膜電位(E?)之差：
 

　　??E = E? - E???
 

　　將膜電位公式代入并結(jié)合能斯特方程整理后可得：
 

　　??E = E? - (2.303RT/F) × pH??
 

　　(E?為儀器常數(shù)，包含電極標(biāo)準(zhǔn)電位、液接電位等綜合因素)。
 

　　在25℃時，公式簡化為：??E = E? - 0.05916 × pH??(即電動勢每變化59.16 mV，對應(yīng)pH變化1個單位)。發(fā)酵pH計通過測量原電池的電動勢E，經(jīng)內(nèi)部電路反推計算出pH值，并顯示在屏幕上。
 

　　3. 溫度補償機制
 

　　由于能斯特方程中的斜率(2.303RT/F)與溫度(T)直接相關(guān)(溫度升高，斜率增大；例如30℃時斜率約為61.5 mV/pH)，且發(fā)酵過程通常在25~37℃范圍內(nèi)進行，因此發(fā)酵pH計內(nèi)置??溫度傳感器??(如熱敏電阻)，實時監(jiān)測溶液溫度并自動修正斜率，確保不同溫度下pH測量的準(zhǔn)確性(誤差通常控制在±0.01~0.02 pH單位)。
 

　　4. 校準(zhǔn)與維護
 

　　為保證測量精度，發(fā)酵pH計在使用前需用??標(biāo)準(zhǔn)緩沖液??(如pH 4.01、7.01、10.01)進行兩點或三點校準(zhǔn)，通過調(diào)整儀器內(nèi)部參數(shù)使測量值與標(biāo)準(zhǔn)緩沖液的已知pH值一致。此外，玻璃電極需定期清洗(避免蛋白質(zhì)、膠體污染導(dǎo)致響應(yīng)遲緩)并浸泡于保存液中(維持玻璃膜的水合層)，參比電極需檢查鹽橋是否堵塞(確保KCl溶液流通)。
 

　　總結(jié)
 

　　發(fā)酵pH計通過電位法實時監(jiān)測發(fā)酵液pH，結(jié)合自動控制技術(shù)維持微生物生長的最適酸堿環(huán)境，是保障發(fā)酵工藝穩(wěn)定性、提高產(chǎn)物產(chǎn)量與質(zhì)量的核心工具。其原理基于氫離子選擇性電極與參比電極的電位差，通過能斯特方程將電信號轉(zhuǎn)化為pH數(shù)值，并依賴溫度補償與定期校準(zhǔn)確保測量可靠性。