DE1027431B

DE1027431B - Verfahren und Geraet zur Konstanthaltung des O-Partialdruckes und Messung des O-Verbrauches

Info

Publication number: DE1027431B
Application number: DEH28161A
Authority: DE
Inventors: Dr Peter Moyat
Original assignee: Hartmann and Braun AG
Current assignee: ABB Training Center GmbH and Co KG
Priority date: 1956-09-22
Filing date: 1956-09-22
Publication date: 1958-04-03
Also published as: US3045665A

Description

DEUTSCHES

Zur direkten Messung von Änderungen des Sauerstoff-Partialdruckes in geschlossenen Gasvolumen, z. B. zur Bestimmung des Sauer stoff Verbrauches von Tieren, Pflanzen, Mikroorganismen usw. oder Bestimmung des Sauerstoffverbrauches bei chemischen Reaktionen, z. B. Oxydationen, ist es üblich, die durch den Sauerstoffverbrauch bewirkte Abnahme des gesamten Gasvolumens bzw. Gasdruckes zu messen, wobei entsprechende Oxydationsprodukte, wie CO₂ usw., absorbiert werden. Dieses bekannte Verfahren hat insbesondere bei der Sauerstoffverbrauchsmessung von- Lebewesen den entscheidenden Nachteil, daß der vorhandene Sauerstoff im Verlauf der Messung aufgezehrt wird. Solche Messungen können deshalb nur über sehr geringe Zeitabschnitte durchgeführt werden, da sie sonst schon nach kurzer Zeit in einer wesentlich sauerstoffärmeren Atmosphäre stattfinden als unter den normalen Bedingungen. Dies kann zu starken Verfälschungen der Messung führen. Es ist daher insbesondere bei der Messung des Sauerstoffverbrauches von Lebewesen, die sich in einem geschlossenen Gasvolumen befinden, aber auch bei den anderen oben angegebenen Anwendungsfällen günstig, den verbrauchten Sauerstoff durch neu zugeführten Sauerstoff zu ersetzen und die Menge des neu zugeführten Sauerstoffes zu messen. Dies kann durch eine Elektrolysezelle geschehen. Der Stromdurchgang durch die Elektrolysezelle ist dem gelieferten Sauerstoff proportional und kann daher als Maß für diesen benutzt werden.

Die Erfindung betrifft ein solches Verfahren zur Konstanthaltung des Sauerstoff-Partialdruckes in einem geschlossenen Gasvolumen und Kompensation der Sauerstoff-Partialdruckänderung auf elektrolytischem Weg und zur Bestimmung des Sauerstoffverbrauches durch Messung des Elektrolysestromes. Gemäß dem Vorschlag der Erfindung wird der Widerstand der Elektrolysezelle oder der Zuleitungen zur Elektrolysezelle in Abhängigkeit vom Sauerstoff-Partialdruck verändert.

Das Verfahren nach der Erfindung wird mit Vorteil mit Hilfe eines Gerätes ausgeübt, welches in der Hauptsache aus einem U-förmigen Elektrolysegefäß mit erweitertem Anodenschenkel besteht, der mit dem zu messenden Gasvolumen verbunden und so angeordnet ist, daß eine durch Druckänderung im Gasvolumen bewirkte Niveauverschiebung des Elektrolyts eine Veränderung des inneren Widerstandes der Elektrolysezelle zur Folge hat. Diese Änderung des Widerstandes der Elektrolysezelle bzw. ihrer Stromzuleitung bewirkt eine Veränderung des Stromdurchganges und damit des in der Zeiteinheit an der Anode abgeschiedenen Sauerstoffes. Die Änderung des inneren Widerstandes der Elektrolysezelle kann

Verfahren und Gerät

zur Konstanthaltung des O₂-Partialdruckes und Messung des O₂-Verbrauches

Anmelder:

Hartmann & Braun Aktiengesellschaft, Frankfurt/M.-West 13, Gräfstr.97

Dr. Peter Moyat, Bergen-Enkheim, ist als Erfinder genannt worden

durch Änderung der wirksamen Länge der Ionenwege zwischen Kathode und Anode sowie durch Änderung des wirksamen Querschnittes im Elektrolyt erfolgen. Abb. 1 zeigt eine schematische Übersicht eines Gerätes zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung und seine Anwendung zur Sauerstoffverbrauchsmessung von kleinen Tieren.

Es ist mit 1 ein geschlossenes Gefäß bezeichnet, in welchem sich Versuchstiere befinden, deren Sauerstoff-, verbrauch zu messen ist. Die Luft im Gefäß 1 wird durch eine Pumpe 2 über eine Ringleitung 3 ständig durch ein Absorptionsgefäß 6 für das bei der Atmung frei werdende Kohlendioxyd gedrückt. An die Ringleitung 3 ist über eine Leitung 4 das Gerät zur Konstanthaltung des Sauerstoff-Pairtialdruckes 5 angeschlossen. Die Leitung 4 ist an dem gasdicht verschlossenen Anodenschenkel des Gerätes angeschlossen, so daß der an der Anode gebildete Sauerstoff über die Ringleitung 3 in das Gefäß 1 gelangen kann. Der an der Kathode gebildete Wasserstoff kann frei in die Außenluft entweichen. Zur Reduktion des neben dem Sauerstoff an der Anode gebildeten Ozons ist in die Verbindungsleitung zwischen Anodenschenkel und Ringleitung ein mit Natriumkalk gefülltes Gefäß 7 eingeschaltet.

Die besondere Ausbildung des Gerätes 5 zur 0₂-Kompensation ist in Abb. 2 näher gezeigt. Das Gerät besteht in der Hauptsache aus einer Elektrolysezelle 8, die annähernd U-förmig ausgeführt ist, derart, daß der an der Anode abgeschiedene Sauerstoff und der an der Kathode abgeschiedene Wasserstoff in den verschiedenen Schenkeln hochsteigt. Als Kathode 9 dient ein Platinplättchen, als Anode ein im erweiterten Anodenschenkel etwas gegen die Horizontale ge-

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neigter Platindraht 10. Das U-förmige Gefäß 8 ist mit Elektrolysegefäß 15 dargestellt, dessen Anodeneinem vorzugsweise sauren Elektrolyt, z.B. verdünn- schenkel 15a mit dem geschlossenen Gasvolumen 1 ter Schwefelsäure, so weit gefüllt, daß die Anode 10 verbunden ist, in welchem der Sauerstoff - verzum Teil umspült oder benetzt wird. Der Anoden- brauchende Prozeß vor sich geht. Die Anode 16 ist schenkel ist mit dem zu messenden Gasvolumen ver- 5 derart angeordnet, daß eine Verschiebung des Elekbunden, der Kathodenschenkel durch eine öffnung 11 trolytniveaus keinen Einfluß auf die Sauerstoffmit der freien Atmosphäre. Die Elektroden sind mit lieferung des Gerätes hat. An der Kathode 17 wird einer Stromquelle 12 verbunden. In den Stromkreis eine oxydierende Verbindung, wie Braunstein, angeist ein Strommesser 13 zur Messung des augenblick- bracht, so· daß kein Wasserstoff in Freiheit gesetzt liehen Sauerstoffverbrauches und ein Schreiber 14 io wird. Mit dem geschlossenen Gasvolumen 1 ist ein zur Aufzeichnung des Säuerstoffverbrauches einge- waagerechtes Kapillarrohr 18 verbunden, in welchem schaltet. Es kann auch' zusätzlich noch ein Elek- voneinander isoliert zwei lange Widerstandsdrähte 19, trizitätszähler zur Integration des Sauer stoff ver- 20 angeordnet sind. Diese liegen in Serie mit der

brauches vorgesehen werdenr Elektrolysezelle, welche von einer Gleichstromquelle

Die Ausbildung der Elektrolysezelle ist so getroffen, 15 23 gespeist wird. An seinem anderen Ende trägt das daß ihr innerer Widerstand und damit die entwickelte Kapillarrohr einen kleinen Gasballon 21. Ein Queck-Sauerstoffmenge von der Höhe des Elektrolyts im silbertropfen 12 schließt das geschlossene Gasvolumen Anodenschenkel und damit vom Druck im Gefäß 1 ab. Er kann sich, abhängig vom herrschenden Druck abhängt. Dieser wiederum hängt vom Sauerstoff- im Gasvolumen 1, in horizontaler Richtung ververbrauch des zu untersuchenden Objektes ab. Wird 20 schieben. Der Quecksilbertropfen 12 schaltet je nach z: B. kein Sauerstoff verbraucht, scr wird an der seiner Lage einen mehr oder weniger großen Teil der Anode der Elektrolysezelle so lange Sauerstoff abge- Widerstände in den Elektrolysestromkreis ein. Wird schieden, bis der Elektrolytspiegel im Anoden- durch den zu beobachtenden Prozeß Sauerstoff verschenkel 8 die gestrichelte Linie erreicht. Dadurch braucht, so sinkt der Druck in dem geschlossenen wird der Stromfhiß und damit die Sauerstofflieferung 25 Gasvolumen 1. Der Quecksilbertropfen in der Kapillare der Elektrolysezelle unterbrochen. Wird Sauerstoff wird auf das geschlossene Gasvolumen zu bewegt und verbraucht, so· sinkt der Druck im Gefäß 1 (Abb. 1) dadurch der Widerstand des im Stromkreis liegenden und in dem mit ihm verbundenen Anodenschenkel des Teils der Drähte 19, 20 in der Kapillare verkleinert. Elektrolytgefäßes 5. Das Elektrolytniveau in. diesem Die Stromzuführung zur Elektrolysezelle wird da-Schenkel steigt an. Der als Anode dienende, schräg 30 durch so lange erhöht, bis die Sauer stoff lieferung dem gegen die Horizontale geneigte Draht 10 kommt mit Sauerstoffverbrauch angeglichen ist. Die Stärke des dem Elektrolyt in Berührung und wird weiter auf
einem immer näher an der Kathode liegenden Teil
seiner Länge durch den Elektrolyt benetzt. Der von
den Ionen zwischen Anode und Kathode durch den 35
Elektrolyt zurückgelegte Weg wird dadurch verkürzt.
Ebenso wird der Querschnitt der leitenden Elektrolytschicht zwischen Anode und Kathode vergrößert, so daß insgesamt der innere Widerstand der Zelle sinkt

und die Sauerstoffabscheidung an der Anode so weit 40 Erfindung genau bestimmt werden. Der Vorteil, der vergrößert wird, bis der erzeugte Sauerstoff den Ver- sich aus seiner Anwendung gegenüber bisher üblichen brauch ausgleicht. Es findet dann keine weitere Druck- Meßmethoden ergibt, ist auch hier die Möglichkeit, änderung mehr statt, und der Elektrolytspiegel kommt den zu beobachtenden chemischen Vorgang genau in in einer dem Sauerstoffverbrauch entsprechenden Lage seinem zeitlichen Verlauf zu verfolgen und nicht nur zur Ruhe. Die Ausbildung, des Anodenschenkels und 45 eine Integration des Sauerstoffverbrauches durchder Anode ist so getroffen, daß ein kleiner Druck- zuführen,
unterschied im Gefäß 1 und damit eine kleine Niveauverschiebung im Anodenschenkel zur Aussteuerung
des Gerätes genügt, so daß praktisch immer der
gleiche Druck und damit Sauerstoffgehalt im Be- 50
hälter 1 herrscht.

Da der Widerstand der Elektrolysezelle und damit die Sauerstofflieferung in der Zeiteinheit durch die Niveauverschiebung des Elektrolytspiegels kontinuierlich verändert wird, gestattet das Verfahren nach der 55 Erfindung eine kontinuierliche Aufzeichnung des durch die Versuchstiere oder die zu untersuchende chemische Reaktion verbrauchten und von der Elektrolysezelle nachgelieferten Sauerstoffes. Es ergibt sich eine genaue Registrierungsmöglichkeit des 60 Sauerstoff Verbrauches. Das gezeigte Gerät kann mit kleinen Abänderungen zur Sauerstoffverbrauchsmessung kleiner Säugetiere, von Insekten und Pflanzen verwendet werden.

Auch eine Messung des Stoffwechsels von Mikro- 65 Organismen ist mit dem Verfahren nach der Erfindung möglich.

Die Abb. 3 zeigt ein Gerät zur Ausübung des Verfahrens nach der Erfindung für die Bestimmung eines sehr kleinen Sauerstoffverbrauches. Es ist wieder ein 70

Elektrolysestromes wird wieder durch ein Amperemeter 24 und ein Registriergerät 25 gemessen und aufgezeichnet.

Die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung ist jedoch nicht auf die Messung der Stoffwechselvorgänge von Lebewesen beschränkt. Auch der Sauerstoffverbrauch chemischer Reaktionen bzw. Oxydationen, kann durch das Verfahren nach der

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Konstanthaltung des Sauerstoff-Partialdruekes in einem geschlossenen Gasvolumen durch Kompensation der Sauerstoff-Partialdruckänderung auf elektrolytischem Weg und Bestimmung des Sauer stoff Verbrauches durch Messung des Elektrolysestromes, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Elektrolysezelle oder der Zuleitungen zur Elektrolysezelle druckabhängig verändert wird.

2. Gerät zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein U-förmiges Elektrolysegefäß zur Erneuerung des verbrauchten Sauerstoffes, dessen Anodenschenkel mit dem zu messenden Gasvolumen verbunden ist und dessen Anode teilweise von der Elektrolytflüssigkeit umspült ist.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in einem entsprechend erweiterten Anodenschenkel angeordnete Anode als lang-

gestreckter, gegen die Waagerechte geneigter Körper, vorzugsweise als ausgespannter Draht ausgebildet ist.

•

4. Gerät nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefliegende Ende der schräg gestellten Anode weiter von der Kathode entfernt ist als das höher liegende Ende.

5. Gerät zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen vom Druck im Gasvolumen abhängigen veränderlichen Widerstand in der elektrischen Zuleitung zum Elektrolytgefäß.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der druckabhängige Widerstand aus zwei in einer einseitig mit dem geschlossenen Gasvolumen verbundenen Kapillare eingelegten Widerstandsdrähten besteht und ein Tropfen leitender Flüssigkeit als Abschluß für das Gasvolumen dient, welcher die Widerstandsdrähte miteinander verbindet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen