Examen Final de Bioprocesos

EXAMEN FINAL BIOPROCESOS (23230) Escuela de Ingeniería Química

Nombres: _____________________________________________ ________________________________________________ La figura 1 ilustra la operación continua en estado estable de un fermentador de múltiples etapas con filtrado y recirculación de células para la producción de ácido acético. Este sistema está compuesto de 2 tanques completamente mezclados conectados en serie con volúmenes de reacción iguales. El flujo de alimentación fresca que entra al primer tanque de reacción puede ser considerado estéril. Parte del flujo que sale del segundo fermentador es enviado a un módulo de filtración con el fin de concentrar las células que serán enviadas al primer tanque a través de una corriente de reciclo. En este esquema la velocidad de flujo de la corriente de reciclo es denotada RF. Para mantener una operación estable, parte del caldo de cultivo es retirado de la segunda etapa a través de la corriente BF. Sin esta corriente, no es posible alcanzar un estado estable durante la operación debido a la acumulación ilimitada de células no viables.

Figura 1 Esquema de un sistema de fermentación de etapas múltiples con recirculación de células

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1. (Valor 1.5) Realice los balances de biomasa, sustrato y producto para cada una de las etapas dejando éstos últimos en términos de los parámetros de operación (B, R, D). Para esto suponga que: a. El caldo de cultivo en cada uno de los fermentadores se encuentra perfectamente mezclado b. La separación obtenida en el módulo de filtración es perfecta y por lo tanto la corriente de filtrado no contiene células c. El tiempo de residencia del líquido en el lazo del reciclo es despreciable d. No existen limitaciones de transferencia de masa y por lo tanto la velocidad de fermentación está regida exclusivamente por la cinética de reacción. e. La velocidad de dilución (D) puede ser expresada como:

D=

F Vt

Donde Vt (volumen total) = NVi En esta última ecuación N es el número total de fermentadores y Vi es el volumen del fermentador i.

2. (Valor 2.0) Una vez efectuados los balances de cada una de las especies determine los valores de Dc (velocidad de dilución critica) y Dopt (velocidad de dilución óptima) suponiendo que las siguientes expresiones cinéticas son válidas 

Velocidad específica de crecimiento celular:

[ ( )]

P μ=μmáx 1− Pm

n

Donde µmáx= 0,26 h-1, Pm=63,5 kg/m3 y n= 3,61 

Velocidad específica de muerte celular:

α =k 1 exp(k 2 D) Donde k1 = 0,059 h-1 y k2= 0,325 h 

Velocidad específica de formación de producto:

qp=a+bμ−c μ2 Donde a= 1,92 h-1, b=386,8 y c= 1,347 h



Velocidad específica de consumo de sustrato:

qs=

qp Yps

EXAMEN FINAL BIOPROCESOS (23230) Escuela de Ingeniería Química Donde Yps= 1,18 kg/kg El sistema de reacción opera con las siguientes condiciones: B=0, 05, R=2, So= 47, 4 kg/m3 y Pf = 0

3. Grafique en el programa que escoja (Excel, Matlab, otro) los perfiles de concentración de sustrato, biomasa y formación de producto en función de la velocidad de dilución, indicando la velocidad de dilución crítica y óptima, determinada en el inciso anterior. Analice los resultados de la gráfica y escriba la discusión del resultado.