عملکرد دستگاه کلدال به این صورت است که ابتدا نمونه در یک اسید (معمولاً اسید سولفوریک) هضم می‌شود تا نیتروژن موجود در نمونه به آمونیوم تبدیل شود. سپس از طریق تقطیر و جذب آمونیاک آزاد شده، مقدار نیتروژن در نمونه اندازه‌گیری می‌شود.

دستگاه کلدال معمولاً شامل اجزای زیر است:

1-فلاسک هضم (Digestion Unit): یک فلاسک شیشه ای برای هضم اسیدی نمونه.

2-دستگاه تقطیر (Distillation Unit): برای تقطیر (پس از هضم، سود به نمونه افزوده می شود تا آمونیوم به آمونیاک تبدیل گردد).

3-محلول جذب‌کننده: مانند بوریک اسید یا محلول‌های دیگر برای جذب آمونیاک حاصل از تقطیر.

4-سیستم تیتراسیون  (Titration Unit): محاسبه مقدار اسید مصرف شده برای خنثی سازی آمونیاک در محلول گیرنده (برای تعیین مقدار آمونیاک آزاد شده و به تبع آن، مقدار نیتروژن در نمونه).

5-کاتالیزور: برای تسریع واکنش هضم (به‌طور معمول سولفات مس یا سلنیوم).

2-تهویه مناسب: به علت تولید بخارات و گازهای سمی (مانند بخارات سولفوریک اسید) باید دستگاه در محیطی با تهویه مناسب یا در فریزر یا هود آزمایشگاهی قرار گیرد.

3-استفاده از مواد شیمیایی با دقت: در هنگام استفاده از مواد شیمیایی (مانند اسید سولفوریک، کاتالیزورهای حاوی جیوه، و غیره)، باید دقت کنید که فقط مقدار مورد نیاز را استفاده کنید و از پاشش آن‌ها بر روی پوست یا چشم‌ها جلوگیری شود.

4-پیش از شروع کار از سلامت دستگاه مطمئن شوید.

5-احتیاط در برابر حرارت بالا:

هنگام فرآیند هضم نمونه‌ها، دستگاه کلدال حرارت زیادی تولید می‌کند. لذا باید از تماس مستقیم با بخش‌های داغ دستگاه اجتناب کرده و از محافظ‌های حرارتی استفاده کنید.

اقدامات در شرایط اضطراری: در صورت بروز حادثه (مانند ریزش اسید یا سوختگی)، فوراً به دستگاه شستشو یا روش‌های ایمنی مشابه مراجعه کرده و اقدامات ضروری را برای کاهش آسیب‌ها انجام دهید.

نگهداری و تمیزکاری منظم: پس از هر بار استفاده، دستگاه را به دقت تمیز کنید و از هر گونه رسوب یا آلاینده‌ای که ممکن است در فرآیند تأثیر بگذارد، اجتناب کنید

حدود 0.5 تا 2 گرم از نمونه (بسته به نوع آن و غلظت نیتروژن) به دقت وزن شود. این نمونه معمولاً مواد آلی مانند خاک، آب، غذا یا سایر مواد است.

در صورت لزوم، برای کاهش تأثیر مواد چرب یا مایع، نمونه‌ها می‌توانند خشک شوند.

ب. هضم نمونه (Digestion)

هدف: تبدیل ازت آلی به آمونیاک (NH₃ )در محیط اسیدی.

مواد مورد نیاز: اسید سولفوریک غلیظ (H₂SO₄) این اسید به عنوان حلال برای تجزیه مواد آلی استفاده می‌شود.

کاتالیزور: معمولاً از کاتالیزورهای سلنیوم(Se) یا مس (Cu) استفاده می‌شود که به تسریع واکنش کمک می‌کنند.

ماده نمونه: معمولاً این نمونه می‌تواند شامل خاک، خوراک دام، گیاهان، یا هر ماده آلی باشد که ازت دارد.

مراحل:

مقدار معینی از نمونه (معمولاً ۰.۵ تا ۱ گرم نمونه خشک‌شده) داخل فلاسک مخصوص هضم ریخته می‌شود.به این نمونه اسید سولفوریک غلیظ اضافه می‌شود (حدود ۲۵-۵۰ میلی‌لیتر).

سپس کاتالیزور (سلنیوم یا مس) به محلول افزوده می‌شود تا فرآیند تجزیه به آمونیاک تسریع گردد.

فلاسک در حمام گرمایی قرار می‌گیرد. دما باید به حدی باشد که اسید سولفوریک به نقطه جوش برسد (حدود ۳۰۰ درجه سانتی‌گراد)، و این فرآیند به مدت چند ساعت ادامه می‌یابد. در این مرحله، تمامی ترکیبات آلی موجود در نمونه به آمونیوم (NH₄⁺)تبدیل می‌شوند، که در نهایت به آمونیوم سولفات (NH₄)₂SO₄ تبدیل خواهد شد.

ج. تقطیر (Distillation):

هدف: آزادسازی آمونیاک (NH₃) از محلول اسیدی به محیط قلیایی.

مواد مورد نیاز: NaOH (سدیم هیدروکسید) یا یک محلول قلیایی دیگر برای ایجاد محیط قلیایی.

محلول جذب‌کننده مانند اسید بوریک (H₃BO₃) برای جذب آمونیاک آزاد شده.

مراحل:

پس از پایان هضم، محلول اسیدی حاصل در فلاسک تقطیر منتقل می‌شود.

به این محلول اسیدی، محلول قلیایی (NaOH) اضافه می‌شود تا pH آن به بالاتر از ۱۰ برسد و آمونیوم موجود در محلول به آمونیاک (NH₃) تبدیل شود.سپس بخارات آمونیاک تقطیر می‌شود و در محلول جذب‌کننده (معمولاً اسید بوریک یا محلول ۰.۱ نرمال (NaOH) که در یک ارلن فلاسک یا ظرف شیشه‌ای قرار دارد، جذب می‌شود.تقطیر ادامه می‌یابد تا تمام آمونیاک موجود در محلول اسیدی به محلول جذب‌کننده منتقل شود.

د. تیتراسیون (Titration)

هدف: تعیین مقدار آمونیاک آزاد شده و به تبع آن مقدار ازت موجود در نمونه.

مواد مورد نیاز: محلول استاندارد NaOH (معمولاً ۰.۱ نرمال) یا HCl  (بسته به نوع تیتراسیون و محلول جذب‌کننده). شاخص برای نقطه پایانی، مانند فنل‌فتالئین برای (NaOH) یا متیل‌بروموتیمن برای(HCl)

مراحل:

محلول جذب‌کننده آمونیاک (اسید بوریک یا محلول (NaOH) که در مرحله قبلی تقطیر شده است، به یک ارلن فلکسی منتقل می‌شود.این محلول با محلول استاندارد NaOH یا HCl تیتراسیون می‌شود تا نقطه پایانی مشخص شود.معمولاً از فنل‌فتالئین به عنوان شاخص برای تغییر رنگ استفاده می‌شود (در محیط قلیایی به رنگ صورتی و در محیط اسیدی بی‌رنگ می‌شود).

حجم مصرف‌شده از محلول استاندارد برای تیتراسیون مشخص می‌کند که چه مقدار آمونیاک آزاد شده است.

و. محاسبه مقدار نیتروژن

با توجه به میزان اسید مصرفی در فرایند تیتر کردن و غلظت محلول اسید، مقدار نیتروژن موجود در نمونه محاسبه می‌شود. به طور کلی، این مقدار به صورت درصد نیتروژن (N یا میلی‌گرم نیتروژن در نمونه) گزارش می‌شود.

1. آزمایش اندازه‌گیری نیتروژن کل (Total Nitrogen):

هدف: اندازه‌گیری مقدار نیتروژن در نمونه‌های مختلف.

کاربرد: این آزمایش برای تعیین مقدار نیتروژن در مواد غذایی، خوراک دام، خاک، فاضلاب و آب استفاده می‌شود.

روش: در این آزمایش، نمونه در حضور اسید سولفوریک و کاتالیزور (معمولاً سلنیوم) هضم می‌شود تا نیتروژن موجود به آمونیاک تبدیل گردد. سپس آمونیاک توسط تیتر کردن با محلول استاندارد اسیدی اندازه‌گیری می‌شود.

2. آزمایش تعیین پروتئین‌ها در مواد غذایی

هدف: تعیین میزان پروتئین در مواد غذایی.

کاربرد: این آزمایش در صنایع غذایی برای محاسبه مقدار پروتئین در مواد مختلف مانند شیر، گوشت، غلات و حبوبات استفاده می‌شود.

روش: نیتروژن موجود در پروتئین‌ها به کمک دستگاه کلدال اندازه‌گیری می‌شود. از آنجایی که معمولاً پروتئین‌ها حدود ۱۶ درصد نیتروژن دارند، می‌توان مقدار پروتئین را از نیتروژن اندازه‌گیری شده محاسبه کرد.

3. آزمایش تعیین نیتروژن در آب و فاضلاب

هدف: اندازه‌گیری مقدار نیتروژن در آب و فاضلاب.

کاربرد: این آزمایش برای ارزیابی آلودگی نیتروژنی در منابع آب و فاضلاب به‌ویژه برای مانیتورینگ کیفیت آب و کاهش آلودگی آب‌ها استفاده می‌شود.

روش: نیتروژن موجود در نمونه‌های آب به آمونیاک تبدیل شده و سپس اندازه‌گیری می‌شود.

4. آزمایش تعیین نیتروژن در خاک

هدف: اندازه‌گیری مقدار نیتروژن خاک.

کاربرد: این آزمایش برای ارزیابی میزان نیتروژن در خاک‌ها به منظور بهینه‌سازی استفاده از کودهای نیتروژنی در کشاورزی انجام می‌شود.

روش: نیتروژن خاک به صورت مشابه به روش آب، از طریق هضم در اسید سولفوریک اندازه‌گیری می‌شود.

5. آزمایش‌های تحقیقاتی در شیمی و بیوشیمی

هدف: تعیین ترکیب شیمیایی و پروتئینی نمونه‌های آزمایشگاهی.

کاربرد: در تحقیقات علمی، به‌ویژه در شیمی آلی و بیوشیمی، از این روش برای تحلیل محتوای نیتروژنی ترکیبات استفاده می‌شود.

روش: در این آزمایش‌ها، نمونه‌ها ممکن است شامل بافت‌های زیستی، پروتئین‌ها، یا سایر ترکیبات آلی باشند که محتوای نیتروژن آن‌ها اندازه‌گیری می‌شود.

6. آزمایش در صنعت داروسازی

هدف: تعیین مقدار نیتروژن در ترکیبات دارویی.

کاربرد: در صنعت داروسازی از این روش برای کنترل کیفیت مواد اولیه دارویی که حاوی پروتئین یا ترکیبات نیتروژنی هستند، استفاده می‌شود.

روش: مشابه روش‌های پیشین، نیتروژن موجود در مواد اولیه دارویی اندازه‌گیری می‌شود.

آنالیز مواد غذایی: این درس به‌طور ویژه بر تحلیل و اندازه‌گیری ترکیبات مختلف در مواد غذایی تمرکز دارد، و روش کلدال به‌عنوان یکی از ابزارهای مهم برای اندازه‌گیری پروتئین‌ها و نیتروژن معرفی می‌شود.

شیمی آلی و بیوشیمی: در این دروس، تجزیه و تحلیل ترکیبات آلی و پروتئینی مورد مطالعه قرار می‌گیرد. اندازه‌گیری نیتروژن در ترکیبات آلی یکی از کاربردهای دستگاه کلدال است.

علم خاک: در این درس، اهمیت نیتروژن در خاک و تأثیر آن بر رشد گیاهان بررسی می‌شود. آزمایش‌های کلدال برای تعیین مقدار نیتروژن در خاک در این زمینه کاربرد دارد.