第15章环境工程原理微生物反应器

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①基质利用②细胞生长③细胞死亡/溶化④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、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维持能（不用于细胞合成以及第二和第三类产物的生成）①合成反应②维持细胞的活性③保持细胞内外的浓度梯度④用于细胞内各类转化反应ATP⑤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产物产率系数(productyield)。细胞产率系数(cellyield)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/sSXYsx－＝反应消耗的基质量细胞的生长量/(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微生物基质Yx/s［g•g-1］Saccharomycescereviside葡萄糖（好氧）0.53Saccharomycescereviside葡萄糖（厌氧）0.14Aerobacteraerogenes葡萄糖（好氧）0.40Aerobacteraerogenes乳酸0.18Aerobacteraerogenes丙酮酸0.20EscherichiaColiNH4+3.5CandidautilisNH4+10~22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细胞数培养时间细胞个数ttsxSSXXY00/总产率系数(overallcellyield)dSdXYsx/微分产率系数(differentalcellyield)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ssxscxYYx/x/SX－＝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：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2/OmXYoxbzyxYYcxox32141612//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：OcHCOYNOCHYbOaNHOCHcxcx22/195.0273.066.1/232)1(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)=0.578sx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：1//450.0578.04.065.0kgkgYYxscxsx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每消耗1mol的基质实际产生的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：g-cell/mol-ATP)定义为：EsATPssxATPxYYMYnXYATP///(15.2.13)YATP/s：1mol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YE＝1－Yx/c第二节微生物反应的计量关系(15.2.15))1(////cxsATPssxATPxYYMYY)1(////sxsxsATPssxATPxYYMYY(15.2.16)sxsATPATPXssATPATPxsxYYMYYY/////(15.2.17)Yx/ATP＝8~11，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解：1mol葡萄糖生成的菌体量ΔX为：ΔX=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ATPcell/mol0.13ATPmol8.13cellg180/gYATPx1mol葡萄糖分解所产生的总ATP量：2＋11.8=13.8molATPXnSXYSnYSnnnSnYOOOOATPATPSATP2222ATP/OATP/O/22'1mol葡萄糖经呼吸链产生的ATP量：glucoseATP/molmol8.114.30/18012/Y2//ATP/OoxsxYY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-av.e./nXYeavx＝消耗基质的有效电子数细胞生长量以有效电子(availableelectron)为基准的细胞产率系数Yx/av.e-（单位：g-cell/mol-av.e-)：24/./OnMYYssxeavx(15.2.20)ΔnO2：每摩尔的基质完全燃烧时需要的氧的摩尔数24.OnMSnseav第二节微生物反应的计量关系-2/./av.ecell/molg03.364180404.04OnMYYSsxeavx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ΔnO2＝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：sp//YspcpY＝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)sp/rrSPYsp＝＝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(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(15.3.1)XtXrxddX：活细胞浓度(mg/L)μ：比生长速率(specificgrowthrate，1/h)XtX1ddTd：倍增时间(doublingtime)dd693.02lntt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μ和td。（设在培养过程中μ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XtX1ddXXtdd例题15.3.1第三节微生物反应动力学设培养过程中μ保持不变，则)ln(0xxt1490h5.260/284)106.1/103ln()/ln(txxmin6.165.2693.