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第六章 发酵工业中的传氧1
* 一)溶解氧CL的测定原理与方法 化学法 极谱法 复膜氧电极法 (1) 化学法 原理:在样品中加入硫酸锰和碱性KI溶液,生成氢氧化锰沉淀,与溶解氧反应生成锰酸锰,再在反应液中加入H2SO4, 释放出游离的碘,然后用标准Na2S2O3液滴定。 MnSO4+2NaOH→ Mn(OH)2+Na2SO4 2Mn(OH)2+O2→MnO(OH)2↓ MnO(OH)2+Mn(OH)2→MnMnO3+2H2O MnMnO3+3H2SO4+2KI→2MnSO4+I2+3H2O+H2SO4 I2+2Na2S2O3→2NaI十Na2S4O6 (1) 化学法(续) 优点:测定较准确,且能得到氧的浓度值。 缺点:当样品中存在氧化还原性物质,测定结果会有偏差;当样品带有颜色时,会影响测定终点的判断,故不适合测定发酵液的溶解氧浓度。 (2)极谱法 原理:给浸在待测液体中的贵金属阴极和参考电极(阳极)加上直流电压,当电解电压固定在0.8V左右时,与阴极接触的液体中的溶解氧发生如下氧化还原反应而被消耗, 酸性时 O2+2H++2e→ H2O2 中性或碱性时 O2+2H2O +2e → H2O2+2OH- 原理: 阴极表面与液体的主体之间存在氧的浓度差,于是液体主体的溶解氧就会扩散到阴极的表面参加电极反应,使电路中维持一定的电流。当氧的扩散过程达到稳定状态时,溶解氧浓度与测得的扩散电流成正比。 氧浓度与扩散电流的关系 (2)极谱法 阴极表面极易被污染,影响重现性,所以一般采用滴汞电板作为阴极,阳极则可用甘汞电极。 如果样品中含有其它的氧化还原性物质会影响电极反应,从而影响到该法的准确性,使测定结果有误差。 (3)复膜氧电极法 复膜氧电极类型:极谱型;原电池型 原理:复膜氧电极测得的实际为氧从液相主体到阴极的扩 散速率。当扩散过程达到稳定状态时,单位面积氧的扩散速率为: no2=kL(PL-P1)=km(P1-P2)=ke(P2-Pc)=K(PL-Pc) 根据Faraday定律,原电池型氧电极的稳定电流为: i=4FAno2= 4FAK(PL-Pc)=K’PL ∴溶氧电极测定的实际是液体中的氧分压 复膜氧电极示意图 (a)极谱型 (b)原电池型 复膜氧电极内外氧电压的分布 c 二)摄氧率γ的测定原理与方法 瓦氏呼吸仪法 物料衡算法 氧电极法 (1)瓦氏呼吸仪法 通过测压计测定密闭三角瓶的压力变化速率即氧的消耗速率,根据培养液体积计算摄氧率。 (2)物料衡算法 稳态时, (3)氧电极法 如果在某一时刻停止向发酵液通气,而维持原来的搅拌转速,则 (CLCcr) KLa的测定原理与方法 亚硫酸盐氧化法 取样极谱法 物料衡算法 动态法 排气法 复膜电极法 (1) 亚硫酸盐氧化法 原理 利用亚硫酸根在铜或镁离子作为催化剂时被氧迅速氧化的特性来测定发酵设备的氧传递系数。 当亚硫酸钠浓度为0.018~0.5kmol/m3、温度在20~45℃之间,反应速度与亚硫酸钠浓度无关。 用碘量法测定Na2SO3 消耗的速率,即可求得氧传递速率OTR, 再由式OTR=KLaC*求出 KLa 。 2Na2SO3+O2→2Na2SO4 ?????H2O+Na2SO3+I2→Na2SO4+2HI ???? 2Na2S2O3+ I2→Na2S4O6+2NaI (1)亚硫酸盐氧化法(续) 亚硫酸盐氧化法值Kd (1)亚硫酸盐氧化法(续) 优点 氧溶解速度与亚硫酸盐浓度无关,且反应速度快,不需特殊仪器。 缺点 不及极谱法准确; 只能评价发酵罐的传氧性能,且工作容积在4-80L以内才较准确可靠; 不能对发酵过程实测,∵Na2SO3对微生物生长有影响,且发酵液的性质影响氧的传递。 (2)取样极谱法 原理 当电解电压为0.6~1.0V时,扩散电流的大小与液体中溶解氧的浓度呈正比关系。 由式 求得KLa 优点:可以测定培养状态下发酵液中的溶解氧浓度,进而可计算出溶氧系数。 缺点:样品取出发酵罐后,外压自罐压降至大气压,测得的氧浓度已不准确,且在静止条件下所测得的QO2与在发酵 罐中的实际情况不完全一致,因而误差较大。 极谱法工作曲线 (3)物料衡算法 对发酵液中的氧进行物料衡算 稳态时 于是 对大型发酵罐,可用平均推动力 (4)动态法 原理
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