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溶氧電極的工作原理及其使用
摘要：
在發(fā)酵工程中，氧氣濃度對于發(fā)酵能否成功起著至關(guān)重要的作用。然而，溶氧電極對
氧氣的溶解量有重要作用。因此，為了更好的發(fā)酵，這就需要對溶氧電極有著深入的了解。
溶氧電極在其他方面也有著重要的應(yīng)用。
本文主要介紹了溶氧電極的工作原理及其使用，
同
時介紹了其技術(shù)指標(biāo)。
關(guān)鍵詞：
溶氧；電極；原理；使用
1
引言
溶氧（DO）是溶解氧
(DissolvedOxygen)
的簡稱
,是表征水溶液中氧的濃
度的參數(shù)。溶氧電極是一種基于極譜原理的測定溶解在液體中的氧的電流型電
極。測定
DO
的方法有多種：如化學(xué)Winkler法，電極方法，質(zhì)譜儀等。這里
主要介紹電極方法。溶氧電極zui早是由Clark(1956)發(fā)明的。它是由一透氣薄
膜復(fù)蓋的電流型電極。
DO
電極可分為兩類：原電池（Galvanic）型和極譜(Polargrafic)型。
2
溶氧電極原理
2.1
DO電極測定原理
2.1．1
原電池型
原電池型：一般由貴金屬，如白金、金或銀構(gòu)成陰極；由鉛構(gòu)成陽極。在電解質(zhì)如KCl或醋酸鉛存在下便形成PbCl2或Pb(AcO)
2，原電池型電極無需外加電壓。
2.1.2
極譜型電極
極譜型電極需要外加
0.6-0.8V
的極化電壓。一般由貴金屬，如白金或金構(gòu)成
陰極；
由銀構(gòu)成陽極。
極譜型電極需外加一恒定的電壓，電解質(zhì)參與了反應(yīng)，
因
此，在一定的時間間隔必須補充電解質(zhì)。
2.2 DO
電極工作原理
水中的氧必須透過薄膜達(dá)到陰極的表面才能被電極還原。
因此，
氧在擴散到
陰極表面需克服一些阻力，
其中zui為重要的是靠近薄膜的液膜阻力和薄膜本身的
阻力。
對原電池型的電極，
非常重要的一點是主要阻力應(yīng)落在薄膜上，
即薄膜的
阻力遠(yuǎn)大于液膜阻力，
這樣被測液體的流動引起的阻力的變化對氧擴散的影響可
以減到zui小。因此，從式（1）可以看出測氧實質(zhì)上是測定氧的擴散速度。
IS=NFA(Pm/dm)P0式中IS
為輸出電流，N為氧被還原所得電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)，A為陰極表面積，Pm
塑料膜的擴散系數(shù)，dm為膜的厚度，P0為被測液體中的氧的分壓?；?/p>
這一原理，原電池型電極在測量粘稠的發(fā)酵液中的
DO時，應(yīng)盡量使用厚一點的
薄膜，這樣可使液膜阻力的變化，從而輸出電流的波動小一些。對極譜型電極，
則流體運動對電極的輸出沒有影響。
3. DO
電極的技術(shù)指標(biāo)
3.1
穩(wěn)定性
穩(wěn)定性指當(dāng)被測DO不變，電流輸出應(yīng)長期不變，否則這種電極就無法使用。但實際上電極輸出的漂移是難免的，一般，其標(biāo)準(zhǔn)隨時間偏差在SD=0.1%/d是允許的。當(dāng)然SD越小越好。
3.2
耐滅菌性能
耐滅菌性能要求能耐131℃1h高壓蒸汽滅菌。
3.3
響應(yīng)時間
響應(yīng)時間是指電極輸出跟蹤溶氧濃度的變化的速度，是電極靈敏度的衡量，
以響應(yīng)95%或90%
所需時間為指標(biāo)。一般在30s~2min。對以連機在線測定，要求
靈敏度高一些好。對原電池型電極，常時間發(fā)酵對象則90%響應(yīng)時間在3min以內(nèi)也是可行的。
測量可將電極反復(fù)置于無氧水與空氣中，
在罐內(nèi)請水中反復(fù)通入
純氮氣與空氣測量。
3.4
電極的工作壽命
電極的工作壽命指換一次電解質(zhì)能維持正常測定的時間，當(dāng)然越長越好，一
般至少1個月以上，好的電極可以達(dá)到一年以上。至于電極的壽命應(yīng)不低于3-5年。3.5殘余電流
殘余電流是指液體中無或零氧狀態(tài)下的電極輸出，當(dāng)然越小越好，一般允許
在1%以下。這可置于無氧水中或通入氮氣測量。
3.6
線性范圍
線性范圍是指與電極輸出成正比的溶氧濃度范圍，當(dāng)然越寬越好，一般允許
在0-50%純氧范圍。
4
．溶氧電極的應(yīng)用
4.1
溶氧電極鹽分補償建模
氧在水中的溶解度隨水中鹽份含量的增加而減少
,在實際應(yīng)用中當(dāng)含鹽量(以溶液總體含鹽克數(shù)表示)在35g/L以下時可合理地認(rèn)為上述關(guān)系呈線性。表1給出每1g/L含鹽量在校正時減去校正值即ΔCs。所以當(dāng)水中含鹽量為ng/L時水中氧的溶解度等于純水中相應(yīng)的溶解度減去nΔCs。其中Solid為1g/L鹽度對于溶氧值的影響量t為溫度值℃。
4.2
溶氧電極檢測部分硬件系統(tǒng)
氧傳感器硬件系統(tǒng)由膜式溶氧電極
,穩(wěn)壓電源和信號預(yù)處理三部分組成。
通過
膜式溶氧電極檢測溶液溶氧
,穩(wěn)壓電源部分主要供給溶氧電極01735V的極化電壓和±5V的集成電路電壓。信號預(yù)處理器由放大器、濾波器等構(gòu)成可對溶氧電極所測得的電流信號進(jìn)行放大和濾波等調(diào)理、以使其適用于后續(xù)器件其具體包含
兩部分:電流、電壓轉(zhuǎn)換器和差動放大電路。電流
-
電壓轉(zhuǎn)換器將溶氧傳感器輸出的n*信號轉(zhuǎn)變成為電壓信號
,再通過差動放大電路將其放大至1～2V,這樣便于數(shù)據(jù)采集卡的信號采集。之后通過PC的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與補償即可進(jìn)行在線檢測。
4.3
氧分壓或張力
(Dissolved Oxygen Tension ,
簡稱
DOT)以大氣壓或mm汞柱表示，100％空氣飽和水中的DOT為0.2095×760 = 159(mmHg柱)。這種表示方法多在醫(yī)療單位中使用。
4.4
濃度以mg O2/L純水或ppm表示。這種方法主要在環(huán)保單位應(yīng)用較多。用Winkler氏化學(xué)法可測出水中溶氧的濃度，但用電極法不行，除非是純水。
為此，發(fā)酵行業(yè)只用第三種方法，空氣飽和度(％)來表示。這是因為在含有溶質(zhì)，特別是鹽類的水溶液，
其氧濃度比純水低，但用氧電極測定時卻基本相同。用化學(xué)法測發(fā)酵液中的DO也不現(xiàn)實，因發(fā)酵液中的氧化還原性物質(zhì)對測定有干擾。因此，采用空氣飽和度％表示。這只能在相似的條件下，在同樣的溫度、罐壓、通氣攪拌下進(jìn)行比較。這種方法能反映菌的生理代謝變化和對產(chǎn)物合成的影
響。因此，在應(yīng)用時，必需在接種前標(biāo)定電極。方法是在一定的溫度、罐壓和通
氣攪拌下以消后培養(yǎng)基被空氣百分之一百飽和為基準(zhǔn)。
4.5 DO
定位
一般在培養(yǎng)基滅菌后，發(fā)酵前DO電極需標(biāo)定。起方法是在攪拌，通氣和培養(yǎng)溫度下將電流輸出調(diào)到
100,
待其穩(wěn)定后便接種，接種后邊不能再動，直到發(fā)酵
結(jié)束。一般無法在發(fā)酵期間進(jìn)行在標(biāo)定。
要考察DO電極是否工作正常，
從以下一些現(xiàn)象可以判斷。暫停攪拌或加糖，補料，加油，補水均會有反應(yīng)。漂移和膜堵塞是DO電極在使用中面臨的主要問題。經(jīng)過消毒后，電極輸出很難做重現(xiàn)。因此，電極需要經(jīng)常校正。電解質(zhì)中有機溶劑的蒸發(fā)是常見的問題，
會導(dǎo)致電極性能的提早衰退。
在電極儲存過