环境工程原理微生物反应器演示文稿

环境工程原理微生物反应器演示文稿本文档共94页；当前第1页；编辑于星期二\17点24分优选环境工程原理微生物反应器本文档共94页；当前第2页；编辑于星期二\17点24分一、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本文档共94页；当前第3页；编辑于星期二\17点24分二、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本文档共94页；当前第4页；编辑于星期二\17点24分第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本文档共94页；当前第5页；编辑于星期二\17点24分第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本文档共94页；当前第6页；编辑于星期二\17点24分第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本文档共94页；当前第7页；编辑于星期二\17点24分第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本文档共94页；当前第8页；编辑于星期二\17点24分(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本文档共94页；当前第9页；编辑于星期二\17点24分一、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本文档共94页；当前第10页；编辑于星期二\17点24分一、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本文档共94页；当前第11页；编辑于星期二\17点24分好氧微生物反应：CHmOn＋aNH3＋bO2=Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O(15.2.2)

a=zYx/c+wYp/c b=(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本文档共94页；当前第12页；编辑于星期二\17点24分计量学限制性物质：

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本文档共94页；当前第13页；编辑于星期二\17点24分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/s(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本文档共94页；当前第14页；编辑于星期二\17点24分表15.2.3细菌的细胞产率系数微生物基质Y

x/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本文档共94页；当前第15页；编辑于星期二\17点24分间歇培养过程中的细胞产率总细胞数培养时间细胞个数总产率系数(overallcellyield)微分产率系数(differentalcellyield)第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第16页；编辑于星期二\17点24分（二）以碳元素为基准的细胞产率系数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本文档共94页；当前第17页；编辑于星期二\17点24分好氧微生物反应：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第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第18页；编辑于星期二\17点24分

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：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)=0.578例题第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第19页；编辑于星期二\17点24分根据Yx/s与Yx/c的关系：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=0.651

Yx/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本文档共94页；当前第20页；编辑于星期二\17点24分每消耗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：(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本文档共94页；当前第21页；编辑于星期二\17点24分(15.2.15)(15.2.16)(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本文档共94页；当前第22页；编辑于星期二\17点24分解：1mol葡萄糖生成的菌体量Δ

X为：

Δ

X=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。例题第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第23页；编辑于星期二\17点24分1mol葡萄糖分解所产生的总ATP量：2＋11.8=13.8molATP1mol葡萄糖经呼吸链产生的ATP量：第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第24页；编辑于星期二\17点24分（五）以有效电子数为基准的细胞产率系数以有效电子(availableelectron)为基准的细胞产率系数Yx/av.e-（单位：g-cell/mol-av.e-)：(15.2.20)ΔnO2：每摩尔的基质完全燃烧时需要的氧的摩尔数第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第25页；编辑于星期二\17点24分解：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-例题第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第26页；编辑于星期二\17点24分三、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：(15.2.22)(15.2.21)第二节微生物反应的计量关系本文档共94页；当前第27页；编辑于星期二\17点24分(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本文档共94页；当前第28页；编辑于星期二\17点24分一、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本文档共94页；当前第29页；编辑于星期二\17点24分一、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)μ：比生长速率(specificgrowthrate，1/h)Td：倍增时间(doublingtime)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第30页；编辑于星期二\17点24分用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。根据细胞增长方程例题第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第31页；编辑于星期二\17点24分设培养过程中μ

保持不变，则第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第32页；编辑于星期二\17点24分微生物的Logistic增长曲线时间tXdX/dt=a(Xm-X)XXm第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第33页；编辑于星期二\17点24分（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)μmax

：最大比生长速率(1/h)Ks：饱和系数(mg/L)。Ks与μ＝μmax/2时的S值相等Monod（莫诺特）方程第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第34页；编辑于星期二\17点24分①随着细胞重量的增加，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（balancedgrowth）。②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。③培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。④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本文档共94页；当前第35页；编辑于星期二\17点24分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本文档共94页；当前第36页；编辑于星期二\17点24分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。环境治理中哪种微生物比较理想？第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第37页；编辑于星期二\17点24分由Monod方程可知，S>0，则μ>0实际上，S<

Smin时，μ＝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(maintenancemetabolism)自呼吸/内源呼吸(endogenousmetabolism)现象该现象由维持代谢或自呼吸/内源呼吸引起第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第38页；编辑于星期二\17点24分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)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第39页；编辑于星期二\17点24分（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(15.3.7)HaldaneEquation第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第40页；编辑于星期二\17点24分P：代谢产物抑制系数(mg/L)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)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第41页；编辑于星期二\17点24分细胞质(反应区)培养液主体粘液层(扩散区)细胞壁/细胞膜(运输区)SS’S’’③进入细胞质（反应区）的基质，在细胞内被分解。①从培养液主体穿过粘液层，到达细胞壁表面(有时伴随着水解反应)②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本文档共94页；当前第42页；编辑于星期二\17点24分（二）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(volumetricsubstrateconsumptionrate)(15.3.12)细胞(表观)产率系数比基质消耗速率

(specificsubstrateconsumptionrate，－νs)(15.3.14)定义式第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第43页；编辑于星期二\17点24分当μ

可以用Monod方程表达时，(15.3.14)可改写为：(15.3.15)最大比基质消耗速率第三节微生物反应动力学式中νmax为最大比基质消耗速率。本文档共94页；当前第44页；编辑于星期二\17点24分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)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第45页；编辑于星期二\17点24分(15.3.17)(15.3.14)(15.3.19)第三节微生物反应动力学(15.3.18)本文档共94页；当前第46页；编辑于星期二\17点24分以葡萄糖为唯一碳源，在好氧条件下（30℃，pH

7.0）用连续培养槽培养固氮菌AzotobacterVinelandii，通过改变稀释率，测定不同μ时的Yx/s的数据如下：μ(1/h)0.3030.2700.2500.1670.1370.11Yx/s(g-cell/g-glucose)0.0530.0490.0470.0340.0290.0241/μ1/Yx/s试求出该固氮菌的细胞真实产率系数Yx/s*和维持系数mx。例题第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第47页；编辑于星期二\17点24分解：根据对1/Yx/s~1/μ作图得一直线。该直线的截距为5.5，故Yx/s*=1/5.5=0.18g-cell/g-glucose；直线的斜率为4，故mx=4g-glucose/g-cell。第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第48页；编辑于星期二\17点24分3.氧摄取速率mx,O2——维持系数，kg-O2consumed/(kg-cellh)；-νO2——比氧消耗速率，kg-O2consumed/(kg-cellh)。第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第49页；编辑于星期二\17点24分（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。可视为固体催化剂固体微生物膜液相第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第50页；编辑于星期二\17点24分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三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第51页；编辑于星期二\17点24分在稳态状态下：扩散进入量＝扩散出的量＋反应消耗量微生物膜的基本方程(15.3.27)与(14.2.2)比较第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第52页；编辑于星期二\17点24分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(15.3.29)边界条件：z＝0，S＝S*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本文档共94页；当前第53页；编辑于星期二\17点24分球形催化剂的西勒数(15.3.39)

修正西勒数第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第54页；编辑于星期二\17点24分－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。－rss＝ksS*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本文档共94页；当前第55页；编辑于星期二\17点24分－rss与－rs的关系式:一级反应－rss值与膜厚度有正相关关系(15.3.42)(15.3.47)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第56页；编辑于星期二\17点24分微生物膜面积基准的基质消耗速率与扩散速率的关系固体微生物膜(15.3.39)(15.3.45)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第57页；编辑于星期二\17点24分微生物膜面积基准的基质消耗速率的最大值(15.3.47)固体微生物膜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本文档共94页；当前第58页；编辑于星期二\17点24分4.微生物膜的有效系数(15.3.57)

(15.3.58)

第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第59页；编辑于星期二\17点24分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1.2×10-2m3/(g•h)。已知葡萄糖在微生物膜中的扩散系数为1.06×10-6m2/h，微生物膜的干燥密度为2.0×104g/m3。试分别计算微生物膜厚度为10μm和100μm时的以微生物膜表面积为基准的反应速率常数。例题第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第60页；编辑于星期二\17点24分解：已知：Dsf=1.06×10-6m2/h，xf=2.0×104g/m3，

k=1.2×10-2m3/(g•h)。所以：δ＝10μm时，同理：δ＝100μm时，故：第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第61页；编辑于星期二\17点24分三、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第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第62页；编辑于星期二\17点24分在污水生物处理中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0.003-0.0081/h(15.3.61)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第63页；编辑于星期二\17点24分四、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（growthassociatedproducts）：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（non－growthassociatedproducts）：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，α和β为常数。rp＝αrx+βX

(15.3.62)第三节微生物反应动力学本文档共94页；当前第64页；编辑于星期二\17点24分(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本文档共94页；当前第65页；编辑于星期二\17点24分一、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本文档共94页；当前第66页；编辑于星期二\17点24分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本文档共94页；当前第67页；编辑于星期二\17点24分一、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本文档共94页；当前第68页；编辑于星期二\17点24分（一）微生物的生长曲线(growthcurve)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(maximumcrop)第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第69页；编辑于星期二\17点24分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四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第70页；编辑于星期二\17点24分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)X´＝X0+S0Yx/s

第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第71页；编辑于星期二\17点24分

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0.41/h,ks值为0.074kg/m3，Yx/s为0.5，试求出当基质初期浓度为10kg/m3，细菌初期浓度为0.110kg/m3时的间歇培养过程中S和X的时间变化曲线。

例题第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第72页；编辑于星期二\17点24分解：根据已知的数据，利用(15.4.9)式和(15.4.8)式计算出不同时间的S和X，并绘于图15.4.2.

t(h)S0=10SX0=0.1XX，

S（kg•m-3）024680246810

第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第73页；编辑于星期二\17点24分半连续培养操作（semi－batchculture）又称流加操作或分批补料操作（fed－batchculture）。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本文档共94页；当前第74页；编辑于星期二\17点24分半连续培养的应用：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本文档共94页；当前第75页；编辑于星期二\17点24分体积流量: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(15.4.10)(15.4.11)(15.4.13)第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第76页；编辑于星期二\17点24分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第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第77页；编辑于星期二\17点24分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本文档共94页；当前第78页；编辑于星期二\17点24分三、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四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第79页；编辑于星期二\17点24分①可以对微生物施加一定的环境条件，进行长期稳定的培养。②可以对微生物进行筛选培养。（根据比增长速率）③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。④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本文档共94页；当前第80页；编辑于星期二\17点24分（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：qVX0－qVX＋rxV＝0

体积流量:qVS、V、X基质浓度:S0菌体浓度:X0=0qVSe=SXe=X第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第81页；编辑于星期二\17点24分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μ＝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本文档共94页；当前第82页；编辑于星期二\17点24分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)第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第83页；编辑于星期二\17点24分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：qVS0＝qVS＋(－rs)V

(15.4.26)(15.4.34)－rs＝－νsX

D=

μ

＝－νsYx/s

第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第84页；编辑于星期二\17点24分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(criticaldilutionrate)“洗脱现象(washout)”D>Dc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)第四节微生物反应器的操作与设计本文档共94页；当前第85页；编辑于星期二\17点24分X,S(kg•m-3)rx(kg•