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1、微生物反应动力学与微生物反应器解析第1页，本讲稿共42页一、微生物生长速率（一）微生物的生长速率的定义(15.3.1)X：活细胞浓度(mg/L)：比生长速率(specific growth rate，1/h)td:倍增时间(doubling time)第一节 微生物反应动力学第2页，本讲稿共42页微生物的Logistic增长曲线时间tXdX/dt=a(Xm-X)XXm第一节 微生物反应动力学第3页，本讲稿共42页（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
2、第一节 微生物反应动力学第4页，本讲稿共42页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。第一节 微生物反应动力学第5页，本讲稿共42页12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
3、治理中哪种微生物比较理想？第一节 微生物反应动力学第6页，本讲稿共42页由Monod方程可知，S0，则0实际上,S Smin时，0（观察不到微生物的生长）b：自我衰减系数(1/h)考虑维持代谢时的微生物生长速率方程：维持代谢(maintenance metabolism)自呼吸/内源呼吸(endogenous metabolism)现象该现象由维持代谢或自呼吸/内源呼吸引起第一节 微生物反应动力学第7页，本讲稿共42页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)第一节 微生物反应动力学第8页，本讲稿共42页（三）抑制性
4、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(15.3.7)Haldane Equation第一节 微生物反应动力学第9页，本讲稿共42页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)第一节 微生物反应动力学第10页，本讲稿共42页（一）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(volumetric substrate consumption rate)(15.3.12)细胞(表观)产率系数比基质消耗速率(specific substrate consumption rate，s)(15.3.1
5、4)定义式第一节 微生物反应动力学第11页，本讲稿共42页当可以用Monod方程表达时，(15.3.14)可改写为：式中max为最大比基质消耗速率。(15.3.15)最大比基质消耗速率第一节 微生物反应动力学第12页，本讲稿共42页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)细胞真实产率系数(15.3.17)第一节 微生物反应动力学第13页，本讲稿共42页(15.3.17)(15.3.14)(15.3.19)x第一节 微生物反应动力学第14页，本讲稿共42页（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
6、膜：附着生长在固体表面上的微生物的聚集体。可视为固体催化剂固体微生物膜液相第一节 微生物反应动力学第15页，本讲稿共42页固体微生物膜液相基质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：基质在微生物膜内的有效扩散系数以微生物膜体积为基准的基质消耗速率第一节 微生物反应动力学第16页，本讲稿共42页在稳态状态下：扩散进入量扩散出的量反应消耗量微生物膜的基本方程第一节 微生物反应动力学第17页，本讲稿共42页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微生物膜的密度，即膜内的微生物浓度。固体微生物膜液相(1
7、5.3.29)边界条件：z0，SS*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一节 微生物反应动力学第18页，本讲稿共42页球形催化剂的西勒数(15.3.39)修正西勒数第一节 微生物反应动力学第19页，本讲稿共42页三、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)(15.3.59)常数b第一节 微生物反应动力学第20页，本讲稿共42页在污水生物处理中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0.003-0.008 1/h(15
8、.3.61)第一节 微生物反应动力学第21页，本讲稿共42页四、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(growth associated products):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(nongrowth associated products):与细胞生长无关的产物，其生成速率正比于细胞浓度式中rp为产物的生成速率，和为常数。rprx+X(15.3.62)第一节 微生物反应动力学第22页，本讲稿共42页一、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 第二节 微生物反应器的操作与设计本节的主
9、要内容第23页，本讲稿共42页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。利用的基本关系式细胞生长速率方程，基质消耗速率方程，细胞物料衡算式，基质的物料衡算式。第二节 微生物反应器的操作与设计第24页，本讲稿共42页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(15.4.1)(15.4.2)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二节 微生物反应器的操作与
10、设计第25页，本讲稿共42页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)(15.4.9)XX0+S0Yx/s 第二节 微生物反应器的操作与设计第26页，本讲稿共42页半连续培养操作(semibatch culture)又称流加操作或分批补料操作(fedbatch culture)。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二节 微生物反应器的操作与设计第27页，本讲稿共42页体积流量:qvS、V、X基质浓度:Sin菌体浓
11、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)第二节 微生物反应器的操作与设计第28页，本讲稿共42页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)（成立条件：培养初期）培养后期要有用(15.4.13)式计算(15.4.15)呈指数形式增长VS=0第二节 微生物反应器的操作与设计第29页，本讲稿共42页VXVSVt(h)VX,VS(kg)V 103(m3)0123450.000.010.020.030123 半连续培养反应器中微生物及基质浓度的
12、时间变化曲线 VX的变化特点？VS的变化特点？第二节 微生物反应器的操作与设计第30页，本讲稿共42页三、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二节 微生物反应器的操作与设计第31页，本讲稿共42页（一）不带循
13、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：qVX0qVXrxV0 体积流量:qVS、V、X基质浓度:S0菌体浓度:X0=0 qVSe=SXe=X第二节 微生物反应器的操作与设计第32页，本讲稿共42页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二节 微生物反应器的操作与设计第33页，本讲稿共42页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)第二节 微生物反应器的操作与设计
14、第34页，本讲稿共42页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：qVS0qVS(rs)V (15.4.26)(15.4.34)rssX D=sYx/s 第二节 微生物反应器的操作与设计第35页，本讲稿共42页4.反应器稳定运行的必要条件必要条件：X 大于 0Dc称临界稀释速率(critical dilution rate)“洗脱现象(wash out)”DDc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)第二节 微生物反应器的操作与设计第36页，本讲稿共42页X,S(kgm-3)rx(kgm-3 s-1)稀释速率 D(
15、h-1)rXSDwX00.20.40.60.81.00246810012345 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）第二节 微生物反应器的操作与设计第37页，本讲稿共42页（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防治“洗脱”：细胞固定化返回被洗脱的细胞：细胞循环第二节 微生物反应器的操作与设计第38页，本讲稿共42页Se,XeqvS,XS0,X0=0qVe分离器(qV-qV e)S、V、X上清液浓缩菌体1.细胞循环反应器的基本
16、方程循环比细胞浓缩系数第二节 微生物反应器的操作与设计第39页，本讲稿共42页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)(01)第二节 微生物反应器的操作与设计第40页，本讲稿共42页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)第二节 微生物反应器的操作与设计第41页，本讲稿共42页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 第二节 微生物反应器的操作与设计第42页，本讲稿共42页