计算题(生物反应工程)2009115.doc

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/(Lmin)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=1 m3/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=1 m3/min，cS0=15mol/L，其出口底物浓度为多少？解： （1）有=XS 则cS=2 mol/L rS=2 mol/(Lmin) 有 VR rS= V0（cS0cS） 2502= V0（102） V0=62.5L/min (2) 有=XS cS=cS0(10.8)=3 mol/L rS=3 mol/(Lmin) VR rS= V0（cS0cS） VR3=100(153) VR=400L(3) VR rS= V0（cS0cS） 3rS=1(8cS) 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=0.8 kg/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（190%）=2 kg/m3 D=max= V0=1.61 m3/h（2） =max（ 1）=0.362h-1 =3.29kg/m3=0.55(203.29)=9.2 kg/m30.3629.2=3.33 kg/(m3h)V0=50.362=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/(Lmin)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 CSTR CFPR =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=9.368100=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 /(mol/L)1234578101220rS/mol/(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VR rS= V0（cS0cS）+=17.725minVR= V0=17.725100=1772.5L(2)若从=5mol/L，则cS=1 mol/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=1mol/L 则=50L/min =11.2 min =1680 L若从=8mol/L至 cS=1mol/L 则=28.6L/min =12.725 min =1636 L（3）=90min =10090=9000L(4)选用CSTR与CPFR结合，取CSTR浓度cS=5mol/LCSTR反应时间： =2.5min =1002.5=250L在CPFR反应时间： 由以上计算知： =9.775min =1009.775=977.5L =250+977.5=1227.5L6-12 某细胞反应，加料初始浓度cS0=10 kg/m3，反应器总体积VR=0.10 m3，该反应器遵循Monod动力学，其参数为max=0.4 h-1，KS=2 kg/m3，YX/S=0.5，加料速率V0=1510-3 m3/h。（1） 当用一个CSTR，VR=0.10 m3，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(102.904)=3.55 kg/m3 =0.2373.55=0.84kg/( m3h)（2） = =0.05 m3 =0.3h-1 =6 kg/m3=00.12 2.8+3.6=0 则=1.35 kg/m3=0.5（106）=2 kg/m3=0.5（101.35）=4.325 kg/m3=0.34.325=1.3 kg/( m3h)(3) =0.3h-1 =6 kg/m3 =2 kg/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=0.395 KS=0.71g/L =0.7h-1 = =2.11 g/L=0.6（10-2.11）=4.734 g/L（2） =0 0.2352 8.367+1.051=0 则=0.126g/L =0.6(10-0.126)=5.92 g/L6-15 加入某细胞生长服从Monod动力学，已知：KS=2 g/L，max=0.5 h-1，YX/S=0.5。若在一CSTR中进行培养，其加料cS0 =50 g/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=1 g/L，则第二个CSTR体积应为多少？解：（1）=()=0.402h-1 =249L(2) =8.2 g/L =0.5(508.2)=20.9 g/L(3) cX2= 24.5g/LV0 cX1+ 2VR cX2= V0 cX22=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*10-4mol/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？3、 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？