DE2732999A1

DE2732999A1 - Elektrische sauerstoffsonde

Info

Publication number: DE2732999A1
Application number: DE19772732999
Authority: DE
Inventors: Youichi Ishikawa; Minoru Ohashi; Makoto Shouda; Tamon Watabe
Original assignee: Oriental Yeast Co Ltd
Current assignee: Oriental Yeast Co Ltd
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1979-02-01
Also published as: DE2732999C2

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung betrifft eine elektrische Sauerstoffsonde zur Messung der Konzentrationen von gelöstem sauerstoff in fluiden Medien und der Sauerstoffpartialdruckes in der Luft, speziell eine elektrische Sauerstoffsonde, in der eine Membranelektrode angewendet wird.
Bisher wurden für die Messung der Konzentration von gelöstem Sauer stoff polarographische und galvanische Sonden vorgeschlagen, in denen Membranelektroden angewendet wurden. In der polarographischen Membransonde liegen sowohl als Anode, als auch als Kathode Edelmetalle ver und diese Sonde erfordert das Anlegen einer äußeren Spannung für die Messung des elektrolytisch reduzierenden Stromen für Sauerstoff. Die galvanische Membransonde ist mit einem @@@metall als Kathode und einem Grundmetall als Anode versehen. Da diese Sonde selbst eine Zelle darstellt, ist keine äußere elektrische Stromquelle erforderliche und der aus der Reduktion des Sauerstoffes stammende Strom wird gemessen.
Die bisher angewendeten Technologien, wie die erwähnte polarograpischen Membransonde und die galvanische Membransonde,hatten keine ausreichende Widerstandsfähigkeit bei der Wasserdampfsterilisationm die bei erhöhten Temperaturen und unter hohen Drücken durchgeführt wird. Außerdem konnten, falls einige Teile der Sonde, wie die Membran selbst, zerbrochen waren, die zerbrochenen Teile nicht durch neue ersetzt werden. Damit wurde die gesamte Sonde wertlos und es war eine vollständige neue Sonde erforderlich.
Um die Kulturbedigungen für Mikroorganischen und während der Fermentation zu kontrollieren, ist es bekanntlich im allgemeinen wesentlich, die Sauerstoffkonzentration in der Fermentationsvorrichtung bzw. der Gärungsvorrichtung zu messen.
Jedoch wird vor Beginn der Fermentation die Wassedampfsterilisation gewöhnlich bei Temperaturen von 100 bis 120°C durchgeführt. Es ist daher Voraussetzung, daß eine geeignete Membransonde unter diesen Bedingungen anwendbar und beständig ist.
In den letzten Jahren wurden einige Verbesserungen für solche Sonden vorgeschlagen; diese sind Jedoch im Hinblick auf ihre Funktion nach nicht zufriedenstellend. Die Gründe dafür bestehen darin, daß die üblichen Sonden aus ein:1.elnen gcroi-.derten Teilen, wie einer Anode, einer Kathode und einer elektrolytischen Zelle bestehen und daher der Aufbau kompliziert ist, und daß die meisten dieser Teile mit Hilfe von Klebmitteln oder Bindemitteln und dergleichen miteinander verbunden oder voneinander isoliert sind. Die Verbindungstelle werden daher durch wiederholte Sterilisation bei erhöhten Temperaturen und Ablöhlung in der Kultur und während der Fermentation leicht gelöst und zerbrochen. Außerdem zeigen übliche Sonden keine ausreichende Widerstandsfähigkeit im Hinblick auf ihre Materialien und ihren Aufbau. Es ist daher für den Benutzer schwierig$ die Sonden selbst zu reparieren, wenn einige Teile der Sonden gebrochen sind.
Die üblichen Senden zeigen somit Nachteile im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit und die Anwendbarkeit.
Eine verbesserte galvanische Membransonde wurde in dem Artikel "The Value and Use of Dissolved Oxygen Measurement in Deep Culture" in The Chcmical Engineer, Nr. 258 Februar 1972, S. 63 - 71, beschrieben.
In groben Zügen läßt sich dieser Stand der Tcchnik wie folgt beschreiben : Der wesentlich Teil der Sonde besteht aus einem rohrförmigen Glaskörper. Bei der Anwendung in Kulturgefässen mit einem Arbeitsvolumen von mehr als 1/2 1 kann der Glaskörper in einer Metallhülse eingeschlossen sein. Eine 0,005 cm (0,002 Inch) dicke Membran aus Polytetrafluoräthylen (Teflon) ist mit einem Ende mit lIilfe eines Klebstoffes verbunden und wird durch eine Manschette aus einem Siliconrohr festgehalten. Die Kreisscheibe, welche die Membran darstellt, bildet das Fühl- oder Detektorelement der Sonde.
Das andere Ende des Rohrs trägt (1) die Anschlußverbindung für die Anode und Kahthode,(2) ein Füllrohr und (3) ein Entlüftungsrohr.
In unmittelbarem Kontakt mit der Membran ist eine Silberkathode, die aus einer flachen Spirale aus Silberdraht besteht. Hinter der Silberkathode ist eine Anode angeordnet, die aus einer gedrehten Spirale aus einem Bleiblech besteht. Der Elektrolyt ist ein Gemisch aus Natrium- und Bleiacetat und Essigsäure.
Die Zelle ist nicht dicht verschlossen. Statt dessen ist der Gasraum oberhalb des Elektrolyten in den Raum oberhaöb der Kulturflüssigkeit entlüftet. Unabhängig von dem Innendruck in dem kulturgefäß und im Gegensatz zu den Bedigungen, die in einer dicht verschlossenen bzw. versiegelten Zelle auftreten, wird die Membran niemals einem Druckunterschied ausgesetzt, der größer ist als der in dem Gasraum Ber Kulturflüssigkeit. Dieser Druck wird von außen angelegt, so daß die Silberkathode die Membran physikalisch unterstützt. Daher werden Beschädigungen aufgrund von Rißspannungen, die während der Dampfsterilisation erzeugt werden, ausgeschaltet.
Wenn auch das Fehlen eines dichten Verschlusses ermöglicht, daß Saueratojrl durch die Oberfläche des Elektolyten in dic Zelle diffundiert, so kommt, falls eine solche Diffusion tatsächlich eintritt, diese nicht in Form eines Reststroms zum Asudruck. Ps wurde angenommen, daß die Wirkung dieser Diffusion beseitigt wird, weil der Sauerstoff durch Reaktion mit dem oberen Teil der Bleianode verbraucht wird.
Die Silber-Blei-Zelle wurde gewählt, weil der Reststrom bei einem Sauerstoffdruck von 0 gering ist.
Der Elektrolyt hat die nachstehende spezielle Zusammensetzung Essigsäure 5,0 m Natriumacetat 0,5 m Bleiacetat 0,1 m pH-Wert etwa 3,0 Beim Erhitzen der Sonde auf eine Temperatur oberhalb des atmosphärischen Siedepunkts wird es notwendig, Vorsichtsmaßnahmen während des Kühlvorgangs zu ergreifen.
Obwohl die Sonde so ausgebildet ist, daß sie wiederholte Dampfsterilisation überstehen kann, so kann sie doch beschädigt werden, wenn die Dampfsterilisation nicht richtig durchgeführt wird.
Eine Sonde in einem Kulturgefäß, die an Ort und Stelle der Dampfbehandlung unterworfen wird, ist nie gefährdet, gleichgültig ob das Gefäß leer oder mit einem Medium beschickt ist, wenn nach Beendigung der Dampfbehandlung und während des Kühlens sterile Luft in das Gefäß eingeführt wird, so daß ein Mindestgesamtdruck, Pm, eingehalten wird, der nie unter den Atmosphärendruck abfallen darf und stets größer ist als der entsprechende Wasserdampfdruck, Pa' des Kulturmediums oder des Elektrolyten in der Sonde.
Auf diese Weise werden die Verdampfung und das Sieden verhindert.
Dies ist eine Routinemaßnahme, die dazu bestimmt ist, ein Konzentrieren des Kulturmediums zu verhindern und, nachdem die Kultur auf weniger als 100°C abgekühlt wurde, den Zutritt von verunreinigter Umgebungsluft sowie das Risiko eines mechanischen Zerbrechens des Gefässes aufgrund der Bildung eines Vakuums zu verhindern.
Es besteht keine Gefahr, wenn ein Laboratoriumsgefäß in einem Autoklaven modernder Bauart sterilisiert wird, der mit Einrichtungen versehen ist, die es ermöglichen, während des Kühlzyklus Luft unter Druck in der vorstehend beschriebenen Weise zuzuführen.
Die Gefahren, die mit dem Abkühlen in einer nur aus Wasserdampf besteheden Atmosphäre verbunden sind, werden nachstehend erläutert. Wenn während des Abkühlens der Wasserdampfdruck zu rasch abfullt, so daß Pa < Pm, so verdampft Wasser oder der Elektrolyt kann sieden oder aus der Sende herausgeschlaudert werden. Wenn eine ausreichende Menge des Elektrolyten herausgeschleudert worden ist, so daß die Bleianode nicht mehr eintaucht, ist die Sonde nicht mehr arbeitsfähig. Wenn ein Teilverlust an Elektrolyten eintritt, so daß das Blei über die Oberfläche herausragt, dann bricht nach einigen weitcren Wochen die Anode an der Stelle der Elektrolytoberfläche ab. Auch denn ist die Sonde nicht mehr betriebsfähig. Wenn diese Methode angewendet wird, darf die Sonde nie sterilisiert werden, wenn sie nicht in eine größere Menge des Mediums oder in Wasser eingetaucht wird und die Dauer bis zur Kühlung auf 100°C sollte so eingestellt werden, daß sie nicht weniger als 15 bis 30 Minuten beträgt. Außerdem sollte die Belüftungsöffnung des Autoklaven nie geöffnet werden, bevor der Druck auf weniger als Atmosphärendruck abgefallen ist.
Eine starke Verdampfung des Wassers ist ein unvermeidliches Konnzeichen dieser Kühlmethode und auf diese Weise tritt ein kumulativer Wasserverlust durch aufeinanderfolgende Sterilisationsvorgänge ein. Dies führt zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Sonde und zu einer Vonränderung der Kalibrierungsbedingungen. Es ist daher ersichtlich, daß ein verläßlicher Betrieb, gleichgültig ob durch Behandlung in situ oder in einem Autoklaven, nur dann möglich ist, wenn Luftzuführung angewendet wird, um die Verdampfung möglichst gering zu halten.
Wenn während der Abkühlung das Sieden verhindert wird, so kann festgestellt werden, daß es für eine anhängliche Behandlung ausreicht, wenn die Behandlung während einer Stunde durchgeführt wird. Während der darauffolgenden weiteren Anwendung ist die Behandlungszeit, die durch die Notwendigkeit der Sterilisation des Mediums festgelegt wird, im allgemeinen zufriedenstellend, vorausgesetzt, daß die Sonde nie in den offenen Kreislauf gebracht wird.
Die Sonde kann für 30 bis 40 Kulturansätze unter einem Sauerstoffdruck von 0,21 Atmosphären angewendet werden, wobei jeder Ansatz die Strilisation der Sonde umfaßt, bevor die Stromausbeute bis auf einen unannehmbaren Wert verschlechtert ist. Es wurde festgestellt, daß die Verschlechterung nach der 28. Sterilisntion rasch fortschreitet.
Die Methode des inneren Ausgleiches durch Verbindung der Entlüftungsöffnung mit dem Gasraum oberhalb einer Kultur gefährdet die Sonde, wenn die Kultur schäumt. Das Medium kann dann in die Belüftungsöffnung eintreten und Zutritt zu dem Elektrolyten erhalten. Diese Gefahr besteht im Fall der Sonde mit Glaskörper. Bei der ummantelten Art der Sonde, bei welcher der Glaskörper in ein Stahlrohr eingeschlossen ist, liegt ein großes inneres Fassungsvermögen für Schaum vor. Wenn tatsächlich Schäumen auftritt, ist die Gefahr, daß der Schaum durch die sekunsären Entlüftungsöffnungen in dem Glaskörper eintritt und den Elektrolyten verdünnt gering.
Die Zerbrechlichkeit bzw. Empfindlichkeit der Membran macht es erforderlich, daß dei Grösse und Richtung der Anordnung jeder Druckdifferenz, welcher die Membran ausgesetzt wird, genau Kontrolliert wird. Als allgemeine Regel läßt sich angeben, daß der Druck außerhalb der Sonde größer als der Innendruck sein sollte.
Die Silberkathode wirkt dann als unterstützender Träger für die Membran. Dies verbessert die Dimensionsbeständigkeit und trägt zur Übereinstimmung mit der Kalibrierung bei. Die Erfindung hat gezeigt, daß es aufgrund einer Verminderung des Risikos eines Membranbruches unangebracht ist, eine Sonde, die mit dem Luftraum in dem Gefäß in Verbindung steht, bis zu einer größeren Tiefe als 3 m in das Medium einzutauschen. Das heißt, die empfohlene Arbeits-Druckdifferenz, bei der ein sicherer Betrieb gewährleistet ist, beträgt 0,35 kg/cm² (5 lbs/in²). Es ist außerdem unerläßlich daß die Druckdifferenz bei einem konstanten Wert gehalten wird, um Dimensionsbeständigkeit und somit die Stabilität der Kalibrierung beizubehalten.
Die beschriebene Membransonde erfordert eine groüe Membran, die am Boden des Glasrohres befestigt ist und deren Flächenausdeh etwa 10 mal so groß wie die des Bodens des Glasrohres ist. Die übersethenden Teile der Membran werden an die Wandung des Glases angelegt und mit Hilfe einer Siliconmanschette befestigt. Schließlich wird die Membran durch Überdecken mit einer Hülse aus einem rostfreien Stahlrohr geschützt.
Diese Membransonde kann daher in folgenden Fällen nicht weiter benutzt werden und muß durch eine neue ersetzt werden : (a) wenn die Membran reißt oder abgelöst wird, (b) wenn die Aktivität und die Stromausbeute durch Verunreinigang der Kathodenoberfläche vermindert werden, (c) wenn der Elektrolys verunreinigt wird und (d) wenn der Elektrolyt während der Dampfsterilisation absiedet und in seiner Menge vermindert wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elektrische Sauerstoffsonde zur Verfügung zu stellen, bei der die erläuterten Nachteile des üblichen Standes der Technik ausgeschaltet sind. Insbesondere dann, wenn die vorstehend erläuterten Fälle (a), (b), (c) oder (d) eintreten, soll die erfindungsgemäße Membransonde leicht zu reparieren sein. Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Scuuerstoffeonde zur Verfügung zu steilen, die zu wiederholtem Gebrauch befähigt ist, deren Membran leicht entfernt uns ausgewechselt werden kann, deren Kathodenoberfläche sauber ist bzw. leicht gesäubert werden kann und deren Elektrolyt sich auffüllen oder auswechseln läßt.
Die erfindungsgemäß zur Verfügung gestellte elektrische Sauerstoffsonde soll einen einfachen Aufbau haben und ihre Kathode soll sich leicht auswechseln lassen.
Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Sauerstoffsonde zur Verfügung zu stellen, welche dem Gebrauch unter den Bedingungen der Dampfsterilisation unter Druck widersteht und die sich zur Verwendung zur Messung der Konzentration des gelös-ten Sauerstoffes in einem Kulturgefäß oder einem Fermenter eignet.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine elektrische Sauer offsonde bzw. cin elektrischer Sauerstoffühler in einer galvanischen oder polarographischen Membransonde zur Messung der Konzentration des gelösten Sauerstoffes in einer Flüssigkeit, die aus einer thode, einer Anode, einer sauerstoffdurchlässigen Membran, einen ktrolyten und einer Elektrolysezelle besteht, in der Die Ano@ @s einem Anodenmetall besteht, das auf die Innenwandung der Elektrolysezelle von Bodenende der Zelle bis zu einer geeigneten Höhe aufgetragen ist.
Gemäß einer Ausführungsform besteht in dieser elektrischen Sauerstoffsonde die elektrolytische Zelle aus einem Metallrohr, an dessen oberen Ende ein inneres Schraubgewinde und, unterhalb des Gewindes, ein innerer Flansch angebracht sind, in dessen mittleren Teil ein äußeres Schraubgewinde, ein äußerer Flansch oderhalb dieses Schraubgewindes und eine Entlüftungsöffnung unterhalb des Schraubgewindes zur Einstellung des Innen- und Außendruckes vorgesehen sind und an dessen unterem oder Bodenende ein äußeres Schraubgewinde vorgesehen ist.
Die vorstehend erläuterte elektrische Snuerstoffsonde weist eine elektrolytisch Zelle auf, die einen Elektrolyten enthält und die mit einen irI zentralen Teil auf die Zelle aufgeschraubten Schutzdeckel bzw. Schutzmantel versehen ist, der in Preßkontakt mit einen O-Ring und dem äußeren Flansch steht.
In der vorstehend erläuterten elektrischen Sauerstoffsonde besteht die Kathode aus einem Glasrohr und einem Zuleitungsdraht, wobei der Zuleitungsdraht aus einem Edelmetall besteht, und eines der Anschlußenden mit dem Bodenteil des Glasrohr verlötet und das andere durch das Glasrohr führt und am oberen Ende der Sonde angeordnet ist.
Vozugsweise wird in der erfindungsgemäßen elektrishen Membransonde das Glasrohr im zentralen Teil der Elektrolysezelle festgehalten, indem der obere Teil des Glasrohrs mit O-Ringen festgeklemmt wird, die sich zwischen einem Stopfen und einem Flansch befinden und zwischen diesen Teilen eingepreßt sind.
In der erfindungsgemäßen elektrischen Sauerstoffsonde ist die sauerstoffdurchlässige Membran durch Festklemmen mit einem O-Ring, einer Beilagscheibe und einer Kappe am Boden der Elektrolysezelle befestigt und diese Membran steht mit der Oberfläche der Kathode in der Kontakt.
Vorteilhilft; ist die zur Befestigung der Membran dienende Kappe mit Rillen versehen, um Schaum auszuschalten.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine elektrisch Sauerstoffsonde in einer galvanischen oder polarographischen Membransonde, die eine Kathode, eine Anode, eine sauerstoffdurchlässige Membran, einen Elektrolyten und eine Elektrolysezelle enthält und durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist : 1) Die elektrolytische Zelle besteht aus einem Metallrohr, an dessen oberen fnde ein inneres Schraubgewinde und, unterhalb dieses Schraubgewindes, ein innerer Flansch vorgesehen sind, in dessen Mittelteil sich ein äußeres Schraubgewinde, ein äußerer Flansch oberhalb dieses Schraubgewindes und eine Entlüftungsöffnung unterhalb dieses Schraubgewindes zur Einstellung bzw. zum Ausgleich des Innen- und Außendruckes vorgesehen sind und dessen unteres Ende mit einem äußeren Schraubgewinde versehen ist; 2) die Anode besteht aus einem Anodenmetall, welches auf die Innenwandung der Elektrolysezelle von den unteren Ende bis zii einer geeigneten Höhe aufgetragen ist; 3) die Kathode besteht aus einem Glasrohr und einem Zuleitungs draht, wobei der Zuleitungsdraht aus eillem Edelmetall bosteh-L, und eines der Anschlußenden an den Boden des Glasrohrs angelötet und das andere Anschlußende durch das Glasrohr geführt ist und am oberen Ende der Sonde angeordnet ist; 4) die sauerstoffdurchlässige Membran ist durch Festklemmen mit einem O-Ring, einer Beilagscheibe und einer Kappc mit mehreren Rillen zur Ausschaltung von Schaum am Bodenende der Elektrolysezelle so festgeklemmt, daß sie mit der Oberfläche der Kathode in Kontakt steht; 5) das Glasrohr wird in der Mitte der Elektrolysezelle durch Festklemmen des oberen Teils des Glasrohrs mit O-Ringen, die zwischen einem Stopfen und einem Flansch eingepreßt sind, festgehalten; 6) die Elektrolysezelle enthält einen Elektrolyten und in ihrcr Mitte ist ein Schutzdeckel auf die Zelic aufgeschraubt und gegen einen O-Ring und den äußeren Flansch gepreßt.
Die erfindungsgemäße elektrische Membransonde eignet sich zur Messung der Konzentration von gelöstem Sauerstoff in fluiden Medien bzw. Flüssigkeiten, insbesondere zur Überwachung oder Kontrolle eines Fermentationsvorganges.
Durch das Verseben der Entlüftungsöffnung wird der Ausgleich des Außen- und Innendruckes gewährleistet und durch dieses Merkmal und den Schutzdeckel wird das Einströmen des Mediums in die Zelle verhindert.
Alle Teil sind mechanisch so miteinander verbundenen, daß auch das Hilfsper@@al die Teil, insbesondere Membranen und Kathode, aus wechseln kann, wenn einige der Teil zerstört und unbrauchbar sind. Die Sonde kann nach wiederhalter Dampfsterilisation bei hohen Temperaturen (etwa 130 °C)während langer Dauer benutzt werden. Durch Verwendung von Glas als Isoliermaterial wird eine Zerstörung der Isolierung vermeiden.
Die Membran kann durch Abnehmungen der Befestigungskappe leicht @ntfernt und ausgetauscht werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
In diesen Zeichnungen stellt Fig. 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Sonde mit teilweise abgeschnittenen Teilen dar.
Fig. 2 ist die Draufsicht auf eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Sonde.
Fig. 3 ist die Schrägansicht einer Kappe zum Festhalten der Membran.
Fig. 4 zeigt die Konzentration von gelösten Sauerstoffspuren nach der dynamischen Methode (Stamm Saccharemyces @@revisiae, Belüftungsrate = 330 ml/min, Rührgeschwindigkeit = 500 Uom, Arbeitsvolumen = 1,3 l).
Fig. 5 ist eine grapische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen der Konzentration des gelösten Sauerstoffes, aufgetragen dC auf der Ordinate, und + QO2X bei einer Abschätzung der Werte, dt C* (Sättigungskonzentration des Sauerstoffes in dem Medium) +kLa (volumentrischer Sauerstoffübergangskoefizient) zeigt.
Fig. 6 zeigt die Ergebnisse des Stabilitätstests der Sauerstoffsonde bei der kontinuierlichen Züchtung von Phenol ausnutzender Hefe, Trichosparen cutaneum (Belüftungsrate = 300 ml/min, Rührgeschwindigkeit = 700 Upm, Arbeitsvolumen ) 1,2 l, Verdünnungs@@@e = 0,1 (b-1), Einsatz-Konzentration vor Phenol = 263 mg/l, Phenol konzentration im stationären Zustand = 5 mg/l).
Die in den Figuren 1 bis 3 angegebenen Bezugsziffern haben folgende Bedeutung: Ziffer 1 zeigt den Kathodenanchluß, Ziffer 2 die Isolierung, Ziffer 3 den Anodenanschluß, Ziffer 4 die Elektrolysezelle, Ziffer 5 den O-Ring, Ziffer 6 das äußere Schraubgewinde für den Schutzdeckel, Ziffer 7 den Schutzdeckel, Ziffer 8 die Entlüftungsöffnung, Ziffer 9 das äußere Schraubgewinde für die Membran-Befesti gungskappe, Ziffer 10 das Kathodenmetall (Kathode), Ziffer 11 einen O-Ring, Ziffer 12 die sauerstoffdurchlässige Membranen, Ziffer 13 eine Beilagscheibe, Ziffer 14 die Membran-Befestigungskappe, Ziffer 14' eine Kante, Ziffer 15 ein inneres Schraubgewinde für den Stopfen, Ziffer 16 das Anodenmetall (Anode), Ziffer 17 die Kathodenführung, Ziffer 18 einen Zuleitungsdraht, Ziffer 19 eine Rille zur Entfernung von Schaum, Ziffer 20 einen O-Ring, Ziffer 21 den Elektrolyten, Ziffer 22 ein Glasrohr, Ziffer 23 einen inneren Flansch und Ziffer 24 einen äußeren Flansch.
Die Erfindung wird nun anhand bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.
Zu diesem Zweck wird eine erfidungsgemäße elektrisch Sauerstoffsonde ausfährlich unter Bezugnehme auf die Zeichnungen erläutert.
Die Elektrolysezelle 4 besteht aus einem Metallrohr, das aus einem Material, wie restfreiem Stahl, hergestellt ist. Dieses Metallrohr weist ein inneres Schraubgewinde 15 für einen Stopfen und einen inneren Flansch 23 unterhalb dieses Schraubgewindes am oberen Ende des Rohres auf. In der Rohres des Rohres ist ein äußerer Flansch 24 und unterhalb dieses Flansches ein äußeres Schraubgewinde 6 für einen Schutzdeckel angeordnet und unterhalb dieses Schraubgewindes befindet sich eine Entlüftungsöffnung 8 zur Einstellung des Außen- und Innendruckes. Am Bodenende des Rohres ist ein äußeres Schraubgewinde 9 für eine Membran-Befestigungskappe angebracht. Ein Anodenmetall 16 ist auf die Innenwandung der Elektrolysezelle 4 vom Bodenende aus in einer geeigneten Höhe aufgetragen. Das Anodenmatell besteht aus einem Grundmetall (unedlen Metall), wie J3) <i, bei einer galvani;chen Sonde und aus einzeln Edelmetall, wie Silbers bei einer polarographischen Sonde.
Diese Anodenmetalle werden mit Hilfe von Auftragsmethoden aufgetragen, wie mit Hilfe einer üblichen Metallisiermethode oder mit Hilfe einer Methode, gemäß der das Anodenmetall in die Zelle in flüssiger Form eingegossen wird und unter Abkühlen verfestigt wird, wonach eine kleine Öffnung eingebohrt wird. Das obere Ende des Anodenmetallbelags kann sich oberhalb oder unterhalb der Entlüftungsöffnung 8 befinden und kann den inneren Flansch 23 erreichen.
Der Kathodenabschnitt besteht aus einer Kathode 10, die Edelmetalle, wie Platin, Gold und Silber enthält, bzw. aus diesen besteht, und an dem unteren Ende des Glasrohres 22 befestigt bzw. angelötet ist, und aus einem Zuleitungsdraht, der die Verbindung zwischen der Lötstelle und dem äußeren Kathodenanschluß darstellt. Das Glasrohr 22 wird durch Festklemmen mit einem Stopfen und einem O-Ring 20 in der Mitte der Zelle 4 festgehlaten. Erforderlichenfalls sind Kathodenführungen 17 vorgesehen.
Eine sauerstoffdurchlässige Membran 12, wie eine Polytetrafluoräthylen-Membran (Teflon) ist auf dem Ende der Zelle 4 befestigt, indem sie mit Hilfe des O-Rings 11 und der Beilagscheibe 13 angepreßt und damit Hilfe der Membranen-Befestigungskappe 14 angeschraubt ist, so daß sie in Konatkt mit der Kathode 10 des Glasrohres steht.
Zur Befestigung der Membran bestehen mehrere Alternativmöglichkeiten. So ist es beispielsweise vorteilhaft, wenn die Membran vorher mit Hilfe eines Kleb- oder Bindemittels an der Beilagscheibe 13 befestigt wird. Es wird bevorzugt, daß die Membran-Befestigungskappe 14 mit mehreren Rillen 19 zur Entfernung von Schaum, wie sie in Fig. 3 gezeigt sind, versehen i.st, um das Zurückhalten von Schaum zu vermeiden. Ziffer 2 bedeutet eine Isolierung und Ziffer 1 ist ein Kathodenanschluß, der mit einem Zuführungsdraht verbunden ist. 3 ist ein Anodenanschluß, der mit der Elektrolysezelle verbunden ist. Der Stopfen besteht aus den Bestandteilen 1, 2 und 3.
Ein Schutzdeckel 7 besteht aus einem Metallrohr, wie aus rostfreiem Stahl, und ist auf das äußere Schraubgewinde 7 der Zelle 4 aufgeschraubt. Er wird durch Zusammenpressen mit Hilfe des O-Rings 5 und eines äußeren Flansches 24 dicht auf der Zelle 4 festgehalten.
Als Elektrolyt wird ein üblicher Elektrolyt, wie eine 2 %ige wässrige Lösung von Natriumhydroxyid oder Kaliumhydroxyd, verwendet. Der Elektrolyt wird in den zwischen der Anode 16, dem Glasrohr 22 und der sauerstoffdurchlassigen Membran gebildeten Innen raum eingefüllt.
Wie bereits erwähnt, hat die für Fermentationszwecke geeignete elektrische Sauerstoffsonde gemäß der Erfindung einen einfachen Aufabau, da die Elektrolysezelle selbst mit Flanschen, Schraubgewinden und ähnlichen Teilen versehen ist und daher als Hauptstruktur betrachtet werden kann.
Insbesondere da der Anodenabschnitt direkt auf die Innenwandung der Zelle aufgetragen ist, ist es weder erforderlich, einen Anodenraum, noch einen Zuleitungsdraht für die Anode vorzusehen.
Auf diese Weise wird erreicht, daß der Innenraum der Zelle sehr groß ist. Es ist daher leicht, den Kathodenabschnitt einzubauen und Schwierigkeiten werden ausgeschaltet, die beispielsweise darin bestehen, dn O der Kathodenabschnitt leicht bricht, wenn die benachbarten Teile einer äußeren Schlag- oder Stoßbeanspruchung unterworfen werden.
Außerdem kann die erfindungsgemäße elektrische Sauerstoffsonde fUr die Fermentation den Außen- und Innendruck der Zelle durch die Entlüftungsöffnung bei gleichen Werten halten. Somit wird die Druckdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite der Membran beseitigt. Der Schutzdeckel verhindert, daß die zu prüfende Lösung durch die Entlüftungsöffnung in die Zelle abströmt, wenn die Sonde in cinc Fermentationslösung getaucht wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß in dieser Sonde ke@@e Klebmittel verwendet werden, um die einzelnen Teile miteinander zu verbinden, sodern daß in allen Abschnitten Schraubverbindungen angewendet werden. Es treten daher keine Schwierigkeit@@ beim Ausseinandernehmen oder der Entfernung der Isolation auf, selbst wenn die Sonde wiederholt unter den Erfingungen der WH @esterilisation und des Kühlens angeordnet wird Da diese Sonde einfach aufgebaut ist, ist außerdem ihre Wart@@ einfach @@t i@@, die dem Verschleiß unterlegen sind oder @e brochen sind, lassen sich leicht überprüfen und austauschen. Es läßt sich beispielsweise die Membran in einfacher Weise entfe@@en und austauschen, indem die Membran-Befestigungskappe entferst wird. Der Kathodenabschnitt läßt sich leicht austauschen, indem der Stopfen abgenommen wird. Die erfindungsgemäße Sonde ist daher eine äußerst wirtschaftliche Vorrichtung, weil sie ohne sperielle Fachkenntnisse in einfacher Weise gewartet und repartiert werden kann.
Außerdem ist es je nach Anwendungszweck der sonde leicht möglich, eine Membran geeigneter Dicke zu verwenden und die jeweilige dicke oder dünne Membran einzesste@@, da der Austausch der Membran sehr einfach ist.
Beispiel 1 Sterilisationstest in dem Autoklaven Eine elektrische Sauerstoffsonde gemäß der Erfindung wird wiederholte Male zur Messung der Konzentration des gelösten Sauerstoffes in einem Autoklaven unter den gleichen Bedigungen angewendet, die bei der Sterilisation zu Fermentationszwecken angewendet werden.
@@@@@ Zelle : galvanische Zelle mit einem zylindrische Anßerrohr zum ro@@ @@ Stehl, wie gemäß Figuren 1 bis 3, Anode : Blei Kathode : Platin Herbr@ : P@@ @@ @@ oben "thylen-Prolyler Copolymeren (0,5 @@@@) Elektrolyt : 2 %ige wässrige Natriumhydroxidlösung Autoklavenlydi@@@@l@ Autoklav : BA-30 (Hirayama Seisekunde, Japan) Überdruck : 1,2 kg/cm² Temperatur : 120°C Sterilisationsdauer : 30 min.
Zeit zur Abkühlung : 30 min.
Messung: Diffusionsstrom : gemessen in luftgesättigtem Wasser (P02 = 0,21 atm) bei 30°C Reststrom : gemessen in 5 %iger Na2SO3-Lösung (PO2 = 0 atm) bei 30°C Ansprechzeit : umgerechnet aus luftgesättigtem Wasser (PO2 = 0,21 atm) auf 5%ige Na2SO3-Lösung bei 30°C Die dabei erzielten Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 1 aufgeführt.
TABELLE 1 Anzahl der Diffusions- Rest- 90 % Ansprech-Sterilisa- sirom (µA) strom zeit (sec.) tionen (µA) 1 8,60 0,03 30 2 7,40 0,00 28 3 9,48 0,40 72 4 9,22 0,02 28 5 8,11 0,00 30 6 8,30 0,58 35 7 7,25 0,62 so 8 8,00 0,00 68 9 9,28 0,18 Elektrolyt wurde zugesetzt 10 9,61 0,32 40 11 7,72 0,38 47 12 7,92 0,38 74 13 9,40 0,15 52 14 11,80 - 46 15 5,85 0,30 94 16 7,85 0,55 78 17 8,45 0,76 118 18 10,50 - 36 Membran und Elektrolyt wurden ausgewechselt 19 9,01 0,25 39 20 10,50 0,58 51 21 10,00 0,40 52 Beispiel 2 Sterilisationstest in einem 30 1-Krugformanter (jar fermenter) (1) Dampfsterilisation in dem leeren Fermenter Sterilisationsbedingungen : Der Fühler war an der Seitenwand dos Fermenters angebracht.
Temperatur 1000C Zeit : 30 min.
Zeit des Abkühlens : 60 min. (Abkühlung auf 31°C) Die wiederholte Sterilisation wurde 3 mal unter den vorstehcad angegebenen Bedingungen durchgeführt.
Die dabei erzielten Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 2 gezeigt.
TABELLE 2 Sonde Nr. Diffusionsstrom in 90 % Ansprechzeit luftgesättigtem Wasser bei 30°C in luftge-(30°C) sättigtem Wasser vorher nachher vorher nachher (µA) (µA) (sec) (sec) 1 10 9 36 36 2 9 9,5 25 23 (2) Dampfsterilisation in dem mit Medium beschickten Fermenter Sterilisationsbedingungen Es wurden die gleichen Sonden bzw. Fühler wie vorstehend angegeben, verwendet.
Die wiederholte Sterilisation wurde 5 mal untr den gleichen Bedingungen durchgeführt, wie sie vorstehend beschrieben sind.
Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle 3 gezeigt.
TABELLE 3 Sonde Nr. Diffusionsstrom in 90 % Ansprechzeit bei luftgesättigtem Wasser 30°C in luftgesättigt (30°C) Wassser vorher nachber vorher nachber (µA) (µA7 (sec) (sec) 1 9 9 36 39 2 9,5 9 23 21 Beispiel 3 Ermittlung der spezifischen Atmungsrate (QO2) und des volumetrischen Sauerstoffübergangskoeffizienten (kLa) :"Dynamische Methode" Verwendeter Stamm : Saccharomyces caravisiae Zusammensetzung des Mediums : Glucose 5 g KH2PO4 2 g (NH4)2SO4 1 g MgSO47H2O 0,2 g Hefeextrakt 1 g Destilliertes Wasser 1 l Betriebsbedingungen : Belüftungsrate = 330 ml/min Rührgeschwindigkeit = 500 Upm Betriebsvole in 1,3 l Temperatur : 30°C Verwendete Membran in der Sonde: 0,025 mm dicke Folie aus fluoriertem Äthylen-Propylen-Polymeren Krugferfahter : Iwashiya K. Saweda Co., Ltd. Typ MB (Wennvolumen = 2 l) Die Messung erfolgte während der logarithmischen Masse (µ = 0,2 h-1) w@@@ers die Zell@@@@nterstien 0,64 g/l betrag.
1-A : Ermittlung des O0 - Werts aus der Zweigung der Kurve nach Abstelles der Luftzuführung.
QO2 = 55,5 µ g @@@stoff/k m@ der trockenen Zellen = 1,75 m@ol Sauerst@ k/h.g der tradenen Zellen 1-B : Ermittlung des k@@-Werte und der Sättigungskonzentration von Sauerstoff in dem Medium, C*.
dC Konzentration das gelösten Sauerstoffes, C gegen @OS2X, dt die aus der Steigung der Fig. 4 berechnet werden, während die Belüftung durchgeführt wird, wird in Fig. 5 gezeigt.
C* = 7,5 ppm kLa = 0,91 min-1 Kalb@@@ kLa (@@-1) dynamische Methode 0,91 Methoden der Sulfinoxyden tion ** 0,99 ** Die Methode der Sulfitoxydation wurden untre den gleichen Betriebsbedingungen durchgeführt, mit der Ausnahme, daß das Medium durch destilliertes Wasser ersetzt wurde.
Beispiel 4 Stabilitätstest bei der kontinuierlichen Kultivierung einer Phenol ausstze@@n Hefe Verwendeter Stumm : Trichosporon cutaneum Zussumersetzung des Mediums : RH4Cl 5 g KH2PO4 2,5 g MgSO47S2O 1 g CaCl22H2O 10 mg FeCl36H2O 10 g Bietin 2 µg Ca-Pantothenat 400 µg Inesit 2000 µg Nicotinsäure 400 µg p-Aminobenzoesäure 200 µg Pyridoxine ECl 400 µg Thiamin HCl 400 µg Riboflavin 200 µg Destilliertes Wasser 1 l Phenol 200 - 400 mg (Anfangskonzentration) Betriebsbedingungen : Belüftungsrate = 300 ml/min Rührgeschwindigkeit = 700 Upm Betriebsvolumen = 1,2 l Temperatur = 30°C Verdünnungsrate = 0,1 (h-1) Krugiermenter : Iwashiya K. Sawada Co., Ltd., Typ MB (Nennvolumen 2 l) Die graphische Darstellung zeigt an, daß die Sauerstoffsonde während mehr als 100 Stunden bei dem spezifischen Abbau von Phenol mit Hilfe der kontinuierlichen Kultur sehr stabil arbeitet.
Periodische Veränderungen, die zu Beginn beobachtet werden, geben die Temperaturänderungen in dem Krugfermenter wieder, weil die Temperatur nur grob geregelt wurde (die Abweichung zeit # 1°), während die später durchgeführte Temperatur-Feinregellung zu weniger schwankenden Ergebnissen führt, wie in Fig. 6 gezeigt ist.

Claims

Elektrische Sauerstoffsonde PATENTANSPRÜCHE 1. Elektrische Sauerstoffsonde in einer galvanischen oder polarographischen Membransonde zur Messung der Konzentration von gelöstem Sauerstoff in einem flüssigen Medium, die eine Kathode (10), eine Anode (16), eine sauerstoffdurchlässige Membran (12), einen Elektrolyt (21) und eine Elektrolysezelle (4) enthält, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Anode (16) aus einem Anodenmetall besteht, das auf die Innenwandung der Elektrolysezelle (4) vom Bodenende aus in einer geeigneten Höhe aufgetragen ist.
2. Elektrische Sauerstoffsonde nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , das die Elektrolysezelle (4) aus eine Metallrohr besieht, dessen oberes Ende mit einem inneren Schraubgewinde (15) und einem unterhalb des Schraubgewinder (15) vorgesehenen inneren Flansch (23) versehen ist, in dessen Mittelteil ein äußeres Schraubgewinde (6) und ein oberhalb dieses Schraubgewindes (6) befindlicher äußerer Flansch (24) sowie eine Entlüßtungsöffnung (8) zur Einstellung des Innen- und Außendruckes unterhalb dieses Schraubgewindes (6) vorgesehen sind und dessen unteres Ende mit einem äußeren Schraubgewinde (9) versehen ist.
3. Elektrische Sauerstoffende nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g c k e n n z e i c h n e t , daß die einen Elektrolyten (21) enthaltende Elektrolysezelle (4) mit einem im mittleren Teil der Zelle (4) aufgeschreubten Schutzdeckel (7) versehen ist, der gegen einen O-Ring (5) und einen äußeren Flansch (24) gepreßt ist.
4. Elektrische Sauerstoffsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e 1 c h n e t , daß die Kathode (10) aus einem Glasrohr (22) und einem Zuleitungsdraht aus einem Edelmetall besteht, dessen eines Ende mit dem unteren Teil des Glasrohres verbunden ist und dessen anderes Ende durch das Glas rohr geführt und an' oberen Ende der .Sonde angeordnet ist.
5. Elektrische Sauerstoffsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß des Glasrohr (22) mittleren Teil der Elektrolysezelle (4) festgehalten wird, indem der obere Teil des Glasrohrs mit O-Ringen (20) festgeklemmt wird, die zwischen einen Stopfen und einem Flansch (23) eingepreßt sind.
6. Elektrische Sauerstoffsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die sauerstoffdurchlössige Membranen (12) am unteren Ende der Elektrolysezelle (4) durch Festklemmen mit einem O-Ring (11), einer Beilagscheibe (13) und einer Befestigungskappe (14) so befestigt ist, daß die Membranen (12) in Kontakt mit der Oberfläche der Kathode (10) steht.
7. Elektrische Sauerstoffs@@@e nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Befestigungskappe (14) mit Rillen (19) zum Entfernen von Schaum versehen ist.
8. Elektrische Sauerstoffsonde in einer galvanischen oder polarogr@@hisehen M@@hr @@ de, die ins @atbeg-, ein Anods, ein @@@@-stoffdurchlässige Membran, einen Elektrolyten und eine Elektrolysezelle aufweist, dadurch g e k e n n z e 1. c h n e t , daß 1) die Elektrolysezelle (4) aus einem Metallrohr besteht, an dessen oberem Ende ein Schraubgewinde (15) und ein unterhalb des Schraubgewindes (15) angeordneter innerer Flansch (23) vorgesehen sind, in dessen mittlerer Teil ein äußeres Schraubgewinde (6), ein oberhalb dieses Schraubgewindes (6) angeordneten @@erer Flansch (24) und ein unterhalb dieses Schraubgewindes (6) angeordnetes Entlüftungs-und dessen unteres Ende mit einem äußeren Schraubgewinde (9) versehen ist 2) daß die Anode aus einem Anodenmetall (16) besteht, das auf die Innenwandung der Elektrolysezelle (4) vom Bodenende in einer geeigneten Höhe aufgetragen ist, 3) daß die Kathode (10) aus einem Glasrohr (22) und einem Zuleitungsdraht (18) aus Edelmetall besteht, dessen eines Ende an dem Boden des Glasrohrs befestigt ist und dessen anderes Ende durch das Glasrohr geführt ist und am oberen Ende der Sonde angeordnet ist, 4) daß die sauerstoffdurchlässige Membran (12) durch Festklemmen mit einem O-Ring (11), einer Beilagscheibe (13) und einer Befestigungskappe (4) mit mehreren Rillen (19) zum Entfernen von Schaum am unteren Ende der Elektrolysezelle (4) befestigt ist, wobei die Membran (12) in Kontakt mit der Oberfläche der Kathode (10) steht, 5) daß das Glasrohr (22) durch Festklemmen des oberen Teils des Glasrohrs (22) mit 0-Ringen (20), die zwischen einen Stopfen und und einen Flansch (23) eingepreßt sind, in der Mitte der Elektro lysezelle festgehalten ist, und 6) daß die Elektrolysezelle einen Elek-Lrolyten (21) enthalt und einen im mittleren Teil der Zelle aufgeschraubten Schutzdeckel (7) aufweist, der gegen einen O-Ring (5) und einen äußeren Flansch (24) gcpreßt ist.