环境工程原理-第十一章-微生物反应器

第十一章微生物反应器第一节微生物反应特点微生物反应是以酶或者活细胞为催化剂，参与反应的成分极多．反应途径错综复杂，产物类型多样，且常常与细胞代谢过程等息息相关。在环境治理过程中，随着新污染物数量和种类的增加，微生物的种类可随之增加，增加了微生物反应的多样性。第二节微生物反应动力学酶催化反应，是指采用游离酶或固定化酶作为催化剂时的反应。酶和底物是构成酶催化反应系统的最基本因素，它们决定了酶催化反应的基本性质，其他各种因素都须通过它们才能产生影响。因此酶与底物的动力学关系是整个酶反应动力学的基础。细胞反应，是指采用活细胞为催化剂时的反应。包括一般的微生物细胞发酵反应，以及固定化细胞反应和动植物细胞的培养。废水的生物处理，是指利用微生物本身的分解能力和净化能力，除去废水中的污浊物质。酶催化反应动力学对于典型的单底物酶催化反应其反应机理可表示为由Michaelis-Menten的平衡模型或Briggs-Haldane的稳态模型，推导得到米氏方程定量描述底物浓度与反应速率的关系，适用于单底物、无抑制的情况，即:GSE在r-cs关系曲线上，表示了三个具有不同动力学特点的区城：csKm，该曲线近似为一直线，表示为反应速率与底物浓度近似为正比关系，可视为一级反应，即；csKm，该曲线近似为一水平线，表示当底物浓度增加时反应速率趋于稳定；米氏方程描述的r-cs关系很小，可视为零级反应，即r＝rmax；当cs与Km的数量级相当，反应速率不与底物浓度成正比，表现为混合级反应，需用米氏方程表示其动力学关系．并且当cs=Km时，r＝rmax/2。smcKrrmaxrmax和Km作为米氏方程两个重要的动力学参效，必须对米氏方程线性化处理后，通过作图法或线性最小二乘法求很，常用的有三种方法。Lineweaver-Burke法，又称双倒数作图法，简称L-B法。Langmuir法，又称Hanes-Woolf法，简称H-W法。Eadie-Hofstee法，简称E-H法。细胞反应动力学细胞的生长、繁殖代谢是一个复杂的生物化学过程。绝对速率(简称为速率)：表示单位时间、单位反应体积某一组分的变化量。下式来表示在恒温和恒容的情况下组分的生长、消耗和生成的绝对速率值：细胞生长速率：基质的消耗速率：产物的生成速率：比速率是以单位浓度细胞(或单位质量)为基质而表示的各个组分变化速率。细胞生长动力学细胞比生长速率与限制性基质浓度的关系可用下式表示，即Monod方程：根据Monod力程，当cSKS时，提高限制性基质浓度可以明显提高细胞的生长速率，细胞比生长速率与基质浓度为一级反应动力学关系当CSKS时，继续提高基质浓度，细胞生长速率基本不变，细胞比生长速率与基质浓度无关，呈现零级反应动力学关系当CS处于上述两种情况之间，则μ与CS关系符合Monod方程。从Monod方程可以看出，只要CS＞0，则μ＞0，即微生物就可以生长。但是：维持代谢内源呼吸微生物的生长速率可表示为基质消耗动力学基质消耗速率是指在单位体积培养基单位时间内消耗基质的质量，可通过细胞得率系数与细胞生长速率相关联。则基质的比消耗速率qS可表示为若定义，则。称为基质最大比消耗速率。对于能量不仅消耗在细胞的生长上，而且也要消耗在维持细胞结构的代谢上，基质消耗速率可表示为maxmax,1SXSYqSSSSScKcqqmax,比消耗速率则为式中：Y*X/S为在不维持代谢时基质的细胞得率，即理论得率，亦称最大细胞得率；mS为菌体维持系数，表示单位时间内单位质量菌体为维持其正常生理活动所消耗的基质量。产物生成动力学细胞反应生成的代谢产物有醇类、有机酸、抗生素和酶等，涉及范围很广。由于细胞内生物合成途径十分复杂，其代谢调节机制也是各具特点。根据产物形成与细胞生长之间的动态关系，将其分为三种类型：I型称为生长耦联型产物。II型称为生长部分耦联型产物。III型称为非生长耦联型产物。第三节微生物反应器的操作与设计一间歇反应器：酶催化反应过程的反应时间对于单底物无抑制反应，底物浓度随时间的变化关系满足米氏方程以(1/t)ln(cS0/cS)对(cS0/cS)/t作图，得到斜率为-l/Km,截距为rmax/Km。因此确定米氏方程参数。定义转化率为x，则cS=cS0(1-x),可以得到：（二）细胞反应过程的反应时间若菌体生长仅有一种限制性底物．且符合Monod方程，基质的消耗完全用于菌体生长，其他消耗可忽略不计。因此，菌体的生长速率：当所有底物均消耗于细胞生成．得率系数YS/X为一常数，且当t＝0时，CX=CX0，CS=CS0，则二全混流反应露全混流反应器已经广泛用于活性污泥法等污染治理中。底物(或营养物)以一定速率添加到反应器中，并保持其操作条件如pH、溶解氧以及温度等。在全混流反应器中，假设进料中不含菌体，则达到定态操作时，在反应器中菌体的生长速率等于菌体流出速率，即进料流量与培养液体积之比称为稀释率，即D=qV0/VX，得：D表示了反应器内物料被“稀释”的程度，量纲为[时间]-1。Monod动力学的CSTR操作特性在全混流反应器中，限制性基质浓度和菌体浓度与稀释率有关。对于菌体生长符合Monod方程的情况，由于所以，反应器中基质浓度与稀释率的关系为假设限制性基质仅用于细胞生长，则在定态操作时，有得到反应器中细胞浓度：得细胞浓度与稀释率的关系，即可变形为由式可知，随着D的增大，反应器中cS亦增大，当D大到使cS=cS0时．此时稀释率为临界稀释率．即反应器的稀释率必领小于临界稀释率。一旦D＞Dc后，反应器中细胞浓度会不断降低，最后细胞从反应器中被“洗出”，这显然是不允许的．