Taller Bioreactores SemA2014

TALLER BIOREACTORES 1. En una fermentación simple con una bacteria aerobica creciendo en metanol, se obtuvierón los siguientes Tiempo X (g/l) S (g/l) 0 0.2 9.23 2 0.211 9.21 4 0.305 9.07 8 0.98 8.03 resultados: Calcular: 10 1.77 6.8 12 3.2 4.6 14 5.6 0.92 16 6.15 0.077 18 6.2 0 (a) Máxima tasa de crecimiento (µmax ) (b) Rendimiento de sustrato (YX/S ) (c) El tiempo de duplicación (td) (d) La constante de saturación (KS ) (e) La velocidad específica de crecimiento cuando t = 10 h 2. Se utiliza la Pseudomonas methylotrophus para producir proteínas de origen unicelular a partir de metanol en un reactor tanque agitado continuo. El rendimiento de biomasa a partir de sustrato es 0.41 g/g, KS=0.7 mg/L y la velocidad específica máxima de crecimiento es 0.44 h-1. El medio de cultivo contiene un 4% (peso/volumen) de metanol. Se desea alcanzar una conversión de sustrato del 98%. El reactor puede operar tanto de manera continua como discontinua. Si opera en discontinuo se utiliza un inóculo de 0.01% (peso/volumen) y el tiempo de parada entre operaciones es de 20h. Si opera de manera continua se considera normal un tiempo de parada de 25 días al año. Comparar la producción anual de biomasa del reactor operando de forma continua y discontinua. 3. La Pseudomonas sp. tiene un tiempo de duplicamiento de masa de 2.4 h cuando crece en acetato. La constante de saturación usando este sustrato es de 1.3 g/l y el rendimiento celular en acetato es 0.6 g de celulas/g acetato. Si se opera en un Quimiostato con una corriente de alimentación que contiene 38 g/l de acetato, encuentre: (a) La concentración celular cuando la tasa de dilución es un medio de la maxima (b) La concentración del sustrato cuanto la tasa de dilución es 0.8 Dmax (c) La máxima tasa de dilución (d) La productividad celular a 0.8 Dmax 4. La cinética de crecimiento y muerte celular de la cepa E.Coli en un medio puede ser aproximada usando las siguientes relaciones: µg = 0.6h−1 y kD = 0.1h−1 . Un fermentador de 1 litro es operado de manera batch, con una concentración inicial de celulas de 1 mg/L, la concentración inicial de sustrato es igual a 200 mg/L y no hay producto al inicio de la operacion batch. El máximo coeficiente de rendimiento en el cultivo es igual a YX/S = 0.3 g dw/g sustrato. Un crecimiento relativo al producto es formado a una tasa 1 dP especifica de X dt = 0.6µg . Determine: (a) El tiempo en el cual la concentración de biomasa en el reactor es igual a 20 mg/L (b) El tiempo en el cual todo el sustrato es consumido (c) Desarrolle una expresion que le permita calcular la concentración del producto en el reactor en función del tiempo 5. E. Coli esta siendo cultivada en un Quimiostato de 2 Litros. La alimentación contiene Glucosa a una S concentración de 5 g/L. El crecimiento celular puede ser descrito por la siguiente ecuación: µg = 0.5 0.2+S · P +1 −1 [h ], donde S es la concentración de glucosa en g/L y P es la concentración de producto en g/L. Los P +2 1

siguientes coeficientes estequiometricos aplican a este cultivo: YX/S = 0.45gX/gS y YP/X = 0.9gP/gX. No hay producto en la alimentación del reactor, lo que significa que todo el producto es producido en el reactor y la alimentación es esteril (no hay biomasa presente en la alimentación). Con lo anterior determinar: (a) Cual es la concentración de sustrato en el reactor cuando la concetración de biomasa es igual a 2 g/L (b) Cual es la concentración de producto en el reactor cuando la concentración de biomasa es igual a 2 g/L (c) Cual es la máxima tasa de dilución a la cual el reactor puede ser operado antes de que el cultivo sea lavado o “washed out” 6. Supóngase que la velocidad de crecimiento de un microorganismo se puede expresar mediante la siguiente ecuación: rX = µmax (1 − e−Cs/Ks ) · Cx donde µmax =0.365 h-1 y K s =6.8 g/L. El coeficiente de rendimiento Yxs encontrado fue 0.45. Si el reactor donde se realizó el cultivo es un tanque agitado continuo de 10 L de capacidad, con un flujo de 2.8 L/h, ¿cuál será la concentración de células en la corriente de salida? La concentración de sustrato a la entrada es de 13 g/L. La corriente de entrada es estéril. 7. Un fermentador tanque agitado de 5 m3 opera en continuo con una concentración de sustrato alimentado de 20 kg/m3 . El microorganismo cultivado en el reactor presenta las siguientes características: µmax = 0.45 h-1, K s = 0.8 kg/m3, Yxs = 0.55 Kg/kg. Se supone que se cumple la ecuación de Monod. Calcule: (a) ¿Qué caudal de alimentación se necesita para alcanzar una conversión de sustrato del 90%? (b) ¿Cuál es la producción de biomasa correspondiente a una conversión de sustrato del 90% en comparación con la máxima posible?. 8. Considere un CSTR de 1000 l en el cual la biomasa esta siendo producida con Glucosa como sustrato. El sistema microbiano sigue una relación de Monod con µm = 0.4h−1 , KS = 1.5g/l y un factor de rendimiento de YX/S = 0.5 g biomasa/g sustrato. Si la operación es normal con una alimentación esteril que contiene 10 g/l de glucosa a una tasa de 100 l/h: (a) Cual es la velocidad de producción específica de biomasa (g/l-h) cuando se tiene estado-estable? (b) Si reciclaje es usado con una corriente de reciclaje de 10 l/h y una concentración de reciclaje de biomasa cinco veces la concentracion de biomasa en la salida del reactor, cual sera la nueva velocidad de producción específica de biomasa? 9. Una cepa de levadura es cultivada en un fermentador de 30 lt. El sistema de separación ha sido diseñado de tal manera que la concentración de biomasa a la salida del separador (Xs ) sea el 30% de la biomasa que entra en éste, la concentración de sustrato se mantiene igual en todas las corrientes. La velocidad de crecimiento de esta levadura se puede representar por una expresión tipo Monod, cuyos parámetros son: Ks = 0.05 g/l; µmax = 0.3 hr-1; Yx/s = 0.25. (a) Demuestre que µ = D(Xs/X ). Indique todos los supuestos aplicados. (b) Utilizado la relación de a), calcule la concentración de biomasa y sustrato a la salida del fermentador. Considere que la alimentación fresca al fermentador tiene una concentración de sustrato, S o , de 10 g/l y un flujo de 20 l/hr. 10. En un sistema de dos Quimiostatos en serie, los volumenes del primer y segundo reactor son V1 = 500 l y V2 = 300 l, respectivamente. El primer reactor es usado para producción de biomasa y el segundo es usado para la formacion de un metabolito secundario. La corriente de alimentación del primer reactor es de F = 100 l/h, y la concentración de glucosa en la alimentación es de S = 5.0 g/l. Use las siguientes celulas . Determine: constantes para las celulas: µm = 0.3h−1 , KS = 0.1g/l, YX/S = 0.4 gg glucosa (a) La concentración de biomasa y glucosa en el efluente de la primera etapa. (b) Asumiendo que el crecimiento es despreciable en la segunda etapa y que la velocidad específica de formación del producto es qp = 0.02gP/gcelulas y que YP/S = 0.6gP/gS. Determine la concentración del producto y del sustrato en el efluente del segundo reactor.

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