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Examen Biorreactores Feb 2013 – Biotecnología UFV

1er EJERCICIO (2.5 PUNTOS) – Responda sólo a cinco de las siguientes cuestiones en el espacio reservado para cada una.

A) ¿Qué es un modelo cinético potencial? ¿Qué tipo de modelo cinético es Michaelis-Menten? (0,5 puntos).

B) ¿De qué orden es el modelo cinético de Michaelis–Menten? (0,5 puntos).

C) Define tasa específica de crecimiento y tasa específica de duplicación ¿Qué las diferencia? (0,5 puntos).

D) Defina modelo macrocinético (0,5 puntos).

E) ¿Cuál es la diferencia entre desinfección y asepsia? (0,5 puntos).

F) Defina criterio de escala (0,5 puntos).

G) Define servicios auxiliares. Pon cinco ejemplos (0,5 puntos).

H) ¿Qué diferencias existe un airlift con recirculación interna y otro con recirculación externa? (0,5 puntos).

 

2° EJERCICIO (5,0 PUNTOS) – Un quimiostato (D=0,09 h-1) se emplea en la obtención de un determinado producto por vía microbiana.

Antes de poner en marcha este proceso, se llevaron a cabo ensayos a menor escala en fermentadores por lotes. El tratamiento estadístico de la información procedente de triplicados en estos fermentadores más pequeños dio como resultado los datos sobre crecimiento que se representan en la Figura 1. En todos los casos se ha utilizado el mismo medio (KLa = 0,032 s-1 y [O2] * = 8,4 mg/L), temperatura (30°C) y el resto de condiciones de operación que finalmente se emplearon en el quimiostato. En la Figura 2 se muestran resultados procedentes de triplicados a partir de un ensayo que consistió en la suspensión de la entrada de aire y posterior reaireación cuando la concentración de biomasa media era 0,9 g/L, en dicho fermentador por lotes.

Mediante un adecuado escalado se ha conseguido aumentar el tamaño del reactor hasta alcanzar la productividad buscada, comprobándose que el siguiente modelo cinético describe adecuadamente el bioproceso:

En la Figura 3 se muestra la evolución de la concentración de oxígeno en el reactor continuo, cuando el sistema alcanza la productividad buscada con una concentración de 1,5 g/L de producto. Con esta información responda de manera justificada las cuestiones que se muestran a continuación.

A. Calcule la tasa específica de crecimiento máxima (0,5 puntos), la tasa específica de consumo de oxígeno (0,5 puntos), y el parámetro KN (0,5 puntos), utilizando unidades adecuadas.

De la Figura 1 podemos obtener casi directamente los valores de μmax y KN.

FIGURA 1 – Cinética de crecimiento en fermentador por lotes

Ordenada en el origen: 4 h

Pendiente:

De la Figura 2 podemos obtener el valor de OUR en el biorreactor por lotes y q(O2)

FIGURA 2 – Ensayo de perturbación de aireación en fermentador por lotes.

Pendiente:

C. Calcule la velocidad de consumo de oxígeno en el fermentador por lotes (0,5 puntos) y en el quimiostato (0,5 puntos).

Ya conocemos OUR en el fermentador por lotes, vemos qué información tenemos sobre el quimiostato.

A partir de la información de la Figura 3 podemos afirmar que el sistema está en estado estacionario: no hay acumulación.

FIGURA 2 – Perfil de oxígeno en el quimiostato.

Podemos, entonces, establecer un balance de oxígeno en el reactor.

D. Calcule el caudal que puede acoger el quimiostato si su volumen es 100 m3 (0,5 puntos) y la producción anual de producto si al año se trabajan 8000 h (0,5 puntos).

Conociendo la tasa de dilución y el volumen del biorreactor, el cálculo del caudal es directo:

Con el caudal anterior, la concentración de producto y las horas de trabajo al año puedo calcular la producción anual:

B. Calcule el rendimiento de sustrato limitante a biomasa (0,75 puntos) y el rendimiento de producto a biomasa (0,75 puntos), utilizando unidades adecuadas.

Esta información se obtiene de los balances de sustrato limitante y de producto:

Conocemos [P], Q y V.
Necesitamos conocer [N] y RX
Como no nos dan [N]0, dejaremos el resto de magnitudes en función de este valor.

Es un quimiostato en equilibrio:

Hemos calculado OUR y conocemos q(O2)

Se puede calcular RX:

RX = μ·[X] = D·[X]

De esta manera:

Como Q = V·D:

 

3er EJERCICIO (2.5 PUNTOS) – La enzima β-galactosidasa procedente de Kluyveromyces lactis cataliza la siguiente reacción:

Información de esta proteína:

  • KM = 42 mM.
  • Vmax = 3,4 mM.

Una empresa emplea un proceso basado en un reactor tubular para la obtener leche sin lactosa según la reacción anterior. Si se desea reducir la concentración de lactosa de la leche que se alimenta a este reactor desde 137 mM a 6,9 mM, ¿qué caudal se puede tratar en un reactor de este tipo si su volumen es 750 m3 ? (1,5 puntos).

Ecuación de diseño de un reactor tubular:

¿Sería mejor realizar esta transformación en un reactor tipo tanque continuo? (1,0 punto).

 

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