Universidad Francisco de Vitoria
Licenciado en Biotecnología. 5º Curso Biorreactores Examen final
NOMBRE: Calificación
DNI: 1 de febrero de 2013
LEA DETENIDAMENTE LAS SIGUIENTES INSTRUCCIONES:
El presente cuadernillo consta de cuatro ejercicios.
El primero consta de varias preguntas cortas.
Los ejercicios segundo, tercero y cuarto son problemas de aplicación del contenido de la asignatura.
Dispone de 180 minutos para realizar este examen.
La puntuación total correspondiente a cada ejercicio se muestra junto a cada enunciado. Esta puntuación se desglosa dentro de cada ejercicio por apartados.
Utilice sólo el espacio reservado para cada ejercicio. NO se admitirán ni evaluarán hojas extras en ningún caso.
Las respuestas numéricas sin justificar no serán valoradas.
1er EJERCICIO (2.5 PUNTOS) – Responda sólo a cinco de las siguientes cuestiones en el espacio reservado para cada una.
A) ¿Cómo se llama [O2*]? ¿Qué representa? ¿A qué expresión/es pertenece? (0,5 puntos).
B) Defina grado de reducción. Calcule el grado de reducción para la biomasa del ejercicio 2 (0,5 puntos).
C) Defina daño celular. Nombre tipos de estrés celular y su causa (0,5 puntos).
D) Enumere 4 métodos mecánicos de ruptura celular y 4 métodos no mecánicos (0,5 puntos).
E) Defina criterio de escala (0,5 puntos).
F) ¿Cómo analizaría los gases generados en una fermentación? ¿Cómo analizaría los gases disueltos en el medio de cultivo durante la fermentación? (0,5 puntos).
G) ¿Qué diferencias existen entre una columna de burbujeo y un airlift? (0,5 puntos).
H) Defina fotobiorreactor (0,5 puntos).
2º EJERCICIO (2.5 PUNTOS) – Se emplea un proceso discontinuo para llevar a cabo la degradación de ácido benzoico mediante la acción de un cultivo mixto de microorganismos.
Dicho proceso puede representarse por la siguiente reacción:
C6H5COOH + 5,0 O2 + a NH3 b C5H7NO2 + c H2O + d CO2 (sustrato) (biomasa)
A. Calcule el coeficiente respiratorio teórico, así como los rendimientos Yx/s, Yx/o2, YH2O/X, YN/CO2 (1,0 punto).
NOTA 1: C: 12 uma; N: 14 uma; O:16 uma y H:1 uma,
Balance de C: 7 = + 5·b + d Balance de H: 6 = -3·a + 7·b + 2·c Balance de O: 12 = 2·b + c + 2·d Balance de N: 0 = - a + b
SOLUCIÓN: a= 0,5; b = 0,5; c = 2; d = 4,5.
g g mol
g mol g CO
Mm d
NH Mm Y a
g g mol
g mol g S
Mm O H Mm Y c
g g mol
g mol g O
Mm X Mm Y b
g g mol
g mol g S
Mm X Mm Y b
RQ d
mol g O
Mm
mol g CO
Mm
mol g NH
Mm
mol g S
Mm
mol g X
Mm
CO NH
S O H
O X
S X
043 , / 0
44
· 5 , 4
/ 17
· 5 , 0 ) (
·
) (
·
321 , / 0
122
· 1
/ 18
· 2 ) (
· 1
) (
·
353 , / 0
32
· 5
/ 113
· 5 , 0 ) (
· 5
) (
·
463 , / 0
122
· 1
/ 113
· 5 , 0 ) (
· 1
) (
· 9 . 5 0
/ 32 ) (
/ 44 ) (
/ 17 ) (
/ 122 ) (
/ 113 ) (
2 3 2
/ 3
2 /
2
2 2
/ /
2 2
3
B. Al inicio de este bioproceso se encuentran por término medio en el caldo de cultivo 2.5·108 ufc/mL. Cada carga dura 48 h y el crecimiento medio de la biomasa sigue la ley de Malthus con una tasa específica de duplicación global del cultivo de 0.6 h-1.
Sabiendo que le caldo de fermentación debe tratarse para no superar 100 ufc/mL, calcule el tiempo que sería necesario tratar térmicamente el biorreactor después de cada lote si se mantuviera una temperatura constante de 140 ºC (1,5 puntos).
NOTA 2: D100= 35 min. y D121= 5 min. El cultivo presenta un tiempo de latencia medio de 3 horas y no alcanza la fase estacionaria.
Lo primero es calcular la carga microbiana alcanzada después de 48 horas de fermentación:
mL N ufc
h h mL h
N ufc
h h t
h t
mL N ufc
t t N
N
g lat
lat g
20
1 8
1 8 0
0
10
· 33 , 1
3 48
· 6 , 0
·exp 10
· 5 , 2 6
, 0 3 48
10
· 5 , 2
·
·exp
Después hay que calcular el grado de reducción de la población que hay que alcanzar:
12 , 18 100
10
· 33 , 1 log 100
10
· 33 ,
1 20
10 20
mL ufc
mL ufc n
mL N ufc
mL N ufc
buscado
Para calcular el tiempo de tratamiento sólo queda relacionar los tiempos de reducción decimal conocidos con el tratamiento buscado:
min 58 , 15 min 86 , 0
· 12 , 18
min 86 , 0 10
·
º 85 , 24 5
log 35 100 121 log
100 121
·
140
141 121
121 140
10 121
100 10
140 140
F
D D
C D
z D
D n F
z
3er EJERCICIO (2.5 PUNTOS) – La lipasa LP3 procedente de Candida rugosa cataliza la siguiente transformación:
Triacilglicerol +H2O Diacilglicero + carboxilato Información de esta proteína:
KM = 170 mM.
Vmax = 15 mM.
[E]0 = 5.52 mM.
A. Una empresa emplea un proceso basado en un reactor tubular para la obtención de ácidos grasos a partir de aceites vegetales. ¿Qué volumen debe tener este reactor para transformar el 80% de los moles de triacilglicerol alimentados? (1,5 puntos).
Necesita saber que el reactor se alimenta con 200 kg/h de un aceite compuesto por un 20% en peso de agua y un 80% de aceite de oliva.
DATOS: la densidad de la mezcla anterior es de 980 kg/m3. La corriente de salida del reactor no experimenta un cambio sustancial de densidad. Puede considerar que el aceite de oliva está compuesto exclusivamente por trioleato de glicerina (884,78 g/mol).
Condiciones a la entrada del reactor tubular::
4min , min 3 60
· 1 204
886 886
, 0 204
8 , 180 204
204 , 0
8 , 180
204 , 980 0
· 1 200
8 , 78 180
, 884
·1 1
·1000 100
·80 200
3 0 0
3 3
0 0
L h
h Q L
mM M
h L h mol S
h L h
Q m
h F mol
h m totales
kg m h
totales kg
h mol g
glicerina de
trioleato mol
kg g totales
kg
glicerina de
trioleato kg
h totales kg
glicerina de
Trioleato S
Condiciones de salida del reactor tubular:
4min , min 3 60
· 1 204
2 , 177 886
· 2 , 0
·
1 0
L h
h Q L
mM Mm
S X
S A
Ecuación de diseño de un reactor tubular:
S S
V Q S
S V
K V Q
S V S
S S V
K Q V
S K
S R V
Rs S d Q
V
S
S
S S
S S
0 max 0
max
0 max 0
max max
· ·ln
·ln 1
·
0
Simplemente hay que sustituir los datos del enunciado:
L V
mM mM mM
L
mM mM mM
L mM V
56 , 222
2 , 177 886
15min min · 4 , 3 2
, 177
·ln 886
15min 170 min · 4 , 3
B. Si se coloca otro reactor tubular a continuación del anterior, ¿cuál debe ser su volumen para alcanzar el 90% de conversión con respecto a la cantidad presente en la mezcla anterior? (1,0 punto).
Condiciones a la entrada del reactor tipo tubular:
4min , 3
2 ,
1 177 Q L
mM S
Condiciones de salida del reactor tubular:
4min , min 3 60
· 1 204
6 , 88 886
· 1 , 0
·
1 0
L h
h Q L
mM Mm
S X
S A
Ecuación de diseño de un reactor tipo tubular:
S S
V Q S
S V
K
V Q S
0
max 0
max
· ·ln
Simplemente hay que sustituir los datos del enunciado:
L V
mM mM mM
L
mM mM mM
L mM V
8 , 46
6 , 88 2
, 177 15min
min · 4 , 3 6
, 88
2 ,
·ln 177
15min 170 min · 4 , 3
4º EJERCICIO (2.5 PUNTOS) – Si se combina el reactor del apartado (A) del ejercicio 3 en serie con un reactor tipo tanque colocado después para lograr la misma conversión global del 90%, ¿qué volumen debe tener? (1,5 puntos).
Condiciones a la entrada del reactor tipo tanque:
4min , 3
2 ,
1 177 Q L
mM S
Condiciones de salida del reactor tanque:
4min , min 3 60
· 1 204
6 , 88 886
· 1 , 0
·
1 0
L h
h Q L
mM Mm
S X
S A
Ecuación de diseño de un reactor tipo tubular:
S
V
S K S Q S
V
S K
S V
S S Q V
S K
S R V
R S S Q V
S S S
S
S
·
· ·
· ·
max 0
max 0
max 0
Simplemente hay que sustituir los datos del enunciado:
mM L
mM
mM mM
mM mM
V L 58,6
6 , 88 min· 15
6 , 88 170
· 6 , 88 2
,
·177 4min ,
3
Sin necesidad de hacer cálculos para todas las posibilidades, justifique si pondría el reactor tipo tanque delante o detrás del reactor tubular (1 punto).
Dado que la cinética de Michaelis-Menten es de orden igual o inferior a uno, conviene colocar el reactor tubular primero:
