微生物反应器20161015

Monod方程，已知其最大比生长速率为0.84 h-1，
Ks值为0.074 kg/m3，YX/S为0.5 kg (细胞) /kg (基质) ，
试求出当基质初期浓度为10 kg/m3，细菌初期浓度
为0.110 kg/m3时，间歇培养过程中S和X的时间变
化曲线。
6.1 悬浮微生物反应器
解：根据已知的数据，利用(6.1.9)式和(6.1.8)式计算出 不同时间的S和X，并绘于图6.1.2.
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）。
dS rX dt Y X/S
dS 1 dX dt Y X/S dt
S0 S
1 Y X/S
(X X0)
令X´＝X0+S0YX/S
S0Y X/S X X 0 X X S Y X/S Y X/S
6.1 悬浮微生物反应器
X X S Y X/S
代入式（6.1.1），积分可得：
Biomass forms in wastewater treatment systems
Biomass in wastewater treatment system Suspended growth
Sludge granules
Supported/Attached growth (biofilm)
本节的主要内容 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
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）
BOD的测定：可视为微生物的间歇培养过程。
• Tricking filter • Rotating biological contactor • Biological activated filter • Anaerobic
Dispersed growth • Lagoons
Flocculated growth
• Activated sludge • Anaerobic sludge • Blanket reactor
微生物反源自文库器特点与分类
• 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
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
第六章 微生物反应器 本章主要内容
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
6.1 悬浮微生物反应器
6.1 悬浮微生物反应器
6.1.1.1 微生物的生长曲线(growth curve)
(i) (ii) (iii) (iv) (v) (vi)
(i)延滞期
(ii)加速期
lgX
(iii)对数生长期
(iv)减速期
(v)稳定期 (vi)死亡期 培养时间t
最大收获量(maximum crop)
6.1 悬浮微生物反应器
KsYX/S X KsYX/S X X (1 ) ln ln maxt X X0 X X X0
当KS<<S0，且X´≈X0时，式（6.1.9a）可简化为
(6.1.9a)
X ln maxt X0
(6.1.9b)
6.1 悬浮微生物反应器
【例题6.1.1】某细菌利用基质S时的生长规律符合
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
6.1 悬浮微生物反应器
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
Hybrid growth
• Fluidized bed reactor • Expanded bed reactor • Immersed media systems • Porous support systems • Carriers activated sludge
微生物反应器特点与分类
微生物反应器设计的关键：
6.1.1.2 间歇操作的设计方程
间歇培养中细胞和基质的物料衡算式
dX rX X dt
dS rS dt
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：
maxS dX X X dt Ks S
dS rX * mX X dt YX/S
(6.1.1) (6.1.2) 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。
6.1 悬浮微生物反应器
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
dS rX * mX X dt YX/S
10 S0=10 8 X,S /(kg•m-3) S 6 4
μmax 0.84h 1 Ks 0.074kg m 3 YX/S 0.5kg kg 1
X
2
X0=0.11 0 0 2 4 t /h 6 8
6.1 悬浮微生物反应器
6.1.2 半连续微生物反应器 半连续培养操作(semi-batch culture)又称流加操作或 分批补料操作(fed-batch culture)。