BALANCES DE MASA EN BIOPROCESOS

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GUÍA DE EJERCICIOS N° 1

BALANCES DE MASA EN BIOPROCESOS

BALANCES DE MASA EN BIOPROCESOS

1. Producción de ácido acético a partir de etanol

La bacteria Acetobacter aceti convierte etanol en ácido acético, bajo condiciones aeróbicas. Se ha propuesto un proceso de fermentación contínua para la producción de vinagre, en el cual se utilizan células no viables de A. aceti, inmobilizadas sobre la superficie de esferas de gelatina. Se desea producir 2 Kg h-1, sin embargo, la concentración máxima de de ácido acético tolerada por las células es de 12%. El aire es suministrado a las célulasa una velocidad de 200 mol h-1.

1.1.  ¿Qué cantidad mínima de etanol se requiere para el procesos?

1.2.  ¿Qué cantidad mínima se agua debe agregarse para diluir el etanol y evitar así la inhibición por ácido?

1.3.  ¿Cuál es la composición de los gases exhaustos del proceso?

1. Concentración de células utilizando membranas filtrantes

Una batería de membranas de fibra hueca cilíndricas se operan bajo condiciones de estado estable para concentrar una suspensión de bacterias obtenidas de un proceso de fermentación. Se hace circular el medio de cultivos a través de la batería de membranas a una velocidad de 350 Kg min-1 .(ver diagrama). El caldo de fermentación contiene un 1% de bacterias, el esto puede ser considerado como agua. Una solución tampón entra por el espacio anular entre  entre los cilindros de membrana a una velocidad de 80 Kg min-1; debido a que el caldo de fermentación está bajo presión, el agua pasa a través de la membrana hacia la solución de buffer. Las células en el caldo de fermentación tiene un tamaño demasiado grande como para atravesar la membrana, y salen al otro extremo del tubo como una solución concentrada. El objetivo de  esta filtración en membrana es obtener un concentrado con 6% de biomasa.[pic 4]

2.1.  ¿Cuál es la velocidad de flujo en el interior del espacio anular?

2.2.  ¿Cuál es la velocidad de flujo de la suspensión celular que sale de la membrana?.

1. Cultivo in vitro de raíces de plantas

Las raíces de algunas plantas producen sustancias químicas útiles in-vitro. Atropa belladona se cultiva en lotes, a 25ºC, en un reactor propulsado con aire (ver Fig 2). Dado que las raíces no se pueden remover durante la operación del reactor, se ha propuesto monitorear el crecimiento usando balances de masa.[pic 5]

Se alimenta 1425 g de medio de cultivo que contienen 3 % de glucosa y 1,75% de Amonio; Lo demás puede ser considerado como agua. El aire es alimentado a 1 atm de presión, y 25ºC, a una velocidad de 22 cm3 min-1. Durante un periodo de cultivo de 10 días, se recolectan 47 litros de O2 y 15 litros de CO2. Después de 10 días, 1110 g de líquido se drenan desde el reactor, y su composición era de 0,063% glucosa y 1,7% de amonio. Para las raíces, la relación de peso fresco a peso seco es de 14:1.

3.1.  ¿Qué masa de raíces secas se producen al cabo de 10 días?

3.2.  Escriba la ecuación para la reacción de crecimiento, indicando la fórmula química aproximada de las raíces, CHαOβ Nδ

3.3.  ¿Cuál es el sustrato limitante?

3.4.  ¿Cuál es el rendimiento de raíces a partir de glucosa?

1. Requerimiento de oxígeno para crecimiento en glicerol

A partir de glicerol y amonio como fuente de nitrógeno, es posible producir Klebsiella aerógenes. La biomasa así obtenida contiene 8% de cenizas. Por cada gramo de glicerol se obtienen 0,40g de

biomasa, y no se producen cantidad significativas de ningún otro metabolito. ¿Cuál es el requerimiento (masa) de oxígeno  para este cultivo?

1. Rendimiento de producto en cultivo anaeróbico

La digestión anaeróbica de ácidos volátiles mediante bacterias metanógenas se puede representar según la ecuaión:

La composición apróximada de la bacteria metanógena qeuda representada en la ecuación CH1,4O0,40N0,20. Por cada Kg de ácido acético consumido se producen 0,67 Kg de CO2. Compare el rendimiento de metano bajo las condiciones del problema con el máximo rendimiento posible para la reacción.

1. Estequiometría de la producción de single cell protein

(a) Las bacterias del género Cellulomonas se pueden producir a partir de glucosa, bajo condiciones anaeróbicas, y se utilizan como single cell protein para alimentación humana y animal. Todo el carbono presente en el sustrato se convierte en biomasa, utilizando amonio como fuente de nitrógeno. La fórmula molecular para la biomasa es: CH1,56O0,54N0,16; las células también contienen 5% de cenizas. Compare el rendimiento de biomasa a partir de sustrato, en términos molares y de masa, bajo las condiciones del problema, con el máximo rendimiento posible para la reacción.

(b) Otro sistema para la producción de single cell protein es Methylophilus methylotrophus. Este organismo se produce bajo condiciones aeróbicas, a partir de metanol y amonio como fuente de nitrógeno. La fórmula molecular para la biomasa es: CH1,68O0,36N0,22; y las células contienen 6% de cenizas.

6.1. Compare el máximo rendimiento posible de biomasa para la reacción con lo encontrado en el caso anterior (a). ¿cuál es la principal razón de la diferencia?

6.2. Si el rendimiento real de biomasa a partir de metanol es 42% del máximo termodinámico, ¿cuánto será la demanda de oxígeno?

1. Producción de etanol en levaduras y bacterias

La levadura  S. Cerevisiae y la bacteria Zymomonas mobilis producen etanol a partir de glucosa, bajo  condiciones anaeróbias y sin un aceptor de electrónes externo. El rendimiento de biomasa a partir de glucosa es de 0,11 g g-1 en levaduras, y 0,05 g g-1 en Z. mobilis. En ambos casos la fuente de nitrógeno es amonio. La composición celular de ambos organismos se representa en la fórmula: CH1,8O0,5N0,2.

7.1.  ¿Cuál es el rendimiento de etanol a partir de glucosa en ambos casos?

7.2. Compare los rendimientos calculados en 7.1., con el máximo rendimiento termodinámico posible para la reacción.

1. Demanda de oxígeno para la producción de proteínas recombinantes

La producción de proteína recombinante en una cepa de E. coli modificada es proporcional al crecimiento celular. Se utiliza amonio como fuente de nitrógeno para el crecimiento aeróbico con glucosa como sustrato. La proteína recombinante tiene la fórmula química: CH1,55O0,31N0,25. El rendimiento de biomasa a partir de glucosa es de 0,48 g g-1. El rendimiento de proteína recombinante a partir de mismo sustrato es de 20% el correspondiente a las células.

8.1.  ¿Cuánto amonio se requiere?

8.2.  ¿Cuál es la demanda de oxígeno para el proceso?

8.3.  Si el rendimiento de biomasa se mantiene en 0,48 g g-1 ¿Qué tan diferentes serán los requerimientos de oxígeno y amonio para la cepa silvestre de E. coli que es incapaz de sintetizar la proteína recombinante?

1. Efecto de crecimiento sobre la demanda de oxígeno

La ecuación química para la reacción de conversión de etanol en ácido acético es la siguiente:

El ácido acético se produce a partir de etanol durante el crecimiento de Acetobacter aceti, la cual tiene la composición CH1,8O0,5N0,2. El rendimiento de biomasa a partir de sustrato es de 0,14 g g-1. El rendimiento de producto a partir de sustrato es de 0,92 g g-1. Amonio es utilizado como fuente de nitrógeno. ¿En qué forma el crecimiento afecta la demanda de oxígeno para la producción de ácido acético?

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