计算题(生物反应工程)2009115

1、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/(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：当Vr=250L,cS0=lOmol/L,XS=0.80时，进料体积流量V0应为多少？TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark66RS0S0当V0=1OOL/min,cS0=15mol/L,XS=0.80时，反应器有效体积Vr为多少？0S0SR当VR=3m3,V0=1m3/min,cS0=8mol/L，反应器出

2、口底物浓度和反应器内底物浓度R0S0各为多少？当VR=1m3,V0=1m3/min,cS0=15mo1/L,其出口底物浓度为多少？R0S0解：cc(1)有Sos=XS则cS=2mol/LrS=2mol/(min) HYPERLINK l bookmark34cSSSSo有Vr=V(cc)RSoSoS25XV0(1-)Vo=62.5L/min(2)有c(2)有ccS0-ccS=c(10.8)=3mol/LrS=3mol/(min)SSoSSor=V(cc)RSoSoSXXVd=400LRR(3)VRrS=V0(cS0cS)3XrS=1XcS当rS=2时，cS=26-2在一5m3CSTR中进行连续

3、发酵，加料中底物浓度为20kg/m3,该反应器的有关参数为:卩=0.45h-1,KS=0.8kg/m3,Yx/s=0.55。试求：maxSX/S当底物达到90%转化时,所要求的加料速率是多少？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(190)%=2kg/m3SS0c0.45,c0.45,20.9s=二Dpps2.8maxK+c0.8+2ssVD=0;V=5m/VRhV01.61m3/hRDp(1K2)s)0.362h-1optmaxKCSS0KDc=3.29kg/m3s卯|Ll一DmaxoptcYcc=0.5Xkg/m3X,optX/SS0S,op

4、t(P)De0.362Xkg/(n3XmaxoptX,optV0=5X0.k62k=/1h.8m6-10某液相酶反应具有下列动力学数据已知：cS0=10mol/L,Vo=100L/min,Xs=0.90SO0ScS/(mol/L)1246810rS/mol/(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：（V+V），4V，10+V，1V6V=2

5、V0L/min（循环比R=2）0r0rr300V200L/min+p+p1+0.3330.333+0.125223.001+4.3677.368(min)(V+V)7.368,300=2210LRP0r出口浓度为CS=6mol/L时：S(V+V),6V,10+V,10r0r4V80L/min(循环比R=4/5)504+7.3689.368(min)2(V+V)9.368,1801686Lp0rR出口浓度为CS=8mol/L时：S(V+V),8V,10+V,10r0r1=_V14.3L/min(循环R=1/7)r708664-+7.36814.701(min)p10.251+12丁V(V+V)1

6、4.701,114.31680LRP0r不循环时（循环比R=0）：1088264,0251+25+吋+73684L36&min)22VTV41.3681004137LRP0循环比R（V/V0）r024/51/70VR(L)2210168613762537(2)CSTR与CPFR结合假若CSTR出口浓度为CS=4mol/L时10-46rT=_=6mmmr1SCSTRVTV6100600LRm0CFPRT=7.368minpVTV7.368100737(L)Rp0两反应器体积共假若CSTR出口浓度为CS=6mol/L时10-64/T=_=4mmmrS1CSTR:VTV4100400LRm0CFPR

7、T=9.368minpVTV=9.36X=937(L)Rp0两反应器体积共：6-11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/(ymol/L)1234578101220rS/ymol/(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。S00S（1）若采用CPFR,VR=?R（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=?R（4）如何组织使VR为最小？并求其VR=?RR解：有=

8、V=100XRCSTR0mrrs=Vo=V=100XRCSTR0mVc-c=SpVrRS2-10.25+0.1=17.725min10-2-10.25+0.1=17.725min0.3+0.5+0.8+0.522V=V=17.72XRp0若从c=5mol/L，则c=1mol/LSfsc(V+V)=Vc+VcSf0r0S0rS有c=5mol/L至Sfcs=1mol/Ls5-4=+p1.25+22有c=5mol/L至Sfcs=1mol/Ls5-4=+p1.25+222-10.25+0.1=9.775minV=(V+V)x=(100+125)R0rpX9.775=2199L/min不可取若从csf=

9、7mol/L至Cs=1Hmol/Ls则V=50L/minr=11.2minpV=1680LR若从c=8mol/L至Sfcs=1mol/Ls则V=28.6L/minr=12.725minpV=1636LRc-c10-1(3)=S0s=90minmr0.1SV=V=100XR0m浓度c浓度cS=5mol/Lscc105=S0S=2.5minmr2S在反应时间:由以上计算知：=9.775minpV=V=100XTOC o 1-5 h zR.CFPR0pV，V+VRR.CSTRRCFPR6-12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S0RMonod

10、动力学，其参数为卩=0.4h-1，K=2kg/m3,Yv/o=0.5，加料速率V=1510-3m3/h。maxSX/S0（1）当用一个CSTR,VR=0.10m3,细胞最大产率为多少？R（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）D解：（1）D=卩optmax(1-cS,oprcS,oprKD20.237Spt=2.904kg/m3卩-D0.4-0.237总maxoptc，Y(cc)=0.5Xkg/m3X,oprX

11、/SS0S,oprp，De=0.237XX,oproptX,opr2)V，V，Vr=2)V，V，Vr=R1R220.1厂0.05m1510-30.5=0.3h-1KDc，SS1卩Dmax20.30.4-0.3=6kg/m3(卩(卩D)c2(卩cmaxS2maxS0KD2K2D2s+KD)c+s=0|HDSS2|LIDmaxmax0.1cS20.1cS22.8cS2+3.6=0则c=1.35kg/m3S23kg2/m53cx1，YX/S(cs0cs1)=0.53kg2/m53cx2，YX/S(cS0cS2)=.5X(135)p，p+p=Dc=0.3XmhXX1X2X222)D矿=0.3h-iR=

12、6kg/m3=6kg/m3TOC o 1-5 h z吕si卩，DmaxcY(cc)=2kg/m3X1X/SS0S1cYc+c一cIn尸Bnx/ss0 xoxmaxr HYPERLINK l bookmark60cYcmaxrx0 x/ss0X-/SSX/SS0 xoYc+cx/SS0 x0YK=_SYc+cx/SS0 x06-14某细胞生长动力学为Monod方程:0.395CU40.71+CS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c0=10g/L,YX/S=0.6。试求：（1）出口物料中cX和cS为多少？（YX/S=0.6。试求：（1）出口物料中cX和cS为

13、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cSRXS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）U=0.395KS=0.71g/LmaxSD矿=0.7h-1RKDcSSU，Dmax0.710.70.935-0.7=2.11g/LcY(cc)=0.X(xx/SS0S7g/3L(UD上2UmaxS2cmaSxKD2K2D2s+KDc)+s=0UDssuDmaxmax0.235cS28.367cS2+1.051=0则c=0.126g/LS2CCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg

14、/L6-15加入某细胞生长服从Monod动力学，已知：KS=2g/L,=0.5h-i,Yx/s=0.5。若在SmaxX/S一CSTR中进行培养，其加料cS0=50g/L,V0=100L/h。试求：当细胞生产速率最大时，VR=?R在上述情况下，cX和cS各位多少？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)Doptmax(1)Doptmax(1-)=0.402h-1CCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg/LCCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg/L=249Lopt(2)KDSopt(2)KDSopt-Dmaxopt

15、20.4020.5-0.402=8.2g/LCCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg/LCCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg/Lg2/LcY(cc)=0.Xg2/L(3)XX/SS0S(3)cX2=24.5g/LV0CX1+卩2VRCX2=V0CX2cS2maxK+cSS21、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CCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg/LCCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg/L0.1Crss1+0.5Cs(mol/L.min)CCX2YX/S(CS0-CS2)=0-6Xg/L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=0.01mo1/L。为了求最大反应速率r值，通过实验测得该反应max进行到5min时，底物已转化了10%。已知Cs0=3.14*10-4mol/L,并假定该反