微生物反應(yīng)動力學(xué)與微生物反應(yīng)器解析

微生物反應(yīng)動力學(xué)與微生物反應(yīng)器解析第1頁/共43頁第八章微生物反應(yīng)動力學(xué)與反應(yīng)器解析

第2頁/共43頁一、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(shí)間(doublingtime)第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第3頁/共43頁微生物的Logistic增長曲線時(shí)間tXdX/dt=a(Xm-X)XXm第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第4頁/共43頁（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(shí)的S值相等Monod（莫諾特）方程第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第5頁/共43頁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(gè)試驗(yàn)值。Michaelis-Menten方程有理論推導(dǎo)基礎(chǔ)，而Monod方程是純經(jīng)驗(yàn)公式，沒有明確的理論依據(jù)。第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第6頁/共43頁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(shí)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(shí)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？第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第7頁/共43頁由Monod方程可知，S>0，則μ>0實(shí)際上,S>Smin時(shí)，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(shí)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)源呼吸引起第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第8頁/共43頁兩種生長限制性基質(zhì)共存時(shí)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(shí)，微生物的比增長速率可表示為：(15.3.5)第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第9頁/共43頁（三）抑制性物質(zhì)共存時(shí)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第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第10頁/共43頁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))第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第11頁/共43頁（一）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)定義式第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第12頁/共43頁當(dāng)μ可以用Monod方程表達(dá)時(shí)，(15.3.14)可改寫為：式中νmax為最大比基質(zhì)消耗速率。

(15.3.15)最大比基質(zhì)消耗速率第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第13頁/共43頁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(shí)產(chǎn)率系數(shù)(15.3.17)第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第14頁/共43頁(15.3.17)(15.3.14)(15.3.19)x第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第15頁/共43頁（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?？梢暈楣腆w催化劑固體微生物膜液相第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第16頁/共43頁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)消耗速率第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第17頁/共43頁在穩(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第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第18頁/共43頁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(shí)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(jià)生物特性，指導(dǎo)操作有重要意義第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第19頁/共43頁球形催化劑的西勒數(shù)(15.3.39)

修正西勒數(shù)第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第20頁/共43頁三、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第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第21頁/共43頁在污水生物處理中Yx/s*：污泥真實(shí)轉(zhuǎn)化率或污泥真實(shí)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)第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第22頁/共43頁四、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)第一節(jié)微生物反應(yīng)動力學(xué)第23頁/共43頁一、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)第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)本節(jié)的主要內(nèi)容第24頁/共43頁微生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵：確定細(xì)胞和基質(zhì)濃度的隨時(shí)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。第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第25頁/共43頁假設(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(shí)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(shí)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(jì)方程第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第26頁/共43頁間歇操作的簡化解析簡化方法：忽略mx項(xiàng)，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

第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第27頁/共43頁半連續(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(shí)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(diǎn)：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)第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第28頁/共43頁體積流量: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)第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第29頁/共43頁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(jì)算(15.4.15)呈指數(shù)形式增長VS=0第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第30頁/共43頁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(shí)間變化曲線VX的變化特點(diǎn)？VS的變化特點(diǎn)？第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第31頁/共43頁三、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(shí)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(shí)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(shí)開始連續(xù)加入培養(yǎng)液，同時(shí)排出反應(yīng)后的培養(yǎng)液。

優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)化率易于控制，反應(yīng)穩(wěn)定，勞動強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用：污水處理、在實(shí)驗(yàn)室的研究中活性污泥的培養(yǎng)、污水生物處理試驗(yàn)等第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第32頁/共43頁（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第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第33頁/共43頁在微生物的連續(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二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第34頁/共43頁2.反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)濃度的計(jì)算方程當(dāng)微生物的生長符合Monod方程時(shí)(15.4.24)(15.4.25)第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第35頁/共43頁3.反應(yīng)器內(nèi)細(xì)胞濃度的計(jì)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

第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第36頁/共43頁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(shí)，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(shí)，反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度將逐漸減少(15.4.34)第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第37頁/共43頁X,S(kg?m-3)rx(kg?m-3?s-1)稀釋速率D(h-1)rXSDwX00.20.40.60.81.00246810012345

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）第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第38頁/共43頁（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)胞濃度的措施防治“洗脫”：細(xì)胞固定化返回被洗脫的細(xì)胞：細(xì)胞循環(huán)第二節(jié)微生物反應(yīng)器的操作與設(shè)計(jì)第39頁/共43頁Se,XeqvS,XS0,X0=0qVe分離器(qV-qV

e)S、V、X上清液濃縮菌體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)第二節(jié)微生物反應(yīng)器