關于環境工程原理微生物反應器第1頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物及其特性

二、微生物反應及其在污染防治中的利用第一節微生物與微生物反應本節的主要內容第2頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物及其特性（一）微生物的分類（二）微生物的特性1．菌體成分（水分含量、元素組成）2．細菌細胞的物理性質（大小與大小分布、密度）3．微生物培養液的性質

第一節微生物與微生物反應第3頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五二、微生物反應及其在污染防治中的利用（一）微生物反應的特點

復雜反應體系基質、營養物、活細胞、非活性細胞、分泌產物等。參與微生物反應的主要組分微生物反應的總反應式（概括式）碳源＋氮源＋其它營養物質＋氧→細胞＋代謝產物＋CO2＋H2O

第一節微生物與微生物反應第4頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五第1章緒論①基質利用②細胞生長③細胞死亡/溶化④產物生成。

微生物反應的類型類似于化學反應中的自催化反應第一類產物：基質水平磷酸化產生的產物(如乙醇、乳酸，檸檬酸)。第二類產物：由合成代謝生成的較復雜的物質（如胞外酶、多糖、抗生素、激素、維生素、生物堿等）第三類產物：一般指在碳源過量、氮源等受到限制的條件下產生的一類物質（蓄能化合物，如多糖、儲存于細胞內的糖原、脂肪等。)

第一節微生物與微生物反應第5頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五第1章緒論基質分解所產生的能量及其消耗途徑維持能（不用于細胞合成以及第二和第三類產物的生成）①合成反應②維持細胞的活性③保持細胞內外的濃度梯度④用于細胞內各類轉化反應ATP⑤熱能（釋放到環境）第一節微生物與微生物反應第6頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五第1章緒論（二）微生物反應的影響因素微生物的種類基質的種類和濃度(注意抑制作用)環境條件共存物質（注意刺激效應、抑制作用）第一節微生物與微生物反應第7頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五第1章緒論（三）微生物反應在環境領域中的應用污染水體、土壤的修復城市污水及工業廢水的生物處理有機廢氣、揮發性有機物(VOC)及還原性無機氣體的生物處理有機廢棄物的堆肥處理工業微生物反應與環境微生物反應器的

不同目的、微生物種類、規模污染物的生物分解與轉化第一節微生物與微生物反應第8頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五(1)為什么說微生物反應類似于化學反應中的自催化反應？(2)微生物反應一般可分為哪幾類反應？(3)微生物反應中的基質有哪些作用？(4)微生物反應的產物有哪幾類？(5)有機物的微生物分解反應中產生的能量有哪些用途？本節思考題第一節微生物與微生物反應第9頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物反應綜合方程二、細胞產率系數三、代謝產物的產率系數第二節微生物反應的計量關系本節的主要內容第10頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物反應綜合方程（一）微生物濃度的表達方式活性污泥：C5H7O2N

C60H87O23N12P

C118H170O51N17P

C7H10O3N大腸桿菌:C4.2H8O1.3N在一定條件下，同一類微生物的細胞元素組成可以視為相對穩定。（二）微生物細胞的組成式一般用重量濃度表示：單位體積培養液中所含細胞的干燥重量來表示(g－drycell/L)。表15.2.1表15.2.2第二節微生物反應的計量關系第11頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五好氧微生物反應：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）微生物反應的綜合計量式產物產率系數(productyield)。細胞產率系數(cellyield)第二節微生物反應的計量關系第12頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五計量學限制性物質：

細胞生長過程中首先完全消耗掉的物質生長速率限制性基質：

在一定的環境條件下，向反應系統中加入某一基質，能使微生物生長速率增加，則該基質被稱生長速率限制性基質。（富營養化湖泊的營養限制因子）第二節微生物反應的計量關系第13頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五反應系統中細胞的生長量（細胞干燥重量）與反應消耗掉的基質的重量之比（單位：g-drycellformed/g-substrateconsumed） 二、細胞產率系數（一）以基質重量為基準的細胞產率系數Yx/s(15.2.6)Yx/s值的大小：可能小于1，也可能大于1第二節微生物反應的計量關系第14頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五表15.2.3細菌的細胞產率系數微生物基質Y

x/s［g?g-1］Saccharomycescereviside葡萄糖（好氧）0.53Saccharomycescereviside葡萄糖（厭氧）0.14Aerobacteraerogenes葡萄糖（好氧）0.40Aerobacteraerogenes乳酸0.18Aerobacteraerogenes丙酮酸0.20EscherichiaColiNH4+3.5CandidautilisNH4+10~22第二節微生物反應的計量關系第15頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五間歇培養過程中的細胞產率總細胞數培養時間細胞個數總產率系數(overallcellyield)微分產率系數(differentalcellyield)第二節微生物反應的計量關系第16頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（二）以碳元素為基準的細胞產率系數Yx/c值的大小：只能小于1，一般在0.5－0.7之間。第二節微生物反應的計量關系第17頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五好氧微生物反應：CHmOn＋aNH3＋bO2=Yx/cCHxOyNz＋Yp/cCHuOvNw＋(1-Yx/c-Yp/c)CO2＋cH2O （三）以氧消耗量為基準的細胞產率系數第二節微生物反應的計量關系第18頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五

以葡萄糖(C6H12O6)為碳源，NH3為氮源，在好氧條件下培養某細菌，得到的細胞的元素組成為CH16.6O0.273N0.195。設該細菌的Yx/c=0.65，反應產物只有CO2和水。試計算Yx/s和Yx/o。解：將葡萄糖的元素組成式寫為CH2O，且根據題意Yp/c=0，則微生物反應的計量方程如下：根據基質和細胞的元素組成可得：

＝12/(12+1×2+16×1)=0.4

＝12/(12+1.66×1+0.273×16+0.195×14)=0.578例題15.2.1第二節微生物反應的計量關系第19頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五根據Yx/s與Yx/c的關系：由計量方程，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解上述聯立方程得：a=0.127，b=0.264，c=0.651

Yx/o=Yx/c?(12+x+16y+14z)/32b=1.60kg?kg-1第二節微生物反應的計量關系第20頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五每消耗1mol的基質實際產生的ATP量（四）以ATP為基準的細胞產率系數以基質分解反應生成的ATP量為基準表示細胞的產率Yx/ATP(單位：g-cell/mol-ATP)定義為：(15.2.13)YATP/s：1mol的基質全部用于產能時產生的ATP量Ye：消耗基質中用于產能的比率YE＝1－Yx/c第二節微生物反應的計量關系第21頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五(15.2.15)(15.2.16)(15.2.17)Yx/ATP＝8~11，平均10利用該式可以從理論上計算細胞產率系數第二節微生物反應的計量關系第22頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五解：1mol葡萄糖生成的菌體量Δ

X為：

Δ

X=1.0?Yx/s=1.0×180=180g-cell1mol葡萄糖糖酵解產生的ATP量：2mol某假單胞菌在好氧條件下，以葡萄糖為基質時的細胞產率系數為：Yx/s=180g-cell/mol-glucose，Yx/o=30.4g-cell/mol-O2，若基質水平磷酸化的ATP生成量為2mol(ATP)/mol-glucose，呼吸鏈反應的ATP生成量YATP/O（1摩爾氧原子生成的ATP的摩爾數）為1。試求出Yx/ATP。例題15.2.2第二節微生物反應的計量關系第23頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五1mol葡萄糖分解所產生的總ATP量：2＋11.8=13.8molATP1mol葡萄糖經呼吸鏈產生的ATP量：第二節微生物反應的計量關系第24頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（五）以有效電子數為基準的細胞產率系數以有效電子(availableelectron)為基準的細胞產率系數Yx/av.e-（單位：g-cell/mol-av.e-)：(15.2.20)ΔnO2：每摩爾的基質完全燃燒時需要的氧的摩爾數第二節微生物反應的計量關系第25頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五解：葡萄糖的分子量Ms=12×6+1×12+16×6=180葡萄糖完全燃燒時的需要量ΔnO2＝6mol-O2/mol-glucose故：已知某細菌在以葡萄糖為基質時的Yx/s=0.404g-cell/g-glucose，試求Yx/av.e-例題15.2.3第二節微生物反應的計量關系第26頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五三、代謝產物的產率系數代謝產物的產率系數(Yp/s)定義為：以碳元素為基準的代謝產物的產率系數Yp/c：(15.2.22)(15.2.21)第二節微生物反應的計量關系第27頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五(1)什么是計量學限制性基質？(2)什么是生長速率限制性基質？(3)細胞產率系數有哪些用途？(4)細胞產率系數有哪幾種？它們取值范圍各是什么？(5)什么是有效電子？如何計算？(6)

什么是代謝產物的產率系數？

本節思考題第二節微生物反應的計量關系第28頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物生長速率二、基質消耗速率三、微生物生長速率與基質消耗速率的關系四、代謝產物的生成速率第三節微生物反應動力學本節的主要內容第29頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物生長速率（一）微生物的生長速率的定義(15.3.1)X：活細胞濃度(mg/L)μ：比生長速率(specificgrowthrate，1/h)Td：倍增時間(doublingtime)第三節微生物反應動力學第30頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五用50mL的培養液培養大腸桿菌，大腸桿菌的初期總量為8×105cell，培養開始后即進入對數生長期（無誘導期）。在284min后達到穩定期（細胞濃度3×109cell/mL），試求大腸桿菌的μ

和td。（設在培養過程中μ

保持不變）解：開始時的細胞濃度X0=8×105/50=1.6×104cell/mL。根據細胞增長方程例題15.3.1第三節微生物反應動力學第31頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五設培養過程中μ

保持不變，則第三節微生物反應動力學第32頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五微生物的Logistic增長曲線時間tXdX/dt=a(Xm-X)XXm第三節微生物反應動力學第33頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（二）微生物生長速率與基質濃度的關系S：生長限制性基質的濃度(mg/L)μmax

：最大比生長速率(1/h)Ks：飽和系數(mg/L)。Ks與μ＝μmax/2時的S值相等Monod（莫諾特）方程第三節微生物反應動力學第34頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五①隨著細胞重量的增加，細胞內所有物質如蛋白質、RNA、DNA、水分等以同樣的比例增加，即細胞內各組分含量保持不變。這種生長稱為協調型生長（balancedgrowth）。②系統中各細胞具有相同的生理生化特性，或不考慮細胞間的差異，即用平均性質和量來描述。③培養系統中只存在一種生長限制性基質，其它成分過量存在且不影響微生物的生長。④在培養過程中，細胞產率不變，為一常數。Monod方程成立的假設條件第三節微生物反應動力學第35頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五Monod方程與麥氏(Michaelis-Menten)方程的區別Michaelis-Menten方程中的Ks有明確的物理意義（與基質和酶的親和力有關），而Monod方程中的Ks僅是一個試驗值。Michaelis-Menten方程有理論推導基礎，而Monod方程是純經驗公式，沒有明確的理論依據。第三節微生物反應動力學第36頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五12富營養細胞（Eutroph）與貧營養細胞（Oligotroph）的比較富營養細胞：Ks值較大，在低基質濃度時的生長速率低。貧營養細胞：Ks值較小，在低基質濃度時的亦能快速生長。即能使基質消耗到很低的水平。環境治理中哪種微生物比較理想？第三節微生物反應動力學第37頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五由Monod方程可知，S>0，則μ>0實際上，S<

Smin時，μ＝0（觀察不到微生物的生長）b：自我衰減系數(1/h)考慮維持代謝時的微生物生長速率方程：維持代謝(maintenancemetabolism)自呼吸/內源呼吸(endogenousmetabolism)現象該現象由維持代謝或自呼吸/內源呼吸引起第三節微生物反應動力學第38頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五兩種生長限制性基質共存時的生長速率方程當兩種基質S1和S2均為限制性基質時，微生物的比增長速率可表示為：(15.3.5)第三節微生物反應動力學第39頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（三）抑制性物質共存時的生長速率方程1.基質抑制常見的抑制性基質：苯酚、氨、醇類(15.3.7)HaldaneEquation第三節微生物反應動力學第40頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五P：代謝產物抑制系數(mg/L)KP：代謝產物抑制系數(mg/L)2.代謝產物抑制(15.3.8)該關系式也適合于其它共存物質（非基質)第三節微生物反應動力學第41頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五細胞質(反應區)培養液主體粘液層(擴散區)細胞壁/細胞膜(運輸區)SS’S’’③進入細胞質（反應區）的基質，在細胞內被分解。①從培養液主體穿過粘液層，到達細胞壁表面(有時伴隨著水解反應)②細胞壁表層的基質產物進入細胞質二、基質消耗速率（一）基質消耗反應的微觀步驟第三節微生物反應動力學第42頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（二）分散體系的基質消耗速率1.基質消耗速率的表達式基質消耗速率(volumetricsubstrateconsumptionrate)(15.3.12)細胞(表觀)產率系數比基質消耗速率

(specificsubstrateconsumptionrate，－νs)(15.3.14)定義式第三節微生物反應動力學第43頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五當μ

可以用Monod方程表達時，(15.3.14)可改寫為：(15.3.15)最大比基質消耗速率第三節微生物反應動力學式中νmax為最大比基質消耗速率。第44頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五2.考慮維持代謝的基質消耗速率表達式基質消耗速率=用于微生物生長的消耗速率＋用于維持細胞活性的消耗速率(15.3.16)細胞真實產率系數(15.3.17)第三節微生物反應動力學第45頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五(15.3.17)(15.3.14)(15.3.19)第三節微生物反應動力學(15.3.18)第46頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五以葡萄糖為唯一碳源，在好氧條件下（30℃，pH

7.0）用連續培養槽培養固氮菌AzotobacterVinelandii，通過改變稀釋率，測定不同μ時的Yx/s的數據如下：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試求出該固氮菌的細胞真實產率系數Yx/s*和維持系數mx。例題15.3.2第三節微生物反應動力學第47頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五解：根據對1/Yx/s~1/μ作圖得一直線。該直線的截距為5.5，故Yx/s*=1/5.5=0.18g-cell/g-glucose；直線的斜率為4，故mx=4g-glucose/g-cell。第三節微生物反應動力學第48頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五3.氧攝取速率mx,O2——維持系數，kg-O2consumed/(kg-cellh)；-νO2——比氧消耗速率，kg-O2consumed/(kg-cellh)。

第三節微生物反應動力學第49頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（三）生物膜的基質消耗速率1．微生物膜的物料衡算與基本方程微生物膜：附著生長在固體表面上的微生物的聚集體。可視為固體催化劑固體微生物膜液相第三節微生物反應動力學第50頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五固體微生物膜液相基質S在厚度為dz，面積為dxdy的微小單元內的物料衡算（微生物膜表面光滑、內部均勻）擴散進入量：擴散出的量：反應消耗量：基質在微生物膜內的有效擴散系數以微生物膜體積為基準的基質消耗速率第三節微生物反應動力學第51頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五在穩態狀態下：擴散進入量＝擴散出的量＋反應消耗量微生物膜的基本方程(15.3.27)與(14.2.2)比較第三節微生物反應動力學第52頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五2．微生物膜內的基質濃度分布微生物膜內的基質消耗反應為一級反應時微生物膜的密度，即膜內的微生物濃度。固體微生物膜液相(15.3.29)邊界條件：z＝0，S＝S*掌握膜內各處的濃度對評價生物特性，指導操作有重要意義第三節微生物反應動力學第53頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五球形催化劑的西勒數(15.3.39)修正西勒數第三節微生物反應動力學第54頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五－rss定義式如下：3．以微生物膜表面積為基準的反應速率微生物膜單位體積的反應速率難以計算，以微生物膜表面積為基準的基質消耗速率(－rss)較易計算。－rss＝ksS*S*：可近似認為等于液相主體濃度Sb以微生物膜表面積為基準的反應速率常數，m/h第三節微生物反應動力學第55頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五－rss與－rs的關系式:一級反應－rss值與膜厚度有正相關關系(15.3.42)(15.3.47)第三節微生物反應動力學第56頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五微生物膜面積基準的基質消耗速率與擴散速率的關系固體微生物膜(15.3.39)

(15.3.45)第三節微生物反應動力學第57頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五微生物膜面積基準的基質消耗速率的最大值(15.3.47)固體微生物膜求解微生物膜基本方程(15.3.27)得(15.3.55)第三節微生物反應動力學第58頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五4.微生物膜的有效系數(15.3.57)

(15.3.58)第三節微生物反應動力學第59頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五已知葡萄糖在一微生物膜中的降解反應可視為一級反應，在20℃時的速率常數為1.2×10-2m3/(g?h)。已知葡萄糖在微生物膜中的擴散系數為1.06×10-6m2/h，微生物膜的干燥密度為2.0×104g/m3。試分別計算微生物膜厚度為10μm和100μm時的以微生物膜表面積為基準的反應速率常數。例題15.3.3第三節微生物反應動力學第60頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五解：已知：Dsf=1.06×10-6m2/h，xf=2.0×104g/m3，

k=1.2×10-2m3/(g?h)。所以：δ＝10μm時，同理：δ＝100μm時，故：第三節微生物反應動力學第61頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五三、微生物生長速率與基質消耗速率的關系在環境工程中，常常需要根據污染物的生物降解速率預測微生物的生長量(15.3.16)(15.3.60)(15.3.59)常數b第三節微生物反應動力學第62頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五在污水生物處理中Yx/s*：污泥真實轉化率或污泥真實產率

b：微生物的自身氧化率(衰減系數)

污水的活性污泥法處理系統的b值為0.003-0.0081/h(15.3.61)第三節微生物反應動力學第63頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五四、代謝產物的生成速率代謝產物的生成速率（兩種生成速率之和）根據生成途徑分類細胞生長偶聯產物（growthassociatedproducts）：與細胞生長有關的產物，生成速率正比于細胞生長速率非生長偶聯產物（non－growthassociatedproducts）：與細胞生長無關的產物，其生成速率正比于細胞濃度式中rp為產物的生成速率，α和β為常數。rp＝αrx+βX

(15.3.62)第三節微生物反應動力學第64頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五(1)什么是微生物的比生長速率？(2)Monod方程中的最大比生長速率和飽和系數各表達什么意義？(3)與富營養細胞相比，貧營養細胞的飽和系數有何特點？(4)影響以微生物膜表面積為基準的基質消耗速率的主要因素（主要指與微生物膜和基質本身特性有直接關系的主要因素，不包括溫度、pH等環境條件）有哪些？(5)試比較固體催化劑的有效系數與微生物膜的有效系數的定義有何不同？

本節思考題第三節微生物反應動力學第65頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物的間歇培養二、微生物的半連續培養三、微生物的連續培養第四節微生物反應器的操作與設計本節的主要內容第66頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五微生物反應器設計的關鍵：確定細胞和基質濃度的隨時間/操作條件/

反應器體積等的變化方程。利用的基本關系式細胞生長速率方程，基質消耗速率方程，細胞物料衡算式，基質的物料衡算式。第四節微生物反應器的操作與設計第67頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五一、微生物的間歇培養應用：實驗室內的微生物生長特性、生理生化特性、污染物的生物降解研究以及污水的間歇生物處理、有機廢棄物的堆肥（固相培養）BOD的測定：可視為微生物的間歇培養過程。第四節微生物反應器的操作與設計第68頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（一）微生物的生長曲線(growthcurve)培養時間tlgX(i)(ii)(iii)(iv)(v)(vi)(i)延滯期(ii)加速期(iii)對數生長期(iv)減速期(v)穩定期(vi)死亡期最大收獲量(maximumcrop)第四節微生物反應器的操作與設計第69頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五假設微生物的生長符合Monod方程，且細胞產率系數Yx/s為一常數，上述物料衡算式可表示為：間歇培養中細胞和基質的物料衡算式(15.4.1)(15.4.2)解聯立方程即可求出X和S隨時間的變化但因間歇培養過程中，細胞和基質濃度均隨時間變化而變化方程式的解析非常困難，一般需要利用數值解析法。（一）間歇操作的設計方程第四節微生物反應器的操作與設計第70頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五間歇操作的簡化解析簡化方法：忽略mx項，以Yx/s代替Yx/s*，并認為Yx/s為恒定值(15.4.7)(15.4.9)X′＝X0+S0Yx/s

第四節微生物反應器的操作與設計第71頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五

某細菌利用基質S時的生長規律符合Monod方程，已知其最大比生長速率為0.41/h,ks值為0.074kg/m3，Yx/s為0.5，試求出當基質初期濃度為10kg/m3，細菌初期濃度為0.110kg/m3時的間歇培養過程中S和X的時間變化曲線。

例題15.4.1第四節微生物反應器的操作與設計第72頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五解：根據已知的數據，利用(15.4.9)式和(15.4.8)式計算出不同時間的S和X，并繪于圖15.4.2.

t(h)S0=10SX0=0.1XX，

S（kg?m-3）024680246810

第四節微生物反應器的操作與設計第73頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五半連續培養操作（semi－batchculture）又稱流加操作或分批補料操作（fed－batchculture）。操作方式：開始時將基質和接種微生物放入反應器，在培養過程中，將基質連續加入，微生物和產物等均不取出。特點：細胞與基質濃度、體積均變化二、微生物的半連續培養第四節微生物反應器的操作與設計第74頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五半連續培養的應用：研究微生物生長動力學、生理特性等。微生物的高濃度培養。高濃度基質對微生物有毒害作用時，可通過流加培養，控制反應器中基質的濃度始終處于低濃度水平。反應系統需要較長的反應時間時的微生物培養。第四節微生物反應器的操作與設計第75頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五體積流量:qvS、V、X基質濃度:Sin菌體濃度:Xin=0半連續培養的物料衡算假設反應器內流體完全混合，只有一種限制性基質，微生物均衡生長，細胞產率系數恒定(15.4.10)(15.4.11)(15.4.13)第四節微生物反應器的操作與設計第76頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五半間歇操作的簡化解析簡化假設：在培養初期，基質濃度大量存在(15.4.16)（成立條件：培養初期）培養后期要有用(15.4.13)式計算(15.4.15)呈指數形式增長VS=0第四節微生物反應器的操作與設計第77頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五VXVSVt

（h）VX，VS

（kg）V×

103

（m3）0123450.000.010.020.030123

半連續培養反應器中微生物及基質濃度的時間變化曲線VX的變化特點？VS的變化特點？第四節微生物反應器的操作與設計第78頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五三、微生物的連續培養操作方式：將不含有菌體和產物的物料（培養液、污水等）連續加入反應器，同時連續將含有微生物細胞和產物的反應混合液取出。連續操作通常以間歇操作開始，即開始時先將培養液加入反應器，將微生物接種后進行間歇培養，當限制性基質被基本耗盡或微生物生長達到預期濃度時開始連續加入培養液，同時排出反應后的培養液。

優點：轉化率易于控制，反應穩定，勞動強度低等優點應用：污水處理、在實驗室的研究中活性污泥的培養、污水生物處理試驗等第四節微生物反應器的操作與設計第79頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五①可以對微生物施加一定的環境條件，進行長期穩定的培養。②可以對微生物進行篩選培養。（根據比增長速率）③連續培養中可以獨立改變的參數多，適用于微生物生理生化特性的研究。④微生物連續培養中最大的困難是染菌，因此連續操作適用于對純培養要求不高的情況。

微生物的連續培養操作的特點：第四節微生物反應器的操作與設計第80頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五（一）不帶循環的連續操作假設條件：反應器內流體完全混合，只有一種限制性基質，微生物均衡生長，細胞產率系數恒定1.連續培養反應器的基本方程微生物細胞的物料衡算式為：qVX0－qVX＋rxV＝0

體積流量:qVS、V、X基質濃度:S0菌體濃度:X0=0qVSe=SXe=X第四節微生物反應器的操作與設計第81頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五在微生物的連續培養中，微生物的比生長速率與稀釋率相等μ＝D

可以通過改變稀釋率調節反應器內的微生物的生長速率第四節微生物反應器的操作與設計第82頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五2.反應器內基質濃度的計算方程當微生物的生長符合Monod方程時(15.4.24)(15.4.25)第四節微生物反應器的操作與設計第83頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五3.反應器內細胞濃度的計算方程限制性基質的物料衡算式可表示為：qVS0＝qVS＋(－rs)V

(15.4.26)(15.4.34)－rs＝－νsX

D=

μ

＝－νsYx/s

第四節微生物反應器的操作與設計第84頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五4.反應器穩定運行的必要條件必要條件：X大于0Dc稱臨界稀釋速率(criticaldilutionrate)“洗脫現象(washout)”

D>Dc時，反應器操作從啟動初期等的間歇操作切換到連續操作時，反應器內微生物濃度將逐漸減少(15.4.34)第四節微生物反應器的操作與設計第85頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五X,S(kg?m-3)rx(kg?m-3?s-1)稀釋速率D(h-1)rXSDcX00.20.40.60.81.00246810012345

微生物濃度、基質濃度及微生物產率與稀釋率的關系（連續培養器）第四節微生物反應器的操作與設計第86頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五某細菌連續培養的生長速率rx與基質濃度S和細胞濃度X的關系符合Monod方程，已知μm=0.51/h，Ks=2g/L，Yx/s=0.45g-cell/g-substrate，S0=48g/L。試計算在連續培養器中培養時的最大細胞生產速率和此時的基質分解率。例題15.4.2

第四節微生物反應器的操作與設計第87頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五求d(DX)/dD，并令其為0可得：將μmax，Ks和S0代入可求得：Dmax=0.41/h。由式(15.4.34)可得：解：細胞生產速率rX=D?X第四節微生物反應器的操作與設計第88頁，共99頁，2022年，5月20日，8點16分，星期五

所以，由式(15.4.34)可求得