实验报告(亚硫酸盐氧化法测量体积溶氧系数KL)
亚硫酸盐法测定容积氧传递系数汇总
变化，亦使KL·a值和C*值发生变化。当水温升高时，KL·a 值虽然增高，但C*值降低；反之，则KL·a值降低而C* 值升 高。它们二者随温度的变化是互相反向的，对氧转移速率的
影响有相互抵消的作用。因此，认真研究二者与温度之间的 关系在工程实践中是非常重要的。
0.05mol/L碘溶液的配制:18gkI溶于100ml水中加入6.346g I2定容到500ml 实际称量7.5gKI和3.75 I2，浓度为0.02mol/L，所以计算时应0.02mol/L来 计算氧气的消耗量。
根据表格中数据可看出氧吸收速率逐渐降低，可能由于同学取三角瓶时忘记 开启摇床降低氧传递效率。
溶氧系数的测定方法有许多种，概括起来可分为三大类，即 亚硫酸盐氧化法、动态法和稳态氧平衡法。本实验采用亚 硫酸盐氧化法，以Cu2+作为催化剂，溶解在水中的氧能 立即氧化其中的亚硫酸根离子，使之成为硫酸根离子。
2 2
• Nv：体积溶氧传递速率；(mol/ml·min) • KL·a：体积溶氧系数；(1/min) • C﹡：气相主体中含氧量；(mmol/L) • CL：液相主体中含氧量；(mmol/L) • △t：取样间隔时间；（min） • △V：△t内消耗的Na2S2O3ml数；(ml) • m：取样量；(ml) • N：Na2S2O3标准液的浓度；(mol/l)
25
2
4.45
120
25
2
4.73
140
25
2
5.22
160
25
2
5.79
180
25
2
6.15
时间h 单位体积氧气总消耗量mol Nv Kla
曝气设备充氧能力的测定实验数据处理
8.6
8.8
8.9
亏氧值Cs-C
2.2
2.0
1.8
1.7
ln(Cs-C)
0.79
0.69
0.59
0.53
2
溶氧量（mg/L）
7.8
8.0
8.1
8.2
8.3
8.5
8.6
8.7
8.7
8.8
8.9
9.0
亏氧值Cs-C
2.8
2.6
2.5
2.4
2.3
2.1
2.0
1.9
1.9
1.8
1.7
1.6
ln(Cs-C)
1.03
0.96
0.92
0.88
0.83
0.74
0.69
0.64
0.64
0.59
0.53
0.47
3
溶氧量（mg/L）
8.7
8.8
8.9
9.0
9.1
9.2
9.3
9.4
9.5
9.5
9.6
9.6
亏氧值Cs-C
1.9
1.8
1.7
1.6
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1.1
1.0
1.0
ln(Cs-C)
0.64
0.59
8.3
8.4
8.6
亏氧值Cs-C
4.5
4.1
3.9
3.6
3.3
3.1
2.9
2.7
2.5
2.3
2.2
2.0
ln(Cs-C)
1.5
1.4
1.4
KLA的测定
a K L的测定方法一、 培养过程中氧的传递动力学在氧的传递过程中需要克服一系列传递阻力，从而需要损失动力，传递过程的总推力就是气相与细胞内的氧分压之差，这一总推力消耗于从气相到细胞内的各项串联的传递阻力。
当氧的传递达到稳态时，总的传递速率与串联的各步传递速率相等，这时通过单位面积的传递速率。
个阶段的传递阻力，—；差），各阶段的推动力（分压—；氧的传递通量，—其中：阻力推动力mol N p s m mol k p n k p n iaiO iiO //1)./(/1s222∆∆==1.1 气—液相间的氧传递在上述的气—液传递过程中，气液界面的阻力1/k I 可以忽略，1/k LB 很小,也可以忽略，因此，阻力主要存在于气膜和液膜中。
气液界面附近的氧分压或溶解1。
当气液传递过程处于稳态时，通过液膜和气膜的传递速率相等，即;/);../(;/);../(/;/;/;;;/1/1/1/1223**33I**2C s m s m mol s m s m mol m mol m mol m mol k p k K p K p C p C P C p p p p p p K C C k C C K Pp k p p n LaG LaG aLLaia i aLLL L I GG iO 液膜传质系数，—气膜传质系数，—传质系数，以氧浓度为推动力的总—总传质系数，以氧分压为推动力的的—；平衡的液相氧浓度与—平衡的氧分压与—；液相主体氧浓度—气液界面氧浓度—气液界面氧分压，—气液界面氧分压，—气相主体氧分压，—其中：-=-=-=-= 根据亨利定律HC p =其中H 是亨利常数。
对于难容气体（如氧），气膜传递阻力与液膜传递阻力之比忽略不计，即1/Hk G <<1/k L ，因此k L ≈K L 。
在单位体积培养液中，氧的传递速率为()。
比表面积，—传递速率，单位体积培养液中的氧—其中：323*/);./(OTR OTR m m a s m mol a C C K LL -=通常将K L 与a 合并在一起，作为一个参数处理，称为容量传递系数（S -1）。
第四章、搅拌和溶氧
根据亨利定律：P＝HC* ;
在式中， (C*—C) 是可以测定的， C)是可以测定的 在式中 ， (C* C) 是可以测定的 ， 但是由于界面面 积不能测量， 积不能测量， 每单位界面上每小时的传氧量仍然不 能测量。 能测量。若在式两边各乘以单位体积培养液中气液 两相的总接触面积α则得： 两相的总接触面积α则得： Nv＝ (C*—C) Nv＝kLα(C* C) 式中，Nv一体积溶氧速率; kLα以(C*—C)为推动力 式中，Nv一体积溶氧速率; (C* C)为推动力 一体积溶氧速率 C) 的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数； 的体积溶氧系数，简称体积溶氧系数；α一单位体 积培养液中气液两相的总接触面积。 积培养液中气液两相的总接触面积。
二、双膜理论与传氧方程式
（—）氧溶解过程的双膜理论 ） 双膜理论基本论点是： 双膜理论基本论点是： 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面， 1、 在气泡与包围着气泡的液体之间存在着界面 ， 在界面的两旁具有两层稳定的薄膜， 在界面的两旁具有两层稳定的薄膜 ， 即气泡一侧 存在着一层气膜， 液体一侧存在着一层液膜。 在 存在着一层气膜 ， 液体一侧存在着一层液膜 。 任何流体动力学条件下， 任何流体动力学条件下 ， 气膜内的气体分子和液 膜中的液体分子都处于滞( 流状态， 膜中的液体分子都处于滞 ( 层 ) 流状态 ， 分子间无 对流运动． 因而氧气分子只能以扩散方式， 对流运动 ． 因而氧气分子只能以扩散方式 ， 即借 浓度差而透过双膜。 浓度差而透过双膜。
由于气液界面处的氧分压Pi和浓度Ci均无法测量 由于气液界面处的氧分压Pi和浓度Ci均无法测量： Pi和浓度Ci均无法测量： (P—P*) (C*—C) C)； N＝KG(P P*) ＝KL(C* C)； 式中， 以氧分压为总推动力的总传质系数； 式中，KG以氧分压为总推动力的总传质系数； KL 一 以氧浓度差为总推动力的总传质系数；P*一与液相 以氧浓度差为总推动力的总传质系数； P*一与液相 主体中氧浓度C 相平衡的氧分压； C*一与气相主体 主体中氧浓度 C 相平衡的氧分压 ； C* 一与气相主体 中氧分压P相平衡的氧浓度。 中氧分压P相平衡的氧浓度。
生物反应工程实验
【注意事项】
（1）实验表明，反应速度只在最初一段时间内保持恒定，随着反应时间的延长，酶促反应速度逐渐下降。原因有多种，如底物浓度降低，产物浓度增加而对酶产生抑制作用并加速逆反应的进行，酶在一定pH及温度下部分失活等。因此，研究酶的活力以酶促反应的初速度为准。
（2）本实验是一个定量测定方法，为获得准确的实验结果，应尽量减少实验操作中带来的误差。因此配制各种底物溶液时应用同一母液进行稀释，保证底物浓度的准确性。各种试剂的加量也应准确，并严格控制准确的酶促反应时间。
五、爱护仪器、节约药品。仪器损坏后应立即报损，并按规定赔偿。
六、试验、药品、公用器具使用后应立即放回原处，注意不要调错试剂瓶塞或滴管,以免污染药品。
七、实验室必须安静，不得做与本次实验无关的事情：禁止吸烟及吃食物。
八、根据实验记录，及时完成实验报告，不按时交报告者，不予记录实验成绩。
九、实验完毕，值日生应将实验室打扫干净，关好水、电、门、窗，离开实验室时，检查一遍，以免发生事故，确保安全。
2Na2SO3+O2→2Na2SO4
H2O+Na2SO3+I2→Na2SO4+2HI
2Na2S2O3+ I2→Na2S4O6+2NaI
【实验器材】
（1）搅拌发酵罐（5L）（2）碱式滴定管
（3）碘量瓶（4）0.1mol·L-1碘液（5）0.1mol·L-1硫代硫酸钠（Na2S2O3）溶液
（6）无水亚硫酸钠（7）硫酸铜
实验九糖化酶的发酵（一）……………………………………………………………18
实验十糖化酶的发酵（二）……………………………………………………………19
实验十一糖化酶的发酵（三）……………………………………………………………21
发酵工程复习资料
一、填空（20分）1.酶的调节控制是代谢调控最重要和最有效的调节方式，涉及酶合成的调节和酶分子催化活性的调节。
2.酶合成的调节是一种通过调节酶的合成量进而调节代谢速率的调节机制，这是一种在基因水平上（原核生物重要在转录水平上）的代谢调节。
一般将能促进酶生物合成的调节称为诱导，而能阻碍酶生物合成的调节称为阻遏。
3.酶分子催化活性调节是一种较灵敏的调节方式，而酶合成的调节是一种相对较慢的调节方式。
4.根据酶的合成是否收到环境中所存在的诱导物的诱导作用，可把酶划提成组成型酶和诱导型酶。
5.组成型酶是微生物细胞生长繁殖过程中一直存在的酶类，其合成不受诱导物诱导作用的影响。
诱导型酶是微生物细胞在诱导物存在的情况下诱导合成的一类酶。
6.阻遏作用有助于生物体节省有限的养料和能量，其类型重要有末端代谢产物阻遏和分解代谢产物阻遏两种。
7.代谢工程育种又称为第三代基因工程，是根据代谢途径进行定向选育，获得某种特定的突变株。
其重要优点是减少育种工作的盲目性，提高育种效率。
8.组成型突变株是指操纵子或调节基因突变引起酶合成诱导机制失灵，菌株不经诱导也能合成酶，或不受终产物阻遏的调节突变型。
9.抗分解调节突变株重要解决分解阻遏和分解克制问题。
在实际生产中，最常见的是解除碳源分解调节突变株和解除氮源分解调节突变株。
10.营养缺陷型是一类代谢障碍突变株，会使发生障碍的前一步中间产物积累。
在分支代谢途径中具有切除不需要的分支而使代谢流集中流向目的产物的特点。
11.渗漏缺陷型是一种特殊的营养缺陷型，是遗传障碍不完全的突变株。
其特点是酶活力下降而不完全消失。
在分支代谢途径中强调优先合成的转换。
12.抗反馈调节突变株是一种解除合成代谢反馈克制的突变株，其特点是目的产物不断积累，不会因其浓度超量而终止生产。
13.细胞膜透性突变株是指通过控制磷脂的生物合成直接改变细胞膜结构，或控制细胞壁的生物合成间接影响细胞膜的结构而达成增长细胞膜通透性，促使细胞内代谢物质往外分泌的突变型。
生物反应器和比拟放大
D。装设6~4块挡板，可满足全挡板条件。
全挡板条件 是指在一定转速下，再增加罐内附件，轴功率仍 保持不变。要到达全挡板条件必须满足下式要求：
D------------罐的直径 Z------------挡板数 W-----------挡板宽度
③轴封 轴封的作用是防止泄漏和染菌。常用的轴 封有填料函和端面轴封。 填料函由填料箱体、底衬套、压盖和压紧 螺栓等零件组成。 端面轴封的作用是靠弹性元件的压力使垂直于轴 线的动环和静环光滑外表严密地相互贴合，并作 相对运动而到达密封。
①优点：
节约空气净化系统中的空气压缩机、冷却器、油水别 离器、空气贮罐等设备，减少了厂房占地面积，节省 投资；通气质量是最好的，通入发酵液中的2315m2 气液接触面积/m3空气；动力消耗低；设备便于自动 化、连续化、降低了劳动强度，减少劳动力。 ②缺点：
空气靠负压吸入到罐内，所以要求使用低阻力、高除菌
效率的空气净化系统；由于构造上的特点，大型自吸 式充气发酵罐的搅拌充气叶轮的线速度在30m/s左右， 在叶轮周围形成强烈的剪切区域。充气搅拌叶轮的充 气量随发酵液的深度增大而减少，因此比较放大有一 最适范围。罐压较低，对某些产品生产容易造成染菌。
〔三〕气升式生化反响器 工作机理： 是在罐外装设上升管，上升管两端与罐底及罐上 部相连接，构成一个循环系统。在上升管的下部 装设空气喷嘴，空气喷嘴以250~300〔m/s〕的 高速度喷入上升管借喷嘴的作用而使空气泡分割 细碎，与上升管的发酵液密切接触。由于上升管 内的发酵液轻。加上压缩空气的喷流动能，因此 使上升管的液体上升，罐内的液体下降而进入上 升管，形成反复的循环，供给发酵液所耗的溶解 气量，使发酵正常进展。分内循环和外循环两种。
06-02-003电子教案-亚硫酸盐氧化法测定KLa.
溶解氧用什么表示？
如何测定KLa？
3.分组阅读引导文，从工作任务中分析完成工作的必要信息。
引导教学
多媒体
任
务
计
划
1.教师引导教学
了解上述内容之后，如果需要测定KLa，还需要做哪些准备？
3.分组讨论，制定测定KLa的方案，在方案中要标明各项操作时步骤以及操作过程的注意事项。
4.小组以报告的形式讲解测定KLa的方案。
教师监督
实训室
任
务
评
估
1.上交实训日记与报告:包括计算公式和过程，及分析报告，上交完成任务过程中出现的问题。
2汇报总结，讲述取得的心得与体会
3.学生对自己的表现给出一定的分数
4.老师针对学生的表现给出一部分的分数
教师监督
多媒体
能
力
拓
展
知识能力：
1.测定KLa的其他方法
2.溶氧电极的制作原理
掌握发酵过程中的溶氧变化
掌握影响推动力(c*－cL)的因素
掌握影响KLa的因素
掌握亚硫酸盐氧化法测定KLa原理
素质目标
培养规范意识
树立严谨、科学的态度
加强安全意识
教学手段
1.项目教学和引导教学
2.分组实训。
教学过程
教学过程
任务组织和分析
1.下达任务，分发工作任务书和引导文
2.教师引导教学
什么使溶解氧？
5教师点评方案并按相关优秀方案进行实验演示
6.学生了解实训室相应设备的原理和使用的方法。
7.学生了解实训室的卫生和注意事项。
引导教学
分组讨论
多媒体
实训室
任
务
实
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亚硫酸盐氧化法测量体积溶氧系数K L·a
由双膜理论导出的体积溶氧传递方程：
N v= K L·a(c﹡-c L) ( 1 ) 是在研究通气液体中传氧速率的基本方程这一，该方程指出：就氧的物理传递过程而言，溶氧系数K
L
·a的数值，一般是起着决定性作用的因素。
所以，
求出K
L
·a作为某种反应器或某一反应条件下传氧性能的标度，对于衡量反应器的性能，控制发酵过程，有着重要意义。
一、实验目的：
1、了解Na2SO3测定K L·a的原理，并用该法测定摇瓶的K L·a；
2、了解摇瓶的转数（振幅、频率）对体积溶氧系数K L·a的影响。
二、原理：
在有Cu2+存在下，O
2与SO
3
快速反应生成SO
4。
Cu2+
2 Na2SO
3 + O2 ===== 2Na2SO4（2 ）
并且在20～45℃下，相当宽的SO
3浓度范围（0.017～0.45mol/L）内，O
2
与SO
3
的反应速度和SO3的浓度无关。
利用这一反应特性，可以从单位时间内被氧化的SO3量求出传递速率。
当反应（2）达稳态时，用过量的I2与剩余的Na2SO3作用
Na2SO3+ I2+ H2O ===== Na2SO4+ 2HI （3 ）
再以Na2S2O3滴定过剩的I2
2Na2S2O3+ I2===== Na2S4O6+ 2NaI （4 ）
由反应方程（2）、（3）、（4）可知，每消耗4mol Na2S2O3相当于1mol O2被
吸收，故可由Na2S2O3的耗量求出单位时间内氧吸收量。
N v=△V·N/（m·△t·4·1000） (mol/ml·min)
=0mmol/L 在实验条件下，P=1atm， c﹡=0.21mmol/L， c
L
据方程（1）有：
K L·a = N v / c﹡（1/min）
使用符号：
N v：体积溶氧传递速率；（mol/ml·min）
K L·a：体积溶氧系数；（1/min）
c﹡：气相主体中含氧量；(mmol/L)
c
：液相主体中含氧量；(mmol/L)
L
△ t：取样间隔时间；(min)
△ V：△t内消耗的Na2S2O3ml数；
m:取样量；(ml)
N: Na2S2O3标准的摩尔浓度；(mol/L)
三、仪器与试剂：
1、摇瓶机；
2、三角瓶：500ml一只，100ml 两只；
移液管：20ml，5ml各一只；
碱式滴定管：一只；
3、试剂：
①2%可溶淀粉指示剂；（称取2克可溶性淀粉，然后用少量蒸馏水调匀，徐徐倾入已沸的蒸馏水中，煮沸至透明，冷却定容至100毫升。
）
②0.05mol/L碘、碘化钾液；（称取碘化钾39克，溶解在100毫升蒸馏水中，再加入碘12.96克溶解定容至1000毫升，贮存于棕色瓶中。
）
③0.4mol/L亚硫酸钠溶液；（称取50.42克亚硫酸钠溶解于蒸馏水中，定容至1000毫升。
）
④0.025mol/L硫代硫酸钠标准液；（配制：称取硫代硫酸钠< Na2S2O3·5H2O > 24.82克和硫酸钠0.2克溶于煮沸后冷却的蒸馏水中，定容至1000毫升即得0.1mol/L硫代硫酸钠液。
贮存于棕色瓶中密封保存，配制后应放置一星期标定使用。
标定：取在120℃干燥至恒重的基准重铬酸钾0.25克，置碘量瓶中，加水50毫升使其溶解。
加碘化钾2克，轻轻振摇使溶解，加1M硫酸溶液40毫升摇匀，密塞。
在暗处放置10分钟后，用蒸馏水250毫升稀释，用本液滴定至近终点时，加淀粉指示剂3毫升，继续滴定至蓝色消失而显亮绿色。
并将滴定的结果用空白试验校正。
每1毫升0.1M 硫代硫酸钠液相当于4.903毫克的重铬酸钾。
根据本液的消耗量与重铬酸钾的取用量，计算硫代硫酸钠的摩尔浓度。
用新煮沸过的冷蒸馏水稀释成0.025M的硫代硫酸钠溶液供滴定使用。
）
⑤10-3mol/L Cu2+溶液。
（称取0.25克硫酸铜溶解在100毫升蒸馏水中，定容至1000毫升。
）
四、测定方法：
1、将100ml0.4mol/L亚硫酸钠溶液装入500ml三角瓶中，滴入1mlCu2+溶液
人。
取样m
=2ml移入装有20ml0.05mol/L碘、碘化钾液的100ml三角瓶
1
中。
2、然后将500ml三角瓶上摇瓶机持续摇瓶150分钟后，再取样m
=2ml移入
2另一只装有20ml0.05mol/L碘、碘化钾液的100ml三角瓶中。
3、用0.025mol/L硫代硫酸钠标准液，以2%可溶淀粉指示剂对100ml三角
瓶中的残余碘液滴定至终点。
五、实验结果：
1、原始记录：
(1)无摇瓶操作条件：20~30℃取样时间：t=150min
硫代硫酸钠标准液滴定ml数：12.00-10.10=2.1ml
(2)无摇瓶操作条件：20~30℃取样时间：t=150min
硫代硫酸钠标准液滴定ml 数：43.70-21.30=22.40ml
2、整理数据：
表1溶氧系数测定实验数据表 记录项目
反应前 反应后 Na 2S 2O 3终读数（ml) 21.60 30.90 Na 2S 2O 3初读数（ml)
0 5.00 V Na2S20(ml)
21.60 25.90
ΔV(ml)
4.30 Nv(mol/ml ·min)
8.9x10-8 K L ·a(1/min)
0.43 数据处理：
)min (10004Δt m N ΔV ∙⨯⨯⨯⨯=ml mol N V m i n )
/(109.8100041502025.030.48∙⨯=⨯⨯⨯⨯=-ml mol 168min 43.0min)/(1021.0min)/(109.8---*=⨯∙⨯==∙mol ml mol C N a K V L
六、讨论：
1、影响实验结果的操作因素
（1）从样品液移取2ml 进入碘液时，应注意将移液管的下端置于离开碘液液面不超过1cm 的位置处，以防止溶液进一步氧化。
（2）实验使用的亚硫酸钠溶液因为提前配置，溶液水体中溶解了一部分O 2， 使气相主体含氧量与液相主体含氧量的差值减小，降低了液体中的传氧速率。
（3）实验的关键点是滴定终点的掌握。
滴定时，先用硫代硫酸钠滴定至溶
液呈浅蓝色，再加淀粉指示剂使溶液变蓝，然后滴定至无色，即为终点。
同时置于摇床上的时间必须准确记录，体积溶氧系数的大小与氧化时间有着紧密的关系。
·a的因素
2、影响K
L
空气中氧向水体中转移，根据双膜理论，由于气膜中存在氧的分氧梯度和在液膜中存在氧的浓度梯度，并以后者为主，因此由氧的转移速率可见，氧的总·a和饱和溶解氧C*是影响氧转移速率Nv的两个主要参数。
而影响
传质系数K
L
这2个参数的因素也必然是影响氧转移速率的因素。
（1）压力对K L·a的影响：在一定温度下，压力与体积传质系数有关，K L·a 值随着压力的增加而增加。
这是由于压力增加时，气体溶解度增加，降低了液体的表面张力，使气体在液体中易于形成小气泡，增加了气泡在液体内的表面积，
即a值增加；况且在高压下，随着溶氧气体的增加，液体黏度将降低，由于K
L
·a值随着压力增加而增加。
反比于黏度，所以使K
L
（2）温度对K L·a的影响：在一定压力下，K L·a值随温度的升高而增加，这是因为温度升高，增加了气体中的分子扩散系数和降低了液体的黏度，导致气体进入液体有较高的扩散速率，使K
值增加。
但温度升高又促使小气泡凝聚成大
L
·a的气泡，使气泡在液体中液体内的表面积减小，即a值降低，因此温度对K
L
影响具有两重性，但在剧烈的搅拌下，小气泡凝聚受到一定的限制，即a值变化
·a值增加。
不大，所以温度上升K
L
（3）温度对C*的影响：水温的增减将使水的物理性质发生变化，亦即K L·a 值和C*值发生变化。
当水温升高时，K
·a值虽然增高，但C*值降低；反之，
L
·a值降低而C*值升高。
它们二者随温度的变化时互相反向的，对氧速率则K
L
的影响有相互抵消的作用。
因此，认真研究二者与温度之间的关系在工程实践中是非常重要的。