FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE PROCESSOS BIOTECNOLÓGICOS
DISCIPLINA: EQ883 A - Bioengenharia II - 2010 5ª Lista de exercícios 1. Projetar um reator de capacidade total de 1000 L, para operar em processo fermentativo (células aeróbicas) em batelada, com agitação mecânica (células com alta resistência ao cisalhamento) e de baixa viscosidade (durante todo o processo). Especificar as dimensões (diâmetro e altura) deste reator, dimensões do impelidor (Rushton) e as chicanas. Qual o volume efetivo de processo deste reator? Qual seria o sistema de controle de temperatura a ser escolhido (interno, com serpentinas ou externo, do tipo camisa)? 2. Você deve sugerir um tipo de reator para um processo fermentativo operando em modo batelada. Além do tipo de reator, sugira também a melhor forma de agitação, aeração e disposição das chicanas. Justifique a sua resposta. As principais características deste processo são: a. Processo inicia-se em baixa viscosidade; b. Porém, como o produto de interesse é um polissacarídeo extracelular e à medida que ocorre o crescimento microbiano ocorre elevação da viscosidade do caldo de fermentação, fermentação, atingindo valores considerados de viscosidade média. 3. Quais as principais vantagens de se trabalhar com um reator do tipo de membranas? Justifique a sua resposta. 4. Quais as principais desvantagens em se trabalhar em um processo com células aeróbicas, que produzem elevadas quantidades de CO2 e que sejam imobilizadas em um reator de leito fixo? Qual seria o reator mais apropriado para se trabalhar nestas condições? 5. Exemplifique uma aplicação prática para a utilização de um biorreator do tipo batelada alimentada. 6. Uma enzima michaeliana é utilizada em um processo operando em modo batelada. Os parâmetros cinéticos desta enzima são: Km =10 mmol/L, Vmax = 50 mmol/L. Considere também que a reação global é do tipo S P. Assuma que não há desativação e nem inibição enzimática. a. Obter o balanço de massa para este reator. b. Para So = 1 mol/L, obter o perfil da concentração de substrato e da conversão em função do tempo. Calcular a produtividade de formação de produto para 90% de conversão. c. Para So = 0,1 mmol/L, obter o perfil da concentração de substrato e da conversão em função do tempo. Calcular a produtividade de formação de produto para 90% de conversão. 1
d. Qual a principal diferença entre as condições estabelecidas no item b e c. Em termos operacionais e de produtividade (mol/L.s), qual a melhor condição para operar o reator batelada? e. E se So for 11 mmol/L, apenas explique como você obteria o perfil da concentração de substrato e da conversão em função do tempo. OBSERVAÇÃO: Para o seu aprendizado e para que você possa utilizar ferramentas úteis em sua vida de engenheiro, é interessante que este exercício seja resolvido utilizando a planilha EXCELL ou ferramenta equivalente. RESP.: b)Produtividade = 50 mmol/L.h; c) Produtividade = 0,18 mmol/L.h 7. Uma linhagem de Escherichia coli foi geneticamente modificada para produzir uma proteína humana. Um biorreator de coluna de bolhas (Vr = 100 L) operando em modo batelada foi utilizado para a obtenção desta determinada proteína. A batelada iniciou-se com a inoculação de 12 g de células, com concentração inicial de glicose de 10 g/L. A taxa máxima de crescimento da cultura é de 0,9 h -1. Considere o rendimento da biomassa a partir do consumo de glicose como 0,575gg-1. Considerar que a proteína está associada ao metabolismo energético e que o consumo de substrato para atividades de manutenção não é significativo. a. Obter o balanço de massa para o reator operando em modo batelada para a biomassa e para o substrato. b. Estimar o tempo para que se alcance a fase estacionária. c. Qual será a concentração final de células se a fermentação é terminada após 70% de consumo de substrato? RESP.: b) 4,3h; c) 3,9h. 8. Células do tipo Nicotiana tabacum são cultivadas em condições de elevada densidade celular para a produção de um polissacarídeo. Para tal, um reator do tipo tanque agitado é utilizado, com o volume inicial de 100 L. A taxa específica máxima de crescimento celular é 0,18d-1 e o rendimento de biomassa a partir do substrato é 0,5 gg -1. A concentração de substrato limitante no meio é inicialmente de 3% (m/v). O reator é inoculado com 150g de células e opera em modo batelada até que a concentração de substrato seja virtualmente esgotada. Nestas condições, inicia-se a alimentação de meio de cultura com a mesma concentração de substrato que a operação em batelada, com uma vazão de 4 Ld-1. Considere que a formação de produto está associada ao metabolismo energético e que o consumo de substrato para atividades de manutenção é desprezível. a. Estimar o tempo de processo operando em batelada e a concentração de biomassa antes de se iniciar a operação em modo batelada alimentada. b. A operação em batelada alimentada é conduzida durante 40 dias. Qual a massa final de células no reator? c. O fermentador está disponível durante 275 dias por ano com um tempo de lavagem e set up de 24 h (entre o término de um processo e início de outro). Qual a capacidade anual de produção de biomassa desta unidade ? RESP.: a) 13,3 d e 16,4 g/L; b) 4,04 kg; c) 19,45 kg.
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9. O crescimento da levedura Candida utilis em um quimiostato utilizando glicose como fonte de carbono é inibido por acetato de sódio, sendo bem representado por: µ =
µ m S K S + S + I
K S K I
onde [S] é a concentração de glicose (g/l) e [I] é a concentração de íons acetato (g/l). Para este sistema:
K s = 1 g/l; Se = 10 g/l;
-1 KI = 0,01 g/l; µm = 0,5 h ; YXS = 0,1 g células/g substrato
Considere que a alimentação é estéril e a taxa de morte celular é desprezível se comparada à taxa de crescimento celular. Considere que o produto está associado ao metabolismo energético e que o consumo de substrato para as atividades de manutenção é desprezível. a. Realize um balanço de massa para a biomassa e outro para o substrato. b. Determine as concentrações efluentes de substrato e de células, em função da taxa de diluição, na ausência e na presença de 0,05 g/l de inibidor. c. Determine a produtividade celular, em função da taxa de diluição, para o caso de inibição.
10. Dois reatores CSTR (quimiostatos) estão operando em série para a produção fermentativa de um metabólito secundário. O volume de cada reator é 0,5 m 3 e a vazão volumétrica de alimentação é 50 L.h -1. No primeiro reator ocorre o crescimento miceliar e no segundo reator ocorre a produção do produto de interesse (metabólito secundário). A concentração de substrato na alimentação é 10 g L -1. Os parâmetros cinéticos e de rendimento são: YXS = 0,5 kg kg-1 YPS = 0,85 kg kg-1 ms = 0,025 kg kg-1 h-1
µ max = 0,12 h-1 Ks = 1,0 kg.m3 qp = 0,16 kg kg-1 h-1
Assumindo que a síntese de produto é desprezível no primeiro reator e que o crescimento é desprezível no segundo reator, determine: a) Concentrações de célula e substrato que entram no segundo reator. b) A conversão total de substrato. c) A concentração final de produto. RESP.: a) X1 =2,2 kg.m-3; S1 = 5 kg. .m-3; b) 97%; c) 3,52 kg/m3.
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11. Uma nova linhagem de levedura está sendo estudada para a produção de biomassa. Os dados a seguir foram obtidos utilizando um quimiostato. A fonte de Carbono foi utilizada como substrato limitante em concentração de 800 mg/L. Utilizou-se excesso de oxigênio. As condições de processo foram pH 5,5 e temperatura de 35 oC. Utilizando os dados da tabela abaixo, calcular µ max, KS, o rendimento teórico de biomassa em fincão do substrato e ms. Assuma µ = {µ maxS/(Ks+S)-kd}. Considere kd=0,038h-1. Taxa de diluição (h -1) Concnetração do Substrato Concentração de células limitante (mg/L) (mg/L) 0.1 16.7 366 0.2 33.5 407 0.3 59.4 408 0.4 101 404 0.5 169 371 0.6 298 299 0.7 702 50 Resp.: ms = 0.06 h-1; YXS (teórico) = 0.633 g X/g S; µ max = 0.8 h-1; Ks= 80 mg/L. 12. Considere um reator operando em modo batelada alimentada. Mostre que a concentração de produto é dada por: ≈ .
Considere que o produto esteja associado à energia do metabolismo, mais especificamente para as atividades de crescimento.
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