Эта статья обобщает многолетний опыт в создании систем управления для биореакторов. Цель изложения – поделиться некоторыми секретами в схемотехнике, преподнести конкретный «работающий» материал и привлечь тем самым внимание к этой теме молодых разработчиков, ежели таковые имеются.

Лабораторный фотобиореактор с датчиками pH и DO

Прежде всего речь идет не о лабораторных pH-метрах, а о измерительных системах стационарно расположенных в биореакторе и осуществляющих управление по поддержанию заданного значения pH. Относительно биореактора, что это такое и с чем его едят можно узнать здесь.

Особые условия эксплуатации предполагают непрерывный мониторинг на протяжении нескольких дней, а так же особые условия в измеряемой зоне (культуральная среда), где кроме датчика pH, есть также датчик растворенного кислорода DO и температуры. Еще одно особое условие – это стерилизация электродов паром при 120 ºC.

pH – электроды.

Ссылки на эту тему:

1. Практическое руководство - «Измерительные технологии pH»;
2. Рекомендации по выбору электродов;
3. InPro3030.

pH – электрод в электрическом смысле является источником ЭДС с высоким внутренним сопротивлением. У современных датчиков R ≈ 5 ÷ 1000 мОм и эта величина зависит от конструктивных особенностей электродов и от качества изготовления. После нескольких циклов стерилизации внутреннее сопротивление увеличивается и не востанавливется, тем самым уменьшается чувствительность электрода. Не вдаваясь в теорию pH-метрии, ЭДС, которую выдаёт электрод лежит приблизительно в диапазоне от – 400mV до + 400mV, что соответствует значению pH от 0 до 14 единиц. В практическом случае для ферментеров в режиме pH-статирования этот диапозон несколько уже и может иметь значение от – 250mV до +250mV.

Точность измерения pH для ферментеров в режиме культивации на практике в большинстве случаев достаточна на уровне 0.02 ед.pH Это имеет практическое значение для понимания такого фактора, как термокомпенсация при измерении pH.

Зависимость ЭДС в милливольтах от pH и температуры:

UpH(mV) = S · (pH – pH0);

• S - крутизна датчика с размерностью mV/градус;
• pH0 - изопотенциальная точка, для большинства датчиков имеет значение 7 ед.pH;

Зависимость крутизны от температуры упрощённая формула:

S = ((t °C – 10)/5) + 56;

Зависимость крутизны от температуры более детальная формула:

S = 2,3 · R · (273,15 + t °C) · 1000 / F;

R = 8,31441 (Дж⁄(моль∙К) - универсальная газовая константа;

F = 96485 (Кл·моль⁻¹) - постоянная Фарадея;

Рассмотрим практический пример влияния температуры на погрешность измерения pH.

Калибровка измерительной ячейки буферными растворами происходит при температуре 20°C, ферментация происходит при температуре 35°C, поддержание SetpH на уровне 7.5 ед.pH.

Значение ЭДС(SetpH) при 20°C = 29.0mV;
Значение ЭДС(SetpH) при 35°C = 30.5mV;

Погрешность в милливольтах составит ≈ 5%;
Погрешность в единицах pH составит ≈ 0.027;

Необходимо иметь в виду, что различные датчики имеют различное значение крутизны, но на практике для процессов ферментации нужны стерилизуемые датчики, исходные параметры которых приведены выше.