微生物反应器1015课件.ppt

1、第六章 微生物反应器微生物反应器特点与分类 什么叫微生物反应器？微生物反应器是利用微生物的生命活动来实现物质转化的一种反应器。关于反应器分类和操作的一般理论都适用于微生物反应器。微生物反应器有什么特点？活性微生物既是生物反应的产物，同时又参与反应从而影响反应速度（类似于化学反应中的自催化反应）。微生物反应器特点与分类 微生物反应器的几种形式（1）悬浮微生物反应器：微生物主要以游离细胞或微小絮体（flocs）形式存在（2）附着微生物反应器（生物膜反应器）：微生物主要以生物膜（biofilm）的形式存在（3）附着-悬浮混合微生物反应器：游离细胞、絮体和生物膜共存并都对生物反应有贡献微生物反应器设计

2、的关键：确定细胞和基质浓度随时间/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、基质的物料衡算式微生物反应器特点与分类6.1 悬浮微生物反应器 间歇、半连续、连续悬浮微生物反应器6.2 生物膜反应器 全混流、平推流生物膜反应器 第六章 微生物反应器本章主要内容6.1.1 间歇悬浮微生物反应器6.1.2 半连续悬浮微生物反应器6.1.3 连续悬浮微生物反应器6.1 悬浮微生物反应器本节的主要内容6.1.1 间歇悬浮微生物反应器应用：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

3、）BOD的测定：可视为微生物的间歇培养过程。6.1 悬浮微生物反应器6.1.1.1 微生物的生长曲线(growth curve)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(maximum crop)6.1 悬浮微生物反应器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：XrtXXddSddrtS间歇培养中细胞和基质的物料衡算式XmYrtSX*X/SXddXSKSXtXsmaxdd(6.1.1)(6.1.2)解联立方程即可求出X和S随时间

4、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。6.1.1.2 间歇操作的设计方程6.1 悬浮微生物反应器XmYrtSX*X/SXdd间歇操作的简化解析简化方法：忽略mX项，以YX/S代替 ，并认为YX/S为恒定值tXYtSdd1ddX/SX/SXddYrtS)(10X/S0XXYSS*X/SY6.1 悬浮微生物反应器0X/S0X/SX/SS YXXXXSYY令XX0+S0YX/S 6.1 悬浮微生物反应器代入式（6.1.1），积分可得：tXXXXXYKXXXYKmax0X/Ss0X/Sslnln)1(6.1.9a)X/SXXSY当KS

5、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)(maxs0X/SDDKSYX(6.1.34)6.1 悬浮微生物反应器X,S/(kgm-3)rX/(kgm-3 h-1)稀释速率 D/h-1rX=DXSDcX00.20.40.60.81.00246810012345 1X/S303s1maxkg0.5kgm10kgm0.2kg1hYSK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）6.1 悬浮微生物反应器【例题6.1.4】某细菌连续培养的生长速率rx与基质浓度S和细胞浓度X的关系符合Monod方程，已知max=0.5 h1，Ks=2 g/L，

6、Yx/s=0.45 g（细胞）/g（基质），S0=48 g/L。试计算在连续培养器中培养时的最大细胞生产速率和此时的基质分解率。6.1 悬浮微生物反应器sX/S0max()K DDXDYSD求d(DX)/dD，并令其为0可得：smaxmax0s(1)KDSK将max，Ks和S0代入可求得：Dmax=0.4 h1。由式(6.1.34)可得：)(maxs0X/SDDKSYX解：细胞生产速率=DX6.1 悬浮微生物反应器 所以，%3.83%10048848%10000SSS基质分解率由式(6.1.34)可求得Xmax18 g（细胞）/L。所以，DmaxXmax=0.418=7.2 g/(Lh)(ma

7、xs0X/SDDKSYXg/L84.05.04.02maxmaxmaxsDDKSDDKSmaxs(6.1.25)由式(6.1.25)可知6.1 悬浮微生物反应器【例题6.1.5】细菌A和B利用同一基质S时的生长速率均符合Monod方程。A和B的生长曲线如下图所示。当以S为唯一基质用连续培养器对A和B进行混合培养时，试讨论不同稀释率时培养器内A和B的分布情况。(假定细胞之间互相独立、不发生粘结和絮凝作用而产生絮体)BAXS6.1 悬浮微生物反应器解：设A和B的交点为X。DB，培养器内只存在A，B将被洗脱。D=X时：A=B=X，培养器内A、B可以共存。mBDX时：BA，培养器内只存在B，A将被洗脱

8、。DmB时：A、B均被洗脱。BAxSmBmA6.1 悬浮微生物反应器6.1 悬浮微生物反应器5.考虑维持代谢时的反应器稳定运行条件maxSSDbKSmax0S0SDbKS考虑维持代谢的存在时，临界稀释速率Dc的值减小6.稀释率对Yx/s值的影响X*X/SX/S111mDYYD 越大，YX/S越趋近于 ；D 越小，YX/S越小。如何解释？*X/SY6.1 悬浮微生物反应器6.1.3.2 带细胞浓缩和循环的完全混合微生物反应器 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防止“洗脱

9、”：细胞固定化返回被洗脱的细胞：细胞循环6.1 悬浮微生物反应器Se,XeqVS,X)(1Vq)(1VqS0,X0=0qVe分离器(qV qVe)SXq，Ve ,SXS、V、X上清液浓缩菌体1.基本方程循环比细胞浓缩系数6.1 悬浮微生物反应器以反应器为对象的细胞物料衡算方程XVV)1(ddVrXqqXtXV在稳态条件下，dX/dt0，整理可得(6.1.45)D(6.1.51)1(1(01)6.1 悬浮微生物反应器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DDKSmaxs(6.1.52)(maxs0X/

10、SDDKSYX(6.1.53)0s0maxc1SKSD(6.1.54)6.1 悬浮微生物反应器6.1 悬浮微生物反应器3.微生物比增长速率的计算以分离器为对象，对微生物进行物料衡算eee(1)()VVVVVq Xq XX qX qqeee1(/)(/)1/VVVVqqXXqq1/1)/)(/(11VVeeVVeqqXXqqD(6.1.58)当Xe0，即上清液不含微生物细胞时 VVeVVe/1)/1)(1(qqqqD当Xe/X=1，即分离器对细胞没有浓缩作用时 D当qVe=qV时，即不排出微生物细胞浓缩液时 XXDe6.1 悬浮微生物反应器6.1.3.3 多级串联完全混合微生物反应器假设条件：第

11、一级反应器进口X0=0，各级反应器体积V相同，操作条件也相同，细胞产率系数YX/S恒定对于第一级反应器：6.1 悬浮微生物反应器1DS1maxK DSDS1X/S0max()K DXYSD6.1 悬浮微生物反应器对于第二级反应器：12X20VVq Xq Xr VX22122Vr VqXXX V211222=1VqXXXDVXX可以看出，2 Dc，所以反应器中微生物细胞将被洗脱，无法正常生长，稳态时S=S0=3 g/L（3）如果在qV=3 L/min的条件下操作，出口基质浓度S=1/3 g/L，则该CSTR的体积为多少？解：由Smax11g/L23K DDSDD解得D=0.5 min-1，因此反

12、应器体积12L0.5VqVD6.1 悬浮微生物反应器（4）如果在两级串联CSTR反应器中进行上述反应，两个反应器体积均为1 L，qV=1 L/min，此时出口基质浓度S2为多少？解：对于第一级反应器，其出口基质浓度由（1）可知为S1=1 g/L，1X/S01()0.5(3 1)1g/LXYSS将X1、S1代入2212X/SSSXDY122DXXD联立以上两式，整理可得max222S2221SSKSS222410SS 求解方程得到S2=0.27 g/L6.1 悬浮微生物反应器（5）如果对上述反应采用菌体沉淀再循环的操作方式，已知X0=0，S0=3 g/L，YX/S=0.5 g/g，V=1 L，q

13、V=1 L/min，=0.5，=2，细胞浓缩液不排出，求最终反应系统出口的微生物细胞浓度Xe和基质浓度Se各为多少？解：1(1)10.5210.5 111min1VqDVSmax1 0.5 11g/L20.5 13KDSDX/SS0max0.51 0.5 18()(3)g/L0.520.5 13YKDXSD6.1 悬浮微生物反应器对细胞分离器进行微生物细胞的物料衡算e1+VVVq XqXq Xe4=g/L3X可得对整个系统进行基质的物料衡算e0eX/SVVVXq Sqq SYe1=g/L3S可得(1)微生物的间歇培养生长曲线可分为哪几个阶段？什么是最大收获量？(2)微生物的半连续培养的操作方式

14、有何特点？(3)在微生物的半连续培养中，反应器内基质浓度会出现先增加后减少的现象。为什么出现这种现象？(4)什么是稀释率？微生物的连续培养系统（没有细胞循环系统）中，稀释率的最大值是什么？本节思考题6.1 悬浮微生物反应器(5)在微生物的连续培养系统中，能否控制微生物的比生长速率？如何实现？(6)什么是微生物连续培养中的“洗脱现象”？为什么会出现这种现象？(7)细胞循环反应器可以在大于微生物比生长速率的稀释率条件下稳定运行，为什么？本节思考题6.1 悬浮微生物反应器6.2.1 完全混合生物膜反应器6.2.2 平推流生物膜反应器6.2.3 生物膜反应器设计计算方程的简化6.2.4 生物膜厚度对反

15、应器性能的影响6.2 生物膜反应器本节的主要内容6.2.1 完全混合生物膜反应器完全混合生物膜反应器（completely mixed biofilm reactor,CMBR）完全混合附着微生物反应器 6.2 生物膜反应器 附着有微生物膜的固体填料均匀地悬浮在培养液中 微观上看微生物细胞集中在固体表面，分布不均匀 从宏观上看，单位体积培养液中的微生物平均浓度处处相等，可以视为完全混流反应器。6.2 生物膜反应器aVrSqSqdtdSVV)(ssev0-rss微生物膜表面积为基准的基质消耗速率(kg/(m2 h)；S 基质浓度，kg/m3 基质的物料平衡式)()(e0VssSSqaVr稳态时：

16、（6.2.1）（6.2.2）6.2 生物膜反应器Vm2/1fsf0e/tanh)(1qVakXDSSV2/1fsf0e/)(1qaVkXDSSm*2/1fsfStanh)(SkXDNrS(5.3.48)（6.2.3）微生物膜厚度(Dsf/kXf)1/2时，tanh?m趋近于1，故：（6.2.4）Se=S*6.2 生物膜反应器 增大基质在生物膜中的反应速率常数和扩散速度 提高培养液中生物膜的比表面积 增加物料（培养液）在反应器中的空塔停留时间（V/qV)式（6.2.4）表明，以下措施均可以降低CMBR出口的基质浓度（即提高反应器对基质的去除率）：6.2 生物膜反应器微生物细胞的物料衡算式0)(e

17、V*/ssXqYaVrSX（6.2.5）m*2/1fsfStanh)(SkXDNrS(5.3.48)Se=S*6.2 生物膜反应器V*/e2/1fsfe)(qaVYSkXDXSXVm*/e2/1fsfetanh)(qaVYSkXDXSX（6.2.6）微生物膜厚度(Dsf/kXf)1/2时，tanh?m趋近于1，故：（6.2.7）6.2 生物膜反应器6.2.2 平推流生物膜反应器6.2 生物膜反应器 在固体填料固定填充在反应器中，物料（培养液）在附着有生物膜的固体填料层中流动，且符合平推流特征（轴向不存在返混）时，可以将这类反应器视为平推流生物膜反应器0)(ssVaAdxrdSqx基质的物质平衡

18、式（6.2.8）dxqaAkXDSdSxxV2/1fsfm)(tanh（6.2.9）6.2 生物膜反应器V2/1fsfmV2/1fsfm/)(tanh0/)(tanh0eqaVkXDqaAHkXDeSeSS（6.2.10）与固相催化宏观反应动力学类似，如果考虑单位体积填料层中生物膜的宏观基质反应速率，可以将生物膜反应器的设计公式简化。令Vm2/1fsf0e/tanh)(1qVakXDSS（6.2.3）V0VV0e1/1kSqVkSS（6.2.13）6.2 生物膜反应器（6.2.11）6.2.3 生物膜反应器设计计算方程的简化VVV0/0ekqVkeSeSS（6.2.14）对于平推流生物膜反应器

19、（同完全混合反应器）6.2 生物膜反应器V2/1fsfmV2/1fsfm/)(tanh0/)(tanh0eqaVkXDqaAHkXDeSeSS（6.2.10）将代入式（5.3.48），可得（6.2.12）*Vss)(SkarS*微生物膜表面的基质浓度，kg/m3。kV反应体积为基准的反应速率常数。kV的物理意义 6.2 生物膜反应器m*2/1fsfStanh)(SkXDNrS微生物膜过度增长会导致填料层堵塞 6.2 生物膜反应器6.2.4 生物膜厚度对反应器性能的影响(1)完全混合生物膜反应器中，除附着在填料表面的微生物膜外，往往还存在一定浓度的悬浮微生物。试分析影响悬浮微生物的浓度的主要因素有哪些？(2)分析影响完全混合微生物膜反应器中出口基质浓度的影响因素？如果降低出口基质浓度？(3)分析生物膜的厚度对生物膜反应器运行效果的影响。本节思考题6.2 生物膜反应器谢 谢！