B-420.28.036 [2020-10] Gelöster Sauerstoff in Bier – amperometrisch, TÖDT und TESKE
Der Sauerstoff hat während der verschiedenen Stufen der Bierherstellung unterschiedliche Bedeutung:
Sauerstoffeintragung während der Maische- und Würzebereitung wird wegen möglicher Oxidation ungesättigter Fettsäuren, Verringerung phenolischer Verbindungen sowie der Beeinflussung des Stärkeabbaus, der Abläuterung und Extraktgewinnung als ungünstig betrachtet [1], wobei allerdings von anderer Seite ein signifikanter Einfluss von Sauerstoff in Frage gestellt wird [2, 3].
Aufgabenstellung/Zweck
Bestimmung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff durch elektrochemische Sauerstoffsensoren mit freiliegenden Elektroden
Anwendungsbereich
Geeignet zur Messung in Bier, Biermischgetränken, entgastem Wasser, karbonisierten und nicht karbonisierten Getränken. Diese Methode kann zur Messung niedriger Sauerstoffkonzentrationen, z. B. in Bier 0,2 - 1,0 mg/l, verwendet werden.
Störungen können durch Verbindungen wie Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Chlor und Formaldehyd verursacht werden. Die Wirkungen dieser Verbindungen variieren bei verschiedenen Sensoren. Eine allgemein gültige Regel kann gegeben werden.
Prinzip
Das Messverfahren mit dem Digox-Analysator arbeitet nach dem potentiostatischen 3-Elektroden-Messsystem von Tödt und Teske ohne Membran.
Dabei bestehen die Messelektrode aus massivem Silber, die Gegenelektrode aus Edelstahl und die Bezugselektrode aus Silber/Silberchlorid.
Nach Anlegen einer definierten „Polarisationsspannung", läuft an der Messelektrode eine elektrochemische Reaktion ab. Die Sauerstoffmoleküle werden reduziert.
Messelektrode (Silber):
O2 + 2 H2O + 4 e− → 4 OH− (kathodischer Vorgang)
Gegenelektrode (VA):
4 OH− → O2 + 2 H2O + 4 e− (anodischer Vorgang)
Der bei dieser Reaktion fließende Strom ist direkt proportional zur Menge an gelöstem Sauerstoff, wenn die Polarisationsspannung möglichst exakt auf dem Niveau des Diffusionsgrenzstromes fixiert ist.
In diesem Fall stellt sich der Zusammenhang wie folgt dar:
|
I |
= |
Messstrom |
|
|
= |
Sauerstoffkonzentration |
|
F |
= |
Faraday-Konstante (96 485,309 C/mol) |
|
n |
= |
Anzahl der pro Molekül umgesetzten Elektronen |
|
A |
= |
Kathodenoberfläche |
|
d |
= |
Dicke der „ungerührten Grenzschicht“ |
Die Dicke der ungerührten Grenzschicht wird von den hydrodynamischen Verhältnissen an der Messelektrode bestimmt, der Transport der Sauerstoffmoleküle durch die Grenzschicht von temperaturabhängigen Diffusionsvorgängen. Diese beiden klar definierten Einflussfaktoren werden exakt gemessen und kompensiert.
Um die Polarisationsspannung zwischen beiden Elektroden definiert justieren zu können, wird bei Digox Messgeräten eine dritte Elektrode, die Vergleichselektrode, eingesetzt. Diese Vergleichselektrode steht über ein Diaphragma mit der Oberfläche der Messelektroden in elektrolytischem Kontakt, ohne dass ein Stoffaustausch stattfinden kann [1, 2].
Eine Inline-Kalibrierung ist integriert. Unter Ausnutzung des Faradayschen Gesetzes wird durch Elektrolyse des Wassers eine exakt definierte Menge Sauerstoff erzeugt.
|
I |
= |
Elektrolysestrom |
|
t |
= |
Zeit |
|
m |
= |
Masse, [g/mol] |
|
F |
= |
Faraday-Konstante (96 485,309 C/mol) |
Der Sauerstoff löst sich im durchströmenden Messgut und wird an der Messzelle nachgewiesen. Der bei der Elektrolyse ebenfalls entstehende Wasserstoff ist für die Messung ohne Belang. Die Kontrolle der Kalibrierwerte sowie eine ggf. erforderliche Korrektur werden über einen Mikroprozessor vorgenommen. Die Elektrolyse ermöglicht eine Kalibrierung des Gerätes im Messgut unter Messbedingungen. Der Messbetrieb wird durch die Kalibrierung nicht unterbrochen.