Ejercicios Cultivo por Lote Alimentado

Ejercicios Cultivo por Lote Alimentado 1.

Una fermentación por lote alimentado se opera con alimentación constante de 375 L/h. Al inicio de la fermentación, el volumen de caldo es 21.000 L. La concentración celular es de 3 g/L y la concentración de nutriente limitante es de 1,9 g/L. El rendimiento del nutriente limitante es 0,46 g/g y μmax es 0,42 h

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. Si el tiempo de transición es de 2,1 horas y se desea que al final de la fermentación fermentación se haya duplicado

la masa celular que había en el tiempo de transición, determine determine la concentración concentración de nutriente limitante en la alimentación, el tiempo total de alimentación alimentación y el volumen final. 2.

En una fermentación por lote alimentado se desea mantener una velocidad específica de crecimiento -1

constante e igual a 0,33 h . Al momento de i niciar la alimentación alimentación el volumen de medio es 10.000 L y la concentración celular es de 6 g/L. Se alimenta medio que contiene 90 g/L de nutriente limitante de -1.

rendimiento celular de 0,44 g/g. La constante de saturación es 0,055 g/L y μmax es 0,46 h  Al final de la fermentación se desea obtener 600 Kg de células secas. Calcule el tiempo de alimentación, el volumen final de medio y el flujo cuando transcurre la mitad del tiempo de alimentación.

3.

Las condiciones de operación con las que se lleva a cabo un cultivo por lote alimentado con alimentación constante de una determinada bacteria, se señalan a continuación junto con algunos de sus principales princip ales parámetros: parámetros : V0= 59983 L S0= 6 g/L

VF= 80.000 L

YX/S= 0,5 g/g

KS= 50 mg/L .Durante el cultivo se ha tomado

X0=3g/L

F=1250 L/h

μmax= 0,26 h-1

SF= 180 g/L

una muestra que indica que la concentración celular en ese momento es de 15,3 g/L ¿Puede señalar cuántas horas restan para el término de l a fermentación? 4.

Se desea realizar un CLA haciendo crecer una bacteria que produce un metabolito secundario. El primer paso fue realizar un cultivo por lotes, para lo cual se llevó a cabo el siguiente procedimiento: se toma 100 ml de inóculo cuya concentración es de 2 g/l y bajo condiciones estériles se mezcla con 900 ml de medio, además se añade 20 ml de solución vitaminas y otros compuestos. El medio de cultivo inicialmente se preparó con 20 gramos de glucosa (nutriente limitante) en un litro de agua desionizada. Luego de 6 horas de cultivo, se volvió a agregar medio de cultivo fresco (esta vez sin vitaminas) hasta alcanzar un volumen final de 8000 l. En este momento se inicia nuevamente un cultivo hasta el total consumo del nutriente limitante. Finalizada la primera fase, no se ha decidido aún si se realizará un CLA con alimentación exponencial o alimentación alimentación constante, solo se sabe que se debe tener una biomasa de 800 kg para comenzar a producir el metabolito deseado y se di spone de un flujo de alimentación alimentación de 100 L/h con 80 g/L de glucosa. Si el tamaño del reactor disponible para el CLA es de 15.000 L: a) Determinar la duración de la fermentación para cada alternativa (suponer cero el tiempo de latencia). b) Calcular la masa total de sustrato l imitante agregada. agregada. c) ¿Puede decidir que modalidad es más conveniente para el desarrollo de la fermentación?

5.

En una fermentación por lote alimentado se desea mantener una velocidad específica de crecimiento constante e igual a 0,33 h-1. Al momento de iniciar la alimentación, el volumen de medio de cultivo es de 10000 L y la concentración celular es de 6 g/L. Se alimenta medio que contiene 90 g/L de nutriente limitante, con YX/S=0,44 g/g. Al final de la fermentación se desea obtener 600 kg de células. Calcule el tiempo de alimentación, el volumen final de medio de fermentación, la concentración del nutriente limitante, el flujo inicial de medio y el flujo cuando transcurre la mitad del tiempo de alimentación. Datos: KS=0,055 KS=0,055 g/L y μmáx=0,46 μmáx=0,46 h-1.

6.

Se ha programado una fermentación por lote alimentado con alimentación exponencial para producir una levadura forrajera en un fermentador con capacidad de 80 m3 de volumen útil. Estudios previos han demostrado que la levadura crece con un rendimiento máximo y μ=0,35 h -1 si la aireación es adecuada y la concentración de sacarosa en el caldo se mantiene en 1 g/L. Se ha estimado que las condiciones de aireación en el fermentador son adecuadas para alcanzar 35 g/L de biomasa al término de la fermentación. Se usará melaza como fuente de carbono y energía en la alimentación, la que entre otros, presenta los siguientes componentes (%p/p): Agua: 60% y Azúcares: 29% (93% asimilable). Planificando realizar la etapa de CLA en 8 h, calcule las condiciones iniciales de concentración celular y volumen de caldo de fermentación, más las toneladas de melaza a utilizar en la etapa CLA. Para efectos del problema, considere los siguientes datos: El azúcar asimilable es sacarosa y el rendimiento experimental YX/S es de 0,52 g/g. Al término de la etapa por lotes la concentración de sacarosa es de 1 g/L. La densidad de la melaza es de 1200 kg/m3.

7.

Una fermentación por lote alimentado se opera con alimentación constante de 375 L/h. Al inicio de la alimentación, el volumen de caldo es 21000 L, la concentración celular es de 3 g/L y la concentración de sustrato limitante es de 1,9 g/L. El rendimiento del nutriente limitante en células es de 0,46 g/g y μ máx es de 0,42 h-1. Si el tiempo de transición es de 2,1 h y se desea que al final de la fermentación se haya duplicado la masa celular que había en el tiempo de transición, determine la concentración del nutriente limitante en la alimentación, el tiempo total de alimentación y el volumen final.

8.

Se está desarrollando un proceso de fermentación por lote alimentado con alimentación constante. Le han solicitado a usted que determine cuál debería ser el flujo de alimentación para que la velocidad específica de crecimiento al inicio de la zona de crecimiento limitada sea igual a 0,238 h-1. La alimentación es una solución de 100 g/L de glucosa, la velocidad de alimentación (oferta) es el doble de la velocidad de consumo (demanda) al tiempo cero del CLA y la biomasa es 719,85 g al tiempo de transición. Determine además la velocidad específica de crecimiento al término del CLA cuando el volumen final de caldo es de 120 L. Considere: μmáx= 0,45 h-1, X0= 2 g/L, YX/S = 0,5 g/g (glucosa), S0= 0,5 g/L, Ks= 0,005 g/L.

9.

Las condiciones de operación con las que se lleva a cabo un cultivo por lote alimentado con alimentación constante de una determinada bacteria, se señalan a continuación junto con algunos de sus parámetros: Xo= 3[gL-1] μmáx= 0,26 [h-1] So= 6 [gL-1] Yx/s= 0,5 [g/g] Vo= 59983 [l] Ks= 50 [mgL-1] Vf= 80000 [l] F= 1250 [l/h] Sf= 180 [gL-1] Durante el cultivo, se ha tomado una muestra que indica que la concentración celular en ese momento es de 15,3 [gL-1]. ¿Puedes señalar cuántas horas restan para el término de la fermentación?

10.

Una fermentación por lote alimentado se opera con alimentación constante de 375 [l/h]. Al inicio de la alimentación, el volumen del caldo es 21000 [l]. La concentración celular es de 3 [gL-1] y la concentración de nutriente limitante es de 1,9 [gL-1]. El rendimiento del nutriente limitante en células es de 0,46 [g/g] y μmáx es de 0,42 [h-1]. Si el tiempo de transición es de 2,1 [h] y se desea que al final de la fermentación se haya duplicado la masa celular que había en el tiempo de transición, determine la concentración del nutriente limitante en la alimentación, el tiempo total de alimentación y el volumen final.

11.

Se está desarrollando un proceso de fermentación por lote alimentado con alimentación constante. Le han solicitado a usted que determine cuál debería ser el flujo de alimentación (F) para que la velocidad específica de crecimiento (μ) al inicio de la zona de crecimiento limitada sea igual a 0,238 [h -1]. La alimentación es una solución de 100 [gL-1] de glucosa, la velocidad de alimentación (oferta) es el doble de la velocidad de consumo (demanda) al tiempo cero del CLA y la biomasa es 719,85 [g] al tiempo de

transición. Determine además la velocidad específica de crecimiento (μ) al término del CLA cuando el volumen final de caldo es de 120 [l]. Considere: μmáx= 0,45 [h-1] Yx/s= 0,5 [g/g] (glucosa) Ks= 0,005 [gL1] Xo= 2 [gL-1] So= 0,5 [gL-1] Se realizó una fermentación por lote alimentado utilizando un caudal de alimentación de 3,43 [l/h] conteniendo 100 [g/l] de fuente de carbono y energía (nutriente limitante). Al término de la fermentación la concentración celular fue de 12,1 [gL-1], el volumen de caldo es de 120 [l] y la concentración de sustrato limitante despreciable. Las condiciones iniciales fueron: Xo= 2 [gL-1] Vo= 95,36 [l] So= 0,5 [gL-1]. Le consultan a usted en qué porcentaje variaría el tiempo de transición, el tiempo total de la fermentación y la velocidad específica de crecimiento al término de la fermentación si ésta se realizará en idénticas condiciones, excepto que la concentración del nutriente limitante al inicio del CLA fuera 10 [gL-1]. Considere, μmáx= 0,45 [h-1] Yx/s= constante (fuente de carbono y energía) Ks= 0,005 [gL-1]. 12.

A ud. le han solicitado que diseñe un ensayo a nivel de laboratorio de un CLA con alimentación constante operado en condiciones de estado pseudoestacionario (e.p.e) para evaluar la producción de un metabolito M mediante una bacteria aerobia. Las condiciones de operación del cultivo deben ser tales que la velocidad específica de crecimiento de la población celular al inicio del e.p.e sea 0,083 [h-1]. Al término del CLA se espera alcanzar una biomasa de 237,3 [g]. El nutriente limitante será la fuente de carbono y energía y único componente de la corriente de alimentación. Todos los demás nutrientes se adicionarán en cantidades adecuadas al medio de cultivo inicial. Se sabe que la productividad específica de M es igual a 3,8*10-4 [gM/g. cél*h] cuando μ≤ 0,083 [h-1]. A ud. le solicitan que determine la velocidad específica de crecimiento de la población y la concentración de metabolito M al término del CLA. Datos: Xo: 4,8 [gL-1] Vo: 8 [l] So: 20 [gL-1] Po: 0 [gL-1] μmáx: 0,38 [h-1] Yx/s: 0,5 [g/g] Indique todas las suposiciones realizadas.

13.

Para la producción de biomasa de la levadura Kluyveromyces marxianus utilizando permeado de suero de quesería, se ha propuesto realizar primero una etapa de cultivo por lotes utilizando el permeado (45 [gL-1] de lactosa) más sales minerales y vitaminas y a continuación un CLA en que se alimenta permeado de suero concentrado (180 [gL-1] de lactosa). El CLA se inicia una vez que se ha consumido toda la lactosa de la etapa por lote, con lo que la concentración celular alcanza 15 [gL-1]. Durante la etapa CLA la biomasa crece a una velocidad específica constante de 0,25 [h-1], lográndose que el rendimiento de la fuente de carbono y energía sea 0,45 [g/g]. Al término de la fermentación la biomasa alcanza una concentración de 25 [gL -1]. La concentración celular con que se inicia la etapa por lotes es de 1,2 [gL-1] y el crecimiento es a la máxima velocidad específica e igual a 0,42 [h-1]. La constante de saturación para la lactosa es de 40 [mgL-1]. El cultivo se realizará en un fermentador cuya máxima capacidad es de 10 [l]. A ud. le han solicitado que determine: a. El volumen de permeado de suero concentrado que se deberá alimentar. b. El tiempo que dura la fermentación. c. El rendimiento global promedio de la lactosa en biomasa (incluye etapas por lote y l ote alimentado). Señale claramente toda suposición.