Comparing Optical To Polarographic Dissolved Oxygen Measurement

Auf dem Markt besteht ein klarer Trend hin zu optischen Sauerstoffsensoren. Für eine Verschiebung der Präferenzen gibt es verschiedene Gründe wie: vereinfachte Wartung, Eliminierung der Polarisierung, niedrigere Betriebskosten, Kompatibilität mit Single-Use-Anwendungen und mehr. Wird ein Wechsel zu optischen Sensoren in Erwägung gezogen, müssen Ingenieure aber auch alle Auswirkungen berücksichtigen, die ein Wechsel des Messprinzips auf den aktuellen Prozess haben könnten.

Vorweg: Die gute Nachricht ist, dass in vielen Situationen optische Sensoren als direkter Ersatz für amperometrische Sensoren verwendet werden können, aber nachstehend werden einige Punkte erläutert, wo es Unterschiede gibt und auf die man achten muss.

Entspricht ein optischer Sauerstoffsensor einem amperometrischen Sauerstoffsensor?

Ja, beide Sensoren messen den Partialdruck des Sauerstoffs in der Lösung, sodass wenn diese in denselben Prozess eingetaucht werden, die Messung unter typischen Betriebsbedingungen eine hohe Korrelation aufweist.

Die Grafik auf der rechten Seite zeigt eine Gegenüberstellung von optischen und amperometrischen Sensoren für gelösten Sauerstoff während einer Fermentierung über 16 Stunden.

Welche Bedingungen führen zu einem Unterschied zwischen optischen und amperometrischen Messungen?

Genaue Messungen von gelöstem Sauerstoff erfordern eine ordnungsgemäße Kalibrierung. Während eines Prozesses können Bedingungen auftreten, die eine Abweichung des Sensors vom ursprünglichen Kalibrierungswert verursachen. Da der Sensor zur Messung des gelösten Sauerstoffes zur Steuerung des Prozesses verwendet wird, ist es möglich, dass diese Abweichungen unbemerkt bleiben, bis ein Referenzsensor eingesetzt wird, der von den Prozessbedingungen nicht beeinträchtigt wird. Nachstehend finden Sie einige zu berücksichtigende Fälle:

  • Druckspitzen im Prozess, die zu einer Abweichung führen
  • Fouling des Sensors durch CO₂ oder andere durch den Prozess generierte Gase
  • Chemische Einwirkung durch im Prozess enthaltene Lösungsmittel

Wie wirken sich Druckspitzen auf Messungen des gelösten Sauerstoffs aus?

Polarographische Sensoren können schwankenden Prozessdrücken gegenüber empfindlich sein. Druckspitzen oder Vakuumbedingungen können zu einer Verschiebung oder Deformierung von unbewehrten Abschnitten der Membran führen. Diese Veränderung wirkt sich auf die Diffusionsgeschwindigkeit von Sauerstoff über die Membran aus, was zu einer Messabweichung führt. Optische Sensoren weisen eine starre Konstruktion auf, die von vorübergehenden Druckänderungen unbeeinflusst bleiben.

Die Grafik auf der linken Seite zeigt eine Gegenüberstellung von optischen und amperometrischen Sauerstoffsensoren. Nach ungefähr 3 Stunden trat eine Druckspitze auf, die auf das Öffnen und Schließen eines Ventils zurückzuführen war. Nach der Spitze zeigen beide Messungen ähnliche Trends, weisen aber eine Differenz von ca. 6 % Luftsättigung auf. In amperometrischen Sensoren wurde eine Produktkalibrierung zur Korrektur dieses Fehlers verwendet.

Wie wirkt sich CO₂ auf die Regelung von gelöstem Sauerstoff aus?

Ein Nebenprodukt der Zellatmung ist CO₂. In gelöster Form kann dieses Gas über die Membran eines amperometrischen Sensors diffundieren. Im Inneren des Sensors wird der Elektrolyt durch Carbonsäure angesäuert. Dies ändert den pH-Wert des Elektrolyten und führt letztendlich zu einer Abweichung in der Messung. Da der DO-Sensor dazu verwendet wird, den Sauerstoff auf einem Sollwert zu halten, führt dies zu einer Anhebung des Sauerstoffsollwerts, so lange der Prozess läuft. Dieser Effekt macht sich stärker bemerkbar, wenn man ihn mit einem optischen Sensor vergleicht, der nicht über einen Elektrolyten verfügt und somit durch CO₂ nicht beeinträchtigt wird.

Die nachstehende Grafik zeigt optische und amperometrische Sauerstoffsensoren, deren Trends über einen Zeitraum von 38 Tagen verfolgt wurden. Nach ca. 4-5 Tagen scheint der optische Sauerstoffsensor (blaue Linie) im Vergleich zum amperometrischen Sauerstoffsensor (grüne Linie) eine Abweichung nach oben aufzuweisen. In diesem Test war der ansteuernde Sensor der amperometrische Sensor. In dem Maße, wie aufgrund des Sauergases Abweichungen am Sensor verzeichnet wurden, forderte dieser immer mehr Sauerstoff aus dem Massendurchflussregler, um den festgelegten Sollwert aufrechtzuerhalten. Wie an der Linie des optischen Sauerstoffsensors zu sehen ist, steigt die Sauerstoffkonzentration während des Durchlaufs.

Um zu beweisen, dass das Problem auf eine Abweichung des amperometrischen Sensors und nicht des optischen Sensors zurückzuführen ist, wurde der nA-Wert in der Luft unter denselben Bedingungen vor und nach dem Abschluss aufgezeichnet. Der Unterschied in der nA-Ausgabe korrelierte mit der beobachteten Abweichung.

Können in Anwesenheit von Lösungsmitteln optische Sensoren verwendet werden?

Ein Manko von optischen Sauerstoffsensoren ist ihre Verwendbarkeit in Anwendungen mit organischen Lösungsmitteln.

Einige Sensordesigns verwenden eine PTFE-Membran, um die Exposition des Luminophors gegenüber inkompatiblen Lösungsmitteln zu begrenzen. Dies hat sich in biologischen Prozessen als äußerst effektiv erwiesen. Für Anwendungen mit einer höheren Lösungsmittelkonzentration besteht das Risiko, dass der Lumiphor aus der Sensorkappe ausgewaschen wird. Um dem entgegenzuwirken, kann der Luminophor immobilisiert werden. Das ist zwar wirksam, aber es kann trotzdem noch zu Schwierigkeiten bei der Kalibrierung des Sensors für Messgenauigkeit in gemischten Lösungsmitteln kommen.

In solchen Anwendungen kann ein amperometrischer Sensor die beste Lösung darstellen. Optische Lösungen können immer noch eine Option sein, aber dies hängt von den Besonderheiten des Prozesses ab.

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