第3章生化过程中化学及生物参数检测技术.ppt

阴极检测到的是O2到达阴极的速率，取决于它到达膜表面的速率、跨膜传递的速率及它从内膜表面传递到阴极的速率。忽略传感器内动态效应，O2达到阴极的速率与氧跨膜扩散速率、氧扩散至膜表面的速率相等，与氧传质总浓度驱动力成比例。假定膜内表面O2浓度可有效降为0，则扩散速率与发酵液中溶解氧成正比，阴极测定的电信号与发酵液中溶氧成正比。*第29页，共72页，星期日，2025年，2月5日二溶氧电极原理工业发酵过程需进行高温灭菌处理，因此测量溶氧采用耐高温消毒的带金属护套的玻璃极谱电极。原理如下图所示，是按照Clark原理设计的复膜电极，复膜是由聚四氟乙烯膜和聚硅氧烷膜复合而成，它既有高的氧分子渗透性，又有贮氧作用，可用来测量气体中的氧和溶解氧。包括一个阴电极(铂电极)和一个阳电极(银电极)，两电极之间通过电解质连接。*第30页，共72页，星期日，2025年，2月5日12345671阴极，2气体渗透膜，3外壳，4电解质，5阳极，6绝缘体，7电解质薄膜当两电极之间加一极化电压(0.6-0.8V)，有氧存在时，电极上将产生氧化还原反应：阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-阳极：4Ag+4Cl-→4AgCl+4e-由此可见，在两电极之间就会有电流产生*第31页，共72页，星期日，2025年，2月5日典型的极化曲线见下图。*第32页，共72页，星期日，2025年，2月5日当极化偏置电压一定时，电极极化电流的强弱与溶液中氧的分压呈线性关系，根据Fick定律有：i电极电流，k1常数，D膜中氧扩散系数，a膜材料氧浓度，A阴极表面积，X气体渗透膜厚度，pO2溶液中氧分压若电极材料一定，物理特性和尺寸一定，那么k1、D、a、A、X都确定，则：i=KpO2即电极电流与氧分压成正比关系。则可测定溶液中氧浓度。*第33页，共72页，星期日，2025年，2月5日由Henry定律可知，溶液中的氧浓度与其分压成正比CL=pO2aL其中：CL溶氧浓度，pO2氧分压，aL溶解度常数如果aL是常数，则电极电流信号可直接转化为溶液。但aL受温度和溶液组成的变化而改变。因此，用溶氧电极来测量发酵液中氧含量时，只有当罐内温度、压力及发酵液组成一定时才准确。*第34页，共72页，星期日，2025年，2月5日三溶氧电极的使用极谱电极在测量中的动态响应速度、稳定性、温度漂移特性都比较好，能适应工业发酵要求。典型电极性能如下：*第35页，共72页，星期日，2025年，2月5日*第36页，共72页，星期日，2025年，2月5日对电极寿命和稳定性影响最大的因素是发酵罐的高温灭菌。为了消除这种损害，一般采用电极保护套的方法，将溶氧电极装在可伸缩的保护套，灭菌后再推入发酵罐。电极安装在发酵罐中最合适的位置，能准确反映发酵液中溶氧的变化，其安装开孔不影响灭菌及留死角。一般安装在中部偏下，安装时要有一定的向下的倾斜角，防止安装口积液或清洗不到。溶氧电极的使用，需要注意四个方面：搅拌、温度、压力、以及电极校准。*第37页，共72页，星期日，2025年，2月5日1搅拌的影响由于溶氧电极在工作中存在明显的电流，自身消耗大量的氧。电极信号与氧向电极表面传递的速率成比例，而氧的速率受到跨膜扩散速率控制。这一速率与发酵液中氧的浓度成比例，其比值取决于总的传质过程。电极工作一般条件是，氧向膜外表面的传递速率很快且不受限制。整个过程受跨膜传递的限制，比例常数易维持恒定。故需合理搅拌以满足工作条件。*第38页，共72页，星期日，2025年，2月5日2温度的影响溶氧电极的信号随温度升高显著增强，这是因为温度影响氧扩散速率。因此在使用时要注意温度的影响。一些溶氧电极带有温度传感器等仪表，以实现自动温度补偿。在计算机控制的发酵罐，可以通过软件利用单独的温度传感器信号，自动进行溶氧补偿。*第39页，共72页，星期日，2025年，2月5日3压力的影响压力的变化会影响溶氧电极的读数，是因为增大了发酵液中氧分压。一般是因为压头的改变(出口滤器或管路压降产生)。可采用下列方法进行校准：在大气压下对电极进行校准；在预期的操作压力下对电极进行校准；根据氧分压或溶氧浓度给出所有结果，基于校准条件下的计算机进行校准，这些是影响电极响应的最直接的参数。*第40页，共72页，星期日，2025年，2月5日在对发酵罐接种之前需对溶氧电极进行校准，一般采用线性校准，包括零点和斜率的调节。零点是在向发酵罐通入大量的N2后进行设定。不用氮气校验则一般在灭菌后立即进行(Why?)。斜率、灵敏度和量程校准，在接种之前通入最大空气流量，并使搅拌速率设定在发酵期间的搅拌