第15章--環(huán)境工程原理微生物反應(yīng)器

1、第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng) 微生物反應(yīng)的特點及其在環(huán)境中的應(yīng)用第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系 基質(zhì)消耗、細(xì)胞生長、代謝產(chǎn)物之間的定量關(guān)系第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué) 基質(zhì)消耗過程及細(xì)胞生長速率的定量式（影響因素）第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計 微生物反應(yīng)器的基本設(shè)計方法與操作

2、方式,第十五章 微生物反應(yīng)器,本章主要內(nèi)容,一、微生物及其特性二、微生物反應(yīng)及其在污染防治中的利用,第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),本節(jié)的主要內(nèi)容,一、微生物及其特性（一）微生物的分類（二）微生物的特性1．菌體成分（水分含量、元素組成）2．細(xì)菌細(xì)胞的物理性質(zhì)（大小與大小分布、密度）3．微生物培養(yǎng)液的性質(zhì),第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),二、微生物反應(yīng)及其在污染防治中的利用（一）微生物反應(yīng)的特點,復(fù)雜反應(yīng)體系,基質(zhì)、營養(yǎng)物、活細(xì)胞、

3、非活性細(xì)胞、分泌產(chǎn)物等。,參與微生物反應(yīng)的主要組分,微生物反應(yīng)的總反應(yīng)式（概括式）,碳源＋氮源＋其它營養(yǎng)物質(zhì)＋氧→細(xì)胞＋代謝產(chǎn)物＋CO2＋H2O,第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),第1章緒論,① 基質(zhì)利用② 細(xì)胞生長③ 細(xì)胞死亡/溶化④ 產(chǎn)物生成。,微生物反應(yīng)的類型,,第一類產(chǎn)物：基質(zhì)水平磷酸化產(chǎn)生的產(chǎn)物(如乙醇、乳酸，檸檬酸)。第二類產(chǎn)物：由合成代謝生成的較復(fù)雜的物質(zhì)（如胞外酶、多糖、抗生素、激素、維生素、生物堿等）第三類產(chǎn)物：一

4、般指在碳源過量、氮源等受到限制的條件下產(chǎn)生的一類物質(zhì)（蓄能化合物，如多糖、儲存于細(xì)胞內(nèi)的糖原、脂肪等。),第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),第1章緒論,基質(zhì)分解所產(chǎn)生的能量及其消耗途徑,⑤熱能（釋放到環(huán)境）,,第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),第1章緒論,（二）微生物反應(yīng)的影響因素,微生物的種類基質(zhì)的種類和濃度(注意抑制作用)環(huán)境條件共存物質(zhì)（注意刺激效應(yīng)、抑制作用）,第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),第1章緒論,（三）微生物反應(yīng)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用

5、,污染水體、土壤的修復(fù)城市污水及工業(yè)廢水的生物處理有機(jī)廢氣、揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)及還原性無機(jī)氣體的生物處理有機(jī)廢棄物的堆肥處理,工業(yè)微生物反應(yīng)與環(huán)境微生物反應(yīng)器的不同目的、微生物種類、規(guī)模,污染物的生物分解與轉(zhuǎn)化,第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),(1) 為什么說微生物反應(yīng)類似于化學(xué)反應(yīng)中的自催化反應(yīng)？(2) 微生物反應(yīng)一般可分為哪幾類反應(yīng)？(3) 微生物反應(yīng)中的基質(zhì)有哪些作用？(4) 微生物反應(yīng)的產(chǎn)物有哪幾類？(5) 有機(jī)

6、物的微生物分解反應(yīng)中產(chǎn)生的能量有哪些用途？,本節(jié)思考題,第一節(jié) 微生物與微生物反應(yīng),一、微生物反應(yīng)綜合方程二、細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)三、代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率系數(shù),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,本節(jié)的主要內(nèi)容,一、微生物反應(yīng)綜合方程（一）微生物濃度的表達(dá)方式,活性污泥：C5H7O2N C60H87O23N12P C118H170O51N17P

7、 C7H10O3N大腸桿菌: C4.2H8O1.3N,在一定條件下，同一類微生物的細(xì)胞元素組成可以視為相對穩(wěn)定。,（二）微生物細(xì)胞的組成式,一般用重量濃度表示：單位體積培養(yǎng)液中所含細(xì)胞的干燥重量來表示(g－dry cell/L)。,表15.2.1,表15.2.2,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,好氧微生物反應(yīng)：CHmOn＋a NH3＋bO2 = Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp

8、/c)CO2＋cH2O (15.2.2) a=zYx/c+wYp/cb=(1-Yx/c-Yp/c+m/4-n/2)+(Yp/c/4)(-u+2v+3w)+(Yx/c/4)(-x+2y+3z) c=m/2+( Yp/c/2)(-u+3w)+ (Yx/c/2)(-x+3z),S＝Y(jié)xX＋YpP (15.2.1),（三）微生物反應(yīng)的綜合計量式,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,計量學(xué)限制性物質(zhì)：

9、 細(xì)胞生長過程中首先完全消耗掉的物質(zhì),生長速率限制性基質(zhì)： 在一定的環(huán)境條件下，向反應(yīng)系統(tǒng)中加入某一基質(zhì)，能使微生物生長速率增加，則該基質(zhì)被稱生長速率限制性基質(zhì)。（富營養(yǎng)化湖泊的營養(yǎng)限制因子）,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,反應(yīng)系統(tǒng)中細(xì)胞的生長量（細(xì)胞干燥重量）與反應(yīng)消耗掉的基質(zhì)的重量之比（單位：g-dry cell formed/g-substrate consumed）,二、細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)（一）以基質(zhì)重量為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系

10、數(shù)Yx/s,(15.2.6),Yx/s值的大小：,可能小于1，也可能大于1,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,表15.2.3 細(xì)菌的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,間歇培養(yǎng)過程中的細(xì)胞產(chǎn)率,總產(chǎn)率系數(shù)(overall cell yield),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,（二）以碳元素為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù),Yx/c值的大小：,只能小于1，一般在0.5－0.7之間。,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,好氧微生物反應(yīng)：CHmO

11、n＋a NH3＋bO2 = Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O,（三）以氧消耗量為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,以葡萄糖(C6H12O6)為碳源，NH3為氮源，在好氧條件下培養(yǎng)某細(xì)菌，得到的細(xì)胞的元素組成為CH16.6O0.273N0.195。設(shè)該細(xì)菌的Yx/c=0.65，反應(yīng)產(chǎn)物只有CO2和水。試計算Yx/s和Yx/o。,解：將葡萄糖的元素組成式寫為CH2

12、O，且根據(jù)題意Yp/c=0，則微生物反應(yīng)的計量方程如下：,根據(jù)基質(zhì)和細(xì)胞的元素組成可得： ＝12/(12+1×2+16×1)=0.4 ＝12/(12+1.66×1+0.273×16+0.195×14)=0.578,例題15.2.1,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,根據(jù)Yx/s與Yx/c的關(guān)系：,由計量方程，求得各元素的物料衡算式如下：O的物料衡算：1+2b=Yx/c

13、×0.273+(1-Yx/c) ×2+cN的物料衡算：a =Yx/c×0.195 H的物料衡算：2+3a = 1.66Yx/c+2c解上述聯(lián)立方程得：a = 0.127，b = 0.264，c = 0.651 Yx/o=Yx/c?(12+x+16y+14z)/32b=1.60kg?kg-1,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,（四）以ATP為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù),以基質(zhì)分解

14、反應(yīng)生成的ATP量為基準(zhǔn)表示細(xì)胞的產(chǎn)率Yx/ATP(單位：g-cell/mol-ATP)定義為：,(15.2.13),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,(15.2.15),(15.2.16),(15.2.17),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,解：1mol葡萄糖生成的菌體量Δ X為： Δ X=1.0?Yx/s=1.0×180=180 g-cell 1mol葡萄糖糖酵解產(chǎn)生的ATP量：2 mol,某

15、假單胞菌在好氧條件下，以葡萄糖為基質(zhì)時的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)為：Yx/s=180 g-cell/mol-glucose，Yx/o=30.4 g-cell/mol-O2，若基質(zhì)水平磷酸化的ATP生成量為2 mol(ATP)/mol-glucose，呼吸鏈反應(yīng)的ATP生成量YATP/O（1摩爾氧原子生成的ATP的摩爾數(shù)）為1。試求出Yx/ATP。,例題15.2.2,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,1mol葡萄糖分解所產(chǎn)生的總ATP量：2＋11.8=

16、13.8 molATP,1mol葡萄糖經(jīng)呼吸鏈產(chǎn)生的ATP量：,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,（五）以有效電子數(shù)為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù),以有效電子(available electron)為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)Yx/av.e- （單位：g-cell/mol-av.e-)：,(15.2.20),ΔnO2：每摩爾的基質(zhì)完全燃燒時需要的氧的摩爾數(shù),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,解：葡萄糖的分子量Ms=12×6+1×12+16

17、×6=180葡萄糖完全燃燒時的需要量ΔnO2＝6mol-O2/mol-glucose,故：,已知某細(xì)菌在以葡萄糖為基質(zhì)時的Yx/s=0.404 g-cell/g-glucose，試求Yx/av.e-,例題15.2.3,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,三、代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率系數(shù),代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率系數(shù)(Yp/s)定義為：,以碳元素為基準(zhǔn)的代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率系數(shù)Yp/c：,(15.2.22),(15.2.21),第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)

18、系,(1) 什么是計量學(xué)限制性基質(zhì)？(2) 什么是生長速率限制性基質(zhì)？(3) 細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)有哪些用途？(4) 細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)有哪幾種？它們?nèi)≈捣秶魇鞘裁矗?5) 什么是有效電子？如何計算？(6) 什么是代謝產(chǎn)物的產(chǎn)率系數(shù)？,本節(jié)思考題,第二節(jié) 微生物反應(yīng)的計量關(guān)系,一、微生物生長速率二、基質(zhì)消耗速率三、微生物生長速率與基質(zhì)消耗速率的關(guān)系四、代謝產(chǎn)物的生成速率,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),本節(jié)的主要內(nèi)容,一、微生物生長速

19、率（一）微生物的生長速率的定義,Td：倍增時間(doubling time),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),用50mL的培養(yǎng)液培養(yǎng)大腸桿菌，大腸桿菌的初期總量為8×105 cell，培養(yǎng)開始后即進(jìn)入對數(shù)生長期（無誘導(dǎo)期）。在284min后達(dá)到穩(wěn)定期（細(xì)胞濃度3×109 cell/mL），試求大腸桿菌的 μ 和 td。（設(shè)在培養(yǎng)過程中 μ 保持不變）,解：開始時的細(xì)胞濃度X0=8×105/50=1.6

20、5;104 cell/mL。根據(jù)細(xì)胞增長方程,例題15.3.1,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),設(shè)培養(yǎng)過程中 μ 保持不變，則,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),,,微生物的Logistic增長曲線,,dX/dt=a(Xm-X)X,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),（二）微生物生長速率與基質(zhì)濃度的關(guān)系,S：生長限制性基質(zhì)的濃度(mg/L)μmax ：最大比生長速率(1/h)Ks：飽和系數(shù)(mg/L)。Ks與 μ＝μmax/2 時的S值相等,Mon

21、od（莫諾特）方程,,,,,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),①隨著細(xì)胞重量的增加，細(xì)胞內(nèi)所有物質(zhì)如蛋白質(zhì)、RNA、DNA、水分等以同樣的比例增加，即細(xì)胞內(nèi)各組分含量保持不變。這種生長稱為協(xié)調(diào)型生長（balanced growth）。②系統(tǒng)中各細(xì)胞具有相同的生理生化特性，或不考慮細(xì)胞間的差異，即用平均性質(zhì)和量來描述。③培養(yǎng)系統(tǒng)中只存在一種生長限制性基質(zhì)，其它成分過量存在且不影響微生物的生長。④在培養(yǎng)過程中，細(xì)胞產(chǎn)率不變，為一常數(shù)。,Mo

22、nod方程成立的假設(shè)條件,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),Monod方程與麥?zhǔn)?Michaelis-Menten)方程的區(qū)別,Michaelis-Menten方程中的Ks有明確的物理意義（與基質(zhì)和酶的親和力有關(guān)），而Monod方程中的Ks僅是一個試驗值。Michaelis-Menten方程有理論推導(dǎo)基礎(chǔ)，而Monod方程是純經(jīng)驗公式，沒有明確的理論依據(jù)。,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),,,,,富營養(yǎng)細(xì)胞（Eutroph）與貧營養(yǎng)細(xì)胞（Oli

23、gotroph）的比較,富營養(yǎng)細(xì)胞：Ks值較大，在低基質(zhì)濃度時的生長速率低。,貧營養(yǎng)細(xì)胞：Ks值較小，在低基質(zhì)濃度時的亦能快速生長。,即能使基質(zhì)消耗到很低的水平。,環(huán)境治理中哪種微生物比較理想？,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),由Monod方程可知，S>0，則 μ>0實際上，S < Smin時， μ＝0 （觀察不到微生物的生長）,維持代謝(maintenance metabolism)自呼吸/內(nèi)源呼吸(endogen

24、ous metabolism)現(xiàn)象,該現(xiàn)象由維持代謝或自呼吸/內(nèi)源呼吸引起,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),兩種生長限制性基質(zhì)共存時的生長速率方程,當(dāng)兩種基質(zhì)S1和S2均為限制性基質(zhì)時，微生物的比增長速率可表示為：,(15.3.5),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),（三）抑制性物質(zhì)共存時的生長速率方程1.基質(zhì)抑制,常見的抑制性基質(zhì)：苯酚、氨、醇類,,,,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),P： 代謝產(chǎn)物抑制系數(shù)(mg/L)KP：代謝產(chǎn)物抑制系數(shù)

25、(mg/L),2.代謝產(chǎn)物抑制,(15.3.8),該關(guān)系式也適合于其它共存物質(zhì)（非基質(zhì)),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),,,細(xì)胞質(zhì)(反應(yīng)區(qū)),培養(yǎng)液主體,,,,,粘液層(擴(kuò)散區(qū)),細(xì)胞壁/細(xì)胞膜(運(yùn)輸區(qū)),S,③ 進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)（反應(yīng)區(qū)）的基質(zhì)，在細(xì)胞內(nèi)被分解。,① 從培養(yǎng)液主體穿過粘液層，到達(dá)細(xì)胞壁表面(有時伴隨著水解反應(yīng)),② 細(xì)胞壁表層的基質(zhì)產(chǎn)物進(jìn)入細(xì)胞質(zhì),二、基質(zhì)消耗速率（一）基質(zhì)消耗反應(yīng)的微觀步驟,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),

26、（二）分散體系的基質(zhì)消耗速率1.基質(zhì)消耗速率的表達(dá)式,基質(zhì)消耗速率(volumetric substrate consumption rate),(15.3.12),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),當(dāng) μ 可以用Monod方程表達(dá)時，(15.3.14)可改寫為：,(15.3.15),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),式中νmax為最大比基質(zhì)消耗速率。,2.考慮維持代謝的基質(zhì)消耗速率表達(dá)式,基質(zhì)消耗速率= 用于微生物生長的消耗速率

27、 ＋用于維持細(xì)胞活性的消耗速率,(15.3.16),(15.3.17),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),(15.3.19),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),(15.3.18),以葡萄糖為唯一碳源，在好氧條件下（30℃，pH 7.0）用連續(xù)培養(yǎng)槽培養(yǎng)固氮菌Azotobacter Vinelandii，通過改變稀釋率，測定不同 μ 時的Yx/s的數(shù)據(jù)如下：,試求出該固氮菌的細(xì)胞真實產(chǎn)率系數(shù)Yx/s*和維持系數(shù)mx。,例題15.3

28、.2,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),解：根據(jù),對1/Yx/s~1/μ作圖得一直線。,該直線的截距為5.5，故Yx/s*=1/5.5=0.18 g-cell /g-glucose；直線的斜率為4，故mx=4 g-glucose/g-cell。,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),3.氧攝取速率,mx,O2——維持系數(shù)，kg-O2 consumed/(kg-cell?h)；-νO2——比氧消耗速率，kg-O2 consumed/(kg-cel

29、l?h)。,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),,,（三）生物膜的基質(zhì)消耗速率1．微生物膜的物料衡算與基本方程,微生物膜：附著生長在固體表面上的微生物的聚集體。,可視為固體催化劑,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),基質(zhì)S在厚度為dz，面積為dxdy的微小單元內(nèi)的物料衡算（微生物膜表面光滑、內(nèi)部均勻）,擴(kuò)散進(jìn)入量：,擴(kuò)散出的量：,反應(yīng)消耗量：,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下：擴(kuò)散進(jìn)入量＝擴(kuò)散出的量＋反應(yīng)消耗量,與(14.2.2)比較,

30、第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),2．微生物膜內(nèi)的基質(zhì)濃度分布,微生物膜內(nèi)的基質(zhì)消耗反應(yīng)為一級反應(yīng)時,,掌握膜內(nèi)各處的濃度對評價生物特性，指導(dǎo)操作有重要意義,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),球形催化劑的西勒數(shù),(15.3.39),,,修正西勒數(shù),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),－rss定義式如下：,3．以微生物膜表面積為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率,微生物膜單位體積的反應(yīng)速率難以計算，以微生物膜表面積為基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率(－rss)較易計算。,－rss＝ksS*,

31、第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),－rss與－rs的關(guān)系式:,一級反應(yīng),(15.3.42),(15.3.47),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),微生物膜面積基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率與擴(kuò)散速率的關(guān)系,(15.3.39),,(15.3.45),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),微生物膜面積基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率的最大值,(15.3.47),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),4.微生物膜的有效系數(shù),(15.3.57),(15.3.58),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),已知葡萄

32、糖在一微生物膜中的降解反應(yīng)可視為一級反應(yīng)，在20℃時的速率常數(shù)為1.2×10-2 m3/(g?h)。已知葡萄糖在微生物膜中的擴(kuò)散系數(shù)為1.06×10-6 m2/h，微生物膜的干燥密度為2.0×104 g/m3。試分別計算微生物膜厚度為10μm和100μm時的以微生物膜表面積為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率常數(shù)。,例題15.3.3,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),解：已知：Dsf=1.06×10-6 m2/h，　 x

33、f=2.0×104 g/m3， 　 k=1.2×10-2 m3/(g?h)。,所以：δ＝10μm時，,同理：δ＝100μm時，,故：,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),三、微生物生長速率與基質(zhì)消耗速率的關(guān)系,在環(huán)境工程中，常常需要根據(jù)污染物的生物降解速率預(yù)測微生物的生長量,(15.3.16),(15.3.60),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),在污水生物處理中Yx/s*：污泥真實轉(zhuǎn)化率或污泥真實

34、產(chǎn)率 b：微生物的自身氧化率(衰減系數(shù)) 污水的活性污泥法處理系統(tǒng)的b值為0.003-0.008 1/h,(15.3.61),第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),四、代謝產(chǎn)物的生成速率,代謝產(chǎn)物的生成速率（兩種生成速率之和）,根據(jù)生成途徑分類細(xì)胞生長偶聯(lián)產(chǎn)物（growth associated products）：與細(xì)胞生長有關(guān)的產(chǎn)物，生成速率正比于細(xì)胞生長速率非生長偶聯(lián)產(chǎn)物（non－growth assoc

35、iated products）：與細(xì)胞生長無關(guān)的產(chǎn)物，其生成速率正比于細(xì)胞濃度,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),(1) 什么是微生物的比生長速率？(2) Monod方程中的最大比生長速率和飽和系數(shù)各表達(dá)什么意義？(3) 與富營養(yǎng)細(xì)胞相比，貧營養(yǎng)細(xì)胞的飽和系數(shù)有何特點？(4) 影響以微生物膜表面積為基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率的主要因素（主要指與微生物膜和基質(zhì)本身特性有直接關(guān)系的主要因素，不包括溫度、pH等環(huán)境條件）有哪些？(5) 試比較固體催

36、化劑的有效系數(shù)與微生物膜的有效系數(shù)的定義有何不同？,本節(jié)思考題,第三節(jié) 微生物反應(yīng)動力學(xué),一、微生物的間歇培養(yǎng)二、微生物的半連續(xù)培養(yǎng)三、微生物的連續(xù)培養(yǎng),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,本節(jié)的主要內(nèi)容,微生物反應(yīng)器設(shè)計的關(guān)鍵：確定細(xì)胞和基質(zhì)濃度的隨時間/操作條件/反應(yīng)器體積等的變化方程。,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,一、微生物的間歇培養(yǎng),應(yīng)　　用：實驗室內(nèi)的微生物生長特性、生理生化特性、污染物的生物降解研究以及污

37、水的間歇生物處理、有機(jī)廢棄物的堆肥（固相培養(yǎng)）BOD的測定：可視為微生物的間歇培養(yǎng)過程。,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,（一）微生物的生長曲線(growth curve),最大收獲量(maximum crop),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,假設(shè)微生物的生長符合Monod方程，且細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)Yx/s為一常數(shù)，上述物料衡算式可表示為：,間歇培養(yǎng)中細(xì)胞和基質(zhì)的物料衡算式,解聯(lián)立方程即可求出X和S隨時間的變化但因間歇培養(yǎng)過程

38、中，細(xì)胞和基質(zhì)濃度均隨時間變化而變化方程式的解析非常困難，一般需要利用數(shù)值解析法。,（一）間歇操作的設(shè)計方程,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,間歇操作的簡化解析簡化方法：忽略mx項，以Yx/s代替Yx/s*，并認(rèn)為Yx/s為恒定值,,(15.4.7),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,,,,某細(xì)菌利用基質(zhì)S時的生長規(guī)律符合Monod方程，已知其最大比生長速率為0.4 1/h, ks值為0.074kg/m3，Yx/s為0.5，試求

39、出當(dāng)基質(zhì)初期濃度為10kg/m3，細(xì)菌初期濃度為0.110kg/m3時的間歇培養(yǎng)過程中S和X的時間變化曲線。,,例題15.4.1,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,解：根據(jù)已知的數(shù)據(jù)，利用(15.4.9)式和(15.4.8)式計算出不同時間的S和X，并繪于圖15.4.2.,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,半連續(xù)培養(yǎng)操作（semi－batch culture）又稱流加操作或分批補(bǔ)料操作（fed－batch culture）。操作方

40、式：開始時將基質(zhì)和接種微生物放入反應(yīng)器，在培養(yǎng)過程中，將基質(zhì)連續(xù)加入，微生物和產(chǎn)物等均不取出。特 點：細(xì)胞與基質(zhì)濃度、體積均變化,二、微生物的半連續(xù)培養(yǎng),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,半連續(xù)培養(yǎng)的應(yīng)用：研究微生物生長動力學(xué)、生理特性等。微生物的高濃度培養(yǎng)。高濃度基質(zhì)對微生物有毒害作用時，可通過流加培養(yǎng)，控制反應(yīng)器中基質(zhì)的濃度始終處于低濃度水平。反應(yīng)系統(tǒng)需要較長的反應(yīng)時間時的微生物培養(yǎng)。,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器

41、的操作與設(shè)計,,,,,,,,體積流量:qv,,S、V、X,基質(zhì)濃度:Sin菌體濃度: Xin=0,半連續(xù)培養(yǎng)的物料衡算,假設(shè)反應(yīng)器內(nèi)流體完全混合，只有一種限制性基質(zhì)，微生物均衡生長，細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)恒定,(15.4.10),(15.4.11),(15.4.13),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,半間歇操作的簡化解析簡化假設(shè)：在培養(yǎng)初期，基質(zhì)濃度大量存在,(15.4.16),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,VX,VS,V,t （h

42、）,VX，VS （kg）,V× 103 （m3）,0,1,2,3,4,5,,,,,,,,,,,,,,,0.00,0.01,0.02,0.03,,,,,,,,,,0,1,2,3,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,半連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器中微生物及基質(zhì)濃度的時間變化曲線,VX的變化特點？VS的變化特點？,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)

43、計,三、微生物的連續(xù)培養(yǎng),操作方式：將不含有菌體和產(chǎn)物的物料（培養(yǎng)液、污水等）連續(xù)加入反應(yīng)器，同時連續(xù)將含有微生物細(xì)胞和產(chǎn)物的反應(yīng)混合液取出。連續(xù)操作通常以間歇操作開始，即開始時先將培養(yǎng)液加入反應(yīng)器，將微生物接種后進(jìn)行間歇培養(yǎng)，當(dāng)限制性基質(zhì)被基本耗盡或微生物生長達(dá)到預(yù)期濃度時開始連續(xù)加入培養(yǎng)液，同時排出反應(yīng)后的培養(yǎng)液。 優(yōu)點：轉(zhuǎn)化率易于控制，反應(yīng)穩(wěn)定，勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點應(yīng)用：污水處理、在實驗室的研究中活性污泥的培養(yǎng)、污水生物處理試驗等

44、,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,① 可以對微生物施加一定的環(huán)境條件，進(jìn)行長期穩(wěn)定的培養(yǎng)。② 可以對微生物進(jìn)行篩選培養(yǎng)。（根據(jù)比增長速率）③ 連續(xù)培養(yǎng)中可以獨(dú)立改變的參數(shù)多，適用于微生物生理生化特性的研究。④ 微生物連續(xù)培養(yǎng)中最大的困難是染菌，因此連續(xù)操作適用于對純培養(yǎng)要求不高的情況。,微生物的連續(xù)培養(yǎng)操作的特點：,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,,（一）不帶循環(huán)的連續(xù)操作,假設(shè)條件：反應(yīng)器內(nèi)流體完全混合，只有一種限制性基

45、質(zhì)，微生物均衡生長，細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)恒定,1.連續(xù)培養(yǎng)反應(yīng)器的基本方程,微生物細(xì)胞的物料衡算式為：,qVX0－qVX＋rxV＝0,,,,,,,體積流量:qV,,S、V、X,基質(zhì)濃度:S0菌體濃度:X0=0,,,qV,Se=SXe=X,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,在微生物的連續(xù)培養(yǎng)中，微生物的比生長速率與稀釋率相等,μ＝D,可以通過改變稀釋率調(diào)節(jié)反應(yīng)器內(nèi)的微生物的生長速率,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,2. 反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度

46、的計算方程,當(dāng)微生物的生長符合Monod方程時,(15.4.24),(15.4.25),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,3.反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度的計算方程,限制性基質(zhì)的物料衡算式可表示為：,qVS0＝qVS＋(－rs)V (15.4.26),(15.4.34),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,4.反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件,必要條件：X 大于 0,“洗脫現(xiàn)象(wash out)” D&g

47、t;Dc時，反應(yīng)器操作從啟動初期等的間歇操作切換到連續(xù)操作時，反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度將逐漸減少,(15.4.34),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,微生物濃度、基質(zhì)濃度及微生物產(chǎn)率與稀釋率的關(guān)系,（連續(xù)培養(yǎng)器）,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,某細(xì)菌連續(xù)培養(yǎng)的生長速率 rx與基質(zhì)濃度S和細(xì)胞濃度X的關(guān)系符合Monod方程，已知 μm=0.5 1/h，Ks=2 g/L，Yx/s=0.45 g-cell/g-substrate，S0=4

48、8g/L。試計算在連續(xù)培養(yǎng)器中培養(yǎng)時的最大細(xì)胞生產(chǎn)速率和此時的基質(zhì)分解率。,例題15.4.2,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,求d(DX)/dD，并令其為0可得：,將μmax，Ks和S0代入可求得：Dmax=0.4 1/h。,由式(15.4.34) 可得：,解：細(xì)胞生產(chǎn)速率 rX=D?X,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,,所以，,由式

49、(15.4.34)可求得 Xmax＝18 g-cell/L。所以，Dmax?Xmax=0.4×18=7.2 g/(L?h),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,細(xì)菌A和B利用同一基質(zhì)S時的生長速率均符合Monod方程。A和B的生長曲線如下圖所示。,例題15.4.3,當(dāng)以S為唯一基質(zhì)用連續(xù)培養(yǎng)器對A和B進(jìn)行混合培養(yǎng)時，試討論不同稀釋率時培養(yǎng)器內(nèi)A和B的分布情況。,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,解：設(shè)μA和μB的交點為μx

50、。,① D<μx時：,μA>μB，培養(yǎng)器內(nèi)只存在A，B將被洗脫。,② D=μx時：,μA=μB=μx，培養(yǎng)器內(nèi)A、B可以共存。,③ μmB>D>μx時：,μB>μA，培養(yǎng)器內(nèi)只存在B， A將被洗脫。,④ D>μmB時：,A、B均被洗脫。,,,,,,μB,μA,μ,x,,,S,μ,μmB,μmA,μ,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,5.稀釋率對表觀細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)的影響,D 越大，Yx/s越趨近于Yx/

51、s * ；D 越小，Yx/s越小。,如何解釋？,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,（二）細(xì)胞循環(huán)連續(xù)反應(yīng)器,帶細(xì)胞循環(huán)的連續(xù)反應(yīng)器：把從反應(yīng)器排出的反應(yīng)液中的微生物濃縮，將濃縮液返回反應(yīng)器。微生物的濃縮方法有重力沉降法、離心分離法、膜分離法等。,提高反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度的措施,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,Se , Xe,,,qv,S, X,,,,,,,,S0, X0=0,,,qVe,分離器,,,,,(qV- qV e),,上清

52、液,濃縮菌體,,,,1.細(xì)胞循環(huán)反應(yīng)器的基本方程,循環(huán)比細(xì)胞濃縮系數(shù),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,以反應(yīng)器為對象的細(xì)胞物料衡算方程,在穩(wěn)態(tài)條件下，dX/dt＝0，整理可得,(15.4.42),(15.4.48),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,2.反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)和細(xì)胞濃度的計算,若微生物的生長符合Monod方程，參照不帶細(xì)胞循環(huán)的連續(xù)反應(yīng)器的解析方法，可得到反應(yīng)器內(nèi)X和S的計算式,(15.4.49),(15.4.50),(1

53、5.4.51),第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,3.微生物比增長速率的計算,,(15.4.55),①當(dāng)Xe＝0，即上清液不含微生物細(xì)胞時,②當(dāng)Xe/X=1，即分離器對細(xì)胞沒有濃縮作用時,③當(dāng)Qe =Q時，即不排出微生物細(xì)胞濃縮液時,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,(1) 微生物的間歇培養(yǎng)生長曲線可分為哪幾個階段？什么是最大收獲量？(2) 微生物的半連續(xù)培養(yǎng)的操作方式有何特點？(3) 在微生物的半連續(xù)培養(yǎng)中，反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度會

54、出現(xiàn)先增加后減少的現(xiàn)象。為什么出現(xiàn)這種現(xiàn)象？(4) 什么是稀釋率？微生物的連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)（沒有細(xì)胞循環(huán)系統(tǒng)）中，稀釋率的最大值是什么？,本節(jié)思考題,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計,(5) 在微生物的連續(xù)培養(yǎng)系統(tǒng)中，能否控制微生物的比生長速率？如何實現(xiàn)？(6) 什么是微生物連續(xù)培養(yǎng)中的“洗脫現(xiàn)象”？為什么會出現(xiàn)這種現(xiàn)象？(7) 細(xì)胞循環(huán)反應(yīng)器可以在大于微生物比生長速率的條件下穩(wěn)定運(yùn)行，為什么？,本節(jié)思考題,第四節(jié) 微生物反應(yīng)器的