溶氧電極的工作原理及其使用

在發酵工程中，氧氣濃度對于發酵能否成功起著至關重要的作用。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

時介紹了其技術指標。

 關鍵詞：

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。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Winkler法，電極方法，質譜儀等。這里

主要介紹電極方法。溶氧電極zui早是由Clark(1956)發明的。它是由一透氣薄

膜復蓋的電流型電極。

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、金或銀構成陰極；由鉛構成陽極。在電解質如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，如白金或金構成

陰極；

由銀構成陽極。

極譜型電極需外加一恒定的電壓，電解質參與了反應，

因

此，在一定的時間間隔必須補充電解質。

 2.2 DO

電極工作原理

 水中的氧必須透過薄膜達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落在薄膜上，

即薄膜的

阻力遠大于液膜阻力，

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，F為法拉第常數，A為陰極表面積，Pm

塑料膜的擴散系數，dm為膜的厚度，P0為被測液體中的氧的分壓。基于

這一原理，原電池型電極在測量粘稠的發酵液中的

DO時，應盡量使用厚一點的

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

電極的技術指標

 3.1

穩定性

 穩定性指當被測DO不變，電流輸出應長期不變，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，其標準隨時間偏差在SD=0.1%/d是允許的。當然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

響應時間

 響應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95%或90%

所需時間為指標。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，常時間發酵對象則90%響應時間在3min以內也是可行的。

測量可將電極反復置于無氧水與空氣中，

在罐內請水中反復通入

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能維持正常測定的時間，當然越長越好，一

般至少1個月以上，好的電極可以達到一年以上。至于電極的壽命應不低于3-5年。3.5殘余電流

 殘余電流是指液體中無或零氧狀態下的電極輸出，當然越小越好，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，當然越寬越好，一般允許

在0-50%純氧范圍。

 4

．溶氧電極的應用

 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

,在實際應用中當含鹽量(以溶液總體含鹽克數表示)在35g/L以下時可合理地認為上述關系呈線性。表1給出每1g/L含鹽量在校正時減去校正值即ΔCs。所以當水中含鹽量為ng/L時水中氧的溶解度等于純水中相應的溶解度減去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

 氧傳感器硬件系統由膜式溶氧電極

,穩壓電源和信號預處理三部分組成。

通過

膜式溶氧電極檢測溶液溶氧

,穩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。信號預處理器由放大器、濾波器等構成可對溶氧電極所測得的電流信號進行放大和濾波等調理、以使其適用于后續器件其具體包含

兩部分:電流、電壓轉換器和差動放大電路。電流

-

電壓轉換器將溶氧傳感器輸出的nA級信號轉變成為電壓信號

,再通過差動放大電路將其放大至1～2V,這樣便于數據采集卡的信號采集。之后通過PC的程序進行數據處理與補償即可進行在線檢測。

 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。這種方法主要在環保單位應用較多。用Winkler氏化學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，發酵行業只用第三種方法，空氣飽和度(％)來表示。這是因為在含有溶質，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。用化學法測發酵液中的DO也不現實，因發酵液中的氧化還原性物質對測定有干擾。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、通氣攪拌下進行比較。這種方法能反映菌的生理代謝變化和對產物合成的影

響。因此，在應用時，必需在接種前標定電極。方法是在一定的溫度、罐壓和通

氣攪拌下以消后培養基被空氣百分之一百飽和為基準。

4.5 DO

定位

一般在培養基滅菌后，發酵前DO電極需標定。起方法是在攪拌，通氣和培養溫度下將電流輸出調到

100,

待其穩定后便接種，接種后邊不能再動，直到發酵

結束。一般無法在發酵期間進行在標定。

要考察DO電極是否工作正常，

從以下一些現象可以判斷。暫停攪拌或加糖，補料，加油，補水均會有反應。漂移和膜堵塞是DO電極在使用中面臨的主要問題。經過消毒后，電極輸出很難做重現。因此，電極需要經常校正。電解質中有機溶劑的蒸發是常見的問題，

會導致電極性能的提早衰退。