世界各地的啤酒狂熱愛好者都知道口味獨(dú)特且非常受歡迎的比利時(shí)啤酒商——Duvel Moortgat（督威）啤酒廠生產(chǎn)的啤酒，從金黃Ales啤酒到Trappist啤酒。然而，能夠生產(chǎn)這些口味獨(dú)特的啤酒，沒有資金的投入是不可能做到的。
督威啤酒廠的生產(chǎn)工藝與其它啤酒廠的生產(chǎn)工藝不同，它采用了pH值控制技術(shù)，而其它廠家采用的是電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)。督威啤酒廠在采用pH計(jì)時(shí)也曾遇到過一些應(yīng)用挑戰(zhàn)，下面將介紹督威啤酒廠是如何通過使用新的長(zhǎng)壽命pH傳感器來克服這些挑戰(zhàn)的。這種長(zhǎng)壽命pH傳感器在全球許多食品飲料行業(yè)都取得了成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。
釀造工藝中的pH值控制
在釀造工藝的多個(gè)環(huán)節(jié)，pH值測(cè)量都起著非常重要的作用。在糊化過程，pH值影響酶的活性，決定淀粉轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵糖的效率。在釀造罐，監(jiān)測(cè)麥芽的pH值可以確定啤酒花的溶解性，進(jìn)而控制影響人的身體、味覺、以及影響啤酒透明度的各種因素。在灌裝工序，監(jiān)測(cè)啤酒的pH值可以確保最終進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)的產(chǎn)品的質(zhì)量，即用于灌裝啤酒的容器不能含任何化學(xué)清洗成分。
督威啤酒釀造工藝有多個(gè)pH值檢測(cè)點(diǎn)，這些測(cè)點(diǎn)的測(cè)量結(jié)果有助于操作人員確定工序是處于釀造階段，還是處于酸堿液在線清洗（CIP）階段、或者啤酒水沖洗階段。督威的釀造工藝：麥芽首先快速加熱至90C，并維持90 分鐘時(shí)間，在麥芽冷卻后，用啤酒水將麥芽送至發(fā)酵容器。通常，釀造工藝是以電導(dǎo)率作為臨界控制點(diǎn)，根據(jù)電導(dǎo)率值的變化，確定什么時(shí)候麥芽進(jìn)入下一個(gè)工序，是否需要大量的進(jìn)水。但是，要優(yōu)化工藝過程，就需要更加嚴(yán)格的控制參數(shù)，如果太多的水進(jìn)入發(fā)酵容器，則為了得到高品質(zhì)的啤酒，必將需要更多的加工工序。
然而，作為督威品牌，麥芽的電導(dǎo)率值和沖洗水的電導(dǎo)率值沒有什么差別，但是，兩種溶液的pH值卻明顯不同。因此，采用pH值控制可以正確區(qū)分兩個(gè)工序，確保沒有大量的進(jìn)水，從而保證啤酒的質(zhì)量。在該應(yīng)用中，由于pH傳感器要長(zhǎng)時(shí)間地暴露在熱的腐蝕性溶液里，所以pH傳感器的壽命縮短。這是因?yàn)槿绻鹥H傳感器長(zhǎng)時(shí)間受到強(qiáng)烈的熱沖擊，會(huì)導(dǎo)致傳感器的玻璃球膜破裂，進(jìn)而傳感器失效。此外，如果傳感器的參比電極液接面積較小，則參比電極容易被污物覆蓋，導(dǎo)致傳感器響應(yīng)遲緩，測(cè)量偏差大。有些應(yīng)用，如果溶液中含有硫化物，則這種溶液會(huì)導(dǎo)致參比電極嚴(yán)重?fù)p壞，進(jìn)而產(chǎn)生測(cè)量偏差。
每3天壞一個(gè)傳感器
督威啤酒廠在以往使用pH傳感器過程中，曾遇到一些問題。最初，pH傳感器的使用壽命是2-4周，后來，由于工廠的產(chǎn)能提高，酸堿液在線清洗（CIP）的流速增加了33%。從此以后，pH傳感器的使用壽命只能維持2-3天，工藝人員不得不停止了pH測(cè)量，而改用電導(dǎo)率測(cè)量。這樣做，雖然消除了熱和腐蝕的影響，但是，由于麥芽的電導(dǎo)率和沖洗水的電導(dǎo)率差別太小，使得工藝無法準(zhǔn)確區(qū)分兩個(gè)工序，不能保證督威啤酒的品牌質(zhì)量，所以，很快這一做法被放棄。督威啤酒廠的技術(shù)人員只好通過人工的方法，區(qū)分兩個(gè)工序，即派一名技術(shù)人員，監(jiān)督由工藝管線流入現(xiàn)場(chǎng)玻璃杯中溶液的狀況，以此來區(qū)分兩個(gè)工序，并手動(dòng)關(guān)閉閥門。正如評(píng)論員所說：“技術(shù)人員非常不開心”。
人工/手動(dòng)控制生產(chǎn)是不能維持的，督威啤酒廠的技術(shù)人員開始尋找長(zhǎng)壽命的pH傳感器。艾默生的PERpH-X高性能pH傳感器是他們?cè)u(píng)估后選擇的一個(gè)產(chǎn)品。在開始測(cè)試時(shí)，技術(shù)人員曾對(duì)PERpH-X的性能持懷疑態(tài)度，因?yàn)椋饲八麄儨y(cè)試了多個(gè)品牌傳感器，最長(zhǎng)的使用壽命不到一周！技術(shù)人員先安裝了一臺(tái)PERpH-X傳感器，之后他們驚喜地發(fā)現(xiàn)，不經(jīng)意中，該傳感器居然使用了3個(gè)多月！在它最終失效后，督威啤酒廠的技術(shù)人員與艾默生聯(lián)系，要求再更換1臺(tái)傳感器。這次更令他們驚奇的是，當(dāng)艾默生技術(shù)人員給傳感器參比電極填充了電解液后，這臺(tái)傳感器又恢復(fù)了工作。只用了不到10分鐘的時(shí)間，一填充完電解液，pH控制回路又恢復(fù)至自動(dòng)控制狀態(tài)！
無需再說什么，督威啤酒廠已經(jīng)看到相當(dāng)大的差異，從此以后，釀造工藝不再需要每隔3-7天換一個(gè)pH傳感器，極大地降低了設(shè)備運(yùn)行成本，縮短了儀表安裝時(shí)間，更重要的是現(xiàn)在可以確保由測(cè)量參數(shù)精確控制工藝過程，節(jié)省了技術(shù)人員的寶貴時(shí)間，減少了技術(shù)人員的無效勞作。
工作原理
在測(cè)試前，督威啤酒廠的技術(shù)人員對(duì)所謂長(zhǎng)壽命傳感器持懷疑態(tài)度并不奇怪。過去這些年，盡管pH傳感器的設(shè)計(jì)在不斷改進(jìn)，但是近一個(gè)世紀(jì)，pH測(cè)量的基本原理沒有變。因?yàn)樵诮^大多數(shù)情況下，pH傳感器的性能是可靠的，只是在高溫或污濁的被測(cè)溶液中，pH傳感器的反應(yīng)滯后，測(cè)量不可靠。
pH傳感器采用特殊成分的、對(duì)pH值具有敏感特性的玻璃材料，當(dāng)其與被測(cè)溶液接觸時(shí)，玻璃電極產(chǎn)生與被測(cè)溶液pH值成比例的電極電位（毫伏電壓信號(hào)）。市場(chǎng)上也有非玻璃材質(zhì)的pH傳感器，但是，在極端溫度，這種傳感器通常測(cè)量不準(zhǔn)確，而且，如果用于酸堿液在線清洗工藝過程，其壽命縮短。與有些食品飲料行業(yè)不同，由于在整個(gè)啤酒釀造工藝中，有多個(gè)過濾步驟，所以，啤酒釀造要使用玻璃傳感器。
pH值測(cè)量還取決于參比電極，參比電極的作用是在某一給定溫度下，維持恒定的參比電位。玻璃電極和參比電極共同構(gòu)成pH測(cè)量電路，玻璃電極和參比電極的電位差（毫伏電壓信號(hào)）與被測(cè)溶液的pH值成比例。
此外，pH值隨被測(cè)溶液的溫度不同而變化，極端溫度會(huì)加速電極的老化，導(dǎo)致電極頂部的填充液凍結(jié)或沸騰，從而使玻璃破裂。玻璃老化進(jìn)而使傳感器響應(yīng)遲緩。
通常，參比電極是銀-氯化銀電極，即在銀絲上鍍上一層氯化銀，然后懸吊在氯化鉀溶液中。要得到精確的pH值測(cè)量，氯化鉀填充液就必須不能被污染，同時(shí)，參比電極要通過被測(cè)溶液，與玻璃電極連接，形成測(cè)量電路。如果被測(cè)溶液粘稠或者含有一定濃度的離子，則上述兩個(gè)條件就很容易得不到滿足，從而在參比電極液體接界（電解液滲透膜）形成沉淀的覆著物，毒化填充的電解液。
長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)
新的長(zhǎng)壽命傳感器設(shè)計(jì)沒有改變pH傳感器的基本測(cè)量原理，而是對(duì)每個(gè)易損壞的部件進(jìn)行了改進(jìn)。科研人員首先在高溫工況下，研究pH敏感玻璃材料的老化機(jī)理。有趣的是他們發(fā)現(xiàn)：絕大多數(shù)老化出現(xiàn)在pH敏感玻璃的凝膠層，根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，科研人員離析、研制出耐高溫的凝膠層。這一研究成果使他們開發(fā)出超常耐高溫（高達(dá)155C）的pH玻璃電極，將由于熱應(yīng)力或撞擊產(chǎn)生的玻璃破損因素降到最低，并且，改善傳感器的響應(yīng)速度。通常，這種長(zhǎng)壽命的傳感器在極端溫度工況下使用數(shù)個(gè)月后，還能保持精確地測(cè)量。此外，艾默生還增加了一些保護(hù)設(shè)計(jì)，如在玻璃電極下端球膜處，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶槽的卡環(huán)，其作用是保護(hù)玻璃球膜免受過程流體（含顆粒物）的直接沖擊。以上對(duì)玻璃電極的設(shè)計(jì)改進(jìn)，使督威啤酒廠深刻感受到pH傳感器性能的變化。
pH傳感器的絕大多數(shù)故障都是前面提到的、由于參比電極的電解液被污染、或參比電極的液體接界（電解液滲透膜）被堵塞所造成的。長(zhǎng)壽命傳感器的設(shè)計(jì)解決了這個(gè)問題，該傳感器使用特殊設(shè)計(jì)的多孔Teflon液體接界，液體接界的表面積較大，孔隙率較高，從而保證參比電極與被測(cè)溶液具有良好的接觸，且抗堵塞能力強(qiáng)，即使傳感器用在比較污濁的液體，其也能保持穩(wěn)定的參比信號(hào)。其次，參比電極的電解液是氯化鉀凝膠液，具有一定的化學(xué)粘滯阻力，可以抵抗由于溫度、壓力變化造成的參比路徑堵塞現(xiàn)象。此外，內(nèi)參比電極的液體接界（電解液滲透膜）是陶瓷材質(zhì)，孔徑小，孔隙率低，所以抗中毒能力強(qiáng)，從而降低對(duì)主參比電極液體接界（電解液滲透膜）的損耗，延長(zhǎng)傳感器的整體壽命。總之，長(zhǎng)壽命pH傳感器設(shè)計(jì)綜合了參比電極液體接界的兩個(gè)特性，即高孔隙率液體接界的測(cè)量精度（高）和低孔隙率的液體接界的使用壽命（長(zhǎng)）。
為了進(jìn)一步延長(zhǎng)傳感器的使用壽命，在設(shè)計(jì)上還考慮了可以更換被堵塞的參比電極液體接界（電解液滲透膜），重新填充電解液，這樣能夠使絕大多數(shù)失效的傳感器得以再生。重要的是傳感器還配制了多種特殊的電解液，以便在一些特定應(yīng)用中，能夠優(yōu)化傳感器的性能，如：抗生物膜電解液；抗油脂電解液；抗結(jié)垢電解液等。此外，傳感器的護(hù)套是抗化學(xué)腐蝕的、耐熱的Ryton和鈦材。
