Lista de Exercicios Eng Bioquimica

Unochapecó Prof. Murilo Cesar Costelli

[EXERCÍCIOS ENGENHARIA BIOQUÍMICA]

Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli

Sumário - Gerais........................................................................................................... 2 - Processos Batelada...................................................................................... 4 - Processos Batelada Alimentada.................................................................12 - Processos Contínuos.................................................................................. 17 - Transferência de Oxigênio..........................................................................22 - Processos Enzimáticos............................................................................... 25

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Exercícios Engenharia Bioquímica - Gerais 01) Quais os elementos químicos de que é composta uma célula? 02) Qual a diferença entre fermentação e respiração? 03) Cite exemplos práticos de aplicação industrial de leveduras, bactérias e mofos. 04) Quais os principais substratos utilizados na indústria para processos fermentativos? 05) Como se calcula a produtividade em células para um fermentador batelada e para um fermentador contínuo? 06) Faça um gráfico identificando as fases de crescimento de um microrganismo. 07) Como você realizaria experimentos que lhe permitam determinar os parâmetros cinéticos de Monod e o fator de conversão de substrato em células? Explique. 08) Tente descrever como é o crescimento populacional e o ambiente no qual se desenvolve uma cultura celular. Quais fenômenos ocorrem, dificuldades de modelagem cinética, etc. 09) É possível formular um modelo com todos os fenômenos envolvido, explique? 10) O que é um modelo não estruturado ? e estruturado? Qual é mais idealizado e por quê?

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli 11) O que é um nutriente limitante? Quando um nutriente passa a não ser limitante? 12) Qual forma de velocidade específica de crescimento é dependente da concentração celular? Explique. 13) Proponha uma velocidade específica de crescimento, função exponencial, que seja inibida pela concentração de produto? 14) Que fatores influem na velocidade de crescimento? 15) Durante um processo de fermentação, ocorre considerável consumo de substrato. Analisando a equação de Monod, nota-se que deveria haver uma aparente diminuição na velocidade específica de crescimento, o que não se observa na prática, por quê? 16) Comente sobre a cinética de formação de produtos. 17) Comente sobre modelagem de biorreatores: Processos fermentativos descontínuo, descontínuo alimentado, semicontínuo, contínuos. 18) Apresente exemplos de produtos: a) associados ao crescimento; b) parcialmente associados ao crescimento; e c) não associados ao crescimento. 19) Explique como se determina a composição de um meio de cultivo.

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- Processos Batelada 01) Candida utilis cresce em glicerol com velocidade específica de crescimento máxima de 0,095h-1. Qual o tempo necessário para esse microorganismo duplicar sua massa na fase exponencial de crescimento de um processo batelada?

02) Em uma fermentação batelada a volume constante foram obtidos os seguintes dados experimentais: t (h) X (g/L)

0 1,0

1 1,1

2 1,6

3 2,5

4 3,8

5 5,9

6 7,0

7 7,9

8 8,5

9 8,5

10 9,3

11 9,6

12 9,3

13 9,5

Pede-se: a) Identificar as diversas fases de crescimento do micro-organismo. b) O tempo que o micro-organismo leva para duplicar a sua massa na fase exponencial de crescimento. c) A produtividade máxima em células que pode ser obtida desse processo.

03) Um ensaio em batelada para a produção de etanol e células floculantes de Zymommonas mobilis foi realizado produzindo os seguintes resultados (T=30°C, pH = 5,5 e rpm = 700 min-1): tempo (h) 0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0 10,5 12,0 13,5 15,0 16,5 18,0

S (g/L)

P (g/L)

X (g/L)

155,5 151,1 150,0 144,3 137,2 120,3 113,6 105,4 89,4 80,0 65,8 44,5 25,6

0 0,52 2,00 2,71 1,93 6,57 10,35 14,81 20,90 27,28 33,91 44,05 52,66

0,015 0,015 0,017 0,025 0,034 0,050 0,058 0,080 0,106 0,200 0,238 0,382 0,600

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli 19,5 21,0

5,3 0,1

60,87 64,26

a) Os resultados obtidos foram bons?

5

0,667 0,777

Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli 04) Uma cepa de Escherichia coli está sendo utilizada para produzir hormônio de crescimento recombinante. A bactéria cresce aerobiamente em uma cultura em batelada com glicose como substrato limitante. As concentrações de células e substrato, medidas em função do tempo de cultivo, estão na tabela abaixo. tempo (h) 0,00 0,33 0,50 0,75 1,0 1,5 2,0 2,5 2,8 3,0 3,1 3,2 3,5 3,7

X (kg/m3)

S (kg/m3)

0,20 0,21 0,22 0,32 0,47 1,00 2,10 4,42 6,90 9,40 10,90 11,60 11,70 11,60

25,0 24,8 24,8 24,6 24,3 23,3 20,7 15,7 10,2 5,2 1,7 0,2 0,0 0,0

a) Faça os gráficos de X, S e μx contra o tempo. b) Qual é o valor de μmáx e KS? c) Qual é a conversão de substrato em biomassa observada? d) Avalie os resultados obtidos.

05) Células de raízes de plantas são produzidas através da transformação genética de plantas utilizando Agrobacterium rhizogenes. As concentrações de biomassa e açúcar abaixo foram obtidas através de uma cultura em batelada de raízes de Atropa belladonna em um fermentador de coluna de bolhas. tempo (d) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

X (g/L)

S (g/L)

0,64 1,95 4,21 5,54 6,98 9,50 10,30 12,00 12,70 13,10 13,50 13,70

30,0 27,4 23,6 21,0 18,4 14,8 13,3 9,7 8,0 6,8 5,7 5,1

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli

a) Faça os gráficos de X, S, Y X/S e μX contra o tempo. Quando ocorre a maior velocidade específica de crescimento? b) Faça o gráfico da velocidade específica de consumo de substrato contra o tempo. c) Avalie os resultados obtidos.

06) Etanol é produzido pela fermentação anaeróbica de glicose por Saccharomyces cerevisiae. Para uma certa linhagem de S. cerevisiae empregada, o coeficiente de manutenção é 0,18 kg.kg -1.h-1, YX/S é 0,11 kg.kg1

, YP/X é 3,9 kg.kg-1 e μmáx é 0,4 h-1. Decidiu-se pesquisar a possibilidade de

se utilizar a bactéria Zymomonas mobilis ao invés da levedura para produzir etanol. Sabe-se que a Z. mobilis produz etanol sob condições anaeróbias utilizando uma rota metabólica diferente da utilizada pela levedura. Os valores típicos de YX/S são 0,06 kg.kg-1 menores e o coeficiente de manutenção é 2,2 kg.kg-1 maior para a bactéria quando comparada com a levedura. O valor de YP/X para a Z. mobilis é 7,7 kg.kg-1 e μmáx é 0,3 h-1. a) Qual a máxima conversão estequiométrica teórica de glicose (C 6H12O6) para etanol (C2H5OH)? Dica: a glicose é convertida anaerobiamente a etanol e gás carbônico (CO2). b) YP/S é máximo e igual ao rendimento teórico quando não há crescimento e todo o substrato que entra na célula é utilizado na manutenção celular. Se o etanol for o único produto extracelular do metabolismo energético, calcular o μP para cada micro-organismo. c) S. cerevisiae e Z. mobilis são cultivadas em um cultivo batelada. Faça uma previsão dos rendimentos de produto (conversão) a partir do substrato para as duas culturas. d) Qual a eficiência da produção de etanol pelos dois micro-organismos? A eficiência é definida como a conversão observada dividida pela conversão estequiométrica máxima calculada. e) Qual a velocidade específica de produção de etanol (kg EtOH/kg cel.s) dos dois micro-organismos? f) Compare as proporções de produção de etanol associada e não-associada ao crescimento para as S. cerevisiae e Z. mobilis. Para qual micro-organismo a produção não-associada ao crescimento é maior? g) Para atingir a mesma taxa volumétrica de produção de etanol, qual a relação entre a concentração leveduras e a concentração de bactérias?

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli h) Com crescimento zero, a produtividade de etanol (kg.h -1) das duas culturas é a mesma. Sob estas condições, se é utilizada a mesma concentração de bactérias e leveduras, qual a ralação entre o tamanho dos fermentadores necessária para atingir esta mesma produtividade? i) Faça uma previsão da conversão de biomassa à partir do substrato observada no meio de cultivo para os dois organismos. Para qual organismo a disposição final da biomassa será um problema maior? j) Faça uma recomendação sobre qual micro-organismo é mais adequado para a produção industrial de etanol, e dê suas razões.

07) Zymomonas mobilis é utilizada para converter glicose a etanol em um fermentador batelada sob condições anaeróbias. Os valores de Y X/S e YP/X são 0,06 e 7,7 g.g-1 respectivamente. O coeficiente de manutenção é 2,2 g.g -1.h, e o P é 1,1 h-1. A velocidade específica máxima de crescimento da Z.

1

mobilis é 0,3 h-1. O inóculo consistiu de 5 g de bactérias em 50 litros de meio de cultivo contendo 12 g.L-1 de glicose. Determine o tempo de cultivo para: a) produzir 10 g de biomassa; b) atingir 90% de conversão de substrato; c) produzir 100 g de etanol.

08) Compare as produtividades (g EtOH L -1.h-1) dos processos dos exercícios 9 (Processos Contínuos) e 7 (Processos Batelada) se o tempo morto do processo em batelada fosse de 10 horas.

09) A equação estequiométrica para a produção aeróbica de ácido acético à partir de etanol por bactérias acéticas é: C2H5OH

+ O2 (etanol)



CH3CO2H + (ácido acético)

H 2O

a) Qual é a conversão de etanol à ácido acético baseado na reação estequiométrica acima? b) Uma linhagem de Acetobacter aceti foi adicionada a um meio vigorosamente agitado contendo 10g/L de etanol. Após algum tempo, a

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli concentração de etanol era 2g/L e haviam sido produzidas 7,5g/L de ácido acético. Qual a conversão, YP/S, de etanol a ácido acético do cultivo. c) Discuta os resultados.

10) Dados experimentais do processo de produção de etanol a partir de hidrolisado de mandioca. Ensaio 1 t (h) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0

X (g/L) 0,378 0,652 1,17 1,54 1,84 2,36 2,20 2,23

S (g/L) 20,8 17,6 14,8 10,3 5,8 2,34 0,512 0,088

P (g/L) 1,92 2,54 3,54 4,65 5,96 6,64 7,19 6,74

t (h) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0

X (g/L) 0,845 1,08 1,88 2,98 3,92 5,77 7,14 10,6 10,3 7,7

S (g/L) 85,1 76,8 76,3 74,8 56,9 42,2 28,8 7,65 0,198 0,002

P (g/L) 2,44 2,88 3,54 5,34 7,52 10,5 10,7 22,8 24,7 24,4

t (h) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0

X (g/L) 0,410 0,819 1,14 1,72 2,57 4,01 4,68 6,60 9,51 12,6 12,3 14,2 15,2

S (g/L) 136 130 131 134 130 120 106 100 69,8 47,5 18,3 0,812 0,003

P (g/L) 2,71 2,78 3,06 3,43 4,78 6,78 8,34 11,7 15,4 23,0 28,1 38,2 37,7

t (h) 0,0 1,0 2,0

X (g/L) 1,12 1,29 2,29

S (g/L) 227 236 221

P (g/L) 2,02 2,56 2,90

Ensaio 2

Ensaio 3

Ensaio 4

9

Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0

2,68 4,36 6,18 7,70 11,1 13,6 18,3 18,6 22,3 29,9 25,2

213 198 198 195 178 160 123 76,4 46,2 11,9 0,054

3,82 4,44 6,69 9,31 11,3 15,2 21,0 31,2 39,4 53,8 54,4

a) Faça os gráficos de X, S, P e μX contra o tempo. b) Qual é o valor de μmáx ? c) Qual é a conversão de substrato em biomassa observada? d) Qual é a conversão de substrato em produto observada? e) Avalie os resultados obtidos.

11) De acordo com o balanço material para o reator batelada, se você estivesse modelando o crescimento, qual parâmetro teria de ser estimado e de que forma você procederia?

12) Um fermentador de 10 L é inoculado com 500 mL de inóculo de 4,1 g/L. O crescimento do micro-organismo ocorre durante 6 h e atinge uma concentração de 6 g/L. Determine o tempo de duplicação e o tempo que a cepa

deve

permanecer

no

fermentador

para

alcançar

a

mesma

concentração que existia no inóculo.

13) Um determinado tipo de micro-organismo foi cultivado em sistema batelada e os seguintes dados foram obtidos: t (h) 0,0 9,0 16,0 23,0 30,0 34,0 36,0 40,0

X (g/L) 1,25 2,45 5,10 10,50 22,00 33,00 37,50 41,00

10

S (g/L) 100,0 97,0 90,4 76,9 48,1 20,6 9,38 0,63

Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli a) Determine a velocidade específica máxima de crescimento celular. b) Calcule o fator de conversão de substrato em células. c) Qual a máxima concentração celular que poderia ser obtida se fossem utilizados 150 g/L de glicose no mesmo processo?

14) Uma fermentação em batelada de um cultivo bacteriano aeróbio crescendo sobre metanol fornece os resultados apresentados na tabela: t (h) 0 2 4 8 10 12 14 16 18

X (g/L) 0,2 0,211 0,305 0,98 1,77 3,2 5,6 6,15 6,2

S (g/L) 9,23 9,21 9,07 8,03 6,08 4,6 0,92 0,077 0

a) Determine a velocidade específica máxima de crescimento celular. b) Calcule o fator de conversão de substrato em células. c) Qual o tempo de duplicação? d) Qual o valor da constante de afinidade pelo substrato (K S)?

15) A concentração celular em um meio de cultivo agitado é de 0,5 g/L. Sabe-se que o substrato limitante é a glicose, cuja concentração inicial é de 10 g/L. Ao final do cultivo, depois de 5 h, a concentração de microorganismo atingiu a concentração de 10 g/L. Estime a percentagem de carbono nesta cepa de micro-organismo.

16) Um cultivo em batelada, realizado a 15 °C em um fermentador com 10 L de meio de cultivo, foi inoculado com 300 mL de meio com 5,5 g/L de biomassa.

Depois de

transcorrido metade

do tempo de

cultivo,

a

temperatura foi aumentada para 35 °C sendo mantida até ao término do processo. Sabe-se que o tempo de duplicação desta cepa é 32 minutos, à 20 °C, e 24 minutos, à 30 °C. Calcule o tempo total de fermentação sabendo

11

Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli que o rendimento da fonte de carbono é 0,5 g/g, tendo sido adicionado 8g/L desta.

17) Em um fermentador com 4,9 L de caldo fermentativo adicionou-se 100 mL de inóculo bacteriano com uma concentração de 25g/L. Deixando-se a cepa

crescer

durante

“n”

horas

obteve-se

no

fermentador

uma

concentração de biomassa de 35 g/L. Expresse, em função de n, o valor do tempo de duplicação (td). Determine o tempo que a cepa deveria permanecer no fermentador para alcançar a mesma concentração do inóculo.

18) Sabe-se que o crescimento de fungos filamentosos não é exponencial, tendo sido propostos modelos que representam este crescimento. Um destes modelos é o proposto por Koch: W1/3 = W01/3 + k.t. Onde W corresponde a concentração micelial, t é a variável tempo e k é a constante de velocidade de crescimento para fungos. Em um experimento foram inoculados, simultaneamente, 0,2 g/L de uma bactéria e o dobro de um fungo em um mesmo meio de cultivo a 30 °C, desenvolvendo-se sem interação entre as cepas. Foi determinado previamente que nas condições de cultivo k é 0,22 (g/L)1/3h-1 e  é 0,44 h-1. a) Determine o tempo de cultivo no qual ambas as populações alcançam a mesma concentração, considerando desprezível a fase de latência para ambos os casos. b) Se depois de 5 h de cultivo sob 30 °C a temperatura reduz para 25 °C por mais 5 h, calcule as concentrações finais de bactérias e fungos. A energia de ativação da bactéria é 68 kcal/mol e sabe-se que k é diretamente proporcional ao cubo da temperatura absoluta.

19)

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- Processos Batelada Alimentada 01) Realiza-se um estudo cinético do crescimento de Candida utilis sobre glicose em um fermentador batelada alimentada. O fermentador contém inicialmente 5L de meio com 1g/L de glicose e 2g/L de levedura. Ao curso do crescimento adiciona-se ao fermentador de uma forma contínua 100g/L de glicose de forma a manter a concentração desta constante e igual a 1g/L dentro do fermentador. Nessas condições obtém-se as seguintes variações em função do tempo do volume de meio e da concentração de levedura: tempo (h) 4 8 10 12 14

Volume (L) 5,2 5,6 5,9 6,3 6,9

X (g/L) 3,6 6,5 8,4 10,8 13,5

Avaliar a velocidade específica de crescimento da levedura e o fator de conversão de glicose em biomassa. 02) Em uma produção de penicilina em biorreator batelada alimentada inicia-se com um volume V i = 10000L, concentração de células X i = 10g/L e concentração de penicilina Pi = 0,1g/L. A operação é realizada a vazão constante F = 200L/h, por 100h. A concentração do substrato no meio de alimentação é S0 = 40g/L e no meio fermentativo é praticamente nula. Calcular: a) a concentração final de células e penicilina b) a produção e a produtividade de penicilina, sabendo-se que o tempo de preparo do fermentador é de 10h. Dados: p = 0,01 g de penicilina/g de células secas.h, YX/S = 0,15 g células secas/g de substrato

03) Células de Nicotiana tabacum são cultivadas para a produção de uma goma polissacarídica em um reator de tanque agitado com 100 L de meio de cultivo. A velocidade específica máxima de crescimento da cultura é de 0,18 d-1 e a conversão de substrato em biomassa é 0,5g.g -1. A concentração

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli do substrato limitante no meio de cultivo é 3% (p/v). O reator é inoculado com 1,5 g.L-1 de células e é operado até que o substrato acabe completamente, então inicia-se a adição de meio de cultivo na vazão de 4 L.d-1. a) Estimar o tempo do cultivo em batelada e a concentração final de biomassa. b) Se a alimentação ocorre durante 40 dias, qual a massa final de células no biorreator?

04) Numa fermentação fed-batch (batelada alimentada) realizada num fermentador de volume total de 200 litros, foram obtidos os seguintes resultados: t (h) MX (g)

0 210

1 313

2 467

3 697

4 1040

5 1552

6 1797

7 2032

8 2267

9 2500

A fermentação foi parada quando o volume de caldo atingiu 80% do volume total. As características das bactérias cultivadas são m = 0,4h-1, YX/S = 0,4g/g e KS = 0,01g/L, para o nutriente limitante utilizado. Sabendo que S F é constante, determine os valores de F e S F. Calcular as concentrações iniciais de substrato e de células, considerando-se que o processo inicia-se com um volume de 140 litros. 05) Em um processo industrial em batelada alimentada utiliza-se um fermentador inicialmente com 30000 litros de meio. A alimentação contem 200 gramas de sacarose por litro e deve ser mantido um μ S de 0,2 h-1. O micro-organismo tem um m de 0,33 h-1 e um KS de 0,050 g/L. A concentração celular no final da fase batelada é de 10 g/L e passa a ser alimentada durante 7 horas. O volume máximo de líquido no fermentador é de 40 m3. Determinar o fluxo no início e no fim da alimentação, o rendimento de sacarose, a concentração final de células e a massa total de sacarose alimentada.

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli 06) Uma fermentação batelada alimentada é realizada usando uma alimentação constante de 0,8 L/h, com uma concentração de substrato limitante de 120 g/L. O processo inicia com uma cultura em batelada com um volume de líquido de 20 litros. A concentração de células após a inoculação é de 0,1 g/L, num meio de cultura contendo 7,5 g/L de nutriente limitante. O cultivo em batelada continua até que a massa celular atinja o seu quíntuplo, em seguida, começa a alimentação. Determine: a) As condições iniciais da cultura de batelada alimentada b) Condições finais correspondentes ao tempo que o volume de caldo é de 30 litros.

07) Deseja-se instalar um sistema de cultivo em batelada alimentada no qual se obtenha crescimento exponencial com alimentação a fluxo constante e concentração de nutriente variável com o tempo. a) Deduza as equações que representam o comportamento do sistema. b) Determine o tempo de alimentação se no fermentador, inicialmente com 22m3 de meio, deseja-se obter 640kg de biomassa seca com um X de 0,5h1 . Calcule também a massa total de glicose alimentada e a concentração inicial e final no fermentador. Dados: X0 = 8g/L , max = 0,62h-1 , KS = 0,045g/L , YX/S = 0,4 gX/gS , F = 1L/h

08) Lhe foi solicitado projetar uma fermentação em batelada alimentada com alimentação constante (F e S F constantes). O micro-organismo a ser cultivado é uma bactéria que possui max = 0,4h-1 , YX/S = 0,4 gX/gS , KS = 0,01g/L , quando se utiliza glicose como fonte de carbono e energia. Para isso, dispõe-se de um fermentador piloto de 200L de volume total. Usando glicose como nutriente limitante, deve-se iniciar a alimentação, quando o micro-organismo finalizar a etapa de crescimento exponencial, com um fluxo de alimentação F de modo que se obtenha uma segunda fase de crescimento exponencial que deve encerrara quando o volume de meio seja 80% do volume total. Os valores de S 0 e X0 no tempo inicial são 0 e 1,5g/L, respectivamente. O tempo total de processo não deve ser maior que 6h, partindo de um volume inicial de 140L. a) Qual deve ser o valor de F para a segunda fase exponencial? 15

Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli b) Qual será a concentração de micro-organismos alcançada? c) Quais serão os valores máximos de S que se obtém em cada fase exponencial? 09) Deseja-se utilizar uma planta piloto para realizar uma fermentação em batelada alimentada. A bactéria de interesse apresenta uma velocidade específica máxima de crescimento de 0,34h-1, KS de 0,029g/L e YX/S de 0,41g/g. No período inicial em batelada, utiliza-se um volume de meio de 320L

obtendo-se

uma

concentração

de

7g/L,

iniciando-se

então

a

alimentação no instante em que a concentração de maltose é de 0,01g/L. A alimentação, com uma concentração de 66g/L de maltose, é realizada de acordo com a expressão: F = F 0 + 3,3t. No início da alimentação a oferta de maltose deve ser de 80% da necessária. Calcular o tempo de alimentação necessário para alcançar uma massa celular de 10kg em base seca e o volume de caldo no fermentador. 10) Em um cultivo batelada alimentada se utiliza uma alimentação com fluxo linear na forma F = 27t (L/h). O volume inicial é de 1300L, com concentrações X0 = 8,5g/L e S0 = 0,35g/L. A concentração de nutriente limitante na alimentação é 170g/L, com um rendimento global de substrato em células igual a 0,41gX/gS. A levedura possui um m = 0,44h-1 e KS = 0,06 g/L. Determine o tempo de alimentação para obter uma concentração de biomassa de 20kg e os valores de finais de S, X, V e . 11) Inoculam-se 20 litros de meios de cultivo, em um reator batelada alimentada, com uma concentração de substrato de 11,3g/L com 5 litros de um preparado microbiano com 1,5g/L. A primeira etapa do cultivo é conduzida de forma batelada até que a massa microbiana alcance 4 vezes seu valor inicial. Inicia-se então uma alimentação variável (F = 0,5t + 4) de substrato, com uma concentração de 180g/L. A fermentação é interrompida quando o volume de meio for de 165 litros. Determinar:

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli a) Condições iniciais do cultivo alimentado b) Condições finais do processo. Dados: m = 0,5h-1, KS = 65mg/L, YX/S = 0,45g/g

12) Em um planta a produção de levedura é conduzida em processo batelada alimentada com alimentação exponencial de meio de cultivo a fim de manter X constante e igual a 0,24h -1. O volume inicial de meio é de 65000L. Depois de 6 horas, uma falha na bomba de alimentação requer a troca da mesma por outra que passa realizar a alimentação de acordo com a expressão: F = 100t3. Determine as condições no momento da falha da bomba e após 20h de trabalho com a nova bomba (V, X, X, e S). Dados: X0 = 1g/L, YX/S = 0,52g/g, SF = 250g/L, KS = 0,1g/L, m = 0,48h-1

13) Para realizar uma fermentação em batelada alimentada, esta foram inoculados 45 litros de meio de cultivo (12g/L de substrato) com 5 litros de um preparado microbiano de 4g/L. A primeira etapa do cultivo se dá de forma batelada até que 90% do substrato seja consumido. Após este período, se inicia então uma alimentação variável de substrato, com uma concentração de 100g/L e um fluxo inicial de 5L/h. A fermentação é encerrada quando o volume atingir 100L. A cepa utilizada, Kluyveromyces fragilis, tem um tempo de duplicação de 1,39h. Em relação ao substrato utilizado, apresenta um KS = 20mg/L e um rendimento constante Y X/S = 0,45 g/g. Determine: a) Condições iniciais do cultivo por batelada alimentada (X, S,t, V, ) b) Função de fluxo se a transição ocorre após 3 horas de iniciada a alimentação. c) Condições finais do cultivo por batelada alimentada (X, S,t, V, )

14) Para o projeto de um processo de fermentação batelada alimentada, com alimentação exponencial do tipo (F = 2,85t 2 +1), dispõe-se de um fermentador com 50L de meio de cultivo que são inoculados com 2,5L de um cultivo celular com 10g/L e uma concentração de substrato limitante de 10g/L. Quando a concentração de substrato chega a 0,1g/L, inicia-se a 17

Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli alimentação exponencial, com uma concentração de substrato de 120g/L. O micro-organismo a ser cultivado é uma bactéria que apresenta as seguintes características: m = 0,5h-1, YX/S = 0,46g/g e KS = 40mg/L. a) Calcular o tempo decorrido até que o processo passa a ser alimentado. b) Determinar as concentrações de substrato, células, o volume e a velocidade específica de crescimento depois do crescimento exponencial .

15) Uma fermentação em batelada alimentada utiliza alimentação variável do linear, com uma concentração de substrato limitante e 120g/L. O cultivo inicia sendo conduzido em batelada com um volume de 20L. A concentração celular depois da inoculação é de 0,1g/L, com um meio de cultivo de 7,5g/L de nutriente limitante. O cultivo em batelada continua até que a massa celular seja quintuplicada, iniciando-se então a alimentação. O volume do fermentador é de 50 litros, sendo encerrada ao completar 70% deste. Determine: a) Condições iniciais do cultivo em batelada alimentada. b) Condições finais. Dados: m = 0,62h-1, KS = 80mg/L, YX/S = 0,45g/g , F = 0,6t + 2 (L/h)

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- Processos Contínuos 01) Um fermentador tipo CSTR se encontra em estado estacionário. Descreva qualitativamente o que acontece com a concentração de células, a concentração de substrato e a velocidade específica de crescimento se a vazão de entrada for diminuída.

02) A produção em anaerobiose de etanol por Sacharomyces cereviseae é associada ao crescimento da levedura. A cinética de crescimento da levedura em estado estacionário segue o modelo de Monod. Pretende-se produzir 10kg/h de etanol em m fermentador tipo CSTR ideal, alimentado por uma solução de 50g/L de glicose. Dimensione o fermentador para esse fim, fixando a concentração de biomassa à saída do fermentador em 6,9g/L. Dados: m = 0,1 h-1, kS = 0,5g/L , YX/S = 0,15 g/g , YP/S = 0,45 g/g

03) Qual a vantagem de se operar um fermentador CSTR com alimentação de células? Justifique

04) A produção de etanol por Sacharomyces cereviseae é associada ao crescimento da levedura. A cinética de crescimento da levedura em estado estacionário segue o modelo de inibição de produto como proposto por Aiba. Produz-se etanol em um fermentador tipo CSTR ideal de 10m 3, alimentado por uma solução de 50g/L de glicose. A vazão de alimentação é de 400L/h. Quais as concentrações de biomassa, glicose e etanol à saída do fermentador? Dados: m = 0,1 h-1, kS = 0,5g/L , YX/S = 0,15 g/g , Y P/S = 0,45 g/g , kP = 18g/L

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Universidade Comunitária Da Região De Chapecó Área De Ciências Exatas e Ambientais Engenharia Química – Engenharia de Alimentos Disciplina: Engenharia Bioquímica Professor: Murilo Cesar Costelli μ=μ m

kP S S +k S k P+ P

05) Pretende-se produzir 240kg/dia de um determinado micro-organismo e dispõe-se de substrato glicose a 100g/L. Que tipo de fermentador (CSTR ou PFR) seria o mais adequado? A concentração de células na alimentação é 0,1g/L e pretende-se que haja 95% de aproveitamento do substrato. Suponha válido o modelo de Monod. Dados: m = 0,23 h-1, YX/S = 0,5 g/g , kS