DE2608727B2 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs bei einem Fermenter - Google Patents

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Sauerstoffverbrauchs bei einem Fermenter.

Au«; der DF=AS llfti^f» isf pin Gerät n\r Bestimmung von Sauerstoff in Gasgemischen bekannt, bei dem ein galvanisches l.icment mit zwei verschollenen I''!ektroden verwendet wird. w>hci zur l-xhöhung der I j i'iisd.iuer der l.lektrodi" und des I lektrokten cine I i-.insi'.tnr-Vci^tarkerstiife " ''T ein magnetische! Verstärkt?!' nachgesi halte! lsi

line ('in i.iltlriifkmessunt? firif¹- f nbarmrhl stau

Aus der DE-OS 2 i 64 188 ist ferner ein Partialdruck-Meßgerät, insbesondere für Sauerstoff im Blut bekannt, bei dem eine Meßelektrode und eine Bezugselektrode vorgesehen sind, wobei zumindest die Meßelektrode als

ä Oberflgchenelement nach Art einer integrierten Schaltung mit dünnen Schichten ausgebildet ist Wesentlich ist hier die Ausbildung der Meßelektrode, wobei eine Bezugselektrode notwendig ist
Aus der DE-OS 20 22 769 ist ferner ein Pa-tialdruck-Meßgerät bekannt, das eine elektrochemische Zelle verwendet der das Probengas unter Erwärmung zugeführt wird, wobei eine erste Elektrode der Zelle im Probengas und eine zweite Elektrode der Zelle in einem Bezugsgas angeordnet sind. Auch hier sind also zwei Elektroden erforderlich.

Ferner ist gemäß der DE-OS 15 98 410 bekannt bei der Zufuhr eines Bezugsgases zu einer Vorrichtung zum Eichen polarographischer Meßgeräte eine nur geringes Volumen aufweisende Patrone od. dgL zu verwenden.

Wie das Meßgerät bzw. die Eichvorrichtung aussehen soll oder könnte, wird nicht angegeben, vielmehr muß aus dem Stand der Technik entnommen werden, daß auch hier eine Meßelektrode und eine Bezugselektrode verwendet werden.

Ferner ist aus der CH-PS 4 65 272 ein Partialdruck-Meßgerät bekannt, bei dem ebenfalls eine Meßelektrode und eine Bezugselektrode erforderlich sind, wobei zur Verbesserung der Kalibrierung die Meßelektrode auf besondere Weise ausgebildet ist, wobei es jedoch

jo vorteilhaft wäre, eine beliebig ausgebildete Elektrode verwenden zu können.

Aus der DE-OS 19 54 663 ist ferner ein Partialdruck-Meßgerät bekannt bei dem eine Meßelektrode in einem Probengas und eine Bezugselektrode in einem Bezugs-

is gas vorgesehen sind, wobei das Probengas nach Zufuhr zur ersten Elektrode auch der zweiten Elektrode zuführbar ist d. h., daß das Meßgas gegebenenfalls auch als Bezugsgas dienen kann.

Die US-PS 36 91 023 ist eine Fortsetzungsanmeldung der der DE-OS 19 54 663 zugrundeliegenden prioritätsbegründenden Anmeldung und geht nicht über das dort Erwähnte hinaus.

Aus An. Chem., Bd. 44, 1972. Nr. 7, S. 1258 bis 1263 (C. J. Koch, J. Kruuv) ist ferner eine Meßschaltung zum

4Ί Anschluß an eine pO2-Elektrode bekannt, die sinen Operationsverstärker einstellbaren Verstärkungsfaktors aufweist. Außerdem wird auf die Vorbehandlung der Elektrode zur Beseitigung von Triftfehlern eingegangen, insbesondere soll sämtlicher Wasserdampfge-

vi halt entfernt werden. Auf eine Eichung bzw. Kalibrierung während der Durchführung der Messung wird jedoch nicht eingegangen.

Ferner ist aus der DE-OS 15 98 397 eine besondere ρ Or Elektrode für die Sauerstoffpartialdruckbestim-

r. mung bei insbesondere Bakterienkultur-Nährflüssigkeiten bekannt, wobei außerdem eine Bezugselektrode vorhanden ist. Mittels einer schaltenden Regeleinrichtung kann auf Sauerstoff partialdruck-Sollwerte geregelt werden. Die Nacheichung bzw. -kalibrierung erfolgt von

ίο Hand mittels Einzelmessung unter besonderer Anordnung der mif der Meßelekfrode eine bauliche Finheil bildenden Bezugselektrode. Eine automatische Nachka libriening bezüglich des I .angzeit Verhaltens erfolgt nicht.

^k· Ans l'fliigers Archiv für die gesamte Physiologie. Hand 271. 1<W), Seile 4 11 bis 443. ist ferner ein polarograph ist lies Sauer st off oar tin Id π ick mel.lv erfahre η bekannt, bei dem eine selektive polaroirranhischc

Elektrode in einem Meßmedium angeordnet ist Diese polarographische Elektrode arbeitet nach dem Prinzip der Depolarisator*. Die eigentlichen Elektroden sind von einer gasdurchlässigen Membran umgeben (Clark-Prinzip). Eine weitere Bezugselektrode in Form einer Kalomel- oder Ag/AgCI-Elektrode ist hier nicht erforderlich. Diese Elektrode wird vor der eigentlichen Messung mit einem Bezugsgas geeicht, aber während des Fermenterbetriebs wird keine Nachsicbung mehr vorgenommen.

Aus Philips Technischer Rundschau, 32 (1971/72), Seite 29 bis 38, ist ferner ein Eichprinzip bekannt, wobei die Meßzelle automatisch über Fernbedienung einmal mit dem Meßgas und dann mit dem Bezugsgas in Verbindung gebracht und das Meßsignal mit dem Eichsignal verglichen wird. Dieses Eichprinzip arbeitet jedoch nicht mit zwei, sondern mit drei Meßwerten, und zwar mit einem Meß-, einem Eich- und einem Nullsignal.

Es ist also Aufgabe der Erfindung, das Sauerstoffmeßverfahren bei einem Fermenter so zu gestalten, daß mit einer einzigen Sauerstoffmeßelektrode der Sauerstoffverbrauch in einfacher Weise ermittelt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren zum Bestimmen des Sauerstoffverbrauchs bei einem Fermenter mittels einer polarographischen Sauerstoffelektrode, bei dem ein Bezugsgas zur Kalibrierung verwendet wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Fermenterabgas und als Bezugsgas das dem Fermenter zugeführte Gas abwechselnd automatisch der einzigen Elektrode zugeführt werden.

Dabei erfolgt die Messung außerhalb des Fermenters, und man kann sie während seines Betriebs durchführet. Dadurch ergeben sich folgende Vorteile:

(a) Man kann sehr dünne Membranen verwenden, ohne daß diese großen Beanspruchungen (z. B. infolge Verschmutzung) ausgesetzt werden;

(b) man arbeitet mit nur zwei Meßpunkten, d. h. einem Meßwert für das Fermenterabgas und einem Bezugs wert;

(c) man kann direkt die Sauerstoffmenge durch Ablesen einer Spannungsdifferenz messen.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem polarographischen Meßgerät mit einem Einlaß und eirwr Zuführleitung des Sanerstoff enthaltenden Gasgemisches, mit einer polarographischen Sauerstoffelektrode, mit einer thermostatisierten Meßkammer, mit einem Auslaß und mit einer Auswerteinrichtung zur Bestimmung des an dsr Sauerstoffelektrode fließenden Stroms bzw. der an der Auswerteinrichtung abfallenden Spannung, wobei die Vorrichtung durch einen zweiten Einlaß für ein Bezugsgas und eine Umschalteinrichtung zum abwechselnd automatischen Anschließen des ersten oder des zweiten Einlasses an die Meßkammer gekennzeichnet ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die Zuführeinrichtung eine Kühlfalle zur Beseitigung von Wasserdampf.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Atisführungsbeispiels näher erläutert. Es /cigl

A h b. ! ^nematisch den Aufbau einer erfindungsgemaßen Vorrichtung /ur Piiriialdruckmcssung.

A b I). 2 schematisch ein Schaltbild der Vuswertcin richtung.

InAbb I wird das I crmenterabgas über einen ersten t-ünlriB-Anschluß I /'.igeführl und ein Re/iigsgns über einen zweiten Einlaß-Anschluß 2 zugeführt Erster und zweiter EinJaßanschluB versorgen je eine Leitung 3, 4 einer Doppelleitung 5, die für einen Temperaturausgleich zwischen den Gasen sorgt und dementsprechend

ausgeführt und bemessen ist z. B. als 1 m lange Kupfer-Doppelleitung. Mittel einer gesteuerten Umschalteinrichtung 6, z.B. einem Dreiwegeventil, wirr!, jeweils eines der Gase bzw. Gasgemische zu bestimmten wählbaren Zeiten in eine Zuführleitung 7 eingespeist in der eine Saug- bzw. Druckpumpe 8 das Gasgemisch zwangsweise einer Meßkammer 9 eines Polarographen zuführt Die Meßkammer 9 ist thermostatisiert mittels einer z.B. elektronisch geregelten Heizung 10. Zusätzlich können kurzzeitige Temperatur-Schwankungen mit einer Temperierleitung im Zn-Staub über z. B. einen Meßzyklus ausgeglichen werden.

Zur Messung des Sauerstoffpartialdrucks befindet sich in der Meßkammer 9 eine Sauerstoff elektrode 11, die mittels eines Stopfens 12 od. dgl nach außen dicht in der MeBkammer 9 angeordnet ist

Zur Messung des Sauerstoffp:. -jaldrucks im Abgas eines Fermenters wird eine in der PolLTOgrapbie übliche Sauerstoffelektrode als Sauerstoffelektrode 11 verwendet Die Sauerstoffpartialdruckmessung erfolg« bei ca.

40⁰C, wobei diese Temperatur mittels der Heizung 10 erreoht wird und vorteilhaft eine Wärmeisolation die Meßkammer umgibt Damit an der Szuerstoffelektrode 11 keine Kondensation auftritt muß die relative Feuchte des angesaugten Gasgemisches bei der Meßtemperatur

jo unter 100% liegen.

Über einen Gasauslaß 13 wird das nicht an der Sauerstoffelektrode abgeschiedene Gas aus dem Polarographen herausgeführt und kann anderweitig verwendet werden. Zur Messung der der Meßkammer zugeführten Gas(gemisch)menge kann in der Zuführleitung 7 ein Durchflußmesser 14, z. B. ein Rotameter, angeordnet sein, der auch zur Überwachung gleicher Strömungsmengen in den Leitungen 3 und 4 dient
Vorteilhaft wird die Umschalteinrichtung i> mittels einer Zeit- oder Programmsteuerung 22 umgeschaltet, um z. B. das Bezugsgas bzw. -gasgemisch für 2,5 min und aas zu messende Fermenterabgas bzw. -gasgemisch für 33 min zuzuführen.

Gemäß A b b. 2 wird der Elektrodenstrcm durch die Sauerstoffelektrode 11 einem Meßve'stärker 15 zugeführt Die Ausgangsspannung £/_ades Meßverstärkers 15 wird während der Meßzeit des Referenzgases auf einen vorgegebenen Spannungspegel, z. B. IV, eingestellt, vorzugsweise automatisch mittels einer Nachregeleinheit 21. Während der Abgas-Meßzeit bleibt die Einstellung des Meßverstärkers 15 bzw. seiner Rückkoppelschaltungs-Bauteile 16, 18 unverändert d. h. der Verstärkungsfaktor bleibt gleich. Andererseits stellt sich eine dem Sauerstoffpartialdmck entsprechende Meß-Ausgangsspannung U_n, ein, wobei die Ausgangsspannungsdifferenz Ud= U_m— U₃ beträgt. Klei.ie Werte der Ausgangsdifferenz Ud werden zweckmäßigerweise zwischen dem negativen Ausgangsspannungsanschluß 19 und dem Kompmsationsanschluß - 1 V gemessen bzw.

ho abgenommen.

Die Nachregeleirtheit 21 mn dem Stpnprmntnr 24 kann während der Nachkalibrierung den Verstärkungsfaktor der Auswcrteinricheing I¹? bis 23 aufgrund des Meßergebnisses bei der NlachkaliDricrung siellen. Die

μ Ausgiingsspannur/ des Verstärker. 15 und/oder des Anzeigers 23 kann durch cmc Spannungskompensation kompensiert werden. Für die Nachrcg'-icinhcit 21 kann eine Bezugsspannung vorgegeben werden.

Die einzige Wartung der Vorrichtung besteht darin, die Gaselektrode 11 (Sauerstoffelektrode) nach etwa 24 h Betriebszeit zu überprüfen. Bei größeren Luftblasen im Elektrolyten ist dieser durch eine neue Lösung, z. B. eine 1 mol. KCI-Lösung, zu ersetzen. Salzkrusten an Verschraubungen und Verschlüssen (Stopfen 12) sind mit destilliertem Wasser zu entfernen. Bilden sich Salzkrusten an der Membran, so ist diese durch eine neue (z. B. 25 μιη dicke Teflonmembran zu ersetzen. Bei stärkerer Belegung der Anode (mit z. B. Silberchlorid) muH diese in üblicher Weise gereinigt werden.

Eine ausführliche Funktionsprüfung der Sauerstoffelektrode kann mit betriebswarmem Thermostaten der Vorrichtung mittels eines Polarographen so vorgenommen werden, daß das Polarogramm der F.lektrode aufgezeichnet wird. Aus dieser Kurve läßt sich nun die optimale Polarisationsspannung ermitteln, die (/. B.

anderen Funktionen der Vorrichtung bleiben durch diese Maßnahme jedoch unbeeinflußt.

Die Erfindung wird anhand eines ausgeführten Beispiels näher erläutert, nämlich eines Sauerstoffpar-'. tialdruck-Meßgeräts für das Abgas eines Fermenters.

I) Wasserdampfbestimmung (Feuchtebestimmung)

Beim Einsatz des Meßgerätes ist zu berücksichtigen, daß Wasserdampf in der Luft zum Gesamtluftdruck

ίο beiträgt und somit den Sauerstoffpartialdruck herabsetzt. Zum Nachweis und als Beispiel wurde als Bezugsgas mit CaCI? getrocknete (Preß-)l.uft und als Abgas ungetrocknetc (Prcß-)l.uft zugeführt. Die Aus· gangsspannungsdifferenz Uj des Gerätes betrug dabei

ι. -2,5 mV. Aus diesem Wert, dem Luftdruck ρ und der Zusammensetzung der trockenen Luft, die aus 21 Vol.-% Sauerstoff und 79 Vol.-% Restgasen besteht, läßt

tiaVII Ullt»IMt,II! £~U3atlllMl.ll3\.tiaitCII UCtUCI ITICU VCl 31« I -ker durch Verbinden von Pt - Pt bzw. Ag - Ag) mit dem in der Vorrichtung befindlichen Potentiometer 17 eingestellt wird. Weitere Einzelheiten zur Wartung der Elektrode sind z. B. der Gebrauchsanleitung für die Sauerstoffelektrode zu entnehmen.

Die richtige Heizung des Thermostaten der Meßkammer 9 wird angezeigt. Wenn /.. B. ein Lämpchen regelmäßig blinkt, ist die gewünschte konstante Endtemperatur erreicht. Dazu ist eine Vorheizzeit, z. B. ca. I h, erforderlich. Wegen der langen Vorheizzeit sollte die Vorrichtung bei vorübergehender Nichtbenuizung oder bei einer Elektrodenüberprüfung und einer Reinigung nicht abgeschaltet, sondern nur in einen Zustand »Vorbereiten« umgeschaltet werden. In diesem Zustand wird lediglich die Nachsteuerung der Verstärkereinstellung und die Programmumschaltung (der Umschalteinrichtung 6) unterbrochen, da sonst z. B. ein Steuermotor 24 ständig laufen und die Vorrichtung auf die höchste Empfindlichkeitsstufe bringen würde. Alle

Wasserdampfpartialdruck pH.() der ungetrockneien Luft berechnen /u:

P<h = P

ρ H₂O = ρ

21
100

U.

it

ί)

Daraus ergibt sich nun mit
und p= 760 mm Hg:

U₁=] V. (/„.= -2.5 mV

a) für die getrocknete Luft ρ Oj = 159.6 mm Hg:

b) für die ungetrocknete Luft ρ Oj = 159.2 mm Hg:

c) für die ungetrocknete Luft ρ HjO = 1,9 mm Hg: und

d) der Wasserdampfgehalt der ungetrockneten Luft entspricht nach der Wasscrdampftabelle (vgl. Tafel. Tabelle nach Kohlrausch) einer Wasserdampfsättigung bei -1O⁰C.

Druck des gesättigten Wasserdampfes als Funktion der Temperatur

/ (	ρ mm Hg	/ C	P mm Hg	ι c	ρ mm Hg	ι C	ρ mm Hg
-60	0,007	-30	0,28	0	4,6	+30	31,8
-55	0,015	-25	0,47	+5	6,5	+35	42.2
-50	0,029	-20	0.77	+ 10	9,2	+40	55.3
-45	0,052	-15	1,24	+ 15	12,8	+45.	71,9
-40	0,093	-10	1.95	+20	17,5	+50	92,5
-35	0,167		3.01	+25	23,8	+55	118,1

Die Meßgenauigkeit des Gerätes wird durch die Einstellgenauigkeit der Nachregeleinheit 21 bestimmt. Sie liegt für U₁ bei etwa ±0,5 mV. Dieser Wert entspricht einem Sauerstoffpartialdruck von etwa ±0,1 mm Hg und einem Wasserdampfpartialdruck von ±0,4 mm Hg oder einer Wasserdampfsättigung bei — 25° C. Diese Toleranzangaben sind für Gastrocknungs-Maßnahmen außerordentlich wichtig. Eine Gefrierfalle bei etwa -35° C ist daher zur Trocknung der zum Messen erforderlichen Gase (Bezugsgas und zu messendes Abgas) vollständig ausreichend, da dadurch der Wasserdampfpartialdruck auf die Hälfte des Meßfehlers erniedrigt wird. Zur Trocknung der als Bezugsgas verwendeten Preßluft eignet sich auch ein mit CaCl₂ gefülltes Trockenrohr, da sie nur wenig Wasserdampf enthält

2) Sauerstoffbestimmung

Mittels des Sauerstoffpartialdruck-Meßgerätes läßt sich vorteilhaft auch die tatsächlich im Fermenter verbrauchte Sauerstoffmenge bestimmen. Bei Vernachlässigung des Wasserdampfes in der Preßluft der Fermenter-Zuluft können hierzu die für trockne Luft geltenden Werte verwendet werden. Das spezifische Gewicht m, trockener Luft bei 760 mm Hg und f=0°C beträgt 133 g/I. Davon sind 23,15 Gew.-°/o Sauerstoff, also 03 g/l- Nach einer Luftdruck- und Temperaturkor-

rektur ergibt sich die in einem Liter Luft enthaltene Sauerstoffringe m Oi zu:

I +

f
T₀

l/_n = 273 C) (3|

DU .1 den Fermenter einströmende Gesamt-Sauerstoffmenge ergibt sich nun einfach dadurch, daß der so erhaltene Wert mit dem Luftvolumen ν pro Zeiteinheit multipliziert wird. Dieser Wert entspricht um Bezugswert des Sauerstoff-MeOgerätes. Die pro Zeiteinheit verbrauchte Sauerstoffmenge raO;i· ergibt sich daher aus Ud ein fach zu:

m O₁ ν = m

^Ui

denn i/_: ist dem Sauerstoffpartialdampfdruck linear proportional (Ud= U_m - U,).

Daraus ist zu entnehmen, daß bei konstanten Betriebsbedingungen (de* Fermenters) der Sauerstoff verbrauch direkt proportional zur Spannung ίΛ/ des Saue rs toffpartialclruck-( Vergleichs)-Meßgerätes ist.

Hier/u 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Bestimmen des Sauerstoffverbrauchs bei einem Fermenter mittels einer polarographischen Sauerstoffelektrode, bei dem ein Bezugsgas zur Kalibrierung verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Fennenterabgas und als Bezugsgas das dem Fermenter zugeführte Gas abwechselnd automatisch der einzigen Elektrode zugeführt werden.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 mit einem polarographischen Meßgerät mit einem Einlaß und einer Zuführleitung des Sauerstoff enthaltenden Gasgemisches, mit einer polarographischen Sauerstoffelektrode, mit einer thermostatisierten Meßkammer, mit einem Auslaß und mit einer Auswerteinrichtung zur Bestimmung des an der Sauerstoffelektrode fließenden Stroms bzw. der an der Auswerteinrichtung abfallenden Spannung, gekennzeichnet durch einen zweiten Einlaß (2,4) für ein Bezugsgas und eine Umschalteinrichtung (6, 22) zum abwechselnd automatischen Anschließen des ersten bzw. des zweiten Einlasses (1,3; 2,4) an die Meßkammer (9).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Doppelleitung _mr Temperaturangleichung der an die Einlasse (1,3; 2,4) angeschlossenen Gase.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschalteinrichtung (6,22) ein zeitgesujertes oder programmgesteuertes Dreiwegeventil ist.

5. Vorrichtung nach hinein der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen k ler Zuführleitung (7) angeordneten Durchflußmesser (14) zur Überwachung gleichen Gasstromes in den Einlassen (1,3; 2, 4).

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, gekennzeichnet durch eine Nachregeleinheit (21,24), um während der Nachkalibrierung den Verstärkungsfaktor der Auswerteinrichtung (15 bis 23) aufgrund des Meßergebnisses bei der Nachkalibr erung zu stellen.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung eine Kühlfalle zur Beseitigung von Wasserdampf in den Gasen enthält.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7. gekennzeichnet durch eine Temperierleitung in wärmeisoliertem Zn-Staub, um aufgrund dessen Wärmeträgheit noch vorhandene Temperaturunterschiede über mindestens einen Meßzyklus hinweg auszugleichen.