[发明专利]一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及电化学分析领域，尤其涉及一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置及方法。

技术背景

在好氧生物反应过程中，氧气通常作为电子供体参与生化反应。因此，生物膜内溶氧浓度的大小会直接影响到生化反应过程的反应速率。但是，由于氧气的溶解度非常低，使得它在气相向液相以及向生物膜传递的速率非常小。在实际的处理过程中，溶氧的传质过程经常会限制生化反应的效率，从而成为生化工艺的瓶颈。而测定生物膜内溶氧扩散系数，是研究溶氧传质过程、改进优化工艺参数的基础和前提。传统测定固体内部物质扩散系数的手段耗费时间长，结果不够准确，无法对样品进行原位测定。

发明内容

本发明针对上述技术问题，提供一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置及方法，可以有效、简便、快速、准确地对生物膜内溶氧扩散系数进行原位测定。

一种测定生物膜内溶氧扩散系数的装置，包括气体输送装置、进气加湿瓶、生物膜测试室和溶氧微电极系统；

所述的生物膜测试室为一个长方体透明有机玻璃室，设有进气口和出气口，进气口在测试室的侧面，出气口在测试室的顶部并偏向远离进气口的一侧，待测生物膜样品放置在出气口正下方；溶氧微电极系统包括溶氧微电极8、三维微操仪和带电压输出的皮安计；所述气体输送装置包括一个带减压阀且充有纯氮气的氮气钢瓶、一个连通大气的空气泵、流量计和切换进气所用的三通阀；

所述氮气钢瓶和空气泵的输出端分别与三通阀的一个端口连接，三通阀的第三个端口连接流量计输入端，流量计输出端与所述进气加湿瓶的进气口连接；进气加湿瓶的出气管与生物膜测试室的进气口连接；所述溶氧微电极固定在三维微操仪的夹持端上，并通过生物膜测试室的顶部出气口与测试室内的待测生物膜样品接触，皮安计的电压输出端与溶氧微电极的电极接口连接。

所述进气加湿瓶为带胶塞的广口瓶，广口瓶上的胶塞设置两个通孔，其中第一个通孔穿有所述加湿瓶的进气管，进气管末端连接大孔径曝气头，曝气头置于瓶底，浸没在水面以下；另一个通孔穿有所述加湿瓶的出气管，悬于液面以上。

一种测定生物膜内溶氧扩散系数的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将待测微生物膜样品浸泡在3-5g/L的叠氮化钠（NaN₃）溶液中三个小时；之后，将其放入生物膜测试室内；

步骤二：在测试之前，控制气体输送装置，以大于1000ml/min的氮气通入生物膜测试室一小时；

步骤三：控制三维微操仪，将溶氧微电极移动到待测生物膜内部某一深度处，打开皮安计，开始记录溶氧微电极检测到的电流数据；

步骤四：将进气改为同流量的空气；利用溶氧微电极记录生物膜内该深度处的溶解氧变化；

步骤五：重复步骤二～四，且将步骤二中的溶氧微电极推进到生物膜内另一深度处，测定生物膜内该深度处溶解氧变化；

步骤六：通过使用模型拟合求出扩散系数；

所述生物膜内溶氧扩散系数的计算模型为：

对于生物膜内的一维传质，利用Fick’s second law建立非稳态传质的微分方程：

∂C∂t=D∂2C∂z2]]>

其中C为微生物膜内的溶氧浓度（mg/L），D为氧气在生物膜内的扩散系数（m²/h），z为测试点所在的生物膜内深度（m），t为通入空气的时间（h）；

基于实验描述，该方程有边界条件如下：

假设实验开始时体系中没有氧气，则有：

t=0,C(z,0)=0for all z

将生物膜视为半无限平板（semi-infinite slab），即生物膜厚度无穷大，则有：

at z=0,C(0,t)=C _g/H for t>0

at z=∞,C(∞,t)=0for all t