quá trình sinh học phần 2

L/O/G/O

BỘ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG TPHCM

Tện môn học:
CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG KỸ THUẬT
MÔI TRƯỜNG

GVC. TS. Tôn Thất Lãng


Tổng quát môn học
1

KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CÁC QUÁ TRÌNH
SINH HỌC

2

ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

3

QUÁ TRÌNH BÙN HOẠT TÍNH (QUÁ TRÌNH
SINH HỌC SINH TRƯỞNG LƠ LỬNG)

4

QUÁ TRÌNH SINH HỌC BÁM DÍNH

5

CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÝ TỰ NHIÊN

6

QUÁ TRÌNH SINH HỌC KỴ KHÍ

7

CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC TRONG XỬ LÍ
CHẤT THẢI RẮN VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.2 Phản ứng enzyme
2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên bể phản ứng
2.4 Phân tích bể phản ứng

www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.1 Phản ứng bậc zero
• Phản ứng được gọi là bậc 0 khi tốc độ phản ứng không phụ

thuộc vào nồng độ các chất tham gia phản ứng.
• Đối với phản ứng bậc 0, giả sử có chất A chuyển hóa thành
chất B: A→B, tốc độ chuyển hóa của nó sẽ là:

dA
  ko (2)
dt
• Trong đó dấu (-) biểu diễn chất A bị hao hụt theo thời gian.
Nếu C đại diện cho nồng độ chất A ở thời điểm t nào đó và k0
là hằng số tốc độ phản ứng, ta có:

www.themegallery.com

dC

 k0  3 
dt


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng

2.1.1 Phản ứng bậc zero
• Lấy tích phân sẽ được:
C = -k0t + hằng số (4)
• Nếu C = C0 ở thời điểm t = 0 ta có:
C – C0 = -k0t
(5)
• Thời gian mà ở đó phản ứng chuyển hóa được 50%
nồng độ ban đầu của chất tham gia phản ứng được gọi

là hằng số thời gian bán bão hòa t1/2:
t1/2 = C0/2k0
(6)
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.2 Phản ứng bậc 1
• Phản ứng được gọi là bậc 1 khi tốc độ phản ứng tỉ lệ
với nồng độ chất tham gia phản ứng
• Đối với phản ứng bậc 1, giả sử có chất A chuyển hóa
thành chất P: A→P, tốc độ chuyển hóa của nó sẽ là:

dC

 k1C (7)
dt
• Trong đó: k1: hằng số tốc độ phản ứng bậc 1

www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.2 Phản ứng bậc 1
• Lấy tích phân (7) ta sẽ được:

t1/2

www.themegallery.com

ln  2  0,69


9
k1
k1


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.3 Phản ứng bậc 2
• Phản ứng được gọi là bậc 2 khi tốc độ phản ứng tỉ lệ
với bình phương nồng độ chất tham gia phản ứng
• Đối với phản ứng bậc 2, phương trình sẽ là:

dC
2

 k2C (10)
dt
• Trong đó: k2: hằng số tốc độ phản ứng bậc 2
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.3 Phản ứng bậc 2
• Lấy tích phân ta sẽ được:

1 1

 k2t (11)
Ct C0
• Hằng số thời gian bão hòa trong trường hợp này sẽ là:

t1/2
www.themegallery.com

1

12 
k2C0


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.4 Phản ứng bậc bất kỳ
• Phản ứng được gọi là bậc n khi tốc độ phản ứng tỉ lệ
với số mũ n nồng độ chất tham gia phản ứng.
• Đối với phản ứng bậc n, phương trình sẽ là:

dC
n

 knC (13)
dt
• Trong đó: kn: hằng số tốc độ phản ứng bậc n
www.themegallery.com

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.4 Phản ứng bậc bất kỳ
• Lấy tích phân ta sẽ được:

1 1

 knt (14)
Ct C0
• Hằng số thời gian bão hòa trong trường hợp này sẽ là:

t1/2
www.themegallery.com

1

15
knC0


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.1 Động học phản ứng – Tốc độ phản ứng
2.1.5 Phân tích hằng số tốc độ phản ứng
• Mối quan hệ giữa tốc độ phản ứng, nồng độ chất phản
ứng và bậc phản ứng n (0, 1, 2, 3,…, n) được biểu
diễn bởi các phương trình sau:
r = Cn hay log r = n log C (1)
• Trong đó: r: tốc độ phản ứng

n: bậc phản ứng
C: nồng độ chất tham gia phản ứng
• Hệ số tỉ lệ k được gọi là HSTĐPƯ: k có ý nghĩa là tốc
độ phản ứng khi nồng độ các chất bằng đơn vị; k
không phụ thuộc nồng độ mà chỉ phụ thuộc nhiệt độ.

www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.1 Phương trình Michaelis-Menten
• Ta khảo sát trường hợp đơn giản nhất: chỉ một cơ
chất
E + S  ES  E + P
• Gọi v1 là vận tốc của phản ứng tạo thành phức chất
ES.
• Gọi v-1 là vận tốc của phản ứng tạo phân ly phức chất
ES tạo thành E và S. Ta có:
v1 = k1[E][S]
v-1 = k-1[ES]
v2 = k2[ES]
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.1 Phương trình Michaelis-Menten
• Khi hệ thống đạt trạng thái cân bằng ta có:
• k-1[ES]+k2[ES] = k1[E][S]

• (k-1+k2)[ES] = k+1[E][S] (2)
• Gọi E0 là nồng độ ban đầu:
• [E0]=[E]+[ES]=>[E]=[E0]-[ES] (3)
• Thay trị số [E] từ (3) vào (2) ta có:
• (k-1+k2)[ES] = k1([E0]-[ES]) [S]
www.themegallery.com

k1   E0  S 
 ES  
k1  k2  k1  S 


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.1 Phương trình Michaelis-Menten
• Nếu đặt Km= k-1+k2/ k1
• (Km: gọi là hằng số Michalis Menten)
• Ta có: [ES] = [E0][S]/ Km+[S]
• Mặt khác vận tốc phản ứng tạo thành sản phẩm P là:
• V = k2[ES]
• Thay [ES] bằng giá trị ở trên ta thu được:

www.themegallery.com

k2   E0    S 
v
 4
Km   S 

CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.1 Phương trình Michaelis-Menten
• Qua đây ta thấy nồng độ enzyme càng cao thì vận tốc
phản ứng enzyme càng lớn. Vận tốc đạt cực đại khi
toàn bộ enzyme liên kết với cơ chất, nghĩa là:
Vmax= k2[E0]
• Thay vào phương trình (4) ta được:

S

v  Vmax 
 5
Km   S 
• Phương trình (5) gọi là phương trình Michaelis
Menten
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.1 Phương trình Michaelis-Menten
• Km gọi là hằng số Michaelis Menten đặc trưng cho
mỗi enzyme. Km đặc trưng cho ái lực của enzyme với
cơ chất, Km có trị số càng nhỏ thì ái lực của enzyme
với cơ chất càng lớn, nghĩa là vận tốc của phản ứng
càng lớn.
• Ý nghĩa thực tiển của hằng số Michaelis là ở chỗ nó
chính là giá trị của nồng độ cơ chất khi tốc độ phản
ứng bằng ½ tốc độ tối đa. Như vậy, Km được đo bằng

đơn vị nồng độ, tức mol/l.
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.1 Phương trình Michaelis-Menten
• Km càng nhỏ thì ái lực này càng lớn, tốc độ phản ứng
càng cao vì tốc độ tối đa V đạt ở giá trị nồng độ cơ
chất càng thấp.
• Trên cơ sở phương trình Michaelis-Menten, bằng
cách xây dựng đường biểu diễn sự phụ thuộc của v
vào [S] và bằng đồ thị đó xác định tốc độ tối đa V ta
có thể tìm thấy giá trị của [S], ở đó v = V/2, tức giá trị
của Km (hình dưới).
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.1 Phương trình Michaelis-Menten

Khi tăng [S] thì v phản ứng tăng, tăng [S] đến một giá
trị nào đó thì v đạt đến giá trị vmax và sẽ không tăng
nữa nếu ta vẫn tiếp tục tăng [S]. Khi Km = [S] thì v0
=1/2 Vmax
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC

2.2 Phản ứng enzyme
2.2.2 Phương trình Monod
• Một trong số những phương trình sử dụng rộng rãi
nhất thể hiện nồng độ ảnh hưởng của cơ chất (chất
dinh dưỡng) lên TĐST là phương trình Monod:
max
X

 S 

KS  S 

Trong đó:
• μX: tốc độ sinh trưởng.
• [S]: nồng độ cơ chất trong môi trường nuôi cấy.
• KS: hằng số bão hòa.

www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.3 Mô hình tính đến sự ức chế (kềm hãm) của cơ chất
• Hoạt độ của enzyme có thể bị thay đổi dưới tác dụng của một
số chất có bản chất hóa học khác nhau. Các chất làm giảm hoạt
độ enzyme gọi là các chất kìm hãm hoặc các chất ức chế
(inhibitor), thường kí hiệu là I. Các chất này có thể là những
ion, các phân tử vô cơ, hữu cơ kể cả các protein. Các chất ức
chế tham gia trong điều hòa, kiểm tra các quá trình trao đổi
chất trong hệ thống sống.

• Các chất gây biến tính protein là những chất kìm hãm không
đặc hiệu enzym. Nhiều chất khác không làm biến tính protein
enzym nhưng vẫn làm giảm hoạt độ xúc tác của nó theo cơ chế
khác.
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.2 Phản ứng enzyme
2.2.3 Mô hình tính đến sự ức chế (kiềm hãm) của cơ chất
• Các chất này có thể kìm hãm thuận nghịch hoặc không thuận
nghịch enzym. Nếu là kìm hãm thuận nghịch, phản ứng kết
hợp giữa enzym và chất kìm hàm(I) nhanh chúng đạt đến cân
bằng;
• E + I → EI
• Trong trường hợp kim hãm không thuận nghịch, k-i rất bé, có
thể xem như =0, I kết hợp E bằng liên kết đồng hóa trị hoặc
kết hợp rất chặt đến mức khó lòng tách khỏi E, sự phân ly
phức EI là rất chậm.

www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng
• Nhiệt độ ảnh hưởng mạnh đến tốc độ phản ứng. Sự
tăng nhiệt độ rất nhỏ có thể làm tăng tốc độ phản ứng
rất lớn.
• Số lần biến đổi tốc độ phản ứng (hay hằng số tốc độ)
khi nhiệt độ thay đổi 100C gọi là hệ số nhiệt độ của

tốc độ phản ứng, kí hiệu là γ.

k t 10
 
kt
• Kt, kt+10 là hằng số tốc độ ở các nhiệt độ t và t+10
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tốc độ phản ứng
• Areniut (Arrehnius) dựa trên kết quả thực nghiệm đã
mô tả chính xác hơn ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc
độ phản ứng bằng phương trình:
*

k  Ae

 E / RT

• Trong đó:
A: hằng số, có trị số riêng cho mỗi loại phản ứng và
không phụ thuộc vào nhiệt độ.
• E*: năng lượng hoạt hóa.
• T, R: nhiệt độ và hằng số khí lý tưởng.
www.themegallery.com


CHƯƠNG 2: ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SINH HỌC
2.4 Phân tích bể phản ứng

2.4.1 Bể phản ứng mẽ xáo trộn hoàn toàn
• Bể SBR là bể xử lý nước thải bằng phương pháp sinh
học theo quy trình phản ứng từng mẻ liên tục. Quy
trình này tuần hoàn với chu kỳ thời gian sinh trưởng
gián đoạn.
• Mỗi bể SBR một chu kỳ tuần hoàn bao gồm "LÀM
ĐẦY", "SỤC KHÍ", "LẮNG", "CHẮT", và "NGHỈ".
Bởi thao tác vận hành như trường hợp gián đoạn này,
cũng có nhiều khả năng khử nitrit và phốtpho. Phản
ứng bể SBR không phụ thuộc đơn vị xử lý khác và
chúng đem lại nhiều lợi ích kinh tế.

www.themegallery.com