QUESTION 1 [15 MARKS]

{From Analytica Chimica Acta (1993) 283, 429} Glucose oxidase (GOx) is an important biological enzyme used for determining the extent of fermentation, glucose indexing of food, as well as glucose levels in blood and serum, a valuable  test  method for  diabetes  screening.   You  studied  the  enzymatic reaction of GOx with glucose at a pH of 7.0 and a GOx concentration of 44 mg/L.  You determined the turnover number (kb) to be 0.0270 mol/mg/s and the efficiency 2.235 L/mg/s.  Calculate:

a)  vmax

b)  Km (the Michaelis-Menten constant)

c)  The  rate  of  reaction  when  a  patient  is  hypoglycemic  (typically, glucose levels below 5 mmol/L, so use a glucose concentration of 2.5 mmol/L)

QUESTION 2 [10 MARKS]

Radiometric dating of the Earth relies on measuring the amount of uranium- 238 (238 U) to the amount of lead-206 (206 Pb), the stable isotope at the end of the decay chain.  The decay of 238 U to its first radioactive isotope is the        slowest step, and used for the total age dating.  Knowing that a 1 gram         sample of 238 U has an activity of 1.2449×104 Bq, determine the age of the    Earth from a rock sample you have which contains 49.4% 238 U and 50.6%    206 Pb.

QUESTION 3 [25 MARKS]

A  gas  phase  reaction  of  sulfur  dioxide  and  oxygen  generates  sulfuric anhydride (a.k.a. sulfur trioxide).  Given the following standard enthalpies and entropies (at 25 °C):

Calculate:

(a)  Gibbs free energy of reaction at 25 °C.

(b)  The reaction equilibrium constant at this temperature.

(c)  The ratio of the forward to reverse pre-exponential factors, A and A′.  (d)  The equilibrium constant when the temperature is increased to 700 K, assuming that Hr° and Sr° are constant over this temperature range.

[Note:  R = 8.314 J∙ mol- 1 ∙ K- 1]

QUESTION 4 [10 MARKS]

The kinetics a reaction are captured in the Levenspiel plot below. The reaction will be performed in a CSTR followed by a PFR.

(a)    What conversion will be achieved in the CSTR if it has a volume of 6.6

kL?

(b)    What volume PFR is required to then give an overall conversion of 80%?

QUESTION 5 [20 MARKS]

A   polymerisation   reaction   is   being   undertaken   in   a   microreactor  that comprises a mixing element followed by a tubular reactor. The tubular reactor is  1.0 mm in diameter, 30 cm long and is irradiated  by  UV light to initiate polymerisation with a photoinitiator. The polymerisation is found to follow a pseudo-first-order rate law for the consumption of monomer (M):

where k′ = 4.70 × 10-2  /s at 25°C. The incoming monomer concentration is 2.0 mol/L and volumetric flow rate of monomer is 0.25 mL/min. The reactor is found to behave like an ideal PFR.

(a)    Draw and  label a diagram to  help solve the  material  balance in this

reactor.

(b)    Calculate the space-time of the reactor; hence, calculate the conversion

of the polymerisation reaction.

It is proposed to replace the tubular reactor with a 2.0 mm diameter pipe while keeping the same tube length and flow rate.

(c)    What conversion will be achieved with this new reactor?

Rather than changing the tubing to achieve a greater output, it is instead proposed to operate several reactors in parallel , each identical to the original reactor.  To  achieve  its  production  targets,  the  microplant  will  need  react monomer at a rate of 0.054 mol/min.

(d)    How many parallel microreactors will be required to achieve this target?