Ingeniería de Biorreactores PROBLEMARIO DE ESTEQUIOMETRIA DEL CRECIMIENTO
1. Una muestra de cultivo biológico biológico se somete en un laboratorio químico químico a un análisis para determinar determinar la composición en porcentaje de los principales componentes de la biomasa. En el laboratorio se evapora la muestra a sequedad y se introduce en una estufa durante toda la noche a 150°C para eliminar completamente el agua. La porción orgánica del residuo que queda se analiza y la muestra se quema después en una mufla a 500°C para determinar el peso de las cenizas. La ceniza contiene fósforo, azufre, hierro y otros elementos inorgánicos en menor proporción. La composición de las células en peso es: C, 56.0%, H, 9%; O, 16.0% y N, 16.0% 16.0 % y 9% de cenizas. Para un microorganismo con esta composición elemental, calcule el grado de reductancia de la biomasa. 2. Calcule los grados de reductancia de las siguientes especies: a) Hexadecano b) C4.4H7.3 N0.86O1.2 c) Butanol d) Acetona e) Ácido butírico f) Ácido acético. 3. Clostridium acetobutylicum convierte anaeróbicamente la glucosa glucosa en cetona y butanol principalmente, obteniéndose pequeñas concentraciones de butirato, acetato, etc. En una fermentación se o btuvieron los siguientes productos a partir de 100 mol de glucosa y 11.2 mol de NH 3 como fuente de nitrógeno. Productos formados biomasa butanol acetona Ácido butírico Ácido acético CO2 H2 etanol
moles 13 56 22 0.4 14 221 135 0.7
Con base en un balance de carbono, nitrógeno, hidrógeno y oxígeno, determine la composición elemental de las células 4. El crecimiento de un estequiometrica
microorganismo en hexadecano es descrito por la siguiente ecuación ecuación
C16H34 + 12.4O2 + 2.09NH3 2.42 (C4.4H7.3 N0.86O1.2) + ω H20 + 5.33 CO 2 Calcula lo siguiente: a) Coeficiente ω, en base a un balance de oxígeno b) Coeficiente respiratorio (RQ= mol CO 2 producido/ mol O 2 consumido) c) Grado de reductancia de la biomasa d) C-mol de biomasa producida 5. Se desea producir proteína unicelular para alimentación animal a partir de Pseudomonas 5401. El sustrato es un hidrocarburo y la fórmula molecular de la biomasa es CH 1.83O0.55 N0.25. Si la concentración final de biomasa es 25 g/l, ¿cual es la mínima concentración de (NH) 2SO4 que debe contener el medio de cultivo si es la única fuente de nitrógeno disponible?. 6. Candida utilis convierte glucosa a CO 2 y H2O durante el crecimiento, con un rendimiento de Y X/S de 0.5 g/g. La composición mínima de la biomasa es CH 1.84O0.55 N0.2 más 5% de cenizas. Como fuente de nitrógeno se usó amonio. ¿Cuál es la demanda de oxígeno con crecimiento comparada con la reacción sin crecimiento? Sabiendo que la ecuación ecuación de oxidación de la glucosa glucosa es: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O Elaborado por: Dra. María Aurora Martínez Trujillo
Ingeniería de Biorreactores C. utilis es también capaz de crecer usando como sustrato al etanol, con el que produce células con la
misma composición mínima anterior. ¿Cuál es el rendimiento de biomasa máximo en etanol? 7.
La levadura Saccharomyces cereviseae y la bacteria Zymomonas mobilis producen etanol a partir de glucosa bajo condiciones de anaerobiosis sin otro aceptor de electrones externo. El rendimiento de biomasa a partir de glucosa es de 0.11 g/g para la levadura y de 0.05 g/g para la bacteria. La fuente de nitrógeno es amonio y ambos casos la fórmula molecular de la biomasa es CH 1.8O0.5 N0.2. ¿Cuál es el rendimiento de etanol en glucosa en ambos casos?
8. En un sistema cultivo continuo de levadura se producen 0.37 g de biomasa por g de glucosa y se consumen 0.88 g de O 2 por g de biomasa formada. La fuente de nitrógeno es amonio y la fórmula molecular de la biomasa es CH 1.79O0.56 N0.17. ¿Se produce algún otro producto? 9. Se desea producir proteína unicelular para alimentación animal a partir de Pseudomonas 5401. El sustrato es fuel-oil y la fórmula molecular de la biomasa es CH 1.83O0.55 N0.25. Si la concentración final de biomasa es 25 g/l cual es la mínima concentración de (NH) 2SO4 que debe contener el medio de cultivo si es la única fuente de nitrógeno disponible. 10. En la producción de antibióticos con frecuencia se emplean cultivos por lote. Se utiliza un cultivo sumergido para propagar al hongo en las fuentes de carbono adecuadas. Asume que se desea obtener 1 mol de penicilina (C 16H18O4 N2S) y que se conocen los siguientes rendimientos: Yx/s = 0.5 y Yp/s = 0.2 Y calcula los coeficientes estequiométricos de la siguiente reacción: aC6H12O6 + bH2SO4 + c NH3
→
d C16H18O4 N2S + eCO2 + f H2O + g C4H7O3 N
11. Estudiemos un caso típico de producción de ácido citrico por Aspergillus niger a partir de glucosa, lo que se sabe tiene un rendimiento de 68 g de ácido cítrico por cada 100 g de glucosa, cuando la fermentación se desarrolla pH de 2.5. En estos casos la fuente de nitrógeno es NH 4 NO3, y la composición de la biomasa es CH 1.8O0.5 N0.2. Si la ecuación estequiométrica es: CH2O + αO2 + β NH4 NO3 + → CH1.8O0.5 N0.2 + CH4/3O7/6 Calcule los coeficientes estequiométricos y el coeficiente respiratorio del proceso Cuando el cultivo se desarrolla a pH de 5 se obtiene un rendimiento menor de ácido cítrico ( 0.5375 molde ácido cítrico por 1C-mol de glucosa), aunque se obtiene la misma cantidad de biomasa, consumiendo la misma cantidad de nitrógeno y oxígeno. Es evidente entonces que se está produciendo un producto metabólico externo. ¿Cuál es éste? 12. El microorganismo Mycobacterium vaccae puede crecer con etano como su única fuente de carbon y NH3 como única fuente de nitrógeno. Así, el sustrato limitante es etano, y el rendimiento es de 23.7 g de biomasa por mol etano. El análisis elemental de la biomasa es C, 47.4 %; N, 8.30 %; H, 7.43 %. El contenido de oxígeno de la biomasa se calcula por un balance si se sabe que ésta contiene 45 de cenizas. a) Determina la composición elemental de la biomasa y establece su fórmula química con base en 1 C-mol. b) Calcula el rendimiento expresado como C-moles de biomasa por C-moles de sustrato c) Calcula el consume de oxígeno en moles por cada C-mol de etano d) Si se asume que el CO 2 es el único producto metabolico, escribe la ecuación estequiométrica que determina la conversión de etano a proteína unicelular (biomasa) e) Al hacer las mediciones se observa que en el experiment se obtuvieron 10.44 g de biomasa por cada mol de O2 consumido. Si el rendimiento YXS es como el calculado pero el valor del coeficiente respiratorio RQ es 0.3805, muestra que ha sucedido la formación de un producto metabólico adicional f)Determina el grado de reductancia de este producto metabólico y a partir de ello trata de identificarlo. Puedes usar como base las reacciones bioquímicas correspondientes. Elaborado por: Dra. María Aurora Martínez Trujillo