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pH計原理

1 .玻璃電極(作用電極)

2 .參考電極

 

玻璃電極

a .材料:耐酸鹼

b .形狀:球泡、平面型、實錐型、迷你細針型。

C .內部緩衝液:氯化鉀(KCl)

 

參考電極

1 .維持恆定的電勢

2 .與待測溶液不相關

3 .通過多孔陶瓷膜與量測液接觸

4 .參考電解質有高離子濃度、低電阻

 

工業上使用的pH計

特點:1 .On line, real time, Long-term.

      2 .高壓、高溫、電流影響

      3 .維護簡易、快速

      4 .量測點有代表性

      5 .電極與水平具有15°以上夾角

      6 .電極的保護:待測液有固形物

                    需要攪拌

      7.外界液壓與電解液的液壓

 

工業界pH長期使用

1 .環境溫度、相對濕度

2 .周圍電磁場

3 .信號為高電阻,導線不可太長

4 .污染防治

  a .緩衝劑沖洗

  b .避免表面沉澱

5 .電極儲存

  a .放在蒸餾水內:活化反應時間

  b .放在乾燥處:先浸入參考電解液

 

 

 

特殊量測

1 .待測液中離子稀少

  影響:電極阻力太大

  方法:增大電極面積

2 .半水溶性或非水溶性

  影響:局部pH值,容易沉澱

  方法:LiCl的乙醇溶液為參考電解液

  實例:組培瓶內半固態培養基

 

3 .高蛋白質溶液(血液、尿液)

  影響:蛋白質與KCl電解液沉澱

  方法:使用特殊電解液(含甘油)

4 .含硫化物的溶液

  影響:與Ag/AgCl電解液產生硫化銀沉澱

  方法:其他電解液

 

5 .強酸/強鹼量測

  問題:產生其他化學電能

  解決:緩衝液:氫氧化鈣(pH=12.4),HCl(pH=1)。

 

生物產業的pH量測

1 .如何滅菌:環境1.2 atm、120-130℃高溫蒸氣。

2 .以酒精擦拭、UV照射…。

 

動物細胞生產

1 .存活pH範圍:6.6-7.8

最佳pH條件:7.2-7.4

2 .控制方式

  a .加入酸鹼液

  b .改變空氣中CO2含量

3 .特殊問題

  a .培養期數週(哺乳細胞)

  b . pH控制精確

4 .解決:擬膠式電解質,避免待測液滲入。

 

 

 

 

青霉素生產

1 .青霉素液體培養的代謝物

2 . pH適合範圍:6.0-6.8

3 . pH控制:加入氨水或弱酸

4 .特殊問題

  a .菌絲黏附電極表面(尤其貼壁細胞)

  b .蛋白質沉澱堵塞

5 .解決

  a .伸縮式保護套,定期去除黏附菌絲。

  b .特殊電解液

 

檸檬酸生產

1 .發酵液的檸檬酸以CaCO3中和

2 .以H2SO4溶解檸檬酸Ca

3 .得到檸檬酸與CaSO4

問題:

  1 .沉澱物阻塞表面

  2 .增加反應時間,減短使用期限。

解決:

  1 .使用特殊陶瓷接頭,光滑性。

  2 .使用特殊聚合物電解液

 

使用環境與參考電極之選用

 

EC、Conductivity

1 .V=RI,R=

2 .G=

3 .1㎝3 solution,量測面積1㎝2,距離1㎝之阻撓。

4 .EC = G,units:ms/m,

 

EC:溶液中所有離子

pH:溶液中所有H離子

 

 

 

問題

1 .EC不能代表所有的溶液成份

2 .在介質中,液態水份之EC與介質內部EC並不同。

 

EC的其他量測技術

:electrical permittivity

 =

:real permittivity

:imaginary component

 =

:constant,W = 2

 

以時間區域反射法(TDR)

1 .:Pore water conductivity, within the medium pores.

2 .bulk water conductivity, total EC of medium.

= f〔, medium conductivity, medium water content〕

 

以蘭花栽培為例

1 .直接擠出介質水份,量測        EC。

2 .以EC meter放入介質內,量測EC值。

3 .以TDR device,量測

 

DO meter

A.原理

  陽極:4Ag + 4(Cl) → 4AgCl + 4e

  陰極:O2 + 2H2O + 4e → 4OH

  i =

  i & Cs

  電流 & O2濃度

 

 

 

 

DO計之設計原理

1 .有選擇性的透過膜

2 .有適用的電解液

3 .反應電極材料(Pt)

 

生物反應器之利用

1 .耐高壓殺菌

2 .具有電極保護套,殺菌時保護電極

3 .溶氧計的安裝位置與角度

 

DO計校正

1 .零點校正:純N2

2 .斜率校正:純02氣體,充分攪拌。

3 .利用空氣O2(20.9%)與純水之溶解度。

 

單一離子感測

1 .空氣中NH3 sensor

 

 

  K:反應速率

  K =

 

 

 sensor

1 .有一透氣膜,

2 .有電解液,

3 .有pH量測設備。

 

單一離子之硏製

為了單純化,選擇膜格外重要。

If

E = K + S

多重離子感測器之硏製

1 .假設同時有三種離子( i = 1,2,3 )

 

 

 

2 .量測得到

  能否求解

3 .單晶片與數值分析軟體的綜合應用。

 

生物感測器

UREA(尿素) sensor

1 .自豆類提煉酵素

                urewe

CO(NH2)2 + 2H2O → 2

2 .NH3濃度感測

3 .pH感測

 

UREA Sensors

生物元件   +   NH3元件   +   pH元件   +   訊號處理  + …

  酵素         電解液         電解液

透過膜(urease)  透過膜(NH3)   透過膜()