化学计量学与广义反应速率

3.1.1化学计量学的替代基础

化学计量方程通常以摩尔单位推导，但对于我们的目的来说，它们不是最方便的单位。这是因为为了模拟生化操作的性能，我们必须为生化操作中所作用的各种成分编写质量平衡方程。因此，用质量单位来表示反应的化学计量方程会更方便。因此，我们需要知道如何将基于摩尔的化学计量方程转换为基于质量的化学计量方程。此外，我们在第二章中看到，微生物从氧化/还原反应中获得能量，在该反应中，电子从电子供体中移除，最终传递给末端电子受体。这表明写电子天平也很方便。不幸的是，正如我们前面看到的，我们通常不知道废水中电子供体的确切组成，这使得做到这一点很困难。然而，我们可以通过实验来确定化学需氧量(COD)，用来衡量各种组分的可用电子数。因此，我们可以通过为氧化态发生变化的每种成分写COD的质量平衡来完成同样的事情。因此，我们还需要知道如何将基于摩尔或质量的化学计量方程转换为基于cod的方程。

化学计量方程的一般公式可以写成:

a, a， + a: a， +■•■+ a,Ak - a^。A，， + ak.: ak。: +•■•+ anlAm (3.1)

从A到A是反应物，从A到A是它们相关的摩尔化学计量系数，从A到A是生成物，从A到A是它们的摩尔化学计量系数。有两个特征可以使化学计量方程识别为基于磨量的。首先，电荷是平衡的。第二，反应物中任何给定元素的总摩尔数等于产物中该元素的摩尔数。

当写一个基于质量的化学计量方程时，通常的做法是对其中一个反应物或生成物的化学计量系数进行归一化。因此，每个归一化质量为基础的化学计量系数表示所使用的特定反应物或形成的产物的质量相对于所使用的参考反应物或形成的产物的质量。如果A是我们想要用作基于质量的化学计量方程的基础的组分，它的化学计量系数将是1.0，并且每个其他组分的新的基于质量的化学计量系数(称为归一化化学计量系数ty)将从以下公式计算:

其中，a和MW分别为组分a的摩尔化学计量系数和分子量，a和MW对于参考组分具有相同的含义。因此，方程为:

A. ^ M'A ^■•■^，+ -Ak。- +■■+ ^ " a， (3.3)

有两个特征可以用来识别这种类型的化学计量方程:(1)电荷似乎不平衡，(2)反应物的总质量等于生成物的总质量。换句话说，反应物的化学计量系数之和等于生成物的化学计量系数之和。后者的特性使得基于质量的化学计量方程非常适合用于生物化学反应器的质量平衡方程。

类似的方法可以用来用利用COD单位改变氧化状态的化合物或组分来写化学计量方程。在这种情况下，归一化化学计量系数被称为基于cod的系数，并给出符号y。基于cod的系数。^。，则由以下公式计算:

其中COD和COD分别为组分A单位质量的COD和参考组分。它们可以通过写出化合物或组分氧化成二氧化碳和水的平衡方程来得到。表3.1包含了在生化操作中通常改变氧化状态的几种成分的COD质量当量。请注意，在氧化条件下，二氧化碳的COD为零，因为其中的碳已经处于最氧化的状态(1- IV)，就像它在碳酸氢盐和碳酸盐中一样。此外，氧气相当于负COD，因为COD是需氧量，即代表氧气的损失。最后，需要注意的是，任何只含有在生化氧化/还原反应中不发生氧化变质的元素的反应物或产品，其单位COD将为零，从而导致它们从基于COD的化学计量方程中消失。

Y， = (a，)(MW，)(COD，)/(a;)(mw，) (cod，) > = u '(cod .)/(cod，)

表3.1一些常见组分的COD质量当量

组成的	氧化态变化	鳕鱼等效”
生物量，C,H o_n	C到+IV	1.42 g COD/g C,H-ON，

继续阅读:生物质生长与基质利用

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