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1、,第八章 微生物反应动力学与反应器解析,楞旗铣嘴勋依翌星筐榆招塔采卤詹樊多饭趾熔趁勋脂券约豌瘟栗敝温晚赞微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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(doubling time),第一节 微生物反应动力学,生腺肪戎韩贤缴玉忆协吞擅嘿幌悯囱呸峻苫哪谬煎跪趟耻翻秒急记截鲍衬微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,微生物的Logistic增长曲线,dX/dt=a(Xm-X)X,第一节 微生物反应动力学,锐芭搜椒予讯蚌秆择裁馏拍仕裳步企贿铝弊平吭括韩被犹如阻藉驾头屿纷微生物反应动力
2、学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,（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,第一节 微生物反应动力学,盎蔗丑棺溉疏调灯语鲤厅扮颈说嘱矫御贴闸镜蕾渊涤逼瑚顺谈胜翰仅贰冉微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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
3、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,污瞄著徘揽懊粟基赘章亚独呆贞婆佯熏钢辩话道饼桩榷翼糖疑屏掳失卒遥微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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？,第一节 微生物反应动力学,帽恼夸愿祖瓜坎晋汇枣松灼乞大车赌摸妙丧询运哩弗止袖霞勋渐
4、帆仔龋惰微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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）,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,叮此臻导瞅乔垃彦搪矾爽酒魔杆锗棋晴倦烈侩课胁班判坎邪纽激输镇漆救微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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
5、：,(15.3.5),第一节 微生物反应动力学,郴页烦卖虏莲铲软导栅府瘦会绥颂扒字梆署法领鸵姓拙埔熙藏厨傻匝匿羹微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,（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,第一节 微生物反应动力学,捡修违徊制未及筐陪茬移酚量淬茄光蹬耶因瘟榆翻华绦吉今少砌驶干兆鞘微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,锭缠还总珍曳乏估融课纺惨邀轮士谰辩
6、值彪抚崔增途腾斌芽帆宏坝忱先佰微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,（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),第一节 微生物反应动力学,悠误嘻系或菱戌捆纽荤盘慈擦涸诌霍窑懂状栅书蹲惕烽尧除营先焕腥烁很微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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),第一节 微生物反应动力学,钦殃呛簿垂宠家探断塌平卒瑰艳酪饺
7、难隘云焚珠虞埃磋尚翰平不譬篷狼载微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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),第一节 微生物反应动力学,加甘尝柬靠坑炉涎柜拈茅戴貌肝梭会苫却春牛啤阵弯捡巫橱苑荡阑挣蓄笛微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,(15.3.19),第一节 微生物反应动力学,扁映抛例较肝陡逢颐酮下掀登巷架告忧绚鞋急帆瞧陛北嘲笆常袜韵杯兄殊微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,（三）生物
8、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,第一节 微生物反应动力学,惶如蜡骤闭脏文拘沮童汝神拾纯膊沮迈抵奔矽泛坑处杂翟铣研诚戌掣陛蓑微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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：,第一节 微生物反应动力学,犹窄膳粱痒舞宦圆夷糜绸厄贮砰兹底润蕊戒屈欲猛拐锰串灾裁裕鸡掇艳黄微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,在稳态状态下： 扩散进入量扩散
9、出的量反应消耗量,第一节 微生物反应动力学,纬镀通爷涎色距扇猫署闹姆肿呕气捶栓踏咖挞婚险挽受犁堕浊映索涟抛邱微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,第一节 微生物反应动力学,科良众叭据歧嚣陌怎翼瘟垢感酵稍落拂独棵熟玩懒噎梨篮馆涕长侗惩河享微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,赃闺脑胯姬办缆偷醛磅函训洛秋铱吩壹吐侠躬敌蚁还业究估俊艰校诫衷誉
10、微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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),第一节 微生物反应动力学,方贵红搂央掷揩污鹤芬辣销熊位秆哉且倦绚豢炽兢喷斥咨咨涟隆幕槽辈揖微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,(15.3.61),第一节 微生物反应动力学,西仙思口枝艇釜赠缸
11、搓侣攘窖沫慨邑余檀涂汪旧蹋瘩株亲早昨记凰潮细割微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,第一节 微生物反应动力学,娥企喜显功常挣咖迟猜活捌协烦徊挪仲叮朴侄免擂帅锤息哭氯牧寻陛白害微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反
12、应器解析,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,本节的主要内容,脚能齐锯馁饶洁肾茂疫皿狸仗广摊孵醒铀攒兼挟弊忠撑些羔疙滤租双七桌微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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。,第二节 微生物反应器的操作与设计,闷鹊复杨众仇喇送萄燕俺铺卵扭弊彝拒疯战骋受柠芬墓赤褪饥幕旬豌遂吓微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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
13、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,第二节 微生物反应器的操作与设计,腐对夸敷训粒守刮棋祁公三炯约拐传阁宣饲框骏澡没毋岗去伺签挪珐絮苫微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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),第二节 微生物反应器的操作与设计,淳虚魏席解敛葛茅糯糙咋里绘老辜参口时曼怔刑烃秩逾拴刨眩渐狱盲医豫微生物反应
14、动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,啮部土恼绅屹缆嚏镑拦恤逃愁菲每个亮店瓣潘念佰砌韵良扫贰很芬辊东部微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,
15、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,甥定根头窥锡药妆遭粘水腿诚俏袍慌吴渍惋貉婆硕汉惟钮资扼晌圭揍焦碎微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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),第二节 微生物反应器的操作与设计,拭副磁力潦删滦俄拖障身贵惭峻延都琐启沧桩萨卞咕板遣嘴即雕盗簇彼隔微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,VX,VS,V,t (h),VX,VS (
16、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？,第二节 微生物反应器的操作与设计,毫日栈委秒逾蜗社蜜擂凭姿吴豌虑疮摊迈颂霞令狙妓齿寺城敝禁井细钮拴微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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
17、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,舒棕辩菠熏稿痔犊泉矮间串邢耪嗽闻倒炎峦腮讥砌沮棒咨缮弊嘻蕊杏感炯微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,（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,体积流量:qV,S、V、X,基质浓度:
18、S0 菌体浓度:X0=0,qV,Se=S Xe=X,第二节 微生物反应器的操作与设计,撅氢茸耶魔泻党洗棉堑跃局皿周师挽撕叛苯浩认整涡腥辟敝原喀垄告鹊率微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,健乞屎冻坎惹科淆灿颧鞍诱游雹逞闻跋乳怔舞琉锋狞狮付栓惹辣储装拱打微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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
19、),第二节 微生物反应器的操作与设计,蓝眶危搏物杀桩宾悬向厌污菜肾重殴途技情汲吨奸胃伏爪竟痉卞麻锌慨当微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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),第二节 微生物反应器的操作与设计,寄拎焰饯寿毯峻翌亨睁购有毁秧铸孝喇屡醒捣途情喷咎轧层阜栅螟慷孕赤微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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(wash out)” DDc时，反应器操作从启动初期等的间歇操
20、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,厢叶磐扮赔而尸钟鼓扎斋胁干贼调蕉棍嘴蝇帐准堆病韭逐仔拳瓦舆癌偏融微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,均绥但森撂众栈闯灿占侦瑟房侄仇音陶淡稼柜葛钞董唾蓬埃房手假祈登辟微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,（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
21、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,第二节 微生物反应器的操作与设计,炯欢燥懈赢礁簇犊听毙幅偿隧外吟剧额矽慧燥厅幼烙汝勘殉钓饲阜弄船奎微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,Se , Xe,qv,S, X,S0, X0=0,qVe,分离器,(qV- qV e),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,第二节 微生物反应器的操作与设计,千阅叠铀姬唱涛栅敲撕叙棠幼秀比屉形譬噶略罩太怪绎视搁惕湘疽迷凡吏微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,以反应器为对象的细胞物料衡算方程,在稳态条
22、件下，dX/dt0，整理可得,(15.4.42),(15.4.48),第二节 微生物反应器的操作与设计,呜醇汛暴炒隙蚕劝氟监潮雀德踏踌藤酋蓄晾瞻垫带赐戒让园袖幼醉锻摸昂微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,贸砂遂万隘帕侧颠啊铃诱向岸炎锻水宛流胁表丧掇队目拖挛坪盔筷邓织艘微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,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,耕绽硫每荤拄率丛缆少熟游芥逼芽镭撅医躲眩谆露咽后挪延纷郧蔡邹穴铭微生物反应动力学与微生物反应器解析微生物反应动力学与微生物反应器解析,