环境工程原理微生物反应器课件

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CO2H2O,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(gdrycell/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：CHmOnaNH3bO2=Yx/cCHxOyNzYp/cCHuOvNw(1-Yx/c-Yp/c)CO2cH2O(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),SYxXYpP(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0.50.7之间。,第二节微生物反应的计量关系,好氧微生物反应：CHmOnaNH3bO2=Yx/cCHxOyNzYp/cCHuOvNw(1-Yx/c-Yp/c)CO2cH2O,（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+12+161)=0.412/(12+1.661+0.27316+0.19514)=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/c0.273+(1-Yx/c)2+cN的物料衡算：a=Yx/c0.195H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=1.60kgkg-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=1.0Yx/s=1.0180=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：211.8=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=126+112+166=180葡萄糖完全燃烧时的需要量nO26mol-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8105cell，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3109cell/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=8105/50=1.6104cell/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，S0，则0实际上，SDc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=DX,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Xmax18g-cell/L。所以，DmaxXmax=0.418=7.2g/(Lh),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的生长曲线如下图所示。,例题15.4.3,当以S为唯一基质用连续培养器对A和B进行混合培养时，试讨论不同稀释率时培养器内A和B的分布情况。,第四节微生物反应器的操作与设计,解：设A和B的交点为x。,DB，培养器内只存在A，B将被洗脱。,D=x时：,A=B=x，培养器内A、B可以共存。,mBDx时：,BA，培养器内只存在B，A将被洗脱。,DmB时：,A、B均被洗脱。,B,A,x,S,mB,mA,第四节微生物反应器的操作与设计,5.稀释率对表观细胞产率系数的影响,D越大，Yx/s越趋近于Yx/s*；D越小，Yx/s越小。,如何解释？,第四节微生物反应器的操作与设计,（二）细胞循环连续反应器,带细胞循环的连续反应器：把从反应器排出的反应液中的微生物浓缩，将浓缩液返回反应器。微生物的浓缩方法有重力沉降法、离心分离法、膜分离法等。,提高反应器内细胞浓度的措施,第四节微生物反应器的操作与设计,Se,Xe,qv,S,X,S0,X0=0,qVe,分离器,(qV-qVe),上清液,浓缩菌体,1.细胞循环反应器的基本方程,循环比细胞浓缩系数,第四节微生物反应器的操作与设计,以反应器为对象的细胞物料衡算方程,在稳态条件下，dX/dt0，整理可得,(15.4.42),(15.4.48),第四节微生物反应器的操作与设计,2.反应器内基质和细胞浓度的计算,若微生物的生长符合Monod方程，参照不带细胞循环的连续反应器的解析方法，可得到反应器内X和S的计算式,(15.4.49),(15.4.50),(15.4.51),第四节微生物反应器的操作与设计,3.微生物比增长速率的计算,(15.4.55),当Xe0，即上清液不含微生物细胞时,当Xe/X=1，即分离器对细胞没有浓缩作用时,当Qe=Q时，即不排出微生物细胞浓缩液时,第四节微生物反应器的操作与设