Aktuální vydání

celé číslo

04

2020

Balicí a plnicí linky, výrobní logistika

Příslušentví robotů

celé číslo

Měření pH v biotechnologických zařízeních

C. D. Feng
 
Článek informuje o posledních výsledcích výzkumu zaměřeného na mechanismy stárnutí skleněné elektrody pro měření pH po jejím vystavení vysoké teplotě při použití nedestruktivní metody založené na sledování spektra komplexní impedance. Jsou diskutovány vlastnosti vysokoteplotního skla nového složení a závislost potenciálu referenčního rozhraní na bázi oxidu hlinitého na vodivosti u senzorů pH nové konstrukce sterilizovatelných parou v porovnání s parou sterilizovatelnými senzory pH ve standardním provedení. Dále je v článku představen koncept robustnějších senzorů pH sterilizovatelných parou s novým uspořádáním čidla teploty společně se zemněním referenčního elektrolytu.
 
This paper presents recent research on the aging mechanism of the pH-sensing glass after high temperature exposure by using the non-destructive complex impedance spectrum method. The aging behavior of new high temperature glass formulations and the conductivity dependence of Alumina-based reference junction potential in steam-sterilizable pH sensors are discussed in comparison with standard steam-sterilizable pH sensor formulations. The paper also introduces the concept of a more robust, built-in temperature sensor and solution ground design in steam-sterilizable pH sensors.
 

1. Úvod

Koncentrace vodíkových iontů, zkráceně pH, je jednou z nejdůležitějších veličin při práci s buněčnými kulturami a při fermentačních procesech v odvětví biotechnologií. K jejímu měření v různých průmyslových procesech se dosud pro svou spolehlivost a robustnost nejčastěji používá technika skleněných měřicích elektrod s tekutým elektrolytem, stará sto let. Neustálý růst požadavků na správnost a přesnost měření a délku provozního života senzoru pH však výrobce nutí tento senzor ustavičně zdokonalovat. Ve středu pozornosti je prodloužení doby provozního života senzoru v podmínkách sterilizace provozního zařízení parou, kdy je senzor vystaven vysokým provozním teplotám.
 

2. Stárnutí elektrody pH v prostředí s vysokou teplotou

Všichni uživatelé vědí, že skleněné elektrody pro měření pH (elektrody pH) stárnou mnohem rychleji tam, kde na ně působí vysoké teploty. Typickým příznakem zestárnutí elektrody pH je její pomalá odezva na změnu pH. Má-li být proces stárnutí elektrody pH zpomalen, je důležité poznat mechanismus tohoto děje. V daném případě je k tomu použita metoda analýzy komplexní impedance elektrody pH. Jde o nedestruktivní metodu široce používanou při zkoumání elektrochemických pochodů se vztahem k elektrodě.
 
Na obr. 1 je zobrazeno typické spektrum komplexní impedance elektrody pH s reálnou složkou na ose souřadnic a imaginární na ose pořadnic. Ve vysokofrekvenční části spektra na obr. 1 je patrný půlkruh a v nízkofrekvenční části skloněná linie, téměř přímka, ukazující na přítomnost konstantního fázového posuvu. Analýzou a simulací impedančního spektra byl získán náhradní obvod elektrody pH, znázorněný na obr. 2, kde C je kapacitance tvořená skleněnou stěnou (membránou) elektrody jako dielektrikem, R1 elektrický odpor membrány, R2 elektrický odpor vrstvy elektrolytu a Q konstantní fázový posuv v elektrolytu, který reprezentuje schopnost iontů procházet elektrolytem, jež je závislá na frekvenci. Při porovnání náhradního obvodu na obr. 2 s impedančním spektrem na obr. 1 je zřejmé, že C a R1, projevující se půlkruhem v oblasti vysokých frekvencí, reprezentují vlastnosti membrány, zatímco R2 a Q, projevující se jako skloněná přímá čára v oblasti nízkých frekvencí, reprezentují vlastnosti elektrolytu uzavřeného v baňce elektrody pH.
 
Protože analýza komplexní impedance je metoda nedestruktivní, byla tatáž elektroda pH podrobena procesu stárnutí při 110 °C po dobu sedmi dnů. Na obr. 3 jsou spolu porovnána impedanční spektra elektrody před zahájením procesu stárnutí a po jeho ukončení. Je patrné, že hlavní změna, která u elektrody nastala v důsledku jejího vystavení zvýšené teplotě, je změna průběhu klesající přímé linie nacházející se v oblasti nízkých frekvencí. To znamená, že stárnutím je zasažen především elektrolyt v elektrodě. Hodnoty všech komponent obsažených v náhradním obvodu na obr. 2 lze získat simulací impedančního spektra.
 
Hodnoty veličin z obr. 2 před vystavením elektrody procesu stárnutí a po něm, získané simulací, jsou souhrnně uvedeny v tab. 1. Z ní je zřejmé, že proces stárnutí nejvíce ovlivnil veličinu R2, tj. odpor elektrolytu v elektrodě. Klíčem ke zvýšení odolnosti elektrody pH proti stárnutí vlivem vysoké provozní teploty je tudíž hlubší poznání významu a změn elektrického odporu elektrolytu v elektrodě.
 

3. Chování vysokoteplotní skleněné elektrody při cyklické sterilizaci parou a odezva senzorů na změnu pH

Již bylo zmíněno, že příčinou stárnutí elektrody pH je nárůst elektrického odporu jejího elektrolytu R2. Protože Q i C jsou závislé na frekvenci, projeví se změna R2 změnou ohmického odporu elektrody. Změna ohmického odporu elektrody pH tudíž indikuje její stárnutí.
S cílem porovnat procesy jejich stárnutí byly ověřovány tři skupiny (A, B a C) skleněných elektrod pH odlišného provedení. Baňky elektrod skupiny A byly vyrobeny z nového druhu vysokoteplotního skla, navrženého na základě poznatku, že u elektrody pH stárne především její elektrolyt. Nový druh skla se vyznačuje mimořádně velkým tepelným odporem při teplotách až do 145 °C. Elektrody typů B a C byly dodány současnými výrobci senzorů pH sterilizovatelných parou. Všechny elektrody procházely sterilizačními parními cykly, při nichž na ně vždy po dobu 30 minut působila pára o teplotě 130 °C. Po každém parním cyklu byl při běžné teplotě okolí změřen ohmický odpor elektrody. Zjištěné závislosti ohmických odporů elektrod na počtu parních cyklů jsou znázorněny na obr. 4. Je patrné, že ze všech zkoušených elektrod se nejméně změnily elektrody pH skupiny A, což znamená, že elektrody vyrobené s použitím vysokoteplotního skla navrženého na základě výsledků zkoumání senzorů pH stárnou pomaleji než ostatní zkoušené elektrody.
 
Jedním z hlavních příznaků zestárnutí elektrody je její pomalá odezva na změnu pH. K potvrzení závěrů plynoucích z obr. 4 byly poté, co oba absolvovaly po 50 cyklech sterilizace parou, změřeny odezvy na změnu pH jak senzoru typu B, tak i nového vysokoteplotního senzoru (typ A). Naměřené průběhy odezev senzorů jsou na obr. 5. Je patrné, že po padesáti cyklech sterilizace parou vykazují senzory typu B typickou pomalou reakci na změny pH, zatímco senzory typu A reagují téměř stejně rychle jako senzory nezestárlé. Po 50 parních cyklech dosáhnou údaje senzorů typu A úrovně 95 % nové hodnoty pH za asi 10 s, zatímco senzory typu B k tomu potřebují dobu delší než minuta.
 

4. Potenciál referenčního rozhraní nových senzorů pH sterilizovatelných parou

Pro stabilitu výstupu ze senzoru pH jsou stejně důležité jak měřicí elektroda pH, tak i referenční systém senzoru. Téměř všichni výrobci senzorů pH používají jako referenční chlorido-sříbrnou elektrodu (Ag/AgCl), známou svojí vynikající stabilitou. Jako nejméně spolehlivá komponenta senzoru pH tak vystupuje referenční rozhraní, které odděluje referenční elektrolyt od měřeného média. Ideální referenční rozhraní umožňuje kationtům a aniontům referenčního elektrolytu, kterým je kapalný chlorid draselný (KCl), popř. difundovat ven z elektrody, a tak na rozhraní udržovat nulový elektrický potenciál. Ve skutečnosti však v závislosti na materiálu rozhraní a iontové síle měřeného média vzniká na referenčním rozhraní určitý potenciál neznámé velikosti, který je příčinou chyb při měření. Nový senzor pH sterilizovatelný parou používá referenční rozhraní vytvořené z porézního keramického materiálu na bázi SiO2/Al2O3. Výzkumy potenciálu rozhraní ukazují, že uvedený materiál použitý jako referenční rozhraní vykazuje nejmenší možnou elektrochemickou aktivitu. Na obr. 6 je ukázána závislost referenčního potenciálu vodivosti měřeného média. Při zkoušce byla jako první měřena deionizovaná voda, jejíž vodivost byla postupně zvětšována přidáváním fosforečnanového pufru s pH 7. Protože jedinou proměnnou při této zkoušce je vodivost měřeného média, je příčinou změny referenčního potenciálu samo referenční rozhraní. Z obr. 6 je také patrné, že nové referenční rozhraní senzoru pH je při obvyklých úrovních vodivosti okolo 5 mS/cm stabilnější než rozhraní z druhé skupiny. Tam, kde v provozu iontová síla média kolísá, tato stabilita umožňuje měřit pH správněji a přesněji.
 

5. Instalace vestavěného čidla teploty

Schopnost senzoru pH sterilizovatelného parou měřit svou vnitřní teplotu vestavěným čidlem je stále populárnější a častěji požadovaná. Čidlo teploty je u většiny senzorů pH umístěno uvnitř měřicí elektrody a většina senzorů také používá měřicí obvody pH a teploty, které nejsou galvanicky odděleny. Při takovém uspořádání ovšem přidaný snímač teploty ohrožuje robustnost senzoru pH jako celku.
 
Jinými slovy, degenerace čidla teploty separovaného v měřicí elektrodě bude během jeho stárnutí v čase přímo ovlivňovat činnost senzoru pH. Parou sterilizovatelné senzory pH nové konstrukce s dlouhou dobou života jsou oproti tomu uspořádány způsobem ukázaným na obr. 7. Při umístění odporového čidla teploty současně s uzemněním referenčního elektrolytu, připojeným k elektrické zemi měřicích obvodů, v referenční komoře nebude čidlo teploty nijak ovlivňovat činnost senzoru pH.
 

6. Závěr

Senzory pH se skleněnou měřicí elektrodou jsou po desetiletí osvědčeným a důležitým prvkem v odvětví biotechnologií. Nové požadavky v oblasti biotechnologických procesů však odhalují některé slabiny této techniky. Poslední výsledky výzkumu naštěstí ukazují cestu, jak zdokonalit měřicí elektrodu, referenční rozhraní a způsob kompenzace vlivu teploty, která umožňuje účinně reagovat na požadavky na sterilizaci technologického zařízení v odvětví biotechnologií parou i na další výzvy v oblasti provozních podmínek.
 
C. D. Feng,
Senior Manager of Sensor Technology,
Rosemount Analytical Liquid,
Emerson Process Management
 
C. D. Feng je vedoucím útvaru snímačové techniky v divizi Rosemount Analytical Liquid společnosti Emerson Process Management. Jako autor Dr. Feng již uveřejnil v odborných publikacích více než dvacet příspěvků na různá témata a vystoupil na uznávaných konferencích pořádaných organizacemi jako ISA, IFPAC a AWWA. Dr. Feng je v USA držitelem šesti patentů a dvakrát získal ocenění ISA-GTF. Naposledy v roce 2007 obdržel za výsledky výzkumu a vývoje pokročilých elektrochemických čidel a měřicích přístrojů cenu Arnolda O. Beckmana, udělovanou organizací ISA. Dr. Feng je členem American Chemical Society a Electrochemical Society. Bakalářem v oboru chemie se stal na Shandong University v Číně, magisterského stupně v oboru nauky o materiálu dosáhl v Čínské akademii věd a doktorát v oboru nauky o materiálu obdržel na Nagasaki University v Japonsku.
 
Z anglického originálu New Research Advances pH Measurement in Biotech Prosesses Requiring Steam Sterilization. Překlad a svolení k otištění Emerson Process Managment, s. r. o.; úprava redakce.
 
Obr. 1. Komplexní impedance skleněné elektrody pH v pásmu frekvencí od 1 kHz do 0,01 Hz při budicím napětí 100 mV
Obr. 2. Náhradní obvod elektrody pH
Obr. 3. Spektrum komplexní impedance skleněné elektrody před stárnutím a po něm; stárnutí probíhalo vystavením elektrody teplotě 110 °C po dobu sedmi dnů
Obr. 4. Změna odporu zkoušených elektrod pH v závislosti na počtu absolvovaných cyklů sterilizace parou
Obr. 5. Odezvy senzorů, které absolvovaly 50 cyklů sterilizace parou, na změnu pH
Obr. 6. Závislost referenčního potenciálu na vodivosti měřeného média
Obr. 7. Schematický nákres nového senzoru pH s vestavěným čidlem teploty
 
Tab. 1. Hodnoty prvků v náhradním obvodu elektrody pH před procesem stárnutí a po něm (odvozené simulačně)