Měření na modelovém fermentoru - návod

U218 – Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze ______________________________________________________________________________________________________

Měření na modelovém fermentoru - návod Měření přenosu kyslíku do kapaliny v modelovém fermentoru

1. Zadání

• •

Stanovte součinitel přenosu kyslíku v kapalině siřičitanovou metodou (tzv. sulfitovou hodnotu) v modelovém fermentoru pro daný typ míchadla a zadané provozní parametry (otáčky, průtok vzduchu). Stanovte závislost sulfitové hodnoty (SV) na měrném příkonu (Pg/VL) a průtoku vzduchu (VVM) v modelovém fermentoru ve formě mocninné závislosti SV = C.( (Pg/VL)α.VVMβ. Proveďte návrh provozního mechanicky promíchávaného fermentoru o objemu fermentačního média 1,5 m3, na základě měření na modelovém (laboratorním) fermentoru. Stanovte provozní parametry provozního fermentoru na základě zadaných podmínek modelování.

Návod k experimentální úloze

•

2. Schéma a popis měřícího zařízení

Měření se provádí na modelovém fermentoru. Fermentor (obr.1) se skládá z válcové nádoby, míchacího zařízení a z přístrojů pro sledování a regulaci procesu. Otáčky míchadla lze měnit regulačním transformátorem. Chlazení, resp. udržování stálé teploty je zabezpečeno automaticky kontaktním teploměrem VERTEX s relé a solenoidovým ventilem (roztok se oxidací zahřívá). Vzduch je přiváděn přes redukční ventil, laboratorní průtokoměr a mechanickou tlačku pod střed míchadla.

Obr. 1 – Modelový fermentor. _______________________________________________________________________________________________

Měření na modelovém fermentoru – návod

1


3. Teoretické základy


3.1 Fermentace Otázka přenosu kyslíku z plynné fáze do tekutého média hraje při fermentacích prvořadou úlohu, protože u aerobních procesů je zpravidla množství kyslíku rozpuštěného v kapalině limitujícím faktorem růstu. Kyslík se dostává do buňky ve dvou etapách: a. Absorpce O2 ze vzduchu do roztoku. b. Přenos O2 z roztoku do buňky.

Obr. 2 - Transport kyslíku Modelování přenosu kyslíku siřičitanovou metodou Přenos kyslíku z roztoku do buňky lze studovat pouze na buňkách samotných, avšak absorbci do roztoku lze simulovat pomocí siřičitanové metody. Principem této metody je, že buňky pohlcující kyslík z roztoku jsou nahrazeny siřičitanem sodným, který obdobně váže kyslík a tím se oxiduje na síran: Na2SO3 + 1/2 O2 → Na2SO4 . Model nevystihuje dokonale skutečné poměry při fermentaci. Je však vhodný pro porovnání přenosu O2 do kapaliny u fermentorů různé konstrukce a geometrie nebo při různých provozních parametrech (aerace, otáčky, teplota). 3. 2 Princip siřičitanové metody Přenos kyslíku Absorpci kyslíku lze popsat rovnicí:

(

dcL = k L ⋅ a ⋅ cG* − cL dt kde

dcL/dt cL c*G kLa a t

),

(1)

- rychlost absorpce ; [kg/m3.h] - hmotnostně objemová koncentrace O2 rozpuštěného v kapalině ; [kg/m3] - hmotnostně objemová rovnovážná koncentrace O2 v kapalině ; [kg/m3] - objemový součinitel prostupu hmoty ; [h-1] - měrný mezifázový povrch ; [m2/m3] - čas ; [h].

_______________________________________________________________________________________________


2



Siřičitanová metoda Jde o nepřímou metodu měření absorpčního koeficientu. Na základě v čase zoxidovaného množství siřičitanu se zjistí rychlost změny koncentrace rozpuštěného kyslíku. V provzdušňovaném neutrálním roztoku Na2SO3 dochází k oxidaci siřičitanu na síran: Na2SO3 + 1/2 O2 → Na2SO4. Reakce je katalyzována ionty Cu2+. Stanovení stupně oxidace se provádí jodometrickou titrací vzorku. Rychlost absorpce je popsána rovnicí (1). Předpokládá se, že veškerý kyslík v kapalině je chemicky vázán siřičitanem, tzn. cL = 0, tedy:

dcL = k L ⋅ a ⋅ cG* . dt

(2)

Součin kL.a.c*G se nazývá ”sulfitová hodnota”. Ze sulfitové hodnoty nelze spolehlivě stanovit objemový součinitel prostupu kyslíku, protože pojem rovnovážné koncentrace c*G kyslíku v roztoku Na2SO3 nemá význam, neboť kyslík je ihned chemicky vázán. Výsledná sulfitová hodnota však je dobře použitelná při laboratorních i průmyslových srovnávacích zkouškách. Aplikace siřičitanové metody je podstatně levnější a rychlejší, než zkouška s použitím mikroorganismů. Je vhodná zejména pro srovnání účinnosti přenosu kyslíku do živého média při použití různých typů míchadel a dispergátorů vzduchu, či hledání optimálních provozních parametrů při aerobních fermentacích. Přitom lze měnit (nastavovat) nezávisle proměnné procesní charakteristiky, jako např. otáčky míchadla či vzdušnění vsádky. Získané výsledky v laboratorním (modelovém) zařízení lze použít pro návrh poloprovozního či provozního fermentoru.

4. Postup měření

1. Ohřát 4l 0,2 M roztoku siřičitanu sodného Na2SO3 na teplotu cca 31°C. 2. Ohřátý roztok nalít do fermentoru a nastavit chlazení. 3. Přidat katalyzátor – 40 ml 0,1 M CuSO4.

4. Odebrat první vzorek v čase t = 0 min (tzv. nulový vzorek). 5. Nastavit přívod vzduchu. 6. Nastavit otáčky míchadla.

7. V předepsaných časových intervalech odebrat vzorek obsahu. Vzorky odebírat podle rychlosti oxidace, v intervalu 4 ÷ 15 minut. 8. Titrace vzorku: 1. Do Erlenmayerovy baňky odpipetovat 10 ml roztoku 0,05 M J2. 2. Přidat 1 ml vzorku. 3. Titrovat roztokem 0,05 M thiosíranu sodného Na2S2O3 o známém faktoru na odbarvení. 9. Zápis spotřeby titračního roztoku. Pozn. Průtok vzduchu Průtok vzduchu se často vyjadřuje pomocí ”vzdušnění”. Vzdušnění (VVM) vyjadřuje průtok aeračního vzduchu vztažený na objem fermentoru. Veličina ”VVM” se udává v min-1. _______________________________________________________________________________________________


3


5. Vyhodnocení měření 5.1 Tabulka naměřených hodnot n otáčky [min-1]

T teplota [°C]

Rotametr čtení množství [mm] [l/min]

Spotřeba Na2S2O3 [ml]

Pozn.


t čas [min]

!!!! Nezapomenout stanovit a zapsat nulový vzorek – vzorek v čase t = 0 min !!!! 5.2 Vyhodnocení spotřeby titračního činidla

Spotřeba titračního činidla na 1 ml vzorku A v závislosti na čase t pro dané otáčky a množství vzduchu se popíše pomocí regresní funkce ve tvaru přímky:

A = a + b⋅t , kde

(1)

A – spotřeba titračního činidla na 1 ml vzorku v čase t ; [ml/ml] t – čas ; [min] a,b – regresní parametry.

Regresní parametry a,b regresní funkce (1) se stanoví ze soustavy normálových rovnic: N

N

i =1

i =1

N

N

N

i =1

i =1

N ⋅ a + b ⋅ ∑ t i = ∑ Ai , a ⋅ ∑ t i + b ⋅ ∑ t i2 = ∑ Ai ⋅ t i , kde

(2a)

(2b)

i =1

N – počet měření, Ai – spotřeba titračního činidla i-tého vzorku na 1 ml vzorku v čase ti ; [ml/ml] ti – čas odběru i-tého vzorku ; [min] a,b – regresní parametry.

Mez přesnosti stanovení se vypočte dle vztahu:

mez = s A ⋅ t (N −2 ),α , kde

(3)

sA – směrodatná odchylka hodnoty A, t(N-2),α – hodnota Studentova rozdělení pro (N-2) stupňů volnosti a hladinu významnosti α odečtená z tabulky (viz Příloha F1).

Při technických výpočtech se obvykle volí hladina významnosti α = 0,05. Pro zvolenou hladinu významnosti α = 0,05 (tj. hladinu pravděpodobnosti 1- α = 0,95) by mělo být 95 % z naměřených hodnot ležet v pásu ± mez = sA . t(N-2),0,05 kolem regresní přímky a 5 % mimo tento pás. _______________________________________________________________________________________________


4

U218 – Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze


______________________________________________________________________________________________________

Obr. 3 – Diagram spotřeby titračního činidla na čase (N = konst., VVM = konst.) Směrodatná odchylka sA se vypočte dle vztahu:

N N 2 2 2  ∑ (Ai − A ) − b ⋅ ∑ (t i − t )  i =1  s A =  i =1 N −2      

kde

(4)

1/ 2

,

A=

1 N ⋅ ∑ Ai , N i =1

(5a)

t=

1 N ⋅ ∑ ti . N i =1

(5b)

Do diagramu spotřeby titračního činidla (závislost spotřeby na čase) se vynesou naměřené hodnoty, regresní přímka a meze přesnosti stanovení – viz obr. 3. Provede se kontrola, zda předepsané procento z naměřených dat leží v pásu přesnosti stanovení. 5.3 Stanovení sulfitové hodnoty

Spotřeba titračního činidla Na2S2O3 za čas ∆t = (t1-t2) P∆t :

P∆t = (At1 − At 2 )⋅ f Na2 S2O3 ,

kde

(6)

P∆t - spotřeba činidla za čas ∆t = (t1-t2) na 1 ml vzorku z fermentoru ; [ml/ml], At1 - spotřeba činidla v čase t1 na 1 ml vzorku z fermentoru ; [ml/ml], At2 - spotřeba činidla v čase t2 na 1 ml vzorku z fermentoru [ml/ml], fNa2S2O3 - faktor činidla. _______________________________________________________________________________________________


5


Spotřeba At1 resp. At2 se vypočte z regresní přímky (1) pro čas t1 resp. t2. Obvykle se volí t1 = 0 min (nulový vzorek) a t2 = 60 min. Množství kyslíku O2 vázaného siřičitanem za čas ∆t = (t1-t2) mO2 ∆t v objemu V fermentoru:

mO2 _ ∆t = eO2 ⋅ P∆t ⋅ V ,

mO2 ∆t - množství kyslíku O2 vázaného siřičitanem ve fermentoru za čas ∆t ; [mgO2], eO2 - kyslíkový ekvivalent titračního činidla ; [mgO2/ml] P∆t - spotřeba titračního činidla Na2S2O3 za čas ∆t na 1ml vzorku z fermentoru [ml/ml] , V - objem fermentoru ; [ml].


kde

(7)

Kyslíkový ekvivalent titračního činidla eO2 : eO2 = 0,4 mg O2/ml titračního činidla 1 ml roztoku 0,05 M Na2S2O3 1 ml roztoku 0,1 M Na2S2O3 eO2 = 0,8 mg O2/ml titračního činidla Rychlost absorbce dcL/dt (sulfitová hodnota) je dána vztahem: (8)

mO2 _ ∆t dc L , = k L ⋅ a ⋅ cG* = dt V ⋅ ∆t kde

kLac*G - sulfitová hodnota [mgO2/ml.h = kgO2/m3.h], mO2∆ t - množství kyslíku O2 vázaného siřičitanem za čas ∆t ve fermentoru ; [mgO2/ml], V - objem fermentoru [ml], ∆t - čas ; ∆t = (t1-t2) ; [h].

Spojením (6), (7), (8) sulfitová hodnota se vypočte dle vztahu:

k L ⋅ a ⋅ cG* = eO2 ⋅

(At 2 − At1 )⋅ f Na2S2O3 P∆t . = eO2 ⋅ ∆t ∆t

(9)

V praxi se sulfitová hodnota uvádí obvykle v mol O2/l.h :

[k kde

L

⋅ a ⋅ cG*

]

mol / l .h

=

[

1 ⋅ k L ⋅ a ⋅ cG* M O2

]

mg / ml .h

,

(10)

MO2 – molová hmotnost kyslíku ; MO2 = 32 kg/kmol = 32 g/mol.

5.4 Vyhodnocení závislosti SV = f (Pg/VL, VVM) Předpokládá se závislost sulfitové hodnoty kLac*G (dále jen SV) na měrném příkonu v aerovaném stavu Pg/VL a vzdušnění ve formě mocninné funkce:

 Pg * = SV = C ⋅  k L ⋅ a ⋅ cG  VL kde

Pg VL

α

  ⋅ VVM β ,  

(11)

– příkon v aerovaném systému ; výpočet např. dle (12), – objem fermentoru (objem kapalné fáze),

_______________________________________________________________________________________________


6


VVM – vzdušnění, C – konstanta α, β – parametry.


Příkon v aerovaném systému Příkon v aerovaném systému lze vypočítat např. podle empirické formule Michel, Miller(1962) citované např. v Ho, Oldshue(1987):

 P 2 ⋅ N ⋅ D3   Pg = 0,08 ⋅   V! 0,56  g   kde

P Pg N D V!g

(12)

0,45

,

– příkon v neaerovaném systému [hp], – příkon v aerovaném systému [hp], – otáčky [ot/min], – průměr míchadla [ft], – průtok vzduchu [ft3/min].

Vzdušnění (VVM) Vzdušnění (VVM) vyjadřuje objemový průtok aeračního vzduchu (v m3/min nebo v l/min) vztažený na objem fermentoru (objem kapalné fáze) (v m3 nebo v l): (13) V!g , VVM =

VL

kde

V!g

– průtok vzduchu,

VL

– objem fermentoru (objem kapalné fáze).

Veličina ”VVM” se udává v min-1.

Vyhodnocení závislosti SV = f (Pg/VL, VVM) Provede se logaritmická transformace nelineární funkce (11):

log SV = log C + α ⋅ log( Pg / VL ) + β ⋅ log VVM ,

(14)

zavedením proměnných y = log SV, c = log C, a = α, b = β, x1 = log (Pg/VL), x2 = log VVM lze rovnici (14) přepsat:

y = c + a ⋅ x1 + b ⋅ x 2 ,

(15)

což je vícenásobná lineární funkce. Parametry α, β se tedy určí přímo pomocí vícenásobné lineární regrese z transformované rovnice (15), konstanta C odlogaritmováním aditivní konstanty z rovnice (15). Pozn. Hodnoty mocnin α,β Pokud nebude vycházet α > 0 a β > 0, kontaktujte cvičícího. Graf Graf SV = f ((Pg/VL)α.VVMβ). _______________________________________________________________________________________________


7


6. Návrh provozního fermentoru Je třeba navrhnout: • geometrické rozměry provozního fermentoru, • průtok vzduchu, • otáčky míchadla.


1. Geometrické rozměry Geometrické rozměry provozního fermentoru se stanoví z podmínky geometrické podobnosti provozního a laboratorního fermentoru. 2. Průtok vzduchu Používá se podmínka VVM = konst. – vzdušnění na ”modelu” a ”díle” stejné. 3. Otáčky míchadla Nejčastěji používané modelové podmínky: a. b.

Pg/VL = konst. - měrný příkon míchadla na ”modelu” a ”díle” je stejný. Používá se pro fermentaci jednoduchých (jednobuněčných) mikroorganismů. π.d.n = konst. - obvodová rychlost konců lopatek na ”modelu” a ”díle” je stejný. Používá se pro fermentaci složitějších mikroorganismů (např. tkáňových buněk a plísní).

Zahlcení Všechny výše uvedené podmínky modelování procesů fermentace platí za podmínky, že míchadlo není aeračním vzduchem zahlceno. Dle Streck(1977) míchadlo je nezahlceno, jestliže:

Fr K pG kde Froudeho číslo je definováno:

d ⋅   D

3,43

> 0,061 ,

n2 ⋅ d Fr = g a aerační číslo

K pG =

V!g

n⋅d3

.

(16)

(17)

(18)

Postup: 1. Stanovení geometrických rozměrů díla. 2. Stanovení průtoku vzduchu na díle. 3. Stanovení otáček na díle dle zadané podmínky (3a. nebo 3b). 4. Kontrola zahlcení na díle. 5. Výpočet sulfitové hodnoty na díle. 6. Pokud bude sulfitová hodnota na díle odlišná od hodnoty na modelu, proveďte modelování za podmínek: otáčky: dle zadané podmínky (3a. nebo 3b.) množství vzduchu: SV = konst. Zkontrolujte zahlcení. _______________________________________________________________________________________________


8


1. Úkol měření 2. Schéma a popis měřící aparatury 3. Teoretické základy měření 4. Postup měření 5. Vyhodnocení měření 6. Návrh poloprovozního fermentoru 7. Závěry 8. Seznam literatury


7. Obsah referátu

Radek Šulc 2003

_______________________________________________________________________________________________


9


Seznam literatury


Aiba, Sh., Humprey, A.E., Millis, N.: Bioinženýrství. Academia, Praha 1972 Ambros, F., Dufek, M.: Experimentální metody (cvičení). Skriptum ČVUT, Praha 1991 Ho, Ch.S., Oldshue, J.Y.: Biotechnology processes. Scale up and Mixing. American Institut of Chemical Engineers AIChE, New York, 1987 Kolektiv: Analytická příručka. SNTL, Praha 1966 Michel, B.J., Miller, S.A.: Power requirements of gas – liquid agitated systems. AIChE, Vol.8, No.2, pp. 262 - 266 Streck, F.: Míchání a míchací zařízení. SNTL, Praha 1977 Seznam symbolů A a a b C c*G cL D d eO2 Fr g i kL kLa kLac*G

- spotřeba titračního činidla na 1 ml vzorku - měrný mezifázový povrch - parametr v rovnici (1) - parametr v rovnici (1) - parametr v rovnici (11) - hmotnostně objemová rovnovážná koncentrace O2 v kapalině - hmotnostně objemová koncentrace O2 rozpuštěného v kapalině - průměr míchané nádoby - průměr míchadla fermentoru - kyslíkový ekvivalent titračního činidla - Froudeho číslo ; Fr = n2.d/g - tíhové zrychlení - sčítací index - součinitel prostupu hmoty - objemový součinitel prostupu hmoty - sulfitová hodnota

KpG mO2 ∆t N n Pg P∆t sA SV t(N-2),α

- aerační číslo ; KpG = V´g/(nd3) - množství kyslíku O2 vázaného siřičitanem ve fermentoru za čas ∆t - počet měření - otáčky míchadla - příkon aerovaného míchadla - spotřeba titračního činidla na 1 ml vzorku za čas ∆t - směrodatná odchylka závisle proměnné - sulfitová hodnota ; viz kLac*G - hodnota Studentova rozdělení při (N-2) stupních volnosti a hladině významnosti α. - čas - objem fermentoru (objem kapalné fáze) - průtok plynu

t VL V!g

[ml/ml] [m2/m3] [ml/ml] [ml/ml.min] [kg/m3] [kg/m3] [m] [m] [mgO2/ml] [-] [m/s2] [-] [m.h-1] [h-1] [mgO2/ml.h] [kgO2/m3.h] [-] [mgO2] [-] [s-1] [W] [ml/ml] [ml/ml] [-] [h], [min] [ml], [m3] [m3/min]

Řecká písmena α β

- parametr v rovnici (11) - parametr v rovnici (11)

[-] [-]

_______________________________________________________________________________________________


10


Příloha F1 – Kritické hodnoty Studentova rozdělení V tabulce jsou uvedeny kritické hodnoty tn,α takové, že P { | tn | > tn,α } = α . Tabulka uvádí tyto hodnoty pro různé hladiny významnosti α a pro různé počty stupňů volnosti n. α

0,500 1,00000 0,81650 0,76489 0,74070 0,72669

0,250 2,4142 1,6036 1,4226 1,3444 1,3009

0,100 6,3138 2,9200 2,3534 2,1318 2,0150

0,050 12,706 4,3027 3,1825 2,7764 2,5706

0,025 25,452 6,2053 4,1765 3,4954 3,1634

0,010 63,657 9,9248 5,8409 4,6041 4,0321

0,005 127,32 14,089 7,4533 5,5976 4,7733

6 7 8 9 10

0,71756 0,71114 0,70639 0,70272 0,69981

1,2733 1,2543 1,2403 1,2297 1,2213

1,9432 1,8946 1,8595 1,8331 1,8125

2,4469 2,3646 2,3060 2,2622 2,2281

2,9687 2,8412 2,7515 2,6850 2,6338

3,7074 3,4995 3,3554 3,2498 3,1693

4,3168 4,0293 3,8325 3,6897 3,5814

11 12 13 14 15

0,69745 0,69548 0,69384 0,69242 0,69120

1,2145 1,2089 1,2041 1,2001 1,1967

1,7959 1,7823 1,7709 1,7613 1,7530

2,2010 2,1788 2,1604 2,1448 2,1315

2,5931 2,5600 2,5326 2,5096 2,4899

3,1058 3,0545 3,0123 2,9768 2,9467

3,4966 3,4284 3,3725 3,3257 3,2860

16 17 18 19 20

0,69013 0,68919 0,68837 0,68763 0,68696

1,1937 1,1910 1,1887 1,1866 1,1848

1,7459 1,7396 1,7341 1,7291 1,7247

2,1199 2,1098 2,1009 2,0930 2,0860

2,4729 2,4581 2,4450 2,4334 2,4231

2,9208 2,8982 2,8784 2,8609 2,8453

3,2520 3,2225 3,1966 3,1737 3,1534

21 22 23 24 25

0,68635 0,68580 0,68531 0,68485 0,68443

1,1831 1,1816 1,1802 1,1789 1,1777

1,7207 1,7171 1,7139 1,7109 1,7081

2,0796 2,0739 2,0687 2,0639 2,0595

2,4138 2,4055 2,3979 2,3910 2,3846

2,8314 2,8188 2,8073 2,7969 2,7874

3,1352 3,1188 3,1040 3,0905 3,0782

26 27 28 29 30

0,68405 0,68370 0,68335 0,68304 0,68276

1,1766 1,1757 1,1748 1,1739 1,1731

1,7056 1,7033 1,7011 1,6991 1,6973

2,0555 2,0518 2,0484 2,0452 2,0423

2,3788 2,3734 2,3685 2,3638 2,3596

2,7787 2,7707 2,7633 2,7564 2,7500

3,0669 3,0565 3,0469 3,0380 3,0298

40 60 120 ∞

0,68066 0,67862 0,67656 0,67449

1,1673 1,1616 1,1559 1,1503

1,6839 1,6707 1,6577 1,6449

2,0211 2,0003 1,9799 1,9600

2,3289 2,2991 2,2699 2,2414

2,7045 2,6603 2,6174 2,5758

2,9712 2,9146 2,8599 2,8070


n 1 2 3 4 5

_______________________________________________________________________________________________


11


Příloha F2 - Jodometrická titrace Jodometrická titrace Odměrné stanovení založené na vratné reakci mezi jódem jako oxidačním a jodidem jako redukčním činidlem. Standardní oxidačně redukční potenciál systému odpovídajícího rovnici

J 2 + 2e − ⇔ 2 J −

(R-1)

a sumárně:


je udáván hodnotou E = 0,53 V a závisí na druhu oxidačního nebo redukčního činidla a na reakčních podmínkách, zda proběhne reakce doprava nebo opačným směrem. Podle toho se někdy dělí na jodimetrii v pravém slova smyslu, kdy činidlo s nižším redoxním potenciálem, než odpovídá systému (1), se oxiduje titrací odměrným roztokem jódu a na jodometrii, kdy silnější oxidační činidla než je jód jsou kvantitativně redukována v kyselém prostředí přebytkem přidaného jodidu draselného a ekvivalentní množství vyloučeného jódu se titruje odměrným roztokem thiosíranu ; proto se někdy jodometrie označuje také jako thiosulfátometrie ; který při tom přechází na tetrathionan:

J 2 + 2e − ⇔ 2 J −

(R-2a)

2S 2O32 − ⇔ + S 4O62 − + 2e −

(R-2b)

J 2 + 2S 2O32 − ⇔ 2 J − + S 4O62 − .

(R-2c)

Odměrný roztok jódu, který se používá jako oxidační činidlo, se připravuje navážením jódu přečistěného sublimací ; jód je však ve vodě málo rozpustný, dobře se však rozpouští v jodidu (J2+J- = J3-), proto se přidává k jódu asi ve 2,5 násobném přebytku jodid. Odměrným roztokem při stanovení titru roztoku jódu je roztok thiosíranu sodného nebo roztok arzenitanu. Spolehlivým indikátorem je škrobový roztok, který poskytuje i s velmi malým množstvím jódu za přítomnosti jodidu zřetelně modré zabarvení dobře patrné jen za studena. Jodometrická titrace při stanovení siřičitanu V případě jodometrického stanovení siřičitanu připadají v úvahu následující redox systémy zapsané ve tvaru OX+ne- = Red:

SO42 − + H 2O + 2e − ⇔ SO32 − + 2OH −

1.

J 2 + 2e − ⇔ 2 J −

2.

E° = -0,90V E° = 0,53 V

Dle pravidla: ” Soustava mající pozitivnější E° je schopna oxidovat soustavu o negativnějším potenciálu.” ; soustava 2 oxiduje soustavu 1. Tedy: 1. 2.

SO32 − + 2OH − ⇔ SO42 − + H 2O + 2e − J 2 + 2e − ⇔ 2 J −

E° = 0,90V E° = 0,53 V

_______________________________________________________________________________________________


12


Úhrnná rovnováha:


Při sestavování rovnic celkové reakce (úhrnné rovnováhy) se rovnice parciálních reakcí upravují tak, aby počet vyměňovaných elektronů byl stejný, tzn. aby elektrony uvolněné redukčním činidlem byly právě spotřebovány oxidačním činidlem. V našem případě je tato podmínka splněna, a proto není v tomto případě nutno tyto úpravy provádět. Oxidačněredukční potenciál, který odpovídá úhrnné rovnováze (jde o napětí poskytované elektrochemickým článkem, v němž daná reakce probíhá), se vypočítá z rozdílu standardních potenciálů, přičemž se odečítá negativnější od pozitivnějšího.

SO32 − + 2OH − ⇔ SO42 − + H 2O + 2e −

1.

J 2 + 2e − ⇔ 2 J −

2. sumárně:

E° = 0,90V E° = 0,53 V

J 2 + SO32 − + 2OH − ⇔ 2 J − + SO42 − + H 2O

E° = 0,37 V

(R-3)

Siřičitan, který nebyl zoxidován kyslíkem ve fermentoru je zoxidován jódem podle rovnice (R-3). Množství nezreagovaného jódu je stanoveno titrací thiosíranem dle (R-2c). Množství jódu je tedy úměrné množství siřičitanu nezoxidovaného ve fermentoru. Doplněk do původního množství siřičitanu je množství siřičitanu zoxidovaného kyslíkem, který byl naabsorbován. Aby bylo možné počítat pouze s diferencemi, nikoli s absolutními hodnotami množství (vzhledem k tomu, že roztok jódu obsahuje předem dané množství jódu) stanoví se nejdříve ”nulový vzorek”. Názorně vyjádřeno na následujícím obrázku:

Vzorek po fermentaci

Spotřeba jódu na reakci (R-3)

Množství jódu po reakci (R-3)

Spotřeba thiosíranu na reakci (R-2c)

Meze: nulový vzorek

maximálně možný vzorek

_______________________________________________________________________________________________


13


Příloha F3 – Kyslíkový ekvivalent 1. Oxidace siřičitanu ve fermentoru kyslíkem dle rovnice Na2SO3 + 1/2 O2 = Na2SO4: Množství kyslíku vázaného siřičitanem:

∆nO2

kde

1/ 2 , 1


∆n Na2SO3

=

(E-1)

∆nO2 - množství vázaného kyslíku, ∆nNa2SO3 - množství siřičitanu vázajícího kyslík.

Toto množství siřičitanu ∆nNa2SO3 , které bylo zoxidováno kyslíkem, by jinak bylo zoxidováno jódem dle (Příloha F2 R-3) v množství ∆nJ2 :

∆n Na2SO3 ∆n J 2

=

1 . 1

(E-2)

A toto množství jódu ∆nJ2 by pak následně bylo zredukováno thiosíranem dle rovnice (Příloha F2 R-2c) v množství ∆nNa2S2O3 :

∆n J 2

∆n Na2S2O3

=

1 . 2

(E-3)

Spojením (E-1), (E-2), (E-3) je dán vzájemný vztah mezi vázaným množstvím kyslíku a spotřebou thiosíranu:

∆nO2 =

1 ⋅ ∆n Na2S2O3 . 4

(E-4)

Tedy: 1 mol spotřebovaného Na2S2O3 znamená 0,25 mol vázaného kyslíku O2, tj. 8 g O2. 1 ml roztoku 0,05 M Na2S2O3 představuje 0,00005 mol Na2S2O3 , tj. 0,0004 g O2 = 0,4 mg O2. 1 ml roztoku 0,1 M Na2S2O3 představuje 0,0001 mol Na2S2O3 , tj. 0,0008 g O2 = 0,8 mg O2. 1 ml roztoku 0,2 M Na2S2O3 představuje 0,0002 mol Na2S2O3 , tj. 0,0016 g O2 = 1,6 mg O2.

_______________________________________________________________________________________________


14


Příloha F4 – Klasifikace použitých látek a bezpečnostní pokyny: Na2SO3. 7H2O

R 22-31-36/37/38

S 22 – 26 – 36/37

Thiosiřičitan sodný Síran měďnatý

Na2S2O3 CuSO4

R 22 – 36/38

S 22 – 24/25 S 2 – 22

Jód

I2

R 20/21 – 50

S 2 – 23 – 25

Jodid draselný

KI

R 42/43

S 22 – 24/25 – 36/37

Seznam R – vět


Siřičitan sodný heptahydrát

R 22 - škodlivá při požití R 31 - uvolňuje jedovatý plyn při styku s kyselinami R 50 - velmi jedovatá pro vodní mikroorganismy Seznam S – vět S2 S 22 S 23 S 25 S 26

- uchovávejte mimo dosah dětí - nevdechujte prach - nevdechujte plyny/dýmy/aerosoly - zamezte styku s očima - při zasažení očí okamžitě důkladně vypláchněte vodou a vyhledejte lékařskou pomoc

Seznam kombinací R – vět R 20/21 R 36/38 R 36/37/38 R 42/43

- zdraví škodlivá při vdechování a styku s pokožkou - dráždí oči a pokožku - dráždí oči, dýchací orgány a pokožku - senzibilace při vdechování a styku s pokožkou možná

Seznam kombinací S – vět S 24/25 S 36/37

- zamezte styku s pokožkou a očima - používejte vhodný ochranný oděv a ochranné rukavice

_______________________________________________________________________________________________


15

Měření na modelovém fermentoru - návod

Recommend Documents