DO-meting (Dissolved Oxygen, in het Nederlands opgeloste zuurstof) bepaalt de hoeveelheid zuurstofgas die in een waterige oplossing is opgelost. De parameter is onmisbaar in de milieuanalyse, de waterzuivering, de microbiologie en de biotechnologie: opgeloste zuurstof bepaalt of een biologisch proces aeroob of anaeroob verloopt, of een waterlichaam voldoende zuurstof bevat voor aquatisch leven, en hoe snel micro-organismen organisch materiaal afbreken. Dit artikel beschrijft de twee gangbare meetprincipes, de praktische uitvoering, de typische waarden en toepassingen, en de samenhang met opgeloste CO₂-meting in celkweek en fermentatie.
In de wateranalyse en fermentatiebewaking wordt DO-meting gecombineerd met pH via een multi-parametermeter. Het instrument voor pH is beschreven in het artikel De pH-meter als apparaat: werking, typen en keuze.
Een DO-meter (opgeloste-zuurstofmeter, ook wel zuurstofmeter of oxymeter genoemd) is een instrument dat de concentratie of de partiële verzadiging van opgeloste zuurstof in een vloeistof meet. De termen DO-meter en oxymeter worden in de praktijk door elkaar gebruikt; het gaat in beide gevallen om hetzelfde type instrument. De meter bestaat uit een sonde die in het monster wordt gedompeld of in een doorstroomcel wordt opgenomen, en een meetkastje dat het sondesignaal omrekent naar een concentratie (mg/l of ppm) of een verzadigingspercentage (procent O₂ ten opzichte van de evenwichtsverzadiging bij de heersende temperatuur, druk en zoutgehalte). Draagbare DO-meters worden gebruikt voor veldmetingen in oppervlaktewater en aquaria; laboratorium- en online DO-sensoren worden ingebouwd in bioreactoren, fermentoren en continue monitoringsystemen voor afvalwater.
Er bestaan twee fundamenteel verschillende sensorprincipes voor DO-meting: de amperometrische (elektrochemische) Clark-elektrode en de optische luminescentiesensor. Beide meten dezelfde grootheid, maar verschillen sterk in onderhoud, drift en toepassingsgebied.
De klassieke DO-sensor is de Clark-elektrode, vernoemd naar de Amerikaanse bioloog Leland Clark. Het principe is amperometrisch: een platina- of goudkathode en een zilver/zilverchloride-anode (Ag/AgCl) bevinden zich in een interne elektrolytoplossing, gescheiden van het monster door een gaspermeabel membraan (doorgaans polytetrafluorethyleen of polyethyleen). Wanneer een polarisatiespanning van circa 0,6 tot 0,8 volt over de elektroden wordt aangelegd, diffundeert zuurstof door het membraan en wordt aan de kathode gereduceerd volgens de reactie O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. De resulterende elektrische stroom is recht evenredig met de partiële zuurstofdruk in het monster.
Een belangrijk kenmerk van de Clark-elektrode is dat de sensor zuurstof verbruikt tijdens de meting. Bij stilstaand water of een te lage stroomsnelheid langs het membraan ontstaat hierdoor een lokale verarming van zuurstof rond het membraanoppervlak, wat de meting onderschat. Een minimale stroomsnelheid van enkele centimeters per seconde langs het membraan is daarom vereist voor een betrouwbare aflezing; roeren of een doorstroomopstelling is bij stilstaande monsters noodzakelijk. Het membraan en de interne elektrolyt slijten met de tijd, waardoor periodiek onderhoud (membraanvervanging, elektrolytverversing) en herkalibratie nodig zijn. De levensduur van een membraan bedraagt doorgaans enkele weken tot enkele maanden, afhankelijk van de meetfrequentie, het medium en de mate van mechanische belasting.
De optische DO-sensor, ook wel optode genoemd, werkt via luminescentie-quenching. Een lichtgevoelige coating op het sensoroppervlak — meestal een rutheniumcomplex of een polymeer met een fluorescerende kleurstof — wordt belicht met een LED. De aangeslagen toestand van de coating vervalt met een karakteristieke vervaltijd en intensiteit die afhankelijk is van de hoeveelheid zuurstof in de directe omgeving: zuurstofmoleculen "doven" (quenchen) de luminescentie. Bij hoge zuurstofconcentraties is de vervaltijd kort; bij lage concentraties duurt het signaal langer. Door de faseverschuiving tussen excitatie- en emissiesignaal te meten (de fasehoekmethode) wordt de zuurstofconcentratie nauwkeurig en temperatuurgecompenseerd bepaald.
Het grote voordeel van optische sensoren is dat ze geen zuurstof verbruiken: er vindt geen elektrochemische reactie plaats, waardoor de meting stromingsonafhankelijk is en geen minimale stroomsnelheid vereist. Optische sensoren hebben bovendien een langere kalibratie-interval, minder drift en zijn ongevoelig voor typische elektrochemische interferenties zoals H₂S-vergiftiging van de kathode. De sensorcap (de vervangbare luminescente coating) heeft een typische levensduur van zes maanden tot twee jaar, afhankelijk van blootstelling aan UV-licht en mechanische slijtage.
DO-waarden worden op verschillende manieren uitgedrukt, afhankelijk van de toepassing:
De relatie tussen concentratie en verzadigingspercentage is temperatuurafhankelijk: koud water kan meer zuurstof bevatten dan warm water. Bij 0 °C bedraagt de verzadigingsconcentratie van zoet water circa 14,6 mg/l; bij 20 °C circa 9,1 mg/l; bij 30 °C circa 7,6 mg/l. De oplosbaarheid van zuurstof neemt dus af naarmate de watertemperatuur stijgt, doordat de verhoogde kinetische energie van watermoleculen de gasopname vermindert. Dit is een van de redenen waarom zomerstress voor vissen en aquatische organismen zowel door de warmte zelf als door het lagere zuurstofgehalte wordt veroorzaakt. Zout water lost minder zuurstof op dan zoet water bij dezelfde temperatuur, doordat opgeloste zouten de oplosbaarheid van gassen verlagen (het zogeheten zoutuitsluitingseffect): in zeewater met een saliniteit van circa 35 g/l bedraagt de verzadigingsconcentratie bij 20 °C ongeveer 7,4 mg/l, tegenover 9,1 mg/l in zoet water. Moderne DO-meters corrigeren automatisch voor temperatuur, luchtdruk en — indien ingesteld — saliniteit.
De interpretatie van een DO-waarde hangt sterk af van het type water en de toepassing. Voor oppervlaktewater met aquatisch leven geldt doorgaans een DO-concentratie van minimaal 5 tot 6 mg/l als gezond voor de meeste vissoorten en waterorganismen; onder 4 mg/l ontstaat zuurstofstress voor gevoelige soorten, en onder 2 mg/l spreekt men van hypoxie. Hypoxie (letterlijk: zuurstoftekort) is de toestand waarbij de opgeloste-zuurstofconcentratie zo laag is dat aerobe organismen hun normale fysiologie niet meer kunnen handhaven: de meeste vissen verlaten het gebied of sterven, terwijl anaerobe bacteriën de overhand nemen en sulfide en andere reductieprodukten vormen. Bij een DO-waarde van nagenoeg nul procent spreekt men van anoxie. Goed beluchte, koude bergbeken bereiken waarden van 10 tot 12 mg/l of meer (oververzadiging), terwijl stilstaand, warm en voedselrijk water (eutrofiëring) regelmatig onder de kritische grens zakt, vooral 's nachts wanneer fotosynthese stopt maar algenrespiratie doorgaat.
In de microbiologie en biotechnologie wordt het zuurstofgehalte uitgedrukt als percentage verzadiging ten opzichte van de luchtblootgestelde referentiewaarde. Voor aerobe microbiële kweken en zoogdiercelkweek wordt doorgaans een DO-setpoint van 20 tot 40 procent verzadiging aangehouden om voldoende zuurstof te garanderen zonder oxidatieve stress te veroorzaken. Bij hoge celdichtheden kan de zuurstofvraag de beschikbare overdrachtscapaciteit overschrijden, waardoor het DO-niveau daalt en moet worden gecompenseerd met verhoogde beluchting of zuivere zuurstof.
In een bioreactor of fermentor is opgeloste zuurstof een van de drie kritische online-procesparameters, naast pH en temperatuur. Voor aerobe kweken bepaalt de beschikbare DO-concentratie rechtstreeks de groeisnelheid en de productvorming: een tekort aan zuurstof remt het metabolisme, terwijl een teveel oxidatieve stress kan veroorzaken bij gevoelige celkweken. De volumetrische zuurstofoverdrachtscoëfficiënt (kLa) is een maat voor het vermogen van een bioreactor om zuurstof vanuit de gasfase naar de vloeistof over te dragen: een hogere kLa betekent dat de reactor meer zuurstof per tijdseenheid kan leveren. De kLa wordt bepaald door factoren zoals roersnelheid, gasdebiet, spargertype en de reologie van het medium, en wordt kwantitatief vastgesteld aan de hand van continue DO-metingen tijdens dynamische ontgassings- en hertoepassingsexperimenten.
Bij de opzet van celkweek en de bereiding van microbiologische kweekmedia speelt het zuurstofgehalte eveneens een rol: sommige micro-organismen zijn strikt aeroob en vereisen een continue zuurstoftoevoer, andere zijn obligaat anaeroob en moeten juist worden afgeschermd van zuurstof, bijvoorbeeld via een anaerobe kweekkast of door het medium te ontgassen met stikstof. Voor schudculturen in erlenmeyers bepaalt de schudfrequentie en het vulvolume de zuurstofoverdracht naar het medium.
Naast opgeloste zuurstof wordt in celkweek en fermentatie vaak ook de concentratie opgeloste kooldioxide (CO₂) gemeten, met name bij zoogdiercelkweek waar CO₂ de pH-buffering via het bicarbonaatsysteem stuurt. CO₂-sensoren werken doorgaans volgens het Severinghaus-principe: een gaspermeabel membraan scheidt het monster van een interne bicarbonaatbuffer met een ingebouwde pH-elektrode. CO₂ diffundeert door het membraan en verandert de pH van de interne buffer volgens een logaritmische relatie met de CO₂-partiaaldruk; deze pH-verandering wordt vervolgens omgerekend naar een CO₂-concentratie. Alternatief bestaan optische CO₂-probes die, net als optische DO-sensoren, op luminescentie- of absorptiebasis werken.
De combinatie van DO-, pH- en CO₂-monitoring geeft een direct beeld van de metabole activiteit van een kweek. Door bovendien de in- en uitgaande gassen te analyseren via massaspectrometrie of O₂/CO₂-sensoren, worden de zuurstofopnamesnelheid (OUR) en de kooldioxide-uitscheidingssnelheid (CER) bepaald. De verhouding tussen beide — het respiratoire quotiënt (RQ = CER/OUR) — geeft inzicht in het type metabolisme dat de kweek op dat moment volgt: een RQ rond 1 wijst op suikergebaseerde aerobe groei, een hogere RQ op gisting waarbij meer CO₂ wordt geproduceerd dan zuurstof wordt geconsumeerd, en een lagere RQ op vet- of aminozuurmetabolisme waarbij meer zuurstof per koolstofmol nodig is.
In de wateranalyse vormt opgeloste zuurstof, samen met pH, geleidbaarheid en redoxpotentiaal, een van de vier primaire veldparameters. DO-metingen worden uitgevoerd bij de monitoring van oppervlaktewater in het kader van de Kaderrichtlijn Water, bij de procescontrole van rioolwaterzuiveringsinstallaties, en als directe inputparameter voor de klassieke titratiemethode bij de bepaling van het biochemisch zuurstofverbruik.
De klassieke methode om opgeloste zuurstof chemisch te kwantificeren is de Winkler-titratie (ook wel jodometrische DO-bepaling): mangaan(II)hydroxide wordt in alkalisch milieu door aanwezige zuurstof geoxideerd tot mangaan(III)- of mangaan(IV)hydroxide, dat na aanzuring jodide oxideert tot vrij jodium; het vrijgekomen jodium wordt vervolgens getitreerd met natriumthiosulfaat. De methode is nauwkeurig maar bewerkelijk, waardoor ze in de dagelijkse praktijk grotendeels is vervangen door elektrochemische en optische DO-elektroden; de Winkler-titratie fungeert echter nog steeds als primaire referentiemethode voor de validatie van sensormetingen.
De BZV-bepaling (biochemisch zuurstofverbruik) berust rechtstreeks op DO-meting: het watermonster wordt vijf dagen geïncubeerd bij 20 °C in het donker, waarna het zuurstofverbruik wordt vastgesteld als het verschil in opgeloste zuurstof vóór en na de incubatie. Dit verschil wordt bepaald met een DO-elektrode of via de klassieke Winkler-titratie. Een lage opgeloste-zuurstofwaarde in oppervlaktewater is vaak een signaal van overmatige organische belasting (hoge BZV) of eutrofiëring, en is daarmee een directe indicator voor de ecologische waterkwaliteit.
Voor een betrouwbare DO-meting zijn de volgende stappen van belang:
Zuurstof (O₂) is een gas dat als molecuul in de atmosfeer aanwezig is. Opgeloste zuurstof verwijst naar datzelfde zuurstofgas dat fysisch is opgelost in een vloeistof, in dit geval water, zonder dat het chemisch reageert. De oplosbaarheid is relatief laag (maximaal circa 14 mg/l bij 0 °C) en wordt bepaald door temperatuur, druk en zoutgehalte. Voor waterorganismen en biologische processen is uitsluitend de opgeloste fractie beschikbaar: zuurstofbellen in water zijn geen opgeloste zuurstof maar vrij gas dat snel ontwijkt.
Een DO-meter is een instrument dat de concentratie opgeloste zuurstof in een vloeistof meet, uitgedrukt in mg/l of als percentage verzadiging. DO-meters worden gebruikt in milieuanalyse, waterzuivering, aquacultuur, microbiologie en bioreactorprocessen.
Er is geen functioneel verschil: DO-meter en oxymeter zijn twee benamingen voor hetzelfde instrument. DO staat voor Dissolved Oxygen (opgeloste zuurstof); oxymeter is de meer algemene term die ook wordt gebruikt voor sensoren die zuurstof in bloed (pulsoximetrie) of gas meten. In een laboratoriumcontext verwijzen beide termen naar een sensor die de opgeloste zuurstof in een vloeistof bepaalt.
Een amperometrische (Clark-)elektrode meet zuurstof via een elektrochemische reductiereactie aan een kathode en verbruikt daarbij zuurstof, waardoor een minimale stroomsnelheid langs het membraan vereist is. Een optische sensor meet zuurstof via luminescentie-quenching van een coating, verbruikt geen zuurstof, is stromingsonafhankelijk en vereist minder onderhoud.
Voor oppervlaktewater met aquatisch leven geldt een DO-concentratie van 5 tot 6 mg/l of hoger doorgaans als gezond; onder 4 mg/l ontstaat zuurstofstress, en onder 2 mg/l spreekt men van hypoxie waarbij de meeste vissen niet overleven. Voor aerobe microbiële en celkweken wordt doorgaans een DO-setpoint van 20 tot 40 procent verzadiging aangehouden.
Hypoxie in water is de toestand waarbij de concentratie opgeloste zuurstof zo laag is (doorgaans onder 2 mg/l) dat aerobe waterorganismen hun normale fysiologie niet meer kunnen volhouden. Vissen verlaten het gebied of sterven, terwijl anaerobe bacteriën domineren. Hypoxie treedt op bij een combinatie van hoge temperatuur, hoge organische belasting en geringe doorstroming, en is een veelgebruikte indicator voor slechte waterkwaliteit in de ecologische beoordeling.
De oplosbaarheid van zuurstof in water neemt af naarmate de temperatuur stijgt. Bij 0 °C bedraagt de verzadigingsconcentratie in zoet water circa 14,6 mg/l; bij 20 °C circa 9,1 mg/l; bij 30 °C circa 7,6 mg/l. Warmer water kan dus minder zuurstof bevatten, waardoor het risico op hypoxie toeneemt tijdens warme periodes, met name in stilstaand of slecht beluchte wateren.
Een laag zuurstofgehalte ontstaat doorgaans door een combinatie van hoge watertemperatuur (lagere oplosbaarheid van zuurstof), beperkte menging of stroming, en een hoge biologische of chemische zuurstofvraag door organische belasting, algenbloei of eutrofiëring. Ook stilstaand water en een hoge dichtheid aan organismen die zuurstof verbruiken, dragen bij aan een lage DO-waarde.
De zuurstofsaturatie wordt gemeten met een DO-meter die het percentage opgeloste zuurstof uitdrukt ten opzichte van de theoretische evenwichtsverzadiging bij de heersende temperatuur, luchtdruk en saliniteit. Kalibreer de sensor vooraf in luchtverzadigd water en zorg bij amperometrische sensoren voor voldoende stroming langs het membraan voor een nauwkeurige aflezing.
Het zuurstofgehalte in water wordt verhoogd door actieve beluchting (bijvoorbeeld via een sparger of beluchtingssteen), door menging en oppervlakteverversing, door temperatuurverlaging, of door de organische belasting (en daarmee de zuurstofvraag) te verminderen. In een bioreactor wordt dit gestuurd via roersnelheid, gasdebiet en eventueel toevoeging van zuivere zuurstof.
De Winkler-methode (jodometrische DO-bepaling) is de klassieke chemische methode om opgeloste zuurstof te kwantificeren. Mangaan(II)hydroxide wordt door aanwezige zuurstof geoxideerd; na aanzuring wordt jodide vrijgemaakt dat vervolgens met natriumthiosulfaat wordt getitreerd. De methode is nauwkeurig maar bewerkelijk en wordt tegenwoordig hoofdzakelijk ingezet als referentiemethode voor de validatie van elektrochemische en optische DO-sensoren.
kLa (de volumetrische zuurstofoverdrachtscoëfficiënt) is een maat voor het vermogen van een bioreactor om zuurstof van de gasfase naar de vloeistof over te dragen. Een hogere kLa betekent efficiëntere zuurstofoverdracht. De kLa wordt bepaald via de dynamische ontgassingsmethode: de reactor wordt ontgast, waarna bij hervatting van beluchting de DO-respons continu wordt gevolgd; de stijgsnelheid van het DO-signaal is evenredig met de kLa.
DO-meting bepaalt de concentratie opgeloste zuurstof, doorgaans via een amperometrische of optische sensor. CO₂-meting bepaalt de concentratie opgeloste kooldioxide, meestal via een Severinghaus-sensor waarbij CO₂ door een membraan diffundeert en de pH van een interne bicarbonaatbuffer verandert. Beide parameters worden vaak gezamenlijk gemonitord in bioreactoren en celkweeksystemen, omdat ze samen de metabole activiteit van een kweek weerspiegelen.
Bekijk ons assortiment elektrochemie & pH voor DO-meters, sensoren en bijbehorende kalibratiemiddelen, of neem contact op voor advies bij de keuze van de juiste DO- of CO₂-sensor voor uw toepassing.
Onderdeel van: Milieulab
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
