環(huán)境工程原理微生物反應(yīng)器

關(guān)于環(huán)境工程原理微生物反應(yīng)器第1頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、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)容第2頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、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)第3頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五二、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、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4頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五第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)的類型類似于化學(xué)反應(yīng)中的自催化反應(yīng)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5頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五第1章緒論基質(zhì)分解所產(chǎn)生的能量及其消耗途徑維持能（不用于細(xì)胞合成以及第二和第三類產(chǎn)物的生成）①合成反應(yīng)②維持細(xì)胞的活性③保持細(xì)胞內(nèi)外的濃度梯度④用于細(xì)胞內(nèi)各類轉(zhuǎn)化反應(yīng)ATP⑤熱能（釋放到環(huán)境）第一節(jié)微生物與微生物反應(yīng)第6頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五第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7頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五第1章緒論（三）微生物反應(yīng)在環(huán)境領(lǐng)域中的應(yīng)用污染水體、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)第8頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五(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)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)第9頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、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)容第10頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、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

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－drycell/L)。表15.2.1表15.2.2第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第11頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五好氧微生物反應(yīng)：CHmOn＋aNH3＋bO2=Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O(15.2.2)

a=zYx/c+wYp/c b=(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)的綜合計量式產(chǎn)物產(chǎn)率系數(shù)(productyield)。細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)(cellyield)第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第12頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五計量學(xué)限制性物質(zhì)：

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)系第13頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五反應(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-drycellformed/g-substrateconsumed） 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)率系數(shù)Yx/s(15.2.6)Yx/s值的大?。嚎赡苄∮?，也可能大于1第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第14頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五表15.2.3細(xì)菌的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)微生物基質(zhì)Y

x/s［g?g-1］Saccharomycescereviside葡萄糖（好氧）0.53Saccharomycescereviside葡萄糖（厭氧）0.14Aerobacteraerogenes葡萄糖（好氧）0.40Aerobacteraerogenes乳酸0.18Aerobacteraerogenes丙酮酸0.20EscherichiaColiNH4+3.5CandidautilisNH4+10~22第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第15頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五間歇培養(yǎng)過程中的細(xì)胞產(chǎn)率總細(xì)胞數(shù)培養(yǎng)時間細(xì)胞個數(shù)總產(chǎn)率系數(shù)(overallcellyield)微分產(chǎn)率系數(shù)(differentalcellyield)第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第16頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（二）以碳元素為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)Yx/c值的大?。褐荒苄∮?，一般在0.5－0.7之間。第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第17頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五好氧微生物反應(yīng)：CHmOn＋aNH3＋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)系第18頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五

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CH2O，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)系第19頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五根據(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×0.273+(1-Yx/c)×2+cN的物料衡算：a=Yx/c×0.195H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)系第20頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五每消耗1mol的基質(zhì)實際產(chǎn)生的ATP量（四）以ATP為基準(zhǔn)的細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)以基質(zhì)分解反應(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)YATP/s：1mol的基質(zhì)全部用于產(chǎn)能時產(chǎn)生的ATP量Ye：消耗基質(zhì)中用于產(chǎn)能的比率YE＝1－Yx/c第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第21頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五(15.2.15)(15.2.16)(15.2.17)Yx/ATP＝8~11，平均10利用該式可以從理論上計算細(xì)胞產(chǎn)率系數(shù)第二節(jié)微生物反應(yīng)的計量關(guān)系第22頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五解：1mol葡萄糖生成的菌體量Δ

X為：

Δ

X=1.0?Yx/s=1.0×180=180g-cell1mol葡萄糖糖酵解產(chǎn)生的ATP量：2mol某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=180g-cell/mol-glucose，Yx/o=30.4g-cell/mol-O2，若基質(zhì)水平磷酸化的ATP生成量為2mol(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)系第23頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五1mol葡萄糖分解所產(chǎn)生的總ATP量：2＋11.8=13.8molATP1mol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)系第24頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（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(availableelectron)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)系第25頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五解：葡萄糖的分子量Ms=12×6+1×12+16×6=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=0.404g-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)系第26頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五三、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)系第27頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五(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)系第28頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、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)容第29頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、微生物生長速率（一）微生物的生長速率的定義(15.3.1)X：活細(xì)胞濃度(mg/L)μ：比生長速率(specificgrowthrate，1/h)Td：倍增時間(doublingtime)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第30頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五用50mL的培養(yǎng)液培養(yǎng)大腸桿菌，大腸桿菌的初期總量為8×105cell，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3×109cell/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=1.6×104cell/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)第31頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五設(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)第32頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五微生物的Logistic增長曲線時間tXdX/dt=a(Xm-X)XXm第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第33頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（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Monod（莫諾特）方程第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第34頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五①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（balancedgrowth）。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)。

Monod方程成立的假設(shè)條件第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第35頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五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)第36頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五12富營養(yǎng)細(xì)胞（Eutroph）與貧營養(yǎng)細(xì)胞（Oligotroph）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)第37頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五由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）b：自我衰減系數(shù)(1/h)考慮維持代謝時的微生物生長速率方程：維持代謝(maintenancemetabolism)自呼吸/內(nèi)源呼吸(endogenousmetabolism)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)第38頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五兩種生長限制性基質(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)第39頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（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(15.3.7)HaldaneEquation第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第40頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五P：代謝產(chǎn)物抑制系數(shù)(mg/L)KP：代謝產(chǎn)物抑制系數(shù)(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)第41頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五細(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))SS’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)第42頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（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(volumetricsubstrateconsumptionrate)(15.3.12)細(xì)胞(表觀)產(chǎn)率系數(shù)比基質(zhì)消耗速率

(specificsubstrateconsumptionrate，－νs)(15.3.14)定義式第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第43頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五當(dāng)μ

可以用Monod方程表達(dá)時，(15.3.14)可改寫為：(15.3.15)最大比基質(zhì)消耗速率第三節(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。

第44頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五2.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＋用于維持細(xì)胞活性的消耗速率(15.3.16)細(xì)胞真實產(chǎn)率系數(shù)(15.3.17)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第45頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五(15.3.17)(15.3.14)(15.3.19)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)(15.3.18)第46頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五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AzotobacterVinelandii，通過改變稀釋率，測定不同μ時的Yx/s的數(shù)據(jù)如下：μ(1/h)0.3030.2700.2500.1670.1370.11Yx/s(g-cell/g-glucose)0.0530.0490.0470.0340.0290.0241/μ1/Yx/s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15.3.2第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第47頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五解：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=0.18g-cell/g-glucose；直線的斜率為4，故mx=4g-glucose/g-cell。第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第48頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五3.氧攝取速率mx,O2——維持系數(shù)，kg-O2consumed/(kg-cellh)；-νO2——比氧消耗速率，kg-O2consumed/(kg-cellh)。

第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第49頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（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。可視為固體催化劑固體微生物膜液相第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第50頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五固體微生物膜液相基質(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：基質(zhì)在微生物膜內(nèi)的有效擴(kuò)散系數(shù)以微生物膜體積為基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第51頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下：擴(kuò)散進(jìn)入量＝擴(kuò)散出的量＋反應(yīng)消耗量微生物膜的基本方程(15.3.27)與(14.2.2)比較第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第52頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五2．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)時微生物膜的密度，即膜內(nèi)的微生物濃度。固體微生物膜液相(15.3.29)邊界條件：z＝0，S＝S*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)第53頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五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)第54頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五－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*S*：可近似認(rèn)為等于液相主體濃度Sb以微生物膜表面積為基準(zhǔn)的反應(yīng)速率常數(shù)，m/h第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第55頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五－rss與－rs的關(guān)系式:一級反應(yīng)－rss值與膜厚度有正相關(guān)關(guān)系(15.3.42)(15.3.47)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第56頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五微生物膜面積基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率與擴(kuò)散速率的關(guān)系固體微生物膜(15.3.39)

(15.3.45)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第57頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五微生物膜面積基準(zhǔn)的基質(zhì)消耗速率的最大值(15.3.47)固體微生物膜求解微生物膜基本方程(15.3.27)得(15.3.55)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第58頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五4.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)第59頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五已知葡萄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1.2×10-2m3/(g?h)。已知葡萄糖在微生物膜中的擴(kuò)散系數(shù)為1.06×10-6m2/h，微生物膜的干燥密度為2.0×104g/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)第60頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五解：已知：Dsf=1.06×10-6m2/h，xf=2.0×104g/m3，

k=1.2×10-2m3/(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)第61頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五三、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)(15.3.59)常數(shù)b第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第62頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五在污水生物處理中Yx/s*：污泥真實轉(zhuǎn)化率或污泥真實產(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0.003-0.0081/h(15.3.61)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第63頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五四、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（growthassociatedproducts）：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－growthassociatedproducts）：與細(xì)胞生長無關(guān)的產(chǎn)物，其生成速率正比于細(xì)胞濃度式中rp為產(chǎn)物的生成速率，α和β為常數(shù)。rp＝αrx+βX

(15.3.62)第三節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第64頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五(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)第65頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、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)容第66頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五微生物反應(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。利用的基本關(guān)系式細(xì)胞生長速率方程，基質(zhì)消耗速率方程，細(xì)胞物料衡算式，基質(zhì)的物料衡算式。第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第67頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五一、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)計第68頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（一）微生物的生長曲線(growthcurve)培養(yǎng)時間tlgX(i)(ii)(iii)(iv)(v)(vi)(i)延滯期(ii)加速期(iii)對數(shù)生長期(iv)減速期(v)穩(wěn)定期(vi)死亡期最大收獲量(maximumcrop)第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第69頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五假設(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(15.4.1)(15.4.2)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)計第70頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五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)(15.4.9)X′＝X0+S0Yx/s

第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第71頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五

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0.41/h,ks值為0.074kg/m3，Yx/s為0.5，試求出當(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)計第72頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五解：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.

t(h)S0=10SX0=0.1XX，

S（kg?m-3）024680246810

第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第73頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五半連續(xù)培養(yǎng)操作（semi－batchculture）又稱流加操作或分批補(bǔ)料操作（fed－batchculture）。操作方式：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)計第74頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五半連續(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)器的操作與設(shè)計第75頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五體積流量:qvS、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)計第76頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五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)（成立條件：培養(yǎng)初期）培養(yǎng)后期要有用(15.4.13)式計算(15.4.15)呈指數(shù)形式增長VS=0第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第77頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五VXVSVt

（h）VX，VS

（kg）V×

103

（m3）0123450.000.010.020.030123

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)計第78頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五三、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第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第79頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五①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)計第80頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五（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:qVS、V、X基質(zhì)濃度:S0菌體濃度:X0=0qVSe=SXe=X第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第81頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五在微生物的連續(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)計第82頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五2.反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度的計算方程當(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)計第83頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五3.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)－rs＝－νsX

D=

μ

＝－νsYx/s

第四節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計第84頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五4.反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件必要條件：X大于0Dc稱臨界稀釋速率(criticaldilutionrate)“洗脫現(xiàn)象(washout)”

D>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)計第85頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五X,S(kg?m-3)rx(kg?m-3?s-1)稀釋速率D(h-1)rXSDcX00.20.40.60.81.00246810012345

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)計第86頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五某細(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=0.51/h，Ks=2g/L，Yx/s=0.45g-cell/g-substrate，S0=48g/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)計第87頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五求d(DX)/dD，并令其為0可得：將μmax，Ks和S0代入可求得：Dmax=0.41/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)計第88頁，共99頁，2023年，2月20日，星期五

所以，由式(15.4.3