化学计量学和细菌能量学资料课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化学计量学和细菌能量学,化学计量学和细菌能量学,质量平衡应用于生物处理系统工程设计中,生物处理系统工程设计中，,质量平衡,可能是最重要的基,本概念。对于定量的废物，质量平衡用于确定：,1,）为满足微生物的能量、营养和环境需求而需要提供的化,学物质的量。,化学物质的例子有：作为电子供体的氧、供微生物长,的氮和磷、将,pH,值保持在适当范围的石灰和硫酸等。,2,）另外，还可以估算系统中最终产物的量。,最终产物的例子有：需要花费大量资金处置的剩余微,生物（污泥）和产自厌氧系统，可以作为能源加以利用的甲,烷。,质量平衡应用于生物处理系统工程设计中 生物处理系统,化学计量学,如何具体的将,质量平衡,的原理应用于生,物处理系统工程设计中？从而可以定量的掌,握生物处理系统工程设计？,化学计量学,化学计量学 如何具体的将质量平衡的原理应用于生,化学计量学,化学计量学,是一门通过统计学或数学方法将对化学体系的测量值与体系的状态之间建立联系的学科。由于化学反应而引起反应物系组成变化的计算方法，是对反应过程进行物料衡算和热量衡算的依据之一。,化学反应平衡方程式,是基于化学计量学建立的，过程中反应物和产物之间的摩尔关系。是化学反应过程中反应物和产物之间的摩尔关系。,化学计量学化学计量学是一门通过统计学或数学方法将对化学体系的,化学计量方程式举例,最早的废水生物氧化的平衡方程式之一,C,3,H,12,O,3,N,2,+3O,2,C,5,H,7,O,2,N+NH,3,+3CO,2,+H,2,O,酪蛋白 细菌细胞,相对分子量：,184 96 113 17 132 18,=280 =280,方程式说明了什么呢？,化学计量方程式举例最早的废水生物氧化的平衡方程式之一,化学计量方程式举例,方程式表明，为了使反应正常进行，微生物每,消耗,184g,酪蛋白必须提供,96g,氧。这个反应产生,113g,新的细胞物质、,17g,氨（或者,14g,氨氮）,132g,二氧化碳以及,18g,水。,这些知识对于设汁酪蛋白生物处理系统是必须,的。例如，当处理,1000kg/d,酪蛋白时，必须通过曝气提洪,520kg/d,的氧，有,610kg/d,生物固体（也就干污泥）需要进行脱水和处置。,化学计量方程式举例 方程式表明，为了使反应正常进行，微生物每,如,Porges1956,年从经验数据推导出方程式，我们可以预知这一反应的化学计量学。但有些问题要解决。,细菌细胞具有高度复杂的结构，含有多种碳酸盐、蛋白质、脂肪和核酸，有些相对分子质量很大。微生物所包含的元素确实远远多于式中的,4,种（,C H O N,），例如，磷、硫、铁以及其他一些以痕量存在的元素。人们常常认为，一个经验分子式应该包含更多的元素。,Porges,等只选择了,4,种主要元素来表示。通常，这基本上是能够满足应用的需要。只要知道形成细菌细胞的特定反应，就可以通过它来确定分子式中未表示出的元素的需求量。例如，磷通常占细菌细胞有机物干重的,2%,，因此，如果在处理过程中消耗了,1000kg/d,酪蛋白，废水中就需要存在,(,或者加,)0.02610kg/d,或者,12kg/d,磷酸一磷，以满足细菌的需求。,化学计量学,如Porges1956年从经验数据推导出方程式，我们可,化学计量学,研究化学计量学，我们需要,3,个条件：,(1),细胞的经验分子式,;,(2),描述电子供体基质在产生能量和合成之间如何分配的框架,;,(3),将用于合成新的生物体的电子供体基质与从分解代谢获得能量、合成代谢所需要的能量联系起来的方法。（,细胞能量学,）,接下来将依次介绍这,3,个条件。,化学计量学研究化学计量学，我们需要3个条件：,1.,细胞的经验分子式,细胞中各种元素的相对比例取决于,系统含有的微生物,、,用于,产生能量的基质,以及,微生物生长所需的营养物质,等特性。,下表列举了其他研究报道的细胞经验分子。,1.细胞的经验分子式细胞中各种元素的相对比例取决于系统含有的,1.,细胞的经验分子式,分子式的构建,分子式构建是根据废水中含有的有机碳、氢和氮的相对质量,比例，通过常规的有机化学分析，得到每一种元素的含量。,计算需氧量,COD,测量完全氧化单位质量细胞所需要的氧量。是比较细胞经验,分子式的一个极其重要的方法。,1.细胞的经验分子式分子式的构建,1.,细胞的经验分子式,COD,可以从经验公式中得到,如果已知一个生物培养物中,4,种有机元素的质量分配,就,可以很快建立经验分子式,并计算出,COD,。,1.细胞的经验分子式COD可以从经验公式中得到,2.,细胞的经验分子式,例题,.,生物体的经验分子式：,将一个生物培养物样品送到化学实验室，分析其有机成,分中各个主要元素的质量分数。在实验室将样品蒸发干燥，,然后再放入,150,的烘箱中过夜去除所有水分。干燥后，分,析残余的有机部分，随后，将样品放在,550,的马福炉中燃,烧，测定灰分的质量。灰分包括样品中的磷、硫、铁和其他,无机元素。结果发现，细胞的组成（质量分数为）,48.9%,的,C,5.2%,的,H,24.8%,的,O,9.46%,写的,N,和,9.2%,的灰分。请写出,细胞的经验分子式，如果假设,c=1,，确定细胞的,COD/,有机物,质量比。,2.细胞的经验分子式例题.生物体的经验分子式：,2.,基质分配和细胞产率,基质分配：,微生物利用电子供体基质进行合成代谢，一部分电子,先传递给电子受体，用以提高能量，使其他的电子 转,化进入微生物细胞。,+,=1,电子,产生能量,供体,合成代谢,(,先解释下总反应（罗蛋白）、能量反应与合成反应的框架。,氧化还原反应伴随着电子的转移，通过电子的转移这一伴随现象可以表明能量反应、合成反应等过程,),2.基质分配和细胞产率基质分配：,2.,基质分配和细胞产率,转化为细胞的那部分，即 ，和用于产生能量的 ，,可以为产生能量和合成代谢之间的基质分配框架的一个非常,重要的方面就是它以电子平衡为依据。因为电子流动产生细,胞能量，用电子平衡的方式表达电子分配也是必要的。,转化为细胞,转化为质量单位,g,细胞产量,/g,消耗,COD,实际产量,Y,Y=,（,M,C,g,细胞）,/n,e,eq/mol(8gCOD/e eq,供体,),2.基质分配和细胞产率 转化为细胞的那部分，即,2.,基质分配和细胞产率,Y=,（,MCg,细胞）,/ne eq/mol(8gCOD/e eq,供体,),式中,MC,为细胞经验分子式的摩尔质量；,ne,为经验摩尔细胞的电子当量数；,例：当以,C5H7O2N,表示细胞，以铵为氮源时，,MC=113g,细胞,/mol,细胞，,ne=20e eq/mol,细胞。,Y=,（,113g,细胞）,/20 eq/mol(8gCOD/e eq,供体,),=0.706 (g,细胞,/gCOD),2.基质分配和细胞产率 Y=（MCg细胞）/n,2.,基质分配和细胞产率,微生物细胞生长速率：,式中,，活性生物（，）的净增长率，,;,，基质（,S,）,;,b,，微生物的衰减系数，,;,Y,，微生物的实际产率。,注：微生物细胞生长速率：等于,消耗基质导致的生物量生长,减去,微生物内源呼,吸（内源代谢）,。,2.基质分配和细胞产率 微生物细胞生长速率：,2.,基质分配和细胞产率,上式（生长速率的表达式）除以基质利用速率 ，就,可以得到净产率：,注：从上式可以看出净产率 小于 ，因为基质中,最初出现的一部分电子必然作为维持细胞生长的能量而消耗，,既在考虑净产率的时候，用于合成的那部分电子小于 。,用于产生能量的那部分电子大于 。,2.基质分配和细胞产率 上式（生长速率的表达式）除以基,2.,基质分配和细胞产率,例题,.,生长速率和净产率,一个反应器中，活性微生物浓度为,500mg/L,，消耗乙酸,的速率是,750mg/(Ld),。培养物的,Y=0.6g,细胞,/g,乙酸,b=0.15,。确定微生物的比生长速率,、比基质利用,速率,和细胞的净增长率。,表明微生物的数量以每天,75%,的速度增加。,乙酸,/(g,细胞,d),表明微生物每天消耗的食物质量为其,1.5,倍,2.基质分配和细胞产率例题.生长速率和净产率,3.,能量反应,微生物从氧化还原反应获取生长和维持其生命的能量。,氧化还原反应总是包括一个电子受体和一个电子供体。,电子供体：,有机物、无机化合物,电子受体：,氧、硝酸盐、硫酸盐、二氧化碳等,有时候，有机物用作电子受体，也作为电子供体，这种,反应成为,发酵,。,3.能量反应 微生物从氧化还原反应获取生长和维持其生命,3.,能量反应,3.能量反应,3.,能量反应,3.能量反应,3.,能量反应,下面列举以葡萄糖作为电子供体的不同能量的反应，表明,电子受体不同，从,1mol,葡萄糖获取的能量差距很大。,3.能量反应 下面列举以葡萄糖作为电子供体的不同能量的反应,3.,能量反应,自由能,free energy,：在热力学当中，自由能指的是在某一个热力学过程中，系统减少的内能中可以转化为对外做功的部分，它衡量的是：在一个特定的热力学过程中，系统可对外输出的“有用能量”。,如何判断在一个封闭系统内是否发生一个自发过程？吉布斯自由能就是这样一个状态函数之一，而却是最常用的一种：封闭系统在等温等压条件下可能做出的最大有用功对应于状态函数,吉布斯自由能（有时简称自由能或吉布斯函数，符号为,G,）的变化量。吉布斯自由能是过程自发性的判断，它的大小相当于系统向环境作最大可能的有用功，因此，我们也可以说，吉布斯自由能是系统做有用功的本领度量，也就是系统过程自发性的度量。,3.能量反应自由能 free energy：在热力学当中，,3.,能量反应,仅从能量的角度考虑，优先的电子受体顺序是：氧、硝酸盐、二氧化碳（产甲烷）、最后还有发酵产物。,在一个反应中，微生物倾向于尽可能获取最多的能量。因此，微生物更倾向于以氧作为电子受体。但并非所有的微生物都能以氧作为电子受体。,在有氧的条件下厌氧微生物就无法和好氧微生物竞争。相反在无氧条件下厌氧微生物占优势。,有些生物，比如大肠杆菌，可以利用不同的电子受体，包括氧、硝酸盐，或者发酵的有机物。,其他一些生物，比如产甲烷菌，只能以二氧化碳为电子受体进行产甲烷反应。,3.能量反应仅从能量的角度考虑，优先的电子受体顺序是：氧、硝,3.,能量反应,建立能量反应,半反应,反应能量学知识和能量反应，为反应计量学提供了重要的,分析手段。通过半反应来建立能量反应。,如葡萄糖被硝酸盐氧化的反应可以分解为：,葡萄糖氧化的半反应,硝酸盐还原的半反应,将两式两边相加，并以一个电子当量为基础可得,3.能量反应建立能量反应半反应,3.,能量反应,下表给出了环境生物工程中常见的一些列氧化还原的办,反应，以一个电子的还原反应表示。,表,2.2,无机物半反应及其吉布斯标准自由能（,pH=7.0,时）,表,2.3,有机物半反应及其吉布斯标准自由能,3.能量反应 下表给出了环境生物工程中常见的一些列氧化还,3.,能量反应,3.能量反应,3.,能量反应,经过一系列步骤可以很快书写出表中所列出的不同物质,的还原半反应。,书写规则：,在半反应中，只允许有一个处于氧化态的元素发生变化。,这时，碳是这个元素在丙酮酸中，碳是这个元素。而其他的元素（,H,、,O,和,N,）必须保持原来的氧化状态，既分别为,+1,、,-2,和,-3,。,根据具体条件假设反应物，假设添加的反应物不同，所得的反应式也不同。,如 和 ，在,PH,低于,9,的时候 是主要的存在形式，在,PH,高于,9,的时候,是主要的存在形式。和,3.能量反应 经过一系列步骤可以很快书写出表中所列出的不,3.,能量反应,，在中性条件下氧化时通常是 。,在反应式两边加入反应中消耗的和产生的物质。,在氧化还原反应中，水通常作为反应物或产物加到等式两边以