无菌线冲洗消毒水中过氧乙酸检测方案(水质分析仪)

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Kemio传感器技术用于无菌冷灌线过氧乙酸的快速检测 2019年9月 摘要：Kemio是英国百灵达公司最新推出的一款消毒剂检测平台，可用于包括过氧乙酸、余氯等氧化性消毒剂的快速检测。该技术在国内某非碳酸饮料厂无菌冷灌线(CAF线)盖槽、外喷、内喷三个不同应用点的S21型过氧乙酸溶液浓度进行了多次现场测试，实验结果表明，对于盖槽和外喷，Kemio的测定结果与实验室滴定法偏差<5%，多组平行样相对偏差<5%；内喷点Kemio数据一度较滴定法偏高10%左右，经研究发现滴定法检测高浓度样品时会受到水样温度的影响。对滴定方法进行修正后，内喷点使用Kemio检测同样可以满足质控要求。Kemio在CAF线生产条件下，可以完全替代实验室滴定法，是一种更精确、快捷、可靠的方法。 1、过氧乙酸检测手段以及Kemio检测平台概述 过氧乙酸作为一种安全的氧化性消毒剂在食品饮料行业使用相当广泛，通过向水中投加或在固体表面擦拭、喷洒等方式，达到杀灭有毒有害微生物、确保生产环境及产品达到卫生检验检疫标准要求。生产和质控部门需严格控制并监管过氧乙酸使用量和残留量，通过标准化、精确可靠的检测手段，对消毒剂浓度进行定期检测，并予以记录。传统的检测方法主要为滴定法，存在耗时长、操作难度高、易受过氧化氢干扰、需制备包括浓硫酸在内的大量有毒有害化学试剂，这些情况都对实际检测工作造成困扰。 计时安培法为水中过氧乙酸的精确检测提供了新的方式。将水中过氧乙酸作为待测对象，施加阶跃电势，即可使电子发生转移从而产生响应电流，通过分析响应电流的强度即可得到过氧乙酸的浓度值。各类氧化性消毒剂的阶跃电势不同，能够实现区分检测。且这种检测方法完全不受水样本身颜色、浑浊度的影响，无需使用额外的化学试剂，也无需操作者具备完善的化学实验技能，相比传统滴定法具有颠覆性的优势。 Kemio消毒检测平台采用最新的计时安培法技术，在处理响应电流与浓度关系时，增加了水温这一计算维度，使原本简单的二维对应关系，变为在不同水温条件下的三维对应关系，更接近生产车间的实际情况，大大提高了在实际使用过程中的检测准确性。 图2 水温 – 响应信号 – 待测物质浓度3D校准关系图 在实际使用中，Kemio采用丝网印刷技术将工作电极、参比电极与对电极固定在平板传感器上，再将参与电子转移的碘化钾与催化剂被固定在工作电极上。过氧乙酸在一定电压条件下将发生如下反应： CH3CO2OH + 2I- + 2H+ → CH3CO2H + I2 + H2O （化学反应） I2 + I- → I3- （化学反应） I3- + 2e- → 3I- （电化学反应） 电化学反应过程发生电子转移从而产生响应电流，检测电流强度可得到水中过氧乙酸浓度。所有检测过程能够在1分钟内完成。 图3 过氧乙酸传感器和Kemio消毒检测平台 2、Kemio用于无菌冷灌线过氧乙酸快速检测的现场测试 国内某非碳酸饮料厂(以下简称 “该工厂”)CAF线使用Klenzan出品的S21型过氧乙酸溶液用于盖槽、内喷、外喷点的消毒，各点过氧乙酸浓度均设有不同的质控要求，并由工厂实验室采用简化后的一步滴定法进行实时测量。为解决滴定法的种种弊端，工厂逐步采用英国百灵达有限公司提供的传感器技术来代替滴定法。Kemio作为新一代消毒检测平台，于2019年8月初在该工厂进行了全方位的方法验证工作。共有3台Kemio主机参与测试，仪器情况如表1所示： 表1. 用于方法验证的Kemio主机基本情况 主机编号 K1 K2 K3 序列号 10D05190017 10D02190024 10D05190020 传感器批次号 CHR041902 CHR041902 CHR041902 校准检查结果 通过 通过 通过 软件版本号 1.0.1.5 1.0.1.5 1.0.1.5 方法验证从以下几个方面对Kemio进行评估： （1）Kemio数据示值相对误差Δki：每个样品用Kemio和实验室滴定法做多组平行测试并分别计算均值M，按下式计算各台Kemio方法准确度Δki： 其中：Mki – 不同编号Kemio主机检测结果均值，单位mg/L； Mt – 滴定法检测结果均值，单位mg/L； （2）Kemio数据稳定性：每个样品用Kemio做多组平行测试，并计算相对标准偏差RSD。 其中，Kemio由百灵达工程师进行操作，工厂内的滴定操作由实验室的工人操作，百灵达技术中心内进行的滴定由百灵达工程师按照工厂操作流程进行操作。 1 Kemio用于盖槽点的检测 盖槽部分要求过氧乙酸浓度控制在1200mg/L±10%，水样温度通常在40℃以上。由于Kemio工作曲线校准温度范围在5-30℃，实验中需要对样品用纯水稀释一倍降温，最终结果以仪器示值×2记录，并用于各项计算。试验数据如表2所示： 表2. 盖槽样品使用Kemio检测结果，单位mg/L K1 K2 K3 滴定法 示值 ×2 示值 ×2 示值 ×2 PAA测量值 660 1320 685 1370 630 1260 1288 625 1250 630 1260 620 1240 1223 685 1370 640 1280 620 1240 1290 650 1300 630 1260 635 1270 1292 645 1290 620 1240 645 1290 1296 645 1290 610 1220 640 1280 1288 均值M 652 1303 636 1272 632 1263 1280 示值相对误差Δki 2% 0.6% 1% / 相对标准偏差RSD 3% 4% 2% 2% 从表2可以看出，三台Kemio检测结果相较滴定法示值相对误差均小于3%，相对标准偏差均<5%，说明对于盖槽样品Kemio检测结果与滴定法完全一致，且示值稳定性良好，能够代替滴定法进行操作。 2 Kemio用于外喷点的检测 外喷部分要求过氧乙酸浓度控制在1600mg/L±10%，水样温度在Kemio校准范围内因此无需稀释直接检测，并记录仪器示值用于各项计算。实验数据如表3所示： 表3. 外喷样品使用Kemio检测结果，单位mg/L K1 K2 K3 滴定法 PAA测量值 1765 1825 1805 1772 1935 1745 1720 1707 1860 1805 1750 1700 1830 1805 1780 1799 1800 1840 1695 1816 1785 1790 1760 1820 均值M 1829 1802 1752 1769 示值相对误差Δki 3% 2% 1% / 相对标准偏差RSD 3% 2% 2% 3% 从表3可以看出，三台Kemio检测结果相较滴定法示值相对误差均不大于3%，相对标准偏差均<5%，说明对于外喷样品Kemio检测结果与仍滴定法完全一致，且示值稳定性良好，能够代替滴定法进行操作。 3 Kemio用于内喷点的检测 内喷部分要求过氧乙酸浓度控制在2800mg/L±10%，水样温度在Kemio校准范围内，但浓度超过Kemio的2000mg/L量程上限，因此仍需要对水样进行一倍稀释。 在工厂进行的第一阶段实验中，实验室滴定法操作没有对样品进行稀释，且滴定过程中没有按国标要求向样品中加入冰水。第一阶段实验数据显示，Kemio检测结果尽管平行样相对标准偏差仍<5%，但相较滴定法示值相对误差达到了10%。 针对这一异常表现，首先考虑是否由于稀释操作带来偏差。设计第二阶段试验，将内喷样品做梯度稀释，使用编号K2的Kemio对梯度稀释样品进行检测。同时对稀释两倍和未稀释的样品采用滴定法进行检测。试验结果如表4所示： 表4 不同稀释比例样品K2测量结果，单位mg/L 稀释两倍 稀释四倍 稀释五倍 滴定法 示值 ×2 示值 ×4 示值 ×5 稀释两倍 未稀释 PAA测量值 1510 3020 790 3160 615 3075 1462 2837 1560 3120 775 3100 605 3025 1520 2835 1575 3150 840 3360 600 3000 1454 2845 1480 2960 810 3240 600 3000 1500 2864 1520 3040 765 3060 575 2875 1480 2849 1505 3010 805 3220 615 3075 1435 2880 1520 3040 790 3160 605 3025 1480 2960 805 3220 605 3025 1520 3040 790 3160 595 2975 1515 3030 780 3120 625 3125 均值M 1510 3037 789 3180 603 3020 1475 2852 由表4可以看出，对于稀释两倍以后的内喷样品，Kemio数值与滴定法依然一致性良好，示值相对误差仅为2.5%。这一结论与检测浓度水平相近的外喷样品试验一致。由此我们可以进一步确定，当样品浓度不超过外喷样品浓度，即1600mg/L±10%时，Kemio与滴定法检测结果是等价的。 而分析未稀释样品的滴定结果可以发现以下一些情况： （1）对不同稀释倍数下Kemio测量结果的所有计算值进行均值和相对标准偏差的计算，得到均值为3079mg/L，RSD=3.3%。不同稀释倍数所对应的原样品浓度计算值非常一致，说明进行不同比例的稀释不会引起S21过氧乙酸溶液成分配比发生变化，稀释不是导致Kemio数值高于滴定法的原因。 （2）滴定法直接检测未稀释样品的浓度，测定值均值为2852mg/L，而由表5-1稀释样品滴定测量值乘以稀释倍数，得到的原样品浓度则为1475×2=2950mg/L，高出直接滴定结果约3.4%。分别以内喷水样直接滴定结果和稀释两倍后滴定计算结果为准，以Kemio所有测量结果的均值3079mg/L计算相对示值误差，结果分别为7.9%和4.4%。 由上述分析推测，对内喷样品进行直接滴定所得到的检测结果很可能偏低，从而导致与Kemio的检测结果对比相差较大。 4 滴定法影响因素的研究与分析 为进一步验证内喷样品第二阶段中关于直接滴定检测结果偏低的推测，在百灵达技术中心实验室中采用S21过氧乙酸溶液配制大致浓度分别为1500mg/L、3500mg/L、7000mg/L的样品溶液，按照工厂滴定标准方法流程，对各个样品溶液原液及稀释后的样品分别进行检测，实验数据如表5所示： 表5. 不同浓度S21过氧乙酸溶液稀释前后滴定法结果对比，单位mg/L 约1500mg/L样品 约3500mg/L样品 约7000mg/L样品 滴定测量值 稀释两倍 ×2 直接滴定 稀释两倍 ×2 直接滴定 稀释4倍 ×4 直接滴定 711 1422 1350 1883 3766 3340 1847 7388 6323 675 1350 1421 1847 3694 3375 1812 7248 6288 710 1420 1350 1918 3836 3267 1847 7388 6182 均值M / 1397 1374 / 3766 3328 / 7343 6265 示值相对误差Δki 1.6% 11.6% 14.7% 其中，示值相对误差以计算值为基准值，考察直接滴定检测结果与计算结果的偏差。由表5可以看出，当过氧乙酸溶液浓度在1500mg/L以下时，稀释前后滴定结果是一致的；而当过氧乙酸浓度上升到3000mg/L以上时，直接滴定的结果显著低于基于稀释样品滴定结果得到的计算值，且当样品浓度越高时，直接滴定的结果偏低程度越大。 通过将该工厂滴定过程与国标GB19104-2008《过氧乙酸溶液》标准检测方法进行对比，发现工厂所用滴定方法省略了向待滴定样品加入10℃以下冰水的过程。选用浓度约3000mg/L的S21过氧乙酸溶液并进行两倍稀释，分别考察滴定前加冰水和不加冰水对滴定结果的影响，实验结果如表6所示： 表6. 加冰水对不同浓度过氧乙酸溶液滴定结果的影响，单位mg/L 约3000mg/L样品 约1500mg/L样品 PAA测量值 不加冰水 加冰水 Kemio 不加冰水 加冰水 Kemio 2807 2985 3020 1492 1528 1510 2807 2949 3030 1528 1492 1515 2771 3056 3100 1492 1492 1550 2842 2949 2960 1480 2950 1475 2980 1490 均值M 2807 2985 3007 1504 1504 1503 示值相对误差Δ 7% 1% / 0.7% 0.7% / 其中3000mg/L样品的Kemio测量值为稀释两倍后测量值乘以2得到。示值相对误差以滴定值为基准，考察Kemio测量值的偏差程度。由表6数据可以看出，当浓度在1500mg/L左右时，是否加入冰水对滴定的结果没有直接影响，Kemio测量结果与滴定方法一致。而当浓度达到3000mg/L左右时，不加冰水的滴定结果偏低，以此滴定结果作为基准则Kemio测量值会显著偏大，偏差超过5%；而加入冰水后，滴定结果会明显提高，以此时的滴定结果作为基准，则Kemio测量值与之非常接近，完全能够将相对误差控制在5%以内。 5 几点结论 通过上述各项工作，我们对于Kemio在该工厂CAF线各工艺环节S21型过氧乙酸溶液浓度检测中的表现进行了全面考察和分析，并得到以下几点结论： （1）在盖槽、外喷两个工艺点，Kemio与目前工厂使用的滴定法数据完全一致，示值相对偏差可控制在5%甚至3%以内，且数据稳定性良好，6组平行样品相对标准偏差可控制在5%以内； （2）在内喷工艺点，需对样品进行两倍稀释后再使用Kemio进行检测，稀释后样品的检测结果与滴定方法一致。而如果对内喷样品直接进行滴定，需要按照国标方法要求，在滴定前加入10℃以下的冰水，否则滴定结果会偏低。加入冰水以后的滴定结果，与Kemio的计算结果一致； （3）PAA溶液成分配比不会因稀释操作发生变化，稀释过程对Kemio的检测结果没有影响。 对于CAF线过氧乙酸的检测，Kemio是一种完全能够替代实验室滴定法的技术，检测过程大大简化，无需使用有害化学品，也最大限度去除了操作人员的主观因素影响。同时，由于Kemio在校准时引入了水温这一校准因素，因此对于不同温度的水样均具有良好的测量精密度和准确性，非常适合工厂使用。 2     Kemio用于外喷点的检测       外喷部分要求过氧乙酸浓度控制在1600mg/L±10%，水样温度在Kemio校准范围内因此无需稀释直接检测，并记录仪器示值用于各项计算。实验数据如表3所示： 表3. 外喷样品使用Kemio检测结果，单位mg/LK1K2K3滴定法PAA测量值176518251805177219351745172017071860180517501700183018051780179918001840169518161785179017601820均值M1829180217521769示值相对误差Δki3%2%1%/相对标准偏差RSD3%2%2%3%从表3可以看出，三台Kemio检测结果相较滴定法示值相对误差均不大于3%，相对标准偏差均<5%，说明对于外喷样品Kemio检测结果与仍滴定法完全一致，且示值稳定性良好，能够代替滴定法进行操作。