A fermentációs technológiában jelenleg kétféle szenzort használunk erre a célra az egyik elektrokémiai a másik optikai elven működik. Az elektrokémiai szenzoroknak két fajtáját különböztethetjük meg, ezek a polarográfiás és a galvanikus szenzorok. A galvanikus elven működő szenzorok fermentációs oxigén szint követésre nem igazán terjedtek el, bár kivételes esetekben lehet találkozni velük. A polarográfiás szenzorok széles körben elterjedtek, ugyanakkor rendszeres karbantartást igényelnek, sok esetben a katódot 1-1,5 éven belül cserélni kell. Az optikai elven működő szenzorok ezzel szemben nem igényelnek karbantartást, élettartalmuk 2+ év, legfeljebb a kupakot az érzékelő membránnal kell cserélni. Abban az esetben, ha a fermentor kompatibilis az optikai szenzorral, érdemesebb azt választani.

A jelenlegi tapasztalat alapján, bár a galvanikus elven működő szenzorok nem igazán elterjedtek és az áruk is a polarográfiás szenzorokkal összevethető, a következő meggondolások alapján mégis a fermentorba való beintegrálása mellett döntöttünk:

  • mV tartományban adnak jelet, ez egy egyszerű, olcsó áramkörrel könnyen feldolgozható,
  • a hővel sterilizálható szenzor igen drága, viszont egyéb felhasználási területen, pl. az akvarisztikában használatosak ennek az ötöde, ezért saját szenzor kifejlesztése felé is elmennénk,
  • a jövőben, ha nem egyes, hanem 10-es blokkban lévő mini 20-50 ml-es fermentorok eldobható változatában gondolkodunk ez egy költséghatékony megoldás lehet.

A polarográfiás szenzorok jelenlegi széles elterjedtségük miatt ezek beintegrálása nem kérdés, azonban a piacon jelenleg elérhető jelfeldolgozók igen magas áron érhetőek csak el, ami jelentősen emelné a végleges fermentor árát is. Ebben az esetben itt magát a jelfeldolgozó fejlesztését is el kellett kezdenünk. Ehhez már készítettünk egy erősítő áramkört, ami a korai teszteken jól teljesített, ennek továbbfejlesztésén dolgozunk jelenleg. Itt a kihívást a nA tartományban lévő jel zajmentes erősítése és arányos feszültség jellé alakítása, majd ennek egy ADC-vel (analóg digitális konverter) történő digitális jellé alakítása, végül a jel feldolgozása, hőmérséklet kompenzálása jelenti.

Az optikai szenzor mindezek után a legjobb és a legkényelmesebb választás, mind élettartamát, mind a vele való kommunikáció kiépítése tekintetében. Itt a jelfeldolgozó elektronika be van építve magába a szenzorba, így a hőmérséklet kompenzált jel kiolvasása MODBUS-on keresztül könnyen kivitelezhető. Egyetlen hátránya, hogy a tápellátása +24V-ot igényel, ami a jelenlegi összeállításban nem szerepel, így kiegészítő áramkör beiktatása válik szükségessé. A jelenlegi feszültségszintek, aminek előállításához PC tápot használunk +3,3 V; +5 V; -5 V; +12 V; -12 V, így a +24 V előállításához a 12V-ot feltranszformálni tűnik a legegyszerűbb megoldásnak.
Egy kis elmélet a galvanikus és polarográfiás elven működő szenzorokhoz.galvanic, oxygen, sensorAz alapvető különbség közöttük, hogy a galvanikus elven működő szenzor önpolarizációra képes, így külső feszültségforrást nem igényel, kimenete mV jel. A polarográfiás szenzorhoz -0.6 V és -0.8 V közötti polarizációs feszültség használata szükséges, ez nA jelet produkál, amit erősíteni és arányos feszültség jellé kell alakítani.

A galvanikus szenzor leggyakrabban ezüst katódot és cink, vagy ólom anódot tartalmaz, amit egy PTFE membrán választ el a külvilágtól és a belső része KCl vagy KBr oldattal van feltöltve, ezzel biztosítva az elektromos kapcsolatot az anód és a katód között. Ennél a szenzor típusnál nem kell külső feszültséget alkalmazni, mivel mind a cink, mind az ólom elektródpotenciálja negatív, (E0Zn: -0.76 V; Pb: -0.13 V) ezért könnyen adnak le elektront, könnyen oxidálódnak, így a polarizáció külső feszültség nélkül is bekövetkezik, ez az önpolarizáció. Az elektron útja a cink/ólom anód felől az ezüst katód felé vezet, ahonnan oxigén jelenlétében átadódik annak, redukálva azt. Maga az elektród kb. 0-50 mV-ig produkál jelet, 0 % O2 = 0 mV; 100 % O2 = 50 mV. A kimeneti feszültség érték elektródról elektródra változik, így minden esetben kalibrálni kell azokat. polarographic, sensorA másik a polarográfiás típus, ahol a katód anyaga arany vagy platina, az anódé pedig ezüst. Itt, ahogy már korábban szó volt róla a polarizációhoz külső feszültséget kell alkalmazni, aminek -0.6 V és -0.8 V között kell lennie. Ezt a tápról tudjuk levenni és egy egyszerű feszültség osztóval a megfelelő értékre állítani.

A katódon a következő nettó reakció játszódik le:

O2 + 4 e + 4 H+ → 2 H2O

Abban az esetben, ha a feszültség túl kicsi redox reakció nem játszódik le, áram nem indul, ha túl nagy, az áram nem lineárisan, meredeken nő, ami más mellékreakció, mint a víz hidrolízise miatt következik be.

Leave a Reply

Your email address will not be published.