CN103969302B - 一种测定生物膜内溶氧扩散系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置及方法，本发明的装置包括气体输送装置、进气加湿瓶、生物膜测试室和溶氧微电极系统。利用该装置进行溶氧扩散系数测定的方法是：将待测生物膜样品放入生物膜测试室中，通入氮气，将体系中的氧气浓度降至最低。随后将进气改为氧气，同时用溶氧微电极记录生物膜内溶氧随时间变化的曲线。在生物膜不同位置不同深度重复这一实验，获得多个样本数据。通过数学模型模拟这一过程并拟合模型数据及实验测得数据，计算溶氧扩散系数。本发明耗时短，且不需要精密的化学分析，因此测定结果准确，重复性好，系统误差非常小。

Description

一种测定生物膜内溶氧扩散系数的方法

技术领域

本发明涉及电化学分析领域，尤其涉及一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置及方法。

技术背景

在好氧生物反应过程中，氧气通常作为电子供体参与生化反应。因此，生物膜内溶氧浓度的大小会直接影响到生化反应过程的反应速率。但是，由于氧气的溶解度非常低，使得它在气相向液相以及向生物膜传递的速率非常小。在实际的处理过程中，溶氧的传质过程经常会限制生化反应的效率，从而成为生化工艺的瓶颈。而测定生物膜内溶氧扩散系数，是研究溶氧传质过程、改进优化工艺参数的基础和前提。传统测定固体内部物质扩散系数的手段耗费时间长，结果不够准确，无法对样品进行原位测定。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置及方法，可以有效、简便、快速、准确地对生物膜内溶氧扩散系数进行原位测定。

一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置，包括气体输送装置、进气加湿瓶、生物膜测试室和溶氧微电极系统；

所述的生物膜测试室为一个长方体透明有机玻璃室，设有进气口和出气口，进气口在测试室的侧面，出气口在测试室的顶部并偏向远离进气口的一侧，待测生物膜样品放置在出气口正下方；溶氧微电极系统包括溶氧微电极8、三维微操仪和带电压输出的皮安计；所述气体输送装置包括一个带减压阀且充有纯氮气的氮气钢瓶、一个连通大气的空气泵、流量计和切换进气所用的三通阀；

所述氮气钢瓶和空气泵的输出端分别与三通阀的一个端口连接，三通阀的第三个端口连接流量计输入端，流量计输出端与所述进气加湿瓶的进气口连接；进气加湿瓶的出气管与生物膜测试室的进气口连接；所述溶氧微电极固定在三维微操仪的夹持端上，并通过生物膜测试室的顶部出气口与测试室内的待测生物膜样品接触，皮安计的电压输出端与溶氧微电极的电极接口连接。

所述进气加湿瓶为带胶塞的广口瓶，广口瓶上的胶塞设置两个通孔，其中第一个通孔穿有所述加湿瓶的进气管，进气管末端连接大孔径曝气头，曝气头置于瓶底，浸没在水面以下；另一个通孔穿有所述加湿瓶的出气管，悬于液面以上。

一种测定生物膜内溶氧扩散系数的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将待测微生物膜样品浸泡在3-5g/L的叠氮化钠(NaN₃)溶液中三个小时；之后，将其放入生物膜测试室内；

步骤二：在测试之前，控制气体输送装置，以大于1000ml/min的氮气通入生物膜测试室一小时；

步骤三：控制三维微操仪，将溶氧微电极移动到待测生物膜内部某一深度处，打开皮安计，开始记录溶氧微电极检测到的电流数据；

步骤四：将进气改为同流量的空气；利用溶氧微电极记录生物膜内该深度处的溶解氧变化；

步骤五：重复步骤二～四，且将步骤二中的溶氧微电极推进到生物膜内另一深度处，测定生物膜内该深度处溶解氧变化；

步骤六：通过使用模型拟合求出扩散系数；

所述生物膜内溶氧扩散系数的计算模型为：

对于生物膜内的一维传质，利用Fick’ssecondlaw建立非稳态传质的微分方程：

$\frac{\∂C}{\∂t}=D\frac{{\∂}^{2}C}{\∂z^2}$

其中C为微生物膜内的溶氧浓度(mg/L)，D为氧气在生物膜内的扩散系数(m²/h)，z为测试点所在的生物膜内深度(m)，t为通入空气的时间(h)；

基于实验描述，该方程有边界条件如下：

假设实验开始时体系中没有氧气，则有：

t＝0,C(z,0)＝0forallz

将生物膜视为半无限平板(semi-infiniteslab)，即生物膜厚度无穷大，则有：

atz＝0,C(0,t)＝C_g/Hfort>0

atz＝∞,C(∞,t)＝0forallt

通过拉普拉斯变换，方程的解析解可表示为：

$\frac{C}{C_g/H}=1-erf\left(\frac{Z}{2\sqrt{Dt}}\right)$

其中H为氧气的亨利系数，C_g为测试室内气相氧气浓度；

除此之外，溶氧微电极的信号延迟用一阶迟滞模型模拟：

$\frac{\∂C_e}{\∂t}=\frac{C-C_e}{t_e}$

其中C_e为溶氧微电极测定值(mg/L)，t_e为微电极的响应时间(s)。有益效果

本发明是通过溶解氧微电极测定生物膜内部溶氧浓度随时间变化的曲线，从而计算生物膜内的溶氧扩散系数。

将待测生物膜样品放入生物膜测试室中，先通入氮气一个小时，将体系中的氧气都赶跑，将溶氧微电极移动到生物膜样品内部指定深度处，将进气改为氧气同时记录该深度处溶氧随时间变化的曲线，当溶氧浓度变化不明显时停止数据记录。在生物膜不同位置不同深度重复这一实验，获得多个样本数据。通过数学模型模拟这一过程，通过改变模型中的溶氧扩散系数，拟合模型数据及实验测得数据。当两个结果吻合时所得到的扩散系数即为目标生物膜内的溶氧扩散系数。

本发明跟传统方法相比，本系统耗时短，且不需要精密的化学分析，因此测定结果准确，重复性好，系统误差非常小。

附图说明

图1为本发明测定生物膜内溶氧浓扩散系数的装置的示意图；

图2为模型结果与生物膜内不同深度溶氧浓度变化曲线的拟合结果。

具体实施方式

下面结合具体实例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置，包括气体输送装置、进气加湿瓶5、生物膜测试室6和溶氧微电极系统；

所述的生物膜测试室6为一个长方体透明有机玻璃室，设有进气口和出气口，进气口在测试室的侧面，出气口在测试室的顶部并偏向远离进气口的一侧，待测生物膜样品7放置在出气口正下方；溶氧微电极系统包括溶氧微电极8、三维微操仪9和带电压输出的皮安计10；所述气体输送装置包括一个带减压阀且充有纯氮气的氮气钢瓶1、一个连通大气的空气泵2、流量计4和切换进气所用的三通阀3；

所述氮气钢瓶1和空气泵2的输出端分别与三通阀的一个端口连接，三通阀3的第三个端口连接流量计4输入端，流量计4输出端与所述进气加湿瓶5的进气口连接；进气加湿瓶5的出气管与生物膜测试室的进气口连接；所述溶氧微电极8固定在三维微操仪9的夹持端上，并通过生物膜测试室的顶部出气口与测试室内的待测生物膜样品接触，皮安计的电压输出端与溶氧微电极的电极接口连接。

所述进气加湿瓶5为带胶塞的广口瓶，广口瓶上的胶塞设置两个通孔，其中第一个通孔穿有所述加湿瓶的进气管，进气管末端连接大孔径曝气头，曝气头置于瓶底，浸没在水面以下；另一个通孔穿有所述加湿瓶的出气管，悬于液面以上。

一种测定生物膜内溶氧扩散系数的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：生物膜失活，

将待测微生物膜样品浸泡在3-5g/L的叠氮化钠(NaN₃)溶液中三个小时；之后，将其放入生物膜测试室内；

步骤二：在测试之前，控制气体输送装置，以大于1000ml/min的氮气通入生物膜测试室一小时以赶跑室内及生物膜样品内的氧气；

步骤三：控制三维微操仪，将溶氧微电极移动到待测生物膜内部某一深度处，打开皮安计，开始记录溶氧微电极检测到的电流数据；

步骤四：将进气改为同流量的空气；利用溶氧微电极记录生物膜内该深度处的溶解氧变化；

步骤五：重复步骤二～四，且将步骤二中的溶氧微电极推进到生物膜内另一深度处，测定生物膜内该深度处溶解氧变化；

步骤六：通过使用模型拟合求出扩散系数；

所述生物膜内溶氧扩散系数的计算模型为：

对于生物膜内的一维传质，可以利用Fick’ssecondlaw建立非稳态传质的微分方程：

$\frac{\∂C}{\∂t}=D\frac{{\∂}^{2}C}{\∂z^2}$

其中C为微生物膜内的溶氧浓度(mg/L)，D为氧气在生物膜内的扩散系数(m²/h)，z为测试点所在的生物膜内深度(m)，t为通入空气的时间(h)；

基于实验描述，该方程有边界条件如下：

假设实验开始时体系中没有氧气，则有：

t＝0,C(z,0)＝0forallz

将生物膜视为半无限平板(semi-infiniteslab)，即生物膜厚度无穷大，则有：

atz＝0,C(0,t)＝C_g/Hfort>0

atz＝∞,C(∞,t)＝0forallt

通过拉普拉斯变换，方程的解析解可表示为：

$\frac{C}{C_g/H}=1-erf\left(\frac{z}{2\sqrt{Dt}}\right)$

其中H为氧气的亨利系数，C_g为测试室内气相氧气浓度；

除此之外，溶氧微电极的信号延迟用一阶迟滞模型模拟：

$\frac{\∂C_e}{\∂t}=\frac{C-C_e}{t_e}$

其中C_e为溶氧微电极测定值(mg/L)，t_e为微电极的响应时间(s)。

如图2所示，通过改变模型中溶氧扩散系数，将实验得到的膜内深度为100、200μm的溶氧浓度随时间变化的曲线与模型所得结果进行拟合，当扩散系数为1.01E-9m²/s时，模型值与实验值拟合最好。因此，溶氧在该样品内的扩散系数即为1.01E-9m²/s。通过测量大量不同位置处溶氧浓度变化曲线与模型进行拟合来求得溶氧扩散系数时，所测位置越多，所测结果越准确。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种测定生物膜内溶氧扩散系数的方法，该方法所借助的装置包括气体输送装置、进气加湿瓶、生物膜测试室和溶氧微电极系统；

所述的生物膜测试室为一个长方体透明有机玻璃室，设有进气口和出气口，进气口在测试室的侧面，出气口在测试室的顶部并偏向远离进气口的一侧，待测生物膜样品放置在出气口正下方；溶氧微电极系统包括溶氧微电极、三维微操仪和带电压输出的皮安计；所述气体输送装置包括一个带减压阀且充有纯氮气的氮气钢瓶、一个连通大气的空气泵、流量计和切换进气所用的三通阀；

所述氮气钢瓶和空气泵的输出端分别与三通阀的一个端口连接，三通阀的第三个端口连接流量计输入端，流量计输出端与所述进气加湿瓶的进气口连接；进气加湿瓶的出气管与生物膜测试室的进气口连接；所述溶氧微电极固定在三维微操仪的夹持端上，并通过生物膜测试室的顶部出气口与测试室内的待测生物膜样品接触，皮安计的电压输出端与溶氧微电极的电极接口连接；

所述进气加湿瓶为带胶塞的广口瓶，广口瓶上的胶塞设置两个通孔，其中第一个通孔穿有所述加湿瓶的进气管，进气管末端连接大孔径曝气头，曝气头置于瓶底，浸没在水面以下；另一个通孔穿有所述加湿瓶的出气管，悬于液面以上；

其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将待测微生物膜样品浸泡在3-5g/L的叠氮化钠(NaN₃)溶液中三个小时；之后，将其放入生物膜测试室内；

步骤二：在测试之前，控制气体输送装置，以大于1000ml/min的氮气通入生物膜测试室一小时；

步骤三：控制三维微操仪，将溶氧微电极移动到待测生物膜内部某一深度处，打开皮安计，开始记录溶氧微电极检测到的电流数据；

步骤四：将进气改为同流量的空气；利用溶氧微电极记录生物膜内该深度处的溶解氧变化；

步骤五：重复步骤二～四，且将步骤二中的溶氧微电极推进到生物膜内另一深度处，测定生物膜内该深度处溶解氧变化；

步骤六：通过使用模型拟合求出扩散系数；

所述生物膜内溶氧扩散系数的计算模型为：

对于生物膜内的一维传质，利用费克第二定律建立非稳态传质的微分方程：

$\frac{\∂C}{\∂t}=D\frac{{\∂}^{2}C}{\∂z^2}$

其中C为微生物膜内的溶氧浓度，单位为mg/L，D为氧气在生物膜内的扩散系数，单位为m²/h，z为测试点所在的生物膜内深度，单位为m，t为通入空气的时间，单位为h；

基于实验描述，该方程有边界条件如下：

假设实验开始时体系中没有氧气，则有：

t＝0,对于所有z，有C(z,0)＝0

将生物膜视为半无限平板(semi-infiniteslab)，即生物膜厚度无穷大，则有：

当z＝0时,对于t>0的情况，有C(0,t)＝C_g/H

当z＝∞时,对于所有的t，有C(∞,t)＝0

通过拉普拉斯变换，方程的解析解可表示为：

$\frac{C}{C_g/H}=1-erf\left(\frac{Z}{2\sqrt{Dt}}\right)$

其中H为氧气的亨利系数，C_g为测试室内气相氧气浓度；

除此之外，溶氧微电极的信号延迟用一阶迟滞模型模拟：

$\frac{\∂C_e}{\∂t}=\frac{C-C_e}{t_e}$

其中C_e为溶氧微电极测定值，单位为mg/L，t_e为微电极的响应时间，单位为s。