一种水凝胶中可溶气体扩散性能的测量装置

摘要

一种水凝胶中可溶气体扩散性能的测量装置，包括一个密封渗透池，渗透池的上部密封固定有可溶气体传感器探头和温度传感器，渗透池底部有搅拌桨；渗透池内部是可装待测凝胶的测量室，外围套设有恒温水浴夹套。本装置还包括一台与可溶气体传感器信号相连的计算机，至少一个通过三通阀与渗透池相连用于制备饱和气体溶液的恒温瓶，一台与渗透池中温度传感器信号相连的恒温器，一台磁力搅拌器，一个N

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量水凝胶中可溶气体物质扩散性能的装置

背景技术

水凝胶是一类微囊化器官、固定化酶等领域广泛使用的包裹材料。作 为细胞代谢所必需的营养成分，氧气在水凝胶中的扩散性能是影响内部细 胞、酶等活性的主要因素；二氧化碳作为代谢产物，在水凝胶中的扩散也 会影响细胞状态；其他扩散反应模型，如固定化酶体系中，有气体参加反 应时，气体分子在凝胶中的扩散性能将直接影响效率。因此，水凝胶中可 溶性气体的扩散性能是水凝胶非常重要的性能，目前常用扩散系数来衡量 扩散性能。目前，测量凝胶中扩散系数的方法主要有两种，一种为拟稳态 法，一种为非稳态法，非稳态法不限制测量物质的外形，且测量过程中物 质传递更贴近实际情况，因而非稳态法被广泛用于物质扩散系数的测量。 J.Crank在《The Mathematics of Diffusion》(Oxford University  Press，1956)一书中对非稳态法测量球形物质中溶质扩散系数的计算方法 进行了详细描述，H.T.Pu(Biotechnology and  Bioengineering，V32(7)，1988，891-896)，Thomas J. Chresand(Biotechnology and  Bioengineering，V32(8)，1988，1029-1036)，Charles D.Scott(Enzyme and  microbial technology，V11，1989，258-263)，Oyaas J.(Biotechnology and  Bioengineering，V47，1995，501-507)等均利用非稳态的方法对不同水凝胶 中的溶氧扩散系数进行了测量。但现有的测量装置多采用开盖投料的方式， 容易造成气体的泄露，带来较大误差。

发明内容

本发明针对测量过程中凝胶与水混合过程需要开盖投料，操作过程繁 琐，造成气体易泄露，操作误差较大的问题，对测量装置进行全新设计， 目的是提供一种混合操作简单，操作误差小的测量装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

这种扩散性能测量装置，包括以下几个部分：

a、渗透池：渗透池为密闭筒体，密闭筒体内部空腔为测量室，测量室 底部放置有搅拌子或通过固定轴定位的可转动的搅拌桨，密闭筒体外套设 有水浴夹套，密闭筒体上部设有出入口、可溶气体传感器探头插口和温度 传感器插口，可溶气体传感器探头和温度传感器通过插口插入测量室内部， 密闭筒体下部设有物料入口；物料入口通过管路与恒温瓶和第二气源相连

b、一台可溶气体传感器和与之相连的微型计算机，可溶气体传感器探 头密封固定于渗透池上部；

c、至少一个用于制备饱和气体溶液的恒温瓶，与渗透池的物料入口相 连；

d、一台恒温器，其温度传感器)密封固定于渗透池上部；

e、一台带稳压装置的磁力搅拌器，位于渗透池的下面，用于驱动渗透 池内的搅拌桨(18)；

f、一个N₂气源和一个待测气体气源。

所述渗透池外套设有水浴夹套，水浴夹套通过管路与恒温器相连，恒 温器内设有电加热器及制冷压缩机，电加热器及制冷压缩机通过一温度控 制器与外界电源相连，温度控制器与温度传感器信号连接；

所述恒温瓶通过管路与第一气源相连。

所述渗透池下部的物料入口经由第一三通阀分别与恒温瓶和第二三通 阀相连，第二三通阀与第二气源相连。

所述渗透池上部的出入口设有阀门，可溶气体传感器探头和温度传感 器插口处分别设置有密封用O型圈。

所述渗透池上部的出入口阀门与渗透池之间的管道内装有可沿管路径 向转动的过滤网，渗透池下部的物料入口内装有过滤网。

本发明的工作过程为：

步骤一、向恒温瓶中装入水或可溶性盐溶液，维持恒温瓶和渗透池恒 温；开启可溶气体传感器和与之相连的微型计算机，使可溶气体传感器稳 定；从恒温瓶的下部向恒温瓶中通入待测气体或N₂，利用待测气体或N₂制 备饱和水。

步骤二、向渗透池中加入凝胶。

步骤三、向渗透池通N₂或待测气体使凝胶中可溶气体饱和，如此凝胶 中待测气体浓度为0％或100％。

步骤四、停止通气，向渗透池中加入饱和水，至刚好充满渗透池时停 止，关闭阀门使渗透池密封；本发明利用三通阀实现了一个开口即可完成 进气、进水和排水；渗透池顶部的圆锥形设计，使渗透池内不易残留气泡， 降低了实验误差。。

步骤五、在上步骤中开始加水的同时，开启可溶气体传感器进行数据 采集。因为浓度差的存在，待测气体分子从水中向凝胶内渗透(或从凝胶 向水中渗透)。记录水中待测气体浓度随时间的变化，即可得到待测气体在 凝胶中的渗透扩散性能。

步骤六、停数据采集，排水，取出凝胶，测量结束。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明先将凝胶装入测量室再向内注水实现凝胶与水的混合，使操 作简化，大大减少了可溶气体向大气的泄露，减小了实验误差。

2、本发明渗透池顶部的圆锥形设计，使渗透池内不易残留气泡，降低 了实验误差。

3、本发明使用透明材质，可直接观察渗透池内部凝胶与水的混合状况。

4、本发明利用磁力搅拌器驱动搅拌桨，更利于渗透池的密封。

5、本发明利用三通使渗透池上一个接口实现了进水、排水、进气三种 功能，减少了渗透池上的接口，使仪器简化。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

图1是本发明的结构示意图；

图2是渗透室结构示意图。

图3是本发明的另一种结构的示意图；

附图标记：1-计算机，2-可溶气体传感器，3-渗透池，4-恒温器， 5-磁力搅拌器，6-第一三通，7-第二三通，8-恒温瓶，9-第一气源， 10-第二气源，11-蠕动泵，12-可溶气体传感器探头，13-出入口阀门， 14-温度传感器，15-螺栓，16-水浴夹套，17-物料入口，18-搅拌桨， 19-O型圈，20-可沿管路径向转动的过滤网、21-固定式过滤网。

具体实施方式

实施例1：

如图1、2所示，本发明包括以下几个部分：

a、渗透池3：由圆柱形的测量室和盖子组成，测量室与盖子通过O型 圈19实现密封，测量室内部是圆柱形空腔，测量室底部有通过固定轴定位 的可转动的搅拌桨18，测量室外套设有水浴夹套16，渗透池物料入口17 通过第一三通6与蠕动泵11的物料出口相连；盖子下表面有圆锥形空腔， 空腔顶端有贯穿孔，外接出入口阀门13，盖子上插有溶氧传感器探头12和 温度传感器14，它们间通过O型圈与盖子间实现密封；渗透池封闭后容积 为85ml；

b、一台溶氧传感器2和与之信号相连的计算机1，溶氧传感器探头12 密封固定于渗透池的盖子上；

c、一台蠕动泵11的物料出口通过第一三通阀6与渗透池3的物料入 口17相连；

d、一个用于制备饱和氧溶液的恒温瓶8，与蠕动泵11的物料进口相连；

e、一台恒温器4与密封固定于渗透池盖子上的温度传感器14信号相 连；

f、一台带稳压装置的磁力搅拌器5，位于渗透池3的下面，用于驱动 渗透池内的搅拌桨18；

g、一个N₂第二气源10，和一个O₂第一气源9；

上述渗透池3的盖子下表面有突起部分与测量室上表面的凹槽相吻合。

上述第一三通阀6与渗透池3的物料入口17、恒温瓶8、第二三通阀7 相连；

上述第二三通阀7与第一三通阀6、N₂第二气源10相连。

上述恒温器4中的循环水，经恒温瓶8的水浴夹套和渗透池3的水浴 夹套16，返回恒温器4中。

上述渗透池3上部的出入口阀门13与渗透池3之间的管道内装有过滤 网，渗透池3下部的物料入口17内装有过滤网。

测试时，按图2所示连接装置，第一气源为O₂，第二气源为N₂。首先 开恒温器4控制恒温瓶8和渗透池3内温度为28℃；用O₂饱和恒温瓶8中 的水；开溶氧传感器2，稳定0.5h，开搅拌器5，搅拌速度为400rpm，利 用溶氧饱和水标定溶氧传感器2；取15ml海藻酸钙凝胶球于量筒量，再用 水定容至40ml，将水和凝胶转移到渗透池3内，盖上盖子拧紧螺栓15；调 节三通阀7、6，使第二气源10与渗透池3连通，利用N₂饱和渗透池3中的 水和凝胶0.5h，使渗透池中的水中溶氧浓度降到0％；调节三通阀6使渗透 池与蠕动泵物料出口连通，开动蠕动泵11将氧饱和水从恒温瓶8泵入渗透 池3，同时开始记录渗透池3中的水中溶氧浓度，渗透池3中充满水后关泵 11，调节三通阀6和阀门13使渗透池3处于密封状态；此时渗透池3中的 水中溶氧浓度不断降低，直到溶氧浓度恒定后关数据采集，打开阀门13， 调节三通阀6、7使渗透池3与外界废液缸连通，排出渗透池中的水，打开 渗透池3取出凝胶，试验结束。利用所得PO₂-t曲线，即可用来计算溶氧从 海藻酸钙凝胶外向内扩散的扩散系数D_e。

实施例2：

如图1、2所示，本发明包括以下几个部分：

a、渗透池3：由圆柱形的测量室和盖子组成，测量室与盖子通过O型 圈19实现密封，测量室内部是圆柱形空腔，测量室底部有通过固定轴定位 的可转动的搅拌桨18，测量室外套设有水浴夹套16，渗透池物料入口17 通过第一三通6与蠕动泵11的物料出口相连；盖子下表面有圆锥形空腔， 空腔顶端有贯穿孔，外接出入口阀门13，盖子上密封有CO₂传感器探头12 和温度传感器14，它们间通过O型圈与盖子间实现密封；渗透池封闭后容 积为85ml；

b、一台CO₂传感器2和与之信号相连的计算机1，CO₂传感器探头12密 封固定于渗透池的盖子上；

c、一台蠕动泵11的物料出口通过第一三通阀6与渗透池3的物料入 口17相连；

d、一个用于制备饱和N₂溶液的恒温瓶8，与蠕动泵11的物料进口相连；

e、一台恒温器4，与密封固定于渗透池盖子上的温度传感器14信号相 连；

f、一台带稳压装置的磁力搅拌器5，位于渗透池3的下面，用于驱动 渗透池内的搅拌桨18；

g、一个CO₂气源，和一个N₂气源

上述渗透池3的盖子下表面有突起部分与测量室上表面的凹槽相吻合。

上述第一三通阀6与渗透池3的物料入口17、恒温瓶8、第二三通阀7 相连；

上述第二三通阀7与第一三通阀6、CO₂气源10相连。

上述恒温器4中的循环水，经恒温瓶8的水浴夹套和渗透池3的水浴 夹套16，返回恒温器4中。

上述渗透池3上部的出入口阀门13与渗透池3之间的管道内装有过滤 网，渗透池3下部的物料入口17内装有过滤网。

测试时，按图2所示连接装置，第一气源为N₂，第二气源为CO₂。首先 开恒温器4控制恒温瓶8和渗透池3内温度为37C；用N₂饱和恒温瓶8中 的水；开CO₂传感器2，稳定0.5h，开搅拌器5，搅拌速度为400rpm，利用 CO₂饱和水标定CO₂传感器2；取15ml海藻酸钙凝胶球于量筒量，再用水定 容至40ml，将水和凝胶转移到渗透池3内，盖上盖子拧紧螺栓15；调节三 通阀7、6，使第二气源10与渗透池3连通，利用CO₂饱和渗透池3中的水 和凝胶0.5h，使渗透池中的水中CO₂浓度到饱和；调节三通阀6使渗透池与 蠕动泵物料出口连通，开蠕动泵11将N₂饱和水从恒温瓶8泵入渗透池3中， 同时开始记录渗透池3中的水中CO₂浓度，渗透池3中充满水后关泵11，调 节三通阀6和阀门13，使渗透池3处于密封状态；此时渗透池3中的水中 CO₂浓度不断升高，渗透池3中CO₂浓度恒定后关数据采集，打开阀门13， 调节三通阀6、7，使渗透池3与外界废液缸连通，排出渗透池中的水，打 开渗透池3取出凝胶，试验结束。利用所得PCO₂-t曲线，即可用来计算CO₂从胶原凝胶内向外扩散的扩散系数。