生化过程中化学及生物参数检测技术(与“电极”有关的文档共72张).pptx

第3章生化过程中化学及生物参数检测技术第3章生化过程中化学及生物参数检测技术本章内容3.1pH的测量一概述二pH测量原理pH电极只对H+有响应
玻璃膜的结构由固定的带负电荷的硅酸晶格组成骨架(以GL-表示),晶格中存在体积较小,但活动能力较强的Na+,起导电作用。
玻璃电极长时间浸泡在水溶液中,膜的表面形成一层厚度为10-4mm～10-5mm的水化层。
玻璃的硅酸结构与H+结合键的强度远远大于Na+的强度(约1014倍),发生如下离子交换反应：H++Na+GL-=Na++H+GL-
当玻璃膜与试液接触时,由于外部试液与玻璃膜的外水化层,以及内参比溶液与玻璃膜的内水化层中,H+的浓度不同,H+从高浓度向低浓度扩散。
破坏界面附近原来正负电荷分布的均匀性。在两相界面附近形成双电层结构,产生相界电位(E外和E内)。
玻璃电极的膜电位等于二者之差,即E膜=E外-E内；膜电位的产生不是由于电子的得失和转移,而是离子交换和扩散的结果。9在实际使用中常用的pH电极均为复合电极，即pH电极与参考电极以及温度传感元件复合在一起。
现在，许多制造商可提供能够耐受加热灭菌的pH电极。原位灭菌时，一般在灭菌时需将电极安装在一个由发酵罐制造商提高的专用外壳，以使电极外部在灭菌时能耐受的压力。
11pH复合电极二pH传感器使用pH的精确测量需考虑的条件：
温度
温度影响pH，只有同一温度下测量值才能比较。
溶液的均一性
在悬浮液中，通过搅拌来达到物理化、学性质均一。
工业pH测量信号处理(1)校准(2)灭菌(3)校准的检查2维护(2)电极储存三温度补偿3.2溶氧的测量一溶氧测定原理1导管法2质谱仪法3电化学检测法(极谱分析法)最常用的溶氧检测方法是可蒸汽灭菌的电化学检测器。市售电极有电流电极和极谱电极两种。二者均用膜将电化学电池与发酵液隔开。对于溶氧测定，膜仅对O2有渗透，对其它干扰物则不能通过。
其原理是O2通过渗透膜从发酵液扩散到监测器的电化学电池，O2在阴极被还原时产生可被检测的电流或电压，这与O2到达阴极的速率成比例。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。二溶氧电极原理典型的极化曲线见下图。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：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。三溶氧电极的使用36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。1搅拌的影响2温度的影响3压力的影响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速率，等到测量值显示稳定，校准该读数为100%氧分压。校准时罐压应与发酵操作压力相同。3.3发酵罐内O2与CO2分压的测量一氧分析含氧混合气进入测量环室，氧气被磁场吸入水平管。
水平管绕有被加热的铂电阻丝的电桥线圈a、b，进入水平管的氧气受热温度升高，氧的磁化率随温度升高而降低，减弱磁场对氧的吸力。
变热的氧分子不断被冷却的氧分子所补充而排出磁场，因此在水平管中形成氧的对流，“热磁对流”，其强度随混合气中氧含量变化。
对流强度的改变，使桥臂线圈a、b产生不同程度的冷却，使桥臂电阻改变，由a、b接至电桥测量电路，在电桥中产生不平衡电流，电桥两端输出不平衡电压，该电压信号与氧含量成正比关系。二尾气CO2的检测发酵工业中常用的尾气CO2分压(浓度)检测仪为红外线CO2测定仪。
其检测原理：在近红外波段CO2气体的吸收造成光强度的衰减，衰减量遵循朗伯-比尔定律，即：
lg(I0/I)=aLcCO2
式中：I0、I：入射光与衰减后