化学计量学和细菌能量学资料
化学计量学和细菌能量学
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
3.能量反应
3.能量反应
2.基质分配和细胞产率
0 0 f f 转化为细胞的那部分，即 s ，和用于产生能量的 e ，
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分配也是必要的。
f s0
转化为细胞 g细胞产量/g消耗COD
转化为质量单位 实际产量Y
化学计量学
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)0.02×610kg/d 或者12kg/d磷酸一磷，以满足细菌的需求。
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 NH 3 和 NH 4 ，在PH低于9的时候 NH 3 是主要的存在形 HCO 式，在PH高于9的时候 NH 4 是主要的存在形式。 3 和
化学计量学
化学计量学
化学计量学是一门专门研究计量关系和系统设计的科学。
它涉及到多个学科领域，特别是化学、物理、数学和工程学，并且结合这些学科，提出适用于社会经济发展和实际行动的计量学理论和方法。
计量学定义了物体，特别是化学物质，与其他物体之间的大小、性质和其它特性的比较方法，并以此为基础构建计量标准，最终实现计量的精度和准确度。
它的主要目的是给出物质的定量关系，以及物质的作用及其在物理和化学反应过程中的作用，以及物质的形成、合成、分离和测定等相关问题。
另外，化学计量学还研究了一系列综合性问题，例如下列问题：
一、系统化的测量和模拟问题：综合应用测量学、计量学、模拟学等有关科学，对物质的混合、变化、分解、形成等现象进行综合的研究和分析，以期推动科学技术的发展。
二、计量系统的决策和控制：综合收集、分析、整理和计量的相关数据，建立定量分析系统，形成新的知识结构，并运用模拟方法对系统内部关系进行分析，从而研究和控制相关反应过程。
三、计量数据的提取、识别和处理：利用计算机处理技术，计算各种物质的组成、变化、测量和控制，同时利用计量的数据提取、识别和处理技术，对物质的性质和反应进行准确的描述和研究。
化学计量学是一门重要的科学，可以为各种科学技术提供有效的工具不仅可以实现科研，而且可以提供决策支持，增强科技发展的动力。
它可以帮助我们正确认识物质，是一种智慧，不仅可以增加我们
的科学知识，还可以为我们了解世界各个方面提供依据和指导。
新人教版《化学计量在实验中的应用》素材22
T 、p 相同 21N N ＝21V V 同温同压下，气体的分子数与其体积成正比 T 、V 相同21p p ＝21N N 温度、体积相同的气体，压强与其分子数成正比 n 、p 相同21V V ＝21T T 分子数相等、压强相同的气体，体积与其温度成正比 n 、T 相同21p p ＝12V V 分子数相等、温度相同的气体，压强与其体积成反比T 、p 、m 相同21M M ＝12V V 同温同压下，等质量的气体相对分子质量与其体积成反比 突破思路1．引入物质的量这一物理量时，可先让学生复习学过的物理量及单位。
例如：100cm ＝1m ，展示1m 的实物；1kg ＝1000g ，展示质量为1kg 的实物；指明用m 、cm 等是用来计量长度的；用kg 、g 等用来计量质量。
2．通过学生亲手推导得到物质的量与摩尔的关系。
例如从简单入手：12只笔＝1打36只笔＝?打18只笔＝?打18只笔＝打，只、打在这里都表示笔的数量。
引入新情境：我们看一看下面的数据请同学们分别计算18gH 2O 、27gAl 所含的粒子（分子或原子）的数目。
H 2O Al 1个分子或原子的质量×10－23g ×10－23g 相对分子质量或相对原子质量 18 27所含粒子（分子或原子）数目 ×1023个H 2O 分子 ×1023个Al 原子我们把含有×10－23个粒子的任何粒子集体计量为1摩尔。
练习：×1024个H 2O ＝_____摩尔H 2O 。
摩尔简称摩，符号为mol 。
×10－23mol －1叫做阿伏加德罗常数，是个物理量，符号为A N 。
3．摩尔是表示物质所含的粒子数目，即是×10－23的多少倍，它也是一个物理单位，即物质的量单位。
4．简介用物质的量浓度表示溶液浓度，重视物质的量在化学实验中的具体应用，及时复习、学习化学实验基本操作在配制一定物质的量浓度溶液中的具体应用。
化学计量学第六章
基于已知药物的毒性和耐受性数据，利用化学计量学模型对新的候 选药物进行预测，降低药物的潜在风险。
06 化学计量学的未来发展与 挑战
新技术与新方法的开发与应用
人工智能与机器学习
利用人工智能和机器学习技术，开发更高效、准确的化学计量学 模型和方法，提高预测能力和应用范围。
高通量实验技术
加强国际间的学术交流与合作，引进 国外先进技术和经验，推动化学计量
学的国际合作与共同进步。
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解决复杂化学问题
化学计量学可以解决一些复杂的 化学问题，例如混合物分析、化 学反应动力学和热力学等，为化 学研究和工业生产提供有力支持。
促进跨学科交流和
应用
化学计量学的跨学科性质有助于 促进数学、统计学和计算机科学 等学科与化学的交流和应用，推 动相关领域的发展。
化学计量学的发展历程
早期发展
化学计量学早期的发展主要集中在化学分析和仪器分析方面，强调 测量方法的优化和误差控制。
数据质量控制与管理
建立完善的数据质量控制和管理体系，确保 数据的准确性和可靠性。
跨学科合作与人才培养
跨学科合作
加强化学计量学与其他学科领域的合 作，如生物学、物理学、医学等，拓
展化学计量学的应用领域。
人才培养
加强化学计量学领域的人才培养，提 高研究人员的理论和实践水平，促进
化学计量学的持续发展。
学术交流与合作
化学计量学第六章
目 录
• 化学计量学概述 • 化学计量学的基本原理 • 化学计量学在数据处理中的应用 • 化学计量学在化学分析中的应用 • 化学计量学在药物研发中的应用 • 化学计量学的未来发展与挑战
化学计量学和细菌能量学ppt课件
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; (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。
1.细胞的经验分子式
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’。
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.基质分配和细胞产率
基质分配： 0 微生物利用电子供体基质进行合成代谢，一部分电子 f e 0 先传递给电子受体，用以提高能量，使其他的电子 f s 转 化进入微生物细胞。 f e0 + f s0 = 1 电子 供体
f e0
f s0
产生能量 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)
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？
化学计量学基础PPT课件演示文档
925
131
957.4
149
1252.4
336
1249.9
334
MTI 390 214 416 298 402 312 446 396 156 472 334 230 432 322
X
472 542 1236 1228
0p 8.5774 7 8.4142 7.7071 8.5774 7.6547 8.3618 8.4142 6.0774 8.1987 7.4916 6.7845 8.4142 7.7071
143
429
231
21
35
求导
❖ 提高信号的分辨率，减少干扰。 ❖ 紫外-可见光谱分析中用到的导数分光光度分析; ❖ 近红外光谱分析中，常用2阶或1阶导数光谱进行定性定
量分析; ❖ 电化学分析中，有时利用对溶出伏安曲线求导来去除或
减少其它组分的干扰，提高被测组分的信噪比。 ❖ 有很多种类的分析仪器已经把求导作为一种固定的方法，
❖ 二十世纪七十年代以后，分析仪器、联用分析仪器的 发展，数据容量迅速增加。大量的数据的有用信息， 需要发掘方法。
❖ 九十年代以后逐渐走向成熟，应用日广。计算机、分 析仪器、其他学科发展；需求-生命科学、材料科学、 能源等。
化学计量学的典型应用
❖ 传统定性定量分析：多元分辨、多元校正 ❖ 仪器量测信号处理：数据处理方法、最优化方法 ❖ 模式识别：污染源识别、疾病诊断、中药识别、…； ❖ 试验设计： ❖ 分子设计和药物设计：新药发现及结构性能关系(QSAR)研
▪ 化学中的一门分支学科（分析化学） ▪ 多学科交叉的新学科
解决问题策略：分析化学利用计算机为手段， 利用数学和统计学方法实现数据的解析。
化学计量学发展
化学计量学的原理与应用
化学计量学的原理与应用化学是自然科学中最基础的一门科学，它的重要性不言而喻。
化学计量学作为化学的一个重要分支，是研究化学反应中物质的计量关系及其在化学反应中的应用的学科。
在实际生产和科研中，化学计量学应用广泛，它在无机化学、有机化学、生物化学等领域中发挥着重要的作用。
一、化学计量学的基本概念1.化学计量化学计量是指在化学反应中化学物质的相对数量关系。
化学计量通常指的是物质质量或摩尔数之间的关系，比如化学反应方程式中的化学计量比就代表着相应物质之间的比例关系。
2.化学计量分析化学计量分析是基于化学计量原理发展起来的一种重要的分析方法。
其核心思想是通过化学反应中物质质量比例的关系来计算出样品中某种物质的含量。
目前应用最多的是酸碱滴定法和重量法。
3.化学计量定律化学计量定律是指在化学反应中存在着各种计量关系的法则。
化学计量定律包括质量守恒定律、电量守恒定律、比容定律等等。
二、常见化学计量学的应用1.化学反应的平衡计算在化学反应中，各种物质的数量关系不仅仅是一个静态的计量关系，还受到动态因素的影响。
化学反应的平衡计算就是通过计算反应物和生成物在反应平衡时的摩尔比例，来预测反应的产物和反应热等物理化学性质。
2.材料制备和产物分析化学计量学应用于材料制备和产物分析中非常普遍。
例如制备某种金属化合物时，需要根据化学计量学原理确定反应物的摩尔比例，以保证得到纯度较高的产物。
在分析产物时，可以通过分析其质量或净重得到其摩尔数，从而推算出反应物中某种物质的质量或摩尔数。
3.动力学分析化学计量学在动力学分析中也起到了重要作用。
化学反应速率与反应产物的摩尔比例有着密切的关系，通过分析反应速率和产物摩尔数的变化规律，可以研究反应机理、动力学参数和热力学参数等重要参数。
三、化学计量学的前沿研究1.新型量子化学计量学模型量子化学计量学模型建立在量子化学的基础上，利用量子化学理论描述物质微观结构和反应机理的计算模型。
新型量子化学计量学模型采用机器学习和深度学习等技术，有效提高了预测、解析化学反应机理等方面的精度和计算效率。
化学计量学基础知识与应用
化学计量学基础知识与应用化学计量学是化学中非常重要和基本的分支之一，它是指通过化学反应所表现的量之间的关系来计算和确定不同化学物质之间的数量以及利用这些数量来实现化学反应的调节和控制。
在这篇文章中，我们将深入了解化学计量学的基础知识，了解一些应用的案例。
一、基础知识1. 化学方程式化学方程式是指用化学式来表示化学反应的符号式，可以直观的表示出反应物和生成物的量比例以及生成物的实际量。
例如，以下化学方程式：2Na + 2H2O -> 2NaOH + H2中，2Na和2H2O是反应物，2NaOH和H2是生成物。
2. 摩尔质量摩尔质量是指一个化学物质中每个分子的质量，一般用克/摩尔表示。
例如，单质氧原子（O）的摩尔质量为16g/mol，硝酸根离子（NO3^-）的摩尔质量为62g/mol。
3. 摩尔摩尔是指以物质量单位计算，表示物质的量大小的单位。
一个物质中的摩尔数量等于该物质的质量除以该物质的摩尔质量。
例如，以元素金（Au）为例，1mol Au的质量等于196.97g。
4. 摩尔比摩尔比是指在化学反应中，反应物之间物质的摩尔数关系。
计算化学反应的过程中，常常使用摩尔比来确定反应物中的比例，从而计算反应物的摩尔量。
在上面的化学方程式中，2Na和2H2O的摩尔比是1:2，表示出2mol Na所需的摩尔数是2mol H2O 的2倍。
5. 组成分析组成分析是指基于化学方程式中每个元素的摩尔比计算反应物和生成物的摩尔量。
例如，在上述化学方程式中，如果知道2mol Na反应所需的H2O质量为36g，那么可以通过组成分析计算出NaOH和H2的摩尔量分别为2mol和1mol。
二、应用案例1. 常见计量问题计量问题是化学计量学的实际应用之一，涉及到化学反应中物质的量比例、物质的摩尔量、反应物和生成物的计算等。
例如：（1）2mol氢气和1mol氧气反应得到多少摩尔的水？根据已知的化学方程式2H2 + O2 -> 2H2O可以得到，生成水的摩尔比是2:1，所以2mol氢气生成1mol水，因此2mol氢气和1mol氧气反应得到2mol水。
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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
C3H12O3N2+3O2 酪蛋白 相对分子量： 184 96 ∑=280 C5H7O2N+NH3+3CO2+H2O 细菌细胞 113 17 132 ∑=280 18
方程式说明了什么呢？
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。
0 Y= f s（ MCg细胞）/[ne eq/mol](8gCOD/e eq供体)]
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 ne 为细胞经验分子式的摩尔质量； 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 f s0 (g细胞/gCOD)
化学计量学
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)0.02×610kg/d 或者12kg/d磷酸一磷，以满足细菌的需求。
2.基质分配和细胞产率
微生物细胞生长速率：
dX a dS Y( ) bX a dt dt
式中——
dX a dt
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’。
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。
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。
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。
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
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。
2.基质分配和细胞产率
0 0 f f 转化为细胞的那部分，即 s ，和用于产生能量的 e ，
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。
f s0
转化为细胞 g细胞产量/g消耗COD
转化为质量单位 实际产量Y
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
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。
2.基质分配和细胞产率
基质分配： 0 微生物利用电子供体基质进行合成代谢，一部分电子 f e 0 先传递给电子受体，用以提高能量，使其他的电子 f s 转 化进入微生物细胞。 f e0 + f s0 = 1 电子 供体
f e0
f s0
产生能量 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)