溶氧电极的工作原理及其使用

在发酵工程中，氧气浓度对于发酵能否成功起着至关重要的作用。然而，溶氧电极对

氧气的溶解量有重要作用。因此，为了更好的发酵，这就需要对溶氧电极有着深入的了解。

溶氧电极在其他方面也有着重要的应用。

本文主要介绍了溶氧电极的工作原理及其使用，

同

时介绍了其技术指标。

 关键词：

溶氧；电极；原理；使用

1

引言

 溶氧（DO）是溶解氧

(DissolvedOxygen)

的简称

,是表征水溶液中氧的浓

度的参数。溶氧电极是一种基于极谱原理的测定溶解在液体中的氧的电流型电

极。测定

DO

的方法有多种：如化学Winkler法，电极方法，质谱仪等。这里

主要介绍电极方法。溶氧电极zui早是由Clark(1956)发明的。它是由一透气薄

膜复盖的电流型电极。

DO

电极可分为两类：原电池（Galvanic）型和极谱(Polargrafic)型。

 2

溶氧电极原理

 2.1

 DO电极测定原理

 2.1．1

原电池型

 原电池型：一般由贵金属，如白金、金或银构成阴极；由铅构成阳极。在电解质如KCl或醋酸铅存在下便形成PbCl2或Pb(AcO)

2，原电池型电极无需外加电压。

 2.1.2

极谱型电极

 极谱型电极需要外加

0.6-0.8V

的极化电压。一般由贵金属，如白金或金构成

阴极；

由银构成阳极。

极谱型电极需外加一恒定的电压，电解质参与了反应，

因

此，在一定的时间间隔必须补充电解质。

 2.2 DO

电极工作原理

 水中的氧必须透过薄膜达到阴极的表面才能被电极还原。

因此，

氧在扩散到

阴极表面需克服一些阻力，

其中zui为重要的是靠近薄膜的液膜阻力和薄膜本身的

阻力。

对原电池型的电极，

非常重要的一点是主要阻力应落在薄膜上，

即薄膜的

阻力远大于液膜阻力，

这样被测液体的流动引起的阻力的变化对氧扩散的影响可

以减到zui小。因此，从式（1）可以看出测氧实质上是测定氧的扩散速度。

 IS=NFA(Pm/dm)P0式中IS

为输出电流，N为氧被还原所得电子数，F为法拉第常数，A为阴极表面积，Pm

塑料膜的扩散系数，dm为膜的厚度，P0为被测液体中的氧的分压。基于

这一原理，原电池型电极在测量粘稠的发酵液中的

DO时，应尽量使用厚一点的

薄膜，这样可使液膜阻力的变化，从而输出电流的波动小一些。对极谱型电极，

则流体运动对电极的输出没有影响。

 3. DO

电极的技术指标

 3.1

稳定性

 稳定性指当被测DO不变，电流输出应长期不变，否则这种电极就无法使用。但实际上电极输出的漂移是难免的，一般，其标准随时间偏差在SD=0.1%/d是允许的。当然SD越小越好。

 3.2

耐灭菌性能

 耐灭菌性能要求能耐131℃1h高压蒸汽灭菌。

 3.3

响应时间

 响应时间是指电极输出跟踪溶氧浓度的变化的速度，是电极灵敏度的衡量，

以响应95%或90%

所需时间为指标。一般在30s~2min。对以连机在线测定，要求

灵敏度高一些好。对原电池型电极，常时间发酵对象则90%响应时间在3min以内也是可行的。

测量可将电极反复置于无氧水与空气中，

在罐内请水中反复通入

纯氮气与空气测量。

 3.4

电极的工作寿命

 电极的工作寿命指换一次电解质能维持正常测定的时间，当然越长越好，一

般至少1个月以上，好的电极可以达到一年以上。至于电极的寿命应不低于3-5年。3.5残余电流

 残余电流是指液体中无或零氧状态下的电极输出，当然越小越好，一般允许

在1%以下。这可置于无氧水中或通入氮气测量。

 3.6

线性范围

 线性范围是指与电极输出成正比的溶氧浓度范围，当然越宽越好，一般允许

在0-50%纯氧范围。

 4

．溶氧电极的应用

 4.1

溶氧电极盐分补偿建模

 氧在水中的溶解度随水中盐份含量的增加而减少

,在实际应用中当含盐量(以溶液总体含盐克数表示)在35g/L以下时可合理地认为上述关系呈线性。表1给出每1g/L含盐量在校正时减去校正值即ΔCs。所以当水中含盐量为ng/L时水中氧的溶解度等于纯水中相应的溶解度减去nΔCs。其中Solid为1g/L盐度对于溶氧值的影响量t为温度值℃。

 4.2

溶氧电极检测部分硬件系统

 氧传感器硬件系统由膜式溶氧电极

,稳压电源和信号预处理三部分组成。

通过

膜式溶氧电极检测溶液溶氧

,稳压电源部分主要供给溶氧电极01735V的极化电压和±5V的集成电路电压。信号预处理器由放大器、滤波器等构成可对溶氧电极所测得的电流信号进行放大和滤波等调理、以使其适用于后续器件其具体包含

两部分:电流、电压转换器和差动放大电路。电流

-

电压转换器将溶氧传感器输出的nA级信号转变成为电压信号

,再通过差动放大电路将其放大至1～2V,这样便于数据采集卡的信号采集。之后通过PC的程序进行数据处理与补偿即可进行在线检测。

 4.3

氧分压或张力

(Dissolved Oxygen Tension ,

简称

DOT)以大气压或mm汞柱表示，100％空气饱和水中的DOT为0.2095×760 = 159(mmHg柱)。这种表示方法多在医疗单位中使用。

 4.4

浓度以mg O2/L纯水或ppm表示。这种方法主要在环保单位应用较多。用Winkler氏化学法可测出水中溶氧的浓度，但用电极法不行，除非是纯水。

 为此，发酵行业只用第三种方法，空气饱和度(％)来表示。这是因为在含有溶质，特别是盐类的水溶液，

其氧浓度比纯水低，但用氧电极测定时却基本相同。用化学法测发酵液中的DO也不现实，因发酵液中的氧化还原性物质对测定有干扰。因此，采用空气饱和度％表示。这只能在相似的条件下，在同样的温度、罐压、通气搅拌下进行比较。这种方法能反映菌的生理代谢变化和对产物合成的影

响。因此，在应用时，必需在接种前标定电极。方法是在一定的温度、罐压和通

气搅拌下以消后培养基被空气百分之一百饱和为基准。

4.5 DO

定位

一般在培养基灭菌后，发酵前DO电极需标定。起方法是在搅拌，通气和培养温度下将电流输出调到

100,

待其稳定后便接种，接种后边不能再动，直到发酵

结束。一般无法在发酵期间进行在标定。

要考察DO电极是否工作正常，

从以下一些现象可以判断。暂停搅拌或加糖，补料，加油，补水均会有反应。漂移和膜堵塞是DO电极在使用中面临的主要问题。经过消毒后，电极输出很难做重现。因此，电极需要经常校正。电解质中有机溶剂的蒸发是常见的问题，

会导致电极性能的提早衰退。