微生物反应器课件.ppt

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1、关于微生物反应器第1页，此课件共100页哦第一节 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第2页，此课件共100页哦一、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第3页，此课件共100页哦一、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

2、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第4页，此课件共100页哦二、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5页，此课件共100页哦第1章绪论基质利用细胞生长细胞死亡/溶化产物生成。微生物反应的类型类似于化学反应中的自催化反应第一类产物：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

3、、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6页，此课件共100页哦第1章绪论基质分解所产生的能量及其消耗途径维持能（不用于细胞合成以及第二和第三类产物的生成）合成反应维持细胞的活性保持细胞内外的浓度梯度用于细胞内各类转化反应ATP热能（释放到环境）第一节 微生物与微生物反应第7页，此课件共100页哦第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8页，此课件共100页哦第

4、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(VOCs)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第9页，此课件共100页哦(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第10页，此课件共100页哦一、微生物反

5、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第11页，此课件共100页哦一、微生物反应综合方程（一）微生物浓度的表达方式活性污泥：C5H7O2N C60H87O23N12P C118H170O51N17P C7H10O3N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质量浓度表示：单位体积培养液中所含细胞的干燥质量来表示单位：g（细胞）/L。表15.2.1 表15.2.2 第二节 微生物反应的计量关系第12页，此课件共100页哦好氧微生物反应：CHmOna NH3bO2=Yx

6、/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产物产率系数(product yield)。细胞产率系数(cell yield)第二节 微生物反应的计量关系第13页，此课件共100页哦计量学限制性物质：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

7、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，则该基质被称为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第14页，此课件共100页哦反应系统中细胞的生长量（细胞干燥质量）与反应消耗掉的基质的质量之比单位：kg(细胞)/kg(基质)二、细胞产率系数（一）以基质质量为基准的细胞产率系数Yx/sSXY反应消耗的基质量细胞的生长量X/S(15.2.6)YX/S值的大小：值的大小：可能小于可能小于1，也可能大于，也可能大于1第二节 微生物反应的计量关系第15页，此课件共100页哦表15.2.3 细菌的细胞产率系数微生物基质Y X/S gg-1Saccharo

8、myces cereviside葡萄糖（好氧）0.53Saccharomyces cereviside葡萄糖（厌氧）0.14A e r o b a c t e r aerogenes葡萄糖（好氧）0.40A e r o b a c t e r aerogenes乳酸0.18A e r o b a c t e r aerogenes丙酮酸0.20Escherichia ColiNH4+3.5Candida utilisNH4+1022第二节 微生物反应的计量关系第16页，此课件共100页哦间歇培养过程中的细胞产率总细胞数培养时间细胞个数ttSSXXY00X/S总产率系数(overall cell

9、 yield)SXYddX/S微分产率系数(differental cell yield)第二节 微生物反应的计量关系第17页，此课件共100页哦（二）以碳元素为基准的细胞产率系数SXX/SSXX/CYSXY碳源的含碳率碳源消耗量细胞的含碳率细胞生长量YX/C值的大小：值的大小：只能小于只能小于1，一般在，一般在0.50.7之间。之间。第二节 微生物反应的计量关系第18页，此课件共100页哦好氧微生物反应：CHmOna NH3bO2=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2OX/OmXYbzyxYY3214161

10、2X/CO/X第二节 微生物反应的计量关系第19页，此课件共100页哦【例题15.2.1】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：232X/C1.660.2730.195X/C22CH ONHOCHON(1)COH OabYYc根据基质和细胞的元素组成可得：12/(12+12+161)=0.4 12/(12+1.661+0.27316+

11、0.19514)=0.578SX第二节 微生物反应的计量关系第20页，此课件共100页哦根据YX/S与YX/C的关系：1XSX/CX/Skgkg450.0578.04.065.0YY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/C0.195 H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(细胞)/kg(O)第二节 微生物反应的计量关系第21页，此课件共100页哦每消耗1kmol的基

12、质实际产生的ATP量（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：kg(细胞)/kmol(ATP)定义为：EATP/SSX/SX/ATPATPYYMYnXY(15.2.13)YATP/S：1kmol的基质全部用于产能时产生的ATP量YE：消耗基质中用于产能的比率YE1YX/C第二节 微生物反应的计量关系第22页，此课件共100页哦 (15.2.15)1(X/CATP/SSX/SX/ATPYYMYY)1(X/SSXATP/SSX/SX/ATPYYMYY (15.2.16)SXATP/SX/ATPSATP/SX/ATPX/SYYMYYY(15.

13、2.17)YX/ATP 811,平均10利用该式可以从理论上计算细胞产率系数第二节 微生物反应的计量关系第23页，此课件共100页哦解：1mol葡萄糖生成的菌体量X为：X=1.0YX/S=1.0180=180 g（细胞）1mol葡萄糖糖酵解产生的ATP量：2 mol【例题15.2.2】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=180 g（细胞）/mol（葡萄糖），YX/O=30.4 g（细胞）/mol（O2），若基质水平磷酸化的ATP生成量为2 ATP/mol（葡萄糖），呼吸链反应的ATP生成量YATP/O（1mol氧原子生成的ATP的物质的量）为1。试求出YX/AT

14、P。第二节 微生物反应的计量关系第24页，此课件共100页哦mol(ATP)/)(g0.13ATPmol8.13g180X/ATP细胞）（细胞）Y1mol葡萄糖分解所产生的总ATP量：211.8=13.8 mol(ATP)XnSXYSnYSnnnSnY2222OATPATPOATP/OOATP/OOATP/S22 1mol葡萄糖经呼吸链产生的ATP量：)(ATP)/mol(mol8.114.30/18012/2X/OX/SATP/O葡萄糖YYY第二节 微生物反应的计量关系第25页，此课件共100页哦（五）以有效电子数为基准的细胞产率系数av.eX/av.enXY消耗基质的有效电子数细胞生长量以

15、有效电子(available electron)为基准的细胞产率系数YX/av.e-单位：g（细胞）/mol（av.e-）:2OSX/SX/av.e4 nMYY(15.2.20)nO2：每摩尔的基质完全燃烧时需要的氧的摩尔数2OSav.e4 nMSn第二节 微生物反应的计量关系第26页，此课件共100页哦)e (av./mol)细(g03.364180404.042OSS/XX/av.e胞nMYY解：葡萄糖的分子量MS=1216+112+166=180葡萄糖完全燃烧时的需要量nO26mol(O2)/mol(葡萄糖)故【例题例题15.2.3】已知某细菌在以葡萄糖为基质时的YX/S=0.404 g

16、（细胞）/g（葡萄糖），试求YX/av.e-第二节 微生物反应的计量关系第27页，此课件共100页哦三、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：SPP/SP/CYY基质含碳率基质消耗量产物含碳率代谢产物生成量(15.2.22)SPP/SrrSPY基质消耗量代谢产物生成量(15.2.21)第二节 微生物反应的计量关系第28页，此课件共100页哦(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

17、产率系数？本节思考题第二节 微生物反应的计量关系第29页，此课件共100页哦一、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第30页，此课件共100页哦一、微生物生长速率（一）微生物的生长速率的定义(15.3.1)XtXrddXX：活细胞浓度，mg/L；：比生长速率(specific growth rate)，h-1。XtX 1ddtd:倍增时间(doubling time)dd693.02lntt第三节 微生物反应动力学第31页，此课件共100页哦【例题例题15.3.1】用50mL的培养液培养大肠杆菌，大肠杆

18、菌细胞的初期总量为8105 个，培养开始后即进入对数生长期（无诱导期）。在284 min后达到稳定期（细胞浓度3109 个/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=1.6104 个/mL。根据细胞增长方程XtX1ddXXtdd 第三节 微生物反应动力学第32页，此课件共100页哦设培养过程中保持不变，则)ln(0XXt 1490h5.2284)106.1/103ln()/ln(tXXmin6.16h277.05.2693.0693.0dt第三节 微生物反应动力学第33页，此课件共100页哦微生物的Logistic增长曲线时间tXdX/d

19、t=a(Xm-X)XXm第三节 微生物反应动力学第34页，此课件共100页哦（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，h-1；Ks：饱和系数，mg/L。Ks与max/2时的S值相等SKSsmaxMonod（莫诺特）方程maxmax21sK第三节 微生物反应动力学S第35页，此课件共100页哦随着细胞质量的增加，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(balanced growth)。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

20、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 微生物反应动力学第36页，此课件共100页哦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 微生物反应动力学第37页，此课件共100页哦Smaxmax21s1Ks2K12富营养细胞(Eutroph

21、)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 微生物反应动力学第38页，此课件共100页哦由Monod方程可知，S0，则0实际上，SSmin时，0（观察不到微生物的生长）bSKSsmaxb：自我衰减系数，h-1。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SKSsmax第三节

22、微生物反应动力学第39页，此课件共100页哦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：2211s2s1maxSKSSKS(15.3.5)第三节 微生物反应动力学第40页，此课件共100页哦（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SmaxiKSSKS/2smax(15.3.7)Haldane Equation第三节 微生物反应动力学第41页，此课件共100页哦Kp：代谢产物抑制系数，mg/L。2.代谢产物抑制)/1)(psmaxKPSKS(15.3.8)该关系式也适合于其它共存物质（非基质)第三

23、节 微生物反应动力学第42页，此课件共100页哦细胞质(反应区)培养液主体黏液层(扩散区)细胞壁/细胞膜(运输区)SSS 进入细胞质（反应区）的基质，在细胞内被分解。从培养液主体穿过黏液层，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 微生物反应动力学第43页，此课件共100页哦（二）分散体系的基质消耗速率1.基质消耗速率的表达式XYrYrX/SXX/SS11基质消耗速率(volumetric substrate consumption rate)(15.3.12)细胞(表观)产率系数XrSSX/SS1Y比基质消耗速率(

24、specific substrate consumption rate，S)(15.3.14)定义式第三节 微生物反应动力学第44页，此课件共100页哦当可以用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。SKSSKSYsmaxsX/SmaxS(15.3.15)最大比基质消耗速率第三节 微生物反应动力学第45页，此课件共100页哦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)XmrYrXX*X/SS1细胞真实产率系数X*X/SS1mY(15.3.17)第三节 微生物反应动力学第46页，

25、此课件共100页哦(15.3.17)X*X/SS1mYX/SS1Y(15.3.14)X*X/SX/S111mYY(15.3.19)X/S1Y/1Xm*X/S/1 Y0第三节 微生物反应动力学第47页，此课件共100页哦【例题15.3.2】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Azotobacter Vinelandii，通过改变稀释率，测定不同时的Yx/s的数据如下：/h10.3030.2700.2500.1670.1370.11YX/S/g(细胞)g(葡萄糖)10.0530.0490.0470.0340.0290.024试求出该固氮菌的细胞真实产率系数 和

26、维持系数mX。第三节 微生物反应动力学*X/SY第48页，此课件共100页哦解：根据X*X/SX/S111mYY对1/YX/S1/作图得一直线。02468100102030401/h该直线的截距为5.5，故 1/5.5 0.18 g（细胞）/g（葡萄糖）；直线的斜率为4，故mX4 g（葡萄糖）/g（细胞）。第三节 微生物反应动力学*X/SY1/YX/S/g(葡萄糖)g(细胞)1第49页，此课件共100页哦3.氧摄取速率XmrYr22O,XX*X/OO122OX,*X/OO1mYmX,O2 维持系数,kg（消耗O2）/kg（细胞）h；O2比氧消耗速率，kg（消耗O2）/kg（细胞）h。第三节 微

27、生物反应动力学第50页，此课件共100页哦（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zdSzzSSddd固体微生物膜液相yz0*S第三节 微生物反应动力学第51页，此课件共100页哦基质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）sfdd ddSDx yz扩散进入量：yxzzSSzDdd)dddd(ddsf扩散出的量：zyxrdddS反应消耗量：SzdydxdzzSSddd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三节 微生物反应动力学zdSzzSSddd

28、固体微生物膜液相yz0*S第52页，此课件共100页哦在稳态状态下：扩散进入量扩散出的量反应消耗量zrzzSSzDzSDd)()dddd(ddddSsfsfS22sfddrzSD微生物膜的基本方程(15.3.27)与(14.2.2)比较第三节 微生物反应动力学第53页，此课件共100页哦2微生物膜内的基质浓度分布SkXrfS微生物膜内的基质消耗反应为一级反应时S22sfddrzSD微生物膜的密度，即膜内的微生物浓度。0ddf22sfSkXzSD(15.3.29)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三节 微生物反应动力学zdSzzSSddd固体微生物膜液相

29、yz0*S第54页，此课件共100页哦evs3DkR球形催化剂的西勒数mcosh)/1(cosh*zmSS(15.3.39)sffmDkX修正西勒数第三节 微生物反应动力学第55页，此课件共100页哦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。rssksS*S*：可近似认为等于液相主体浓度Sb以微生物膜表面积为基准的反应速率常数，m/h第三节 微生物反应动力学第56页，此课件共100页哦rSS与rS的关系式:zSkXrSd0fS一级反应rSS值与膜厚度有正相关关系zArArSd)()(f0SfS

30、zrrSd)(0SS(15.3.42)zrrSd)()(0SmaxS(15.3.47)第三节 微生物反应动力学第57页，此课件共100页哦微生物膜面积基准的基质消耗速率与扩散速率的关系0)dd(zzS固体微生物膜yz0iS)(0sfS)dd(zSzSDNr*S)(0sfS)dd(zSzSDNrmcosh)/1(cosh*zmSS (15.3.39)m*2/1fsfStanh)(SkXDNrS(15.3.45)第三节 微生物反应动力学第58页，此课件共100页哦微生物膜面积基准的基质消耗速率的最大值zrrSd)()(0SmaxS(15.3.47)0()dd(zzS固体微生物膜y0)(0sfmax

31、)dd(zzSDN*S)(0sfmaxmaxS)dd()(zSzSDNr*2/1fsfmaxSkXDN求解微生物膜基本方程(15.3.27)得 (15.3.55)第三节 微生物反应动力学第59页，此课件共100页哦4.微生物膜的有效系数zrzrrrSSd)(d)()(0S0SmaxSSS(15.3.57)mtanhS(15.3.58)第三节 微生物反应动力学第60页，此课件共100页哦【例题15.3.3】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1.210-2 m3/(gh)。已知葡萄糖在微生物膜中的扩散系数为1.0610-6 m2/h，微生物膜的干燥密度为2.01

32、04 g/m3。试分别计算微生物膜厚度为10m和100m时的以微生物膜表面积为基准的反应速率常数。第三节 微生物反应动力学第61页，此课件共100页哦解：已知 Dsf=1.0610-6 m2/h，Xf=2.0104 g/m3，k=1.210-2 m3/(gh)。46422/1sffm1050.1)1006.1/100.2102.1()/(Dxk所以10m时，15.010101050.164mm/h 104.2tanh)(32/1fsfmkxDkS同理100m时，5.110101050.154mm/h105.14tanh)(3m2/1fsfkxDkS故：第三节 微生物反应动力学第62页，此课件共

33、100页哦三、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)XmrYrXX*X/SS1XYmtSYtX*X/SX*X/Sdddd(15.3.60)XYmrYr*X/SXS*X/SX)(15.3.59)常数b第三节 微生物反应动力学第63页，此课件共100页哦bXtSYtXdddd*X/S(15.3.61)第三节 微生物反应动力学在污水生物处理中 ：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0.0030.008 h1*X/SY第64页，此课件共100页哦四、代谢产物的生成速

34、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)第三节 微生物反应动力学第65页，此课件共100页哦(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

35、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 微生物反应动力学第66页，此课件共100页哦一、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第67页，此课件共100页哦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。第四节 微生物反应器的操作与设计第68页，此

36、课件共100页哦一、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第69页，此课件共100页哦（一）微生物的生长曲线(growth curve)培养时间tlgX(i)(ii)(iii)(iv)(v)(vi)(i)延滞期(ii)加速期(iii)对数生长期(iv)减速期(v)稳定期(vi)死亡期最大收获量(maximum crop)第四节 微生物反应器的操作与设计第70页，此课件共100页哦假设微生物的生长符合Monod方程，且细胞产率

37、系数Yx/s为一常数，上述物料衡算式可表示为：XrtXXddSddrtS间歇培养中细胞和基质的物料衡算式XmYrtSX*X/SXddXSKSXtXsmaxdd(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四节 微生物反应器的操作与设计第71页，此课件共100页哦XmYrtSX*X/SXdd间歇操作的简化解析简化方法：忽略mX项，以YX/S代替 ，并认为YX/S为恒定值tXYtSdd1ddX/SX/SXddYrtS)(10X/S0XXYSS(15.4

38、.7)tXXXXXYKXXXYKmax0X/Ss0X/Sslnln)1(15.4.9)XX0+S0YX/S 第四节 微生物反应器的操作与设计*X/SY第72页，此课件共100页哦【例题15.4.1】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0.4 h1,ks值为0.074 kg/m3,YX/S为0.5 kg(细胞)/kg(基质)，试求出当基质初期浓度为10 kg/m3,细菌初期浓度为0.110 kg/m3时的间歇培养过程中S和X的时间变化曲线。第四节 微生物反应器的操作与设计第73页，此课件共100页哦解：根据已知的数据，利用(15.4.9)式和(15.4.8)式计

39、算出不同时间的S和X，并绘于图15.4.2.t/hS0=10SX0=0.1XX,S/(kgm-3)024680246810 111*X/S3s1maxhkg0.05kgkg0.5kgm0.074kg0.84hmYK第四节 微生物反应器的操作与设计第74页，此课件共100页哦半连续培养操作(semi-batch culture)又称流加操作或分批补料操作(fed-batch 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四节 微生物反应器的操作与设计第75页，此课件共

40、100页哦半连续培养的应用：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第76页，此课件共100页哦体积流量:qVS、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XVtVXd)(d(15.4.10)XVYSqVrSqtVSS/XinVSinV1)(d)(d(15.4.11)VSYtSqYSYXVVXX/SinVX/S0X/S0

41、0)(15.4.13)第四节 微生物反应器的操作与设计第77页，此课件共100页哦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maxX/S00inVX/S000maxe)(YXVtSqYXSVVSt(15.4.16)tXVVXmaxe00（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第四节 微生物反应器的操作与设计第78页，此课件共100页哦VXVSVt/hVX,VS/kgV 103/m30123450.000.010.020.030123 1X/S3s1maxkg0.57kgm0.015kg0.77hYK330135V00i

42、n30m103hm1050200m1kgVqSSX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第79页，此课件共100页哦三、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

43、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第80页，此课件共100页哦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第81页，此课件共100页哦（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：qVX0qVXrXV0 VqV体

44、积流量:qVS、V、X基质浓度:S0菌体浓度:X0=0 qVSe=SXe=X第四节 微生物反应器的操作与设计第82页，此课件共100页哦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第83页，此课件共100页哦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SKSDsmax(15.4.24)DDKSmaxs(15.4.25)第四节 微生物反应器的操作与设计第84页，此课件共100页哦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)s

45、0)(SSDX)(maxs0X/SDDKSYX(15.4.34)rsSX DsYx/s 第四节 微生物反应器的操作与设计第85页，此课件共100页哦4.反应器稳定运行的必要条件必要条件：X 大于 00s0maxSKSDDc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)(maxs0X/SDDKSYX(15.4.34)第四节 微生物反应器的操作与设计第86页，此课件共100页哦X,S/(kgm-3)rX/(kgm-3 s-1)稀释速率 D/h-1rXSDwX00

46、.20.40.60.81.00246810012345 1X/S303s1maxkg0.5kgm10kgm0.2kg1hYSK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第87页，此课件共100页哦【例题15.4.2】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=0.5 h1，Ks=2 g/L，Yx/s=0.45 g（细胞）/g（基质），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。第四节 微生物反应器的操作与设计第88页，此课件共100页哦)(maxs0X/SDKSDY

47、DX求d(DX)/dD，并令其为0可得：)1(s0smmaxKSKD将max，Ks和S0代入可求得：Dmax=0.4 h1。由式(15.4.34)可得：)(maxs0X/SDDKSYX解：细胞生产速率=DX第四节 微生物反应器的操作与设计第89页，此课件共100页哦 所以，%3.83%10048848%10000SSS基质分解率由式(15.4.34)可求得Xmax18 g（细胞）/L。所以，DmaxXmax=0.418=7.2 g/(Lh)(maxs0X/SDDKSYXg/L84.05.04.02maxmaxmaxsDDKSDDKSmaxs(15.4.25)由式(15.4.25)可知第四节 微

48、生物反应器的操作与设计第90页，此课件共100页哦【例题15.4.3】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。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BAXS第91页，此课件共100页哦解：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。BAxSmBmA第四节 微生物反应器的操作与设计第92页，此课件共100页哦5.稀释率对表观细胞产率

49、系数的影响X*X/SX/S111mDYYD 越大，YX/S越趋近于 ；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*X/SY第93页，此课件共100页哦（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：细胞循环第四节 微生物反应器的操作与设计第94页，此课件共100页哦Se,XeqVS,X)(1Vq)(1VqS0,X0=0qVe分离器(qV qVe)SXq，Ve ,SXS、V、X上清液浓缩菌体1

50、.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第95页，此课件共100页哦以反应器为对象的细胞物料衡算方程XVV)1(ddVrXqqXtXV在稳态条件下，dX/dt0，整理可得(15.4.42)D(15.4.48)1(1(01)第四节 微生物反应器的操作与设计第96页，此课件共100页哦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DDKSmaxs(15.4.49)(maxs0X/SDDKSYX(15.4.50)0s0maxc1SKSD(15.4.51)第四节 微生物反应器的操