计算题(生物反应工程)2009115

P1956-1在一定的酶浓度下，液相底物S分解为产物P，该反应器仅有底物S影响其反应速率，其动力学数据如下：cS/(mol/L)123456810rS/[mol/(L·min)]12344.74.955现在CSTR中进行此分解反应，保持相同的酶浓度和其操作条件。试求：（1）当VR=250L，cS0=10mol/L，XS=0.80时，进料体积流量V0应为多少？（2）当V0=100L/min,，cS0=15mol/L，XS=0.80时，反应器有效体积VR为多少？（3）当VR=3m3，V0=1m3/min，cS0=8mol/L，反应器出口底物浓度和反应器内底物浓度各为多少？（4）当VR=1m3，V0=1m3/min，cS0=15mol/L，其出口底物浓度为多少？解：（1）有=XS则cS=2mol/LrS=2mol/(L·min)有VRrS=V0（cS0－cS）250×2=V0（10－2）V0=62.5L/min(2)有=XScS=cS0(1－0.8)=3mol/LrS=3mol/(L·min)VRrS=V0（cS0－cS）VR×3=100×(15－3)VR=400L(3)VRrS=V0（cS0－cS）3×rS=1×(8－cS)当rS=2时，cS=26-2在一5m3CSTR中进行连续发酵，加料中底物浓度为20kg/m3，该反应器的有关参数为：max=0.45h-1，KS=0.8kg/m3，YX/S=0.55。试求：（1）当底物达到90%转化时，所要求的加料速率是多少？（2）如果要求其细胞产率达到最大，加料速率为多少？细胞最大产率是多少？解：（1）cS=cS0（1－90%）=2kg/m3D==max=V0=1.61m3/h（2）=max（1－）=0.362h-1 =3.29kg/m3=0.55×(20－3.29)=9.2kg/m30.362×9.2=3.33kg/(m3·h)V0=5×0.362=1.8m3/h6-10某液相酶反应具有下列动力学数据已知：cS0=10mol/L，V0=100L/min，XS=0.90cS/(mol/L)1246810rS/[mol/(L·min)]0.1250.333110.250.1（1）若采用带循环的CPFR，试求其最佳循环比及相应的反应器有效体积？（2）若要使反应器体积最小，如何设计最佳反应器方案？指出每个反应器的有效体积大小？解：(1)由题意知，出口浓度为1mol/L。假若CPFR进口浓度（循环混合后）为CS=4mol/L时：=2V0L/min(循环比R=2)出口浓度为CS=6mol/L时：（循环比R=4/5）出口浓度为CS=8mol/L时：(循环R=1/7) 不循环时（循环比R=0）：循环比R（Vr/V0）24/51/70VR(L)2210168613762537(2)CSTR与CPFR结合假若CSTR出口浓度为CS=4mol/L时CSTRCFPR=7.368min两反应器体积共1337(L)假若CSTR出口浓度为CS=6mol/L时CSTR:CFPR=9.368min=9.368×100=937(L)两反应器体积共：400+937=1337L6-11 工业污水中含有有害物质S，在一特殊酶作用下，S会降解为一无害化合物，反应系统为液相，反应速率仅取决于cS值的变化。cS/(μmol/L)1234578101220rS/[μmol/(L.min)]0.10.250.61.2520.80.50.30.250.2现处理物料中，cS0=10mol/L，V0=100L/min，XS=0.90。（1）若采用CPFR，VR=？（2）若采用带循环CPFR（无提浓装置），其循环量为多大？（3）若采用一个CSTR，VR=？（4）如何组织使VR为最小？并求其VR=？解：(1)有VRrS=V0（cS0－cS）﹒﹒﹒﹒+=17.725minVR=V0=17.725×100=1772.5L(2)若从=5mol/L，则cS=1mol/L=有=5mol/L至cS=1mol/L﹒﹒﹒﹒+=9.775min=（100+125）×9.775=2199L/min不可取若从=7mol/L至cS=1μmol/L则=50L/min=11.2min=1680L若从=8mol/L至cS=1mol/L则=28.6L/min=12.725min=1636L（3）==90min=100×90=9000L (4)选用CSTR与CPFR结合，取CSTR浓度cS=5mol/LCSTR反应时间：==2.5min=100×2.5=250L在CPFR反应时间：由以上计算知：=9.775min=100×9.775=977.5L=250+977.5=1227.5L6-12某细胞反应，加料初始浓度cS0=10kg/m3，反应器总体积VR=0.10m3，该反应器遵循Monod动力学，其参数为max=0.4h-1，KS=2kg/m3，YX/S=0.5，加料速率V0=1510-3m3/h。（1）当用一个CSTR，VR=0.10m3，细胞最大产率为多少？（2）当用两个CSTR串联，并且VR=VR1+VR2，VR1=VR2，细胞最大产率是多少？（3）当用一个CSTR（VR1）和一个CPFR（VR2）相串联，并且VR=VR1+VR2，VR1=VR2，细胞最大产率是多少？解：（1）=()=0.4×(1－)=0.237h-1==2.904kg/m3=0.5×(10－2.904)=3.55kg/m3=0.237×3.55=0.84kg/(m3·h)（2）==0.05m3=0.3h-1==6kg/m3=0 0.122.8+3.6=0则=1.35kg/m3=0.5×（106）=2kg/m3=0.5×（101.35）=4.325kg/m3==0.3×4.325=1.3kg/(m3·h)(3)=0.3h-1=6kg/m3=2kg/m3A㏑-B㏑A=B=6-14某细胞生长动力学为Monod方程：在体积为10L的CSTR中进行培养。培养基加料速率V0=7L/h，初始浓度cS0=10g/L，YX/S=0.6。试求：（1）出口物料中cX和cS为多少？（2）如果采用两个CSTR串联，每个反应器VR=10L，则第二个反应器出口中cX和cS为多少？（3）如果加料速率从7g/h提高到10g/h，并采用两个CSTR串联，将会发成什么现象？为什么？解：（1）max=0.395KS=0.71g/L=0.7h-1 ==2.11g/L=0.6×（10-2.11）=4.734g/L（2）=00.23528.367+1.051=0则=0.126g/L=0.6×(10-0.126)=5.92g/L6-15加入某细胞生长服从Monod动力学，已知：KS=2g/L，max=0.5h-1，YX/S=0.5。若在一CSTR中进行培养，其加料cS0=50g/L，V0=100L/h。试求：（1）当细胞生产速率最大时，VR=?（2）在上述情况下，cX和cS各位多少？（3）如果将上述反应器出口物料接着进入第二个CSTR，并使最后cS=1g/L，则第二个CSTR体积应为多少？解：（1）=()=0.402h-1==249L(2)==8.2g/L=0.5×(50－8.2)=20.9g/L(3)cX2=24.5g/LV0cX1+2VRcX2=V0cX22=max1、某一均相酶催化反应，在活塞流反应器中进行，其动力学方程为(mol/L.min)若进料流量为25L/min；反应底物S在反应器出口已转化了95%，初始底物浓度为2mol/L，所需反应器体积为多大？2、某酶催化反应，其Km=0.01mol/L。为了求最大反应速率rmax值，通过实验测得该反应进行到5min时，底物已转化了10%。已知Cs0=3.14*10-4 mol/L，并假定该反应可用M-M方程表示。试求（1）最大反应速率rmax为多大？（2）反应15min后，底物浓度是多少？2、某一微生物反应，其速率方程为(g/m3.h)现已知CS0=3g/m3，Cx0=0.Yx/s=0.5，VR=1m3该反应在CSTR反应器中进行。试求：（1）该反应器最佳加料速率应为多少？此时反应器出口CX、CS、DCX各为多少？（2）当加料速率为1/3m3/h时，CX、CS、DCX又为多少？