第15章--环境工程原理微生物反应器.ppt

第一节微生物与微生物反应微生物反应的特点及其在环境中的应用第二节微生物反应的计量关系基质消耗 细胞生长 代谢产物之间的定量关系第三节微生物反应动力学基质消耗过程及细胞生长速率的定量式 影响因素 第四节微生物反应器的操作与设计微生物反应器的基本设计方法与操作方式 第十五章微生物反应器 本章主要内容 一 微生物及其特性二 微生物反应及其在污染防治中的利用 第一节微生物与微生物反应 本节的主要内容 一 微生物及其特性 一 微生物的分类 二 微生物的特性1 菌体成分 水分含量 元素组成 2 细菌细胞的物理性质 大小与大小分布 密度 3 微生物培养液的性质 第一节微生物与微生物反应 二 微生物反应及其在污染防治中的利用 一 微生物反应的特点 复杂反应体系 基质 营养物 活细胞 非活性细胞 分泌产物等 参与微生物反应的主要组分 微生物反应的总反应式 概括式 碳源 氮源 其它营养物质 氧 细胞 代谢产物 CO2 H2O 第一节微生物与微生物反应 第1章绪论 基质利用 细胞生长 细胞死亡 溶化 产物生成 微生物反应的类型 第一类产物 基质水平磷酸化产生的产物 如乙醇 乳酸 柠檬酸 第二类产物 由合成代谢生成的较复杂的物质 如胞外酶 多糖 抗生素 激素 维生素 生物碱等 第三类产物 一般指在碳源过量 氮源等受到限制的条件下产生的一类物质 蓄能化合物 如多糖 储存于细胞内的糖原 脂肪等 第一节微生物与微生物反应 第1章绪论 基质分解所产生的能量及其消耗途径 热能 释放到环境 第一节微生物与微生物反应 第1章绪论 二 微生物反应的影响因素 微生物的种类基质的种类和浓度 注意抑制作用 环境条件共存物质 注意刺激效应 抑制作用 第一节微生物与微生物反应 第1章绪论 三 微生物反应在环境领域中的应用 污染水体 土壤的修复城市污水及工业废水的生物处理有机废气 挥发性有机物 VOC 及还原性无机气体的生物处理有机废弃物的堆肥处理 工业微生物反应与环境微生物反应器的不同目的 微生物种类 规模 污染物的生物分解与转化 第一节微生物与微生物反应 1 为什么说微生物反应类似于化学反应中的自催化反应 2 微生物反应一般可分为哪几类反应 3 微生物反应中的基质有哪些作用 4 微生物反应的产物有哪几类 5 有机物的微生物分解反应中产生的能量有哪些用途 本节思考题 第一节微生物与微生物反应 一 微生物反应综合方程二 细胞产率系数三 代谢产物的产率系数 第二节微生物反应的计量关系 本节的主要内容 一 微生物反应综合方程 一 微生物浓度的表达方式 活性污泥 C5H7O2NC60H87O23N12PC118H170O51N17PC7H10O3N大肠杆菌 C4 2H8O1 3N 在一定条件下 同一类微生物的细胞元素组成可以视为相对稳定 二 微生物细胞的组成式 一般用重量浓度表示 单位体积培养液中所含细胞的干燥重量来表示 g drycell L 表15 2 1 表15 2 2 第二节微生物反应的计量关系 好氧微生物反应 CHmOn aNH3 bO2 Yx cCHxOyNz Yp cCHuOvNw 1 Yx c Yp 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 YxX YpP 15 2 1 三 微生物反应的综合计量式 第二节微生物反应的计量关系 计量学限制性物质 细胞生长过程中首先完全消耗掉的物质 生长速率限制性基质 在一定的环境条件下 向反应系统中加入某一基质 能使微生物生长速率增加 则该基质被称生长速率限制性基质 富营养化湖泊的营养限制因子 第二节微生物反应的计量关系 反应系统中细胞的生长量 细胞干燥重量 与反应消耗掉的基质的重量之比 单位 g drycellformed g substrateconsumed 二 细胞产率系数 一 以基质重量为基准的细胞产率系数Yx s 15 2 6 Yx s值的大小 可能小于1 也可能大于1 第二节微生物反应的计量关系 表15 2 3细菌的细胞产率系数 第二节微生物反应的计量关系 间歇培养过程中的细胞产率 总产率系数 overallcellyield 第二节微生物反应的计量关系 二 以碳元素为基准的细胞产率系数 Yx c值的大小 只能小于1 一般在0 5 0 7之间 第二节微生物反应的计量关系 好氧微生物反应 CHmOn aNH3 bO2 Yx cCHxOyNz Yp cCHuOvNw 1 Yx c Yp c CO2 cH2O 三 以氧消耗量为基准的细胞产率系数 第二节微生物反应的计量关系 以葡萄糖 C6H12O6 为碳源 NH3为氮源 在好氧条件下培养某细菌 得到的细胞的元素组成为CH16 6O0 273N0 195 设该细菌的Yx c 0 65 反应产物只有CO2和水 试计算Yx s和Yx o 解 将葡萄糖的元素组成式写为CH2O 且根据题意Yp c 0 则微生物反应的计量方程如下 根据基质和细胞的元素组成可得 12 12 1 2 16 1 0 4 12 12 1 66 1 0 273 16 0 195 14 0 578 例题15 2 1 第二节微生物反应的计量关系 根据Yx s与Yx c的关系 由计量方程 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解上述联立方程得 a 0 127 b 0 264 c 0 651Yx o Yx c 12 x 16y 14z 32b 1 60kg kg 1 第二节微生物反应的计量关系 四 以ATP为基准的细胞产率系数 以基质分解反应生成的ATP量为基准表示细胞的产率Yx ATP 单位 g cell mol ATP 定义为 15 2 13 第二节微生物反应的计量关系 15 2 15 15 2 16 15 2 17 第二节微生物反应的计量关系 解 1mol葡萄糖生成的菌体量 X为 X 1 0 Yx s 1 0 180 180g cell1mol葡萄糖糖酵解产生的ATP量 2mol 某假单胞菌在好氧条件下 以葡萄糖为基质时的细胞产率系数为 Yx s 180g cell mol glucose Yx o 30 4g cell mol O2 若基质水平磷酸化的ATP生成量为2mol ATP mol glucose 呼吸链反应的ATP生成量YATP O 1摩尔氧原子生成的ATP的摩尔数 为1 试求出Yx ATP 例题15 2 2 第二节微生物反应的计量关系 1mol葡萄糖分解所产生的总ATP量 2 11 8 13 8molATP 1mol葡萄糖经呼吸链产生的ATP量 第二节微生物反应的计量关系 五 以有效电子数为基准的细胞产率系数 以有效电子 availableelectron 为基准的细胞产率系数Yx av e 单位 g cell mol av e 15 2 20 nO2 每摩尔的基质完全燃烧时需要的氧的摩尔数 第二节微生物反应的计量关系 解 葡萄糖的分子量Ms 12 6 1 12 16 6 180葡萄糖完全燃烧时的需要量 nO2 6mol O2 mol glucose 故 已知某细菌在以葡萄糖为基质时的Yx s 0 404g cell g glucose 试求Yx av e 例题15 2 3 第二节微生物反应的计量关系 三 代谢产物的产率系数 代谢产物的产率系数 Yp s 定义为 以碳元素为基准的代谢产物的产率系数Yp c 15 2 22 15 2 21 第二节微生物反应的计量关系 1 什么是计量学限制性基质 2 什么是生长速率限制性基质 3 细胞产率系数有哪些用途 4 细胞产率系数有哪几种 它们取值范围各是什么 5 什么是有效电子 如何计算 6 什么是代谢产物的产率系数 本节思考题 第二节微生物反应的计量关系 一 微生物生长速率二 基质消耗速率三 微生物生长速率与基质消耗速率的关系四 代谢产物的生成速率 第三节微生物反应动力学 本节的主要内容 一 微生物生长速率 一 微生物的生长速率的定义 Td 倍增时间 doublingtime 第三节微生物反应动力学 用50mL的培养液培养大肠杆菌 大肠杆菌的初期总量为8 105cell 培养开始后即进入对数生长期 无诱导期 在284min后达到稳定期 细胞浓度3 109cell mL 试求大肠杆菌的 和td 设在培养过程中 保持不变 解 开始时的细胞浓度X0 8 105 50 1 6 104cell mL 根据细胞增长方程 例题15 3 1 第三节微生物反应动力学 设培养过程中 保持不变 则 第三节微生物反应动力学 微生物的Logistic增长曲线 dX dt a Xm X X 第三节微生物反应动力学 二 微生物生长速率与基质浓度的关系 S 生长限制性基质的浓度 mg L max 最大比生长速率 1 h Ks 饱和系数 mg L Ks与 max 2时的S值相等 Monod 莫诺特 方程 第三节微生物反应动力学 随着细胞重量的增加 细胞内所有物质如蛋白质 RNA DNA 水分等以同样的比例增加 即细胞内各组分含量保持不变 这种生长称为协调型生长 balancedgrowth 系统中各细胞具有相同的生理生化特性 或不考虑细胞间的差异 即用平均性质和量来描述 培养系统中只存在一种生长限制性基质 其它成分过量存在且不影响微生物的生长 在培养过程中 细胞产率不变 为一常数 Monod方程成立的假设条件 第三节微生物反应动力学 Monod方程与麦氏 Michaelis Menten 方程的区别 Michaelis Menten方程中的Ks有明确的物理意义 与基质和酶的亲和力有关 而Monod方程中的Ks仅是一个试验值 Michaelis Menten方程有理论推导基础 而Monod方程是纯经验公式 没有明确的理论依据 第三节微生物反应动力学 富营养细胞 Eutroph 与贫营养细胞 Oligotroph 的比较 富营养细胞 Ks值较大 在低基质浓度时的生长速率低 贫营养细胞 Ks值较小 在低基质浓度时的亦能快速生长 即能使基质消耗到很低的水平 环境治理中哪种微生物比较理想 第三节微生物反应动力学 由Monod方程可知 S 0 则 0实际上 S Smin时 0 观察不到微生物的生长 维持代谢 maintenancemetabolism 自呼吸 内源呼吸 endogenousmetabolism 现象 该现象由维持代谢或自呼吸 内源呼吸引起 第三节微生物反应动力学 两种生长限制性基质共存时的生长速率方程 当两种基质S1和S2均为限制性基质时 微生物的比增长速率可表示为 15 3 5 第三节微生物反应动力学 三 抑制性物质共存时的生长速率方程1 基质抑制 常见的抑制性基质 苯酚 氨 醇类 第三节微生物反应动力学 P 代谢产物抑制系数 mg L KP 代谢产物抑制系数 mg L 2 代谢产物抑制 15 3 8 该关系式也适合于其它共存物质 非基质 第三节微生物反应动力学 细胞质 反应区 培养液主体 粘液层 扩散区 细胞壁 细胞膜 运输区 S 进入细胞质 反应区 的基质 在细胞内被分解 从培养液主体穿过粘液层 到达细胞壁表面 有时伴随着水解反应 细胞壁表层的基质产物进入细胞质 二 基质消耗速率 一 基质消耗反应的微观步骤 第三节微生物反应动力学 二 分散体系的基质消耗速率1 基质消耗速率的表达式 基质消耗速率 volumetricsubstrateconsumptionrate 15 3 12 第三节微生物反应动力学 当 可以用Monod方程表达时 15 3 14 可改写为 15 3 15 第三节微生物反应动力学 式中 max为最大比基质消耗速率 2 考虑维持代谢的基质消耗速率表达式 基质消耗速率 用于微生物生长的消耗速率 用于维持细胞活性的消耗速率 15 3 16 15 3 17 第三节微生物反应动力学 15 3 19 第三节微生物反应动力学 15 3 18 以葡萄糖为唯一碳源 在好氧条件下 30 pH7 0 用连续培养槽培养固氮菌AzotobacterVinelandii 通过改变稀释率 测定不同 时的Yx s的数据如下 试求出该固氮菌的细胞真实产率系数Yx s 和维持系数mx 例题15 3 2 第三节微生物反应动力学 解 根据 对1 Yx s 1 作图得一直线 该直线的截距为5 5 故Yx s 1 5 5 0 18g cell g glucose 直线的斜率为4 故mx 4g glucose g cell 第三节微生物反应动力学 3 氧摄取速率 mx O2 维持系数 kg O2consumed kg cell h O2 比氧消耗速率 kg O2consumed kg cell h 第三节微生物反应动力学 三 生物膜的基质消耗速率1 微生物膜的物料衡算与基本方程 微生物膜 附着生长在固体表面上的微生物的聚集体 可视为固体催化剂 第三节微生物反应动力学 基质S在厚度为dz 面积为dxdy的微小单元内的物料衡算 微生物膜表面光滑 内部均匀 扩散进入量 扩散出的量 反应消耗量 第三节微生物反应动力学 在稳态状态下 扩散进入量 扩散出的量 反应消耗量 与 14 2 2 比较 第三节微生物反应动力学 2 微生物膜内的基质浓度分布 微生物膜内的基质消耗反应为一级反应时 掌握膜内各处的浓度对评价生物特性 指导操作有重要意义 第三节微生物反应动力学 球形催化剂的西勒数 15 3 39 修正西勒数 第三节微生物反应动力学 rss定义式如下 3 以微生物膜表面积为基准的反应速率 微生物膜单位体积的反应速率难以计算 以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率 rss 较易计算 rss ksS 第三节微生物反应动力学 rss与 rs的关系式 一级反应 15 3 42 15 3 47 第三节微生物反应动力学 微生物膜面积基准的基质消耗速率与扩散速率的关系 15 3 39 15 3 45 第三节微生物反应动力学 微生物膜面积基准的基质消耗速率的最大值 15 3 47 第三节微生物反应动力学 4 微生物膜的有效系数 15 3 57 15 3 58 第三节微生物反应动力学 已知葡萄糖在一微生物膜中的降解反应可视为一级反应 在20 时的速率常数为1 2 10 2m3 g h 已知葡萄糖在微生物膜中的扩散系数为1 06 10 6m2 h 微生物膜的干燥密度为2 0 104g m3 试分别计算微生物膜厚度为10 m和100 m时的以微生物膜表面积为基准的反应速率常数 例题15 3 3 第三节微生物反应动力学 解 已知 Dsf 1 06 10 6m2 h xf 2 0 104g m3 k 1 2 10 2m3 g h 所以 10 m时 同理 100 m时 故 第三节微生物反应动力学 三 微生物生长速率与基质消耗速率的关系 在环境工程中 常常需要根据污染物的生物降解速率预测微生物的生长量 15 3 16 15 3 60 第三节微生物反应动力学 在污水生物处理中Yx s 污泥真实转化率或污泥真实产率b 微生物的自身氧化率 衰减系数 污水的活性污泥法处理系统的b值为0 003 0 0081 h 15 3 61 第三节微生物反应动力学 四 代谢产物的生成速率 代谢产物的生成速率 两种生成速率之和 根据生成途径分类细胞生长偶联产物 growthassociatedproducts 与细胞生长有关的产物 生成速率正比于细胞生长速率非生长偶联产物 non growthassociatedproducts 与细胞生长无关的产物 其生成速率正比于细胞浓度 第三节微生物反应动力学 1 什么是微生物的比生长速率 2 Monod方程中的最大比生长速率和饱和系数各表达什么意义 3 与富营养细胞相比 贫营养细胞的饱和系数有何特点 4 影响以微生物膜表面积为基准的基质消耗速率的主要因素 主要指与微生物膜和基质本身特性有直接关系的主要因素 不包括温度 pH等环境条件 有哪些 5 试比较固体催化剂的有效系数与微生物膜的有效系数的定义有何不同 本节思考题 第三节微生物反应动力学 一 微生物的间歇培养二 微生物的半连续培养三 微生物的连续培养 第四节微生物反应器的操作与设计 本节的主要内容 微生物反应器设计的关键 确定细胞和基质浓度的随时间 操作条件 反应器体积等的变化方程 第四节微生物反应器的操作与设计 一 微生物的间歇培养 应用 实验室内的微生物生长特性 生理生化特性 污染物的生物降解研究以及污水的间歇生物处理 有机废弃物的堆肥 固相培养 BOD的测定 可视为微生物的间歇培养过程 第四节微生物反应器的操作与设计 一 微生物的生长曲线 growthcurve 最大收获量 maximumcrop 第四节微生物反应器的操作与设计 假设微生物的生长符合Monod方程 且细胞产率系数Yx s为一常数 上述物料衡算式可表示为 间歇培养中细胞和基质的物料衡算式 解联立方程即可求出X和S随时间的变化但因间歇培养过程中 细胞和基质浓度均随时间变化而变化方程式的解析非常困难 一般需要利用数值解析法 一 间歇操作的设计方程 第四节微生物反应器的操作与设计 间歇操作的简化解析简化方法 忽略mx项 以Yx s代替Yx s 并认为Yx s为恒定值 15 4 7 第四节微生物反应器的操作与设计 某细菌利用基质S时的生长规律符合Monod方程 已知其最大比生长速率为0 41 h ks值为0 074kg m3 Yx s为0 5 试求出当基质初期浓度为10kg m3 细菌初期浓度为0 110kg m3时的间歇培养过程中S和X的时间变化曲线 例题15 4 1 第四节微生物反应器的操作与设计 解 根据已知的数据 利用 15 4 9 式和 15 4 8 式计算出不同时间的S和X 并绘于图15 4 2 第四节微生物反应器的操作与设计 半连续培养操作 semi batchculture 又称流加操作或分批补料操作 fed batchculture 操作方式 开始时将基质和接种微生物放入反应器 在培养过程中 将基质连续加入 微生物和产物等均不取出 特点 细胞与基质浓度 体积均变化 二 微生物的半连续培养 第四节微生物反应器的操作与设计 半连续培养的应用 研究微生物生长动力学 生理特性等 微生物的高浓度培养 高浓度基质对微生物有毒害作用时 可通过流加培养 控制反应器中基质的浓度始终处于低浓度水平 反应系统需要较长的反应时间时的微生物培养 第四节微生物反应器的操作与设计 体积流量 qv S V X 基质浓度 Sin菌体浓度 Xin 0 半连续培养的物料衡算 假设反应器内流体完全混合 只有一种限制性基质 微生物均衡生长 细胞产率系数恒定 15 4 10 15 4 11 15 4 13 第四节微生物反应器的操作与设计 半间歇操作的简化解析简化假设 在培养初期 基质浓度大量存在 15 4 16 第四节微生物反应器的操作与设计 VX VS V t h VX VS kg V 103 m3 0 1 2 3 4 5 0 00 0 01 0 02 0 03 0 1 2 3 半连续培养反应器中微生物及基质浓度的时间变化曲线 VX的变化特点 VS的变化特点 第四节微生物反应器的操作与设计 三 微生物的连续培养 操作方式 将不含有菌体和产物的物料 培养液 污水等 连续加入反应器 同时连续将含有微生物细胞和产物的反应混合液取出 连续操作通常以间歇操作开始 即开始时先将培养液加入反应器 将微生物接种后进行间歇培养 当限制性基质被基本耗尽或微生物生长达到预期浓度时开始连续加入培养液 同时排出反应后的培养液 优点 转化率易于控制 反应稳定 劳动强度低等优点应用 污水处理 在实验室的研究中活性污泥的培养 污水生物处理试验等 第四节微生物反应器的操作与设计 可以对微生物施加一定的环境条件 进行长期稳定的培养 可以对微生物进行筛选培养 根据比增长速率 连续培养中可以独立改变的参数多 适用于微生物生理生化特性的研究 微生物连续培养中最大的困难是染菌 因此连续操作适用于对纯培养要求不高的情况 微生物的连续培养操作的特点 第四节微生物反应器的操作与设计 一 不带循环的连续操作 假设条件 反应器内流体完全混合 只有一种限制性基质 微生物均衡生长 细胞产率系数恒定 1 连续培养反应器的基本方程 微生物细胞的物料衡算式为 qVX0 qVX rxV 0 体积流量 qV S V X 基质浓度 S0菌体浓度 X0 0 qV Se SXe X 第四节微生物反应器的操作与设计 在微生物的连续培养中 微生物的比生长速率与稀释率相等 D 可以通过改变稀释率调节反应器内的微生物的生长速率 第四节微生物反应器的操作与设计 2 反应器内基质浓度的计算方程 当微生物的生长符合Monod方程时 15 4 24 15 4 25 第四节微生物反应器的操作与设计 3 反应器内细胞浓度的计算方程 限制性基质的物料衡算式可表示为 qVS0 qVS rs V 15 4 26 15 4 34 第四节微生物反应器的操作与设计 4 反应器稳定运行的必要条件 必要条件 X大于0 洗脱现象 washout D Dc时 反应器操作从启动初期等的间歇操作切换到连续操作时 反应器内微生物浓度将逐渐减少 15 4 34 第四节微生物反应器的操作与设计 微生物浓度 基质浓度及微生物产率与稀释率的关系 连续培养器 第四节微生物反应器的操作与设计 某细菌连续培养的生长速率rx与基质浓度S和细胞浓度X的关系符合Monod方程 已知 m 0 51 h Ks 2g L Yx s 0 45g cell g substrate S0 48g L 试计算在连续培养器中培养时的最大细胞生产速率和此时的基质分解率 例题15 4 2 第四节微生物反应器的操作与设计 求d DX dD 并令其为0可得 将 max Ks和S0代入可求得 Dmax 0 41 h 由式 15 4 34 可得 解 细胞生产速率rX D X 第四节微生物反应器的操作与设计 所以 由式 15 4 34 可求得Xmax 18g cell L 所以 Dmax Xmax 0 4 18 7 2g L h 第四节微生物反应器的操作与设计 细菌A和B利用同一基质S时的生长速率均符合Monod方程 A和B的生长曲线如下图