Lista engenharia bioquímica

Universidade Federal de Santa Catarina

Centro Tecnolgico DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA E

ENGENHARIA DE ALIMENTOS

UFSC/CTC/EQA- Departamento de Engenharia Qumica e Engenharia de Alimentos, Campus Universitrio, Trindade, Caixa Postal 476 CEP 88040-900 Florianpolis, SC. Fone: 48 331-9448; FAX: 48 331-9687, E-mail: [email protected], URL: http://www.enq.ufsc.br

EXERCCIOS PROCESSOS BIOTECNOLGICOS

Prof. Agenor Furigo Jr. 1) Um biorreator tipo CSTR encontra-se em estado estacionrio. Descreva qualitativamente o que acontece com a concentrao de clulas, a concentrao de substrato e a velocidade especfica de crescimento se a vazo de entrada for diminuda. 2) Candida utilis cresce em glicerol com velocidade especfica de crescimento mxima de 0,095 h-1. Qual o tempo necessrio para esse microorganismo duplicar a sua massa na fase exponencial de crescimento de um processo batelada? 3) A produo em anaerobiose de etanol por Sacharomices cerevisiae associada ao crescimento da levedura. A cintica de crescimento da levedura em estado estacionrio segue Monod. Pretende-se produzir 10 Kg/h de etanol em um fermentador tipo CSTR ideal, alimentado por uma soluo de 50 g/l de glicose. Dimensione o fermentador para esse fim, fixando a concentrao de biomassa sada do fermentador em 6,9 g/l. Dados: M = 0,1 h-1 , kS = 0,5 g/l , YX/S = 0,15 g/g , YP/S = 0,45 g/g . 4) Realiza-se um estudo cintico do crescimento de Candida utilis sobre glicose em um biorreator batelada alimentada. O biorreator contm inicialmente 5 l de meio com 1 g/l de glicose e 2 g/l de levedura. Ao curso do crescimento adiciona-se ao biorreator de uma forma contnua 100 g/l de glicose de forma a manter a concentrao desta constante e igual a 1 g/l dentro do biorreator. Nessas condies obtm-se as seguintes variaes em funo do tempo do volume de meio e da concentrao celular:

t(h) V(l) X(g/l) 4 5,2 3,6 8 5,6 6,5 10 5,9 8,4 12 6,3 10,8 14 6,9 13,5

Avaliar a velocidade especfica de crescimento da levedura e o fator de converso de glicose em biomassa. 5) Responda :

a) Quais os principais elementos qumicos de que composta a clula? b) Qual a diferena entre fermentao e respirao? c) Cite exemplos prticos de aplicao industrial de leveduras, bactrias e fungos filamentosos. d) Quais os principais substratos utilizados na indstria para processos fermentativos? e) Como se calcula a produtividade em clulas para um biorreator batelada e para um biorreator contnuo? f) Faa um grfico identificando as fases de crescimento de um microrganismo.

6) Em uma cultura batelada a volume constante foram obtidos os seguintes dados experimentais: T(h) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 12 X(g/l) 1,0 1,1 1,6 2,5 3,8 5,9 7,0 7,9 8,5 8,5 9,3 9,6 9,3 9,5 Pede-se:

a) Identificar as diversas fases de crescimento do microorganismo b) O tempo que o microorganismo leva para duplicar a sua massa na fase exponencial de crescimento. c) A produtividade mxima em clulas que pode ser obtida desse processo.

7) Como voc realizaria experimentos que lhe permitam determinar os parmetros cinticos de Monod e o fator de converso de substrato em clulas? Explique.





8) Qual a vantagem de se operar um biorreator CSTR com alimentao de clulas? Justifique. 9) A produo em anaerobiose de etanol por Sacharomices cerevisiae associada ao crescimento da levedura. A cintica de crescimento da levedura em estado estacionrio segue o modelo de inibio de produto como proposto por Aiba. Produz-se etanol em um fermentador tipo CSTR ideal de 10 m3, alimentado por uma soluo de 50 g/l de glicose. A vazo de alimentao 400 L/h. Quais as concentraes de biomassa, glicose e etanol sada do fermentador? Dados: m = 0,1 h-1 , kS = 0,5 g/l , YX/S = 0,15 g X/g S , YP/S = 0,45 g P/g S , kP = 18 g/l

10) Pretende-se produzir 240 Kg/dia de um determinado microrganismo e dispe-se de substrato glicose a 100g/l. Que tipo de biorreator (CSTR, PFR) seria o mais adequado? A concentrao de clulas na alimentao 0,1 g/l e pretende-se que haja 95% de aproveitamento do substrato. Suponha vlido o modelo de Monod. Dados: : m = 0, 23 h-1 , Yx/s = 0,5, kS





P(g/L) 0 0,52 2,00 2,71 1,93 6,57 10,35 14,81 20,90 27,28 33,91 44,05 52,66 60,87 64,26 X(g/l) 0,015 0,015 0,017 0,025 0,034 0,050 0,058 0,080 0,106 0,200 0,238 0,382 0,600 0,667 0,777 Os resultados obtidos foram bons? 16) Um microorganismo cresce em um biorreator CSTR de volume 1 m3, alimentado com uma soluo de glicose de 60 g.m-3 e demais nutrientes. A velocidade de produo de biomassa dada pela seguinte cintica:

4.3..4+= SXSrX [gX.m-3.h-1]

Sabe-se, tambm, que o fator de converso de substrato em clulas 0,1 KgX/KgS.

a) Calcule a maior vazo de alimentao que pode ser utilizada nesse reator. b) Calcule a vazo de alimentao que maximiza a produo de biomassa. c) Assumindo que necessrio processar uma vazo de alimentao de 2,5 m3/h, como voc procederia para

resolver a situao sem ter que reconstruir o biorreator? 17) Os dados da Tabela, referentes aos trabalhos de Triboli, representam o crescimento em biorreator batelada de Candida utilis sobre glicerol como fonte de carbono. Pede-se:

a) Represente o crescimento celular graficamente e identifique as fases de crescimento. b) Determine a velocidade de crescimento especfica da fase exponencial (M) e o fator de converso de glicerol em clulas (YX/S). c) Faa um grfico da velocidade de crescimento especfica () e do fator de converso de glicerol em clulas (YX/S) em funo do tempo. d) Determine a produtividade mxima em clulas.

t (horas) X (g.L-1) S (g.L-1) 0 0,78 60 4,0 1,12 - 8,0 1,78 56 12,0 2,68 53 16,0 3,67 50 20,0 5,68 45 24,0 8,25 40 28,0 12,0 34 32,0 17,0 23 36,0 22,8 13 40,0 27,1 4,7 42,0 28,2 1,1 43,0 28,3 0 44,0 28,4 0

18) Deve-se tratar 144 m3/dia de um efluente com concentrao de matria orgnica de 30 g/l utilizando-se dois biorreatores contnuos agitados clssicos (CSTR) de mesmo volume em srie. Dimensione os biorreatores para que se consiga uma remoo de 99,8% da matria orgnica. Considere os biorreatores ideais e vlida a cintica de Monod. Dados: m = 0,4 h-1 , KS = 2 g/l , YX/S = 0,50 g X/g S 19) Um biorreator do tipo PFR com recheio e reciclo utilizado para a produo de um produto associado ao crescimento de um microorganismo. Escreva as equaes que representem o balano de massa das clulas, substrato e produto no biorreator no estado estacionrio.





20) Explique as vantagens de se operar um biorreator no modo batelada alimentada em relao operao no modo descontnuo. 21) Por que um microorganismo respira ou fermenta? Qual a diferena entre esses dois processos? Cite exemplos. 22) Voc deve escolher um processo (aerbio ou anaerbio) para o tratamento biolgico de uma gua residuria. Qual deles voc escolheria? Argumente as razes que o levaram a essa escolha. 23) Os dados da Tabela representam o crescimento em biorreator batelada de um microorganismo. Determine:

a) A velocidade de crescimento especfica da fase exponencial e o tempo de duplicao. b) O fator de converso de substrato em clulas. c) A velocidade de crescimento especfica e o fator de converso de substrato em clulas para o tempo de

4 horas.

t (horas) X (g.L-1) S (g.L-1) 0 0,1 10,0 1 0,15 9,9 2 0,2 9,8 3 0,25 9,7 4 0,68 8,8 5 1,8 6,5 5,5 3,0 4,1 6 5,0 0,2 7 5,3 0 8 5,3 0

24) Dois CSTRs em srie so uma boa soluo para a produo em contnuo de um produto secundrio. Considere uma associao deste tipo onde o primeiro e o segundo reatores tm um volume til de 500 L e 714 L respectivamente, sendo o primeiro alimentado com uma vazo volumtrica de 50 L/h e no havendo alimentao nova no segundo. Admita que a formao do produto no primeiro reator desprezvel e que praticamente no ocorre crescimento no segundo reator. Suponha vlida a lei de Monod para o crescimento da biomassa. Calcule:

A. a concentrao de biomassa e substrato no primeiro reator; B. a massa de produto formada em 45 dias de operao; C. a concentrao de substrato no segundo reator.

Dados: Se=10g/L; KS=0,5g/L; YX/S=0,5g/g; YP/S=6,9g/g; MAX=0,12h-1; P=0,08 g/g/h. 25) Uma cultura aerbica de bactrias em metanol apresentou os seguintes resultados para um processo em batelada:

Tempo (h) 0 2 4 8 10 12 14 16 18 X (g/l) 0,2 0,211 0,305 0,98 1,77 3,2 5,6 6,15 6,2 S (g/l) 9,23 9,21 9,07 8,03 6,8 4,6 0,92 0,077 0

Calcule:

a) a velocidade especfica de crescimento mxima. b) o fator de converso de substrato em clulas. c) o tempo de duplicao das clulas. d) a velocidade especfica de crescimento para t=10 h.





26) cido ctrico C6H8O7 produzido da glicose por Aspergillus niger (CH1,8O0,5N0,2) em um tanque aerado. A fonte de nitrognio NH4NO3. No h formao de CO2. O fator de converso tpico nas condies do processo 68 g de cido ctrico por 100 g de glicose.

a) Determine o consumo de oxignio por grama de glicose utilizada, considerando que nenhum outro produto, alm de cido ctrico, clulas e gua, seja formado.

b) Qual a quantidade de nitrato de amnio necessria para produzir 5 Kg de cido ctrico? c) Se a velocidade de crescimento for rx=0,7 g/L-h, determine a quantidade de oxignio requerida (g O2/L-

h). d) Qual a quantidade de calor gerado por C-mol de glicose consumida? hco(NH4NO3)=216 KJ/mol.

27) Um ensaio em batelada para a produo de etanol e clulas floculantes de Zymommonas mobilis foi realizado produzindo os seguintes resultados (T=30oC, pH=5,5 e RPM=70 min-1):

T(h) 0 3 6 9 12 15 18 21 S(g/L) 155,5 150,0 137,2 113,6 89,4 65,8 25,6 0,1 P(g/L) 0 2,00 1,93 10,35 20,90 33,91 52,66 64,26 X(g/l) 0,015 0,017 0,034 0,058 0,106 0,238 0,600 0,777

Determine o fator de converso de substrato em clulas e a velocidade de crescimento especfica da fase exponencial. 28) Uma empresa utiliza um tratamento biolgico aerbio para o tratamento de sua gua residuria. Voc pretende convencer os responsveis a utilizar um tratamento biolgico anaerbio. Utilize argumentos para convencer os responsveis a mudar o processo de tratamento. 29) O crescimento de Saccharomices cerevisiae (bakers yeast) em glicose pode ser descrito de forma simplificada pela equao: C6H12O6 + 3O2 + 0,48NH3 0,48C6H10NO3 + 4,32H2O + 3,12CO2 (levedura) Em um reator batelada de volume 100000 L, a concentrao desejada de levedura no final do processo 50 gDM/L. Usando a estequiometria acima:

a) Determine a concentrao de glicose e de (NH4)2SO4 que deve ser colocada no meio de cultura. b) Determine o fator de converso de substrado em biomassa (YX/S) e o consumo de oxignio pelas clulas

(YO/X). c) Se a velocidade de crescimento for rx=0,7 gDM/L-h, determine a quantidade de oxignio requerida (g

O2/L-h). d) Determine a remoo de calor requerida para o biorreator.

30) Pseudomonas sp. tem um tempo de duplicao de 2,4 horas quando cresce em acetato. A constante de saturao de Monod usando este substrato 1,3 g/L e o fator de converso de acetato em clulas 0,46 g/g. Opera-se um biorreator do tipo CSTR para produzir Pseudomonas sp., sendo que a alimentao do biorreator contm 38 g/L de acetato, alm dos outros nutrientes necessrios. Pede-se a concentrao de clulas no biorreator quando a velocidade de diluio for metade da mxima e a produtividade em clulas quando a velocidade de diluio for 80% da mxima.

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