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(shí)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(shí)間間隔必須補(bǔ)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(kuò)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(diǎn)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(dòng)引起的阻力的變化對氧擴(kuò)散的影響可

以減到zui小。因此，從式（1）可以看出測氧實(shí)質(zhì)上是測定氧的擴(kuò)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(kuò)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(shí)，應(yīng)盡量使用厚一點(diǎn)的

薄膜，這樣可使液膜阻力的變化，從而輸出電流的波動(dòng)小一些。對極譜型電極，

則流體運(yùn)動(dòng)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(shí)際上電極輸出的漂移是難免的，一般，其標(biāo)準(zhǔn)隨時(shí)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(shí)間

 響應(yīng)時(shí)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(shí)間為指標(biāo)。一般在30s~2min。對以連機(jī)在線測定，要求

靈敏度高一些好。對原電池型電極，常時(shí)間發(fā)酵對象則90%響應(yīng)時(shí)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?dú)馀c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(shí)間，當(dāng)然越長越好，一

般至少1個(gè)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?dú)鉁y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(bǔ)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(shí)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(shí)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(shí)減去校正值即ΔCs。所以當(dāng)水中含鹽量為ng/L時(shí)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(dòng)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(dòng)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(bǔ)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?yàn)樵诤腥苜|(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(shí)卻基本相同。用化學(xué)法測發(fā)酵液中的DO也不現(xiàn)實(shí)，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(shí)，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(dòng)，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(bǔ)料，加油，補(bǔ)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(jī)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