7/18/2019 EBI Normal 07.08
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ENGENHARIA BIOQUÍMICA I2007/2008 Época Normal: 22/01/08
Duração: 3 horas; escrever nome e nº de aluno em todas as folhas
PARTE TEÓRICA
1-A levedura Saccharomyces cerevisiae é um organismo aeróbio facultativo que cresce
por 3 caminhos metabólicos principais quando a fonte de carbono é a glucose.
a) Descreva esses 3 caminhos metabólicos.
b) A metabolização da glucose por via oxidativa ou redutiva depende da capacidade
respirativa da estirpe em questão. Detalhe esta afirmação explicando como do ponto de
vista cinético se processa a separação do fluxo de glucose que segue uma ou outra via.b) Proponha equações de balanço material que descrevam o cultivo de S. cerevisiae em
CSTR em estado estacionário.
2- Em bio-reactores semicontínuos, a maximização de produtividade volumétrica de
produto tipo I, II ou III é obtida quando se maximiza o crescimento celular. Justifique
esta afirmação fundamentando-a matematicamente.
3-
a) Como procederia para maximizar o coeficiente de transferência de massa numfermentador biológico com arejamento?
b) Qual o efeito que a utilização de agentes tensioactivos tem sobre a velocidade de
transferência de massa em fermentadores?
PARTE PRÁTICA
I Considere uma cultura em CSTR da levedura Saccharomyces cerevisiae em condições
estritamente anaeróbias. As fontes de carbono e nitrogénio são a glucose (C6H12O6) eamónio (NH3) respectivamente. Os produtos possíveis da reacção de crescimento são a
biomassa, o etanol (C2H6O), o dióxido de carbono e a água. O bio-reactor é alimentado
com meio contendo 77 g/l de glucose. Conhecem-se ainda os seguintes parâmetros:
µmax=0,1 h-1
, KS=1 g/l, Y’X/S=0.05 (w/w), m=0 g g-1
h-1
; fórmula empírica da biomassa
CH1.7O0.45N0.15 (MWX = 23.0 g DCW/mole)
a) Calcule o rendimento Yetanol/glucose e compare com o rendimento máximo
termodinâmico.
b) Calcule a taxa de diluição para ‘washout’ deste bio-reactor.
c) Calcule a concentração de biomassa no reactor no caso de D→0 h-1
.
d) A que taxa de diluição deverá ser operada o bio-reactor para uma concentraçãode glucose à saída de 1 g/l.
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e) Calcule a produtividade volumétrica de etanol nas condições da alínea d)
II Considere um biorreactor semi-contínuo no qual se obtiveram as seguintes medidas
experimentais.
Tempo (h) biomassa (g/l) glucose(g/l) Oxig. Diss. (mg/l) F (l/h) V(l)
0,0 2,5 50,0 3,2 1,0 10,0
1,0 2,8 48,8 3,2 1,0 11,0
2,0 3,1 47,5 3,2 1,0 12,0
3,0 3,5 46,2 3,2 1,0 13,0
4,0 3,9 44,7 3,2 1,0 14,0
5,0 4,5 43,0 3,2 1,0 15,0
Sabe-se ainda que Y’x/s=0,4 (w/w), m=0 g gluc/g cel/h, Ks=0,1 g/l e Y’x/o2=1,2 (w/w),solubilidade do oxigénio é 8 mg/l.
a) Determine a taxa específica de crescimento máxima, µmax (h-1
).
b) Determine a concentração de glucose na corrente de alimentação ao reactor.
c) Determine o coeficiente de transferência de oxigénio, k La’ (h-1
), nos instantes de
tempo 0 horas e 5 horas.
d) Se a velocidade de arejamento for constante ao longo do tempo, se a velocidade
de agitação for 150 rpm em t=0h, qual será a velocidade de agitação em t=5
horas? Considere que k La’ α (P/V)0,4
(P é a potência de entrada em watts) e que
número de potência é Pno=6. Despreze o efeito do arejamento.
III
Um fermentador de 20 m3 de volume útil que tem um agitador de 8 pás é utilizadopara produção de penicilina. A concentração celular dentro do reactor é de 0.029Kg cel dm-3. O agitador tem um diâmetro de 0.8 m e uma velocidade de 2.5 rps. Oar é introduzido no fermentador a uma taxa de 1 vvm através de uma placa com230 000 orifícios. O diâmetro de cada orifício é de 5 mm.
Sabendo que a força motriz para transferência de massa é de 6 x 10-3 Kg m-3
a) Calcule a velocidade específica de consumo de oxigénio. (admita que a
velocidade de consumo de O2 =velocidade de transferência de O2)
Dados:
Densidade do meio de fermentação = 1.2 x 103 Kg.m-3
Viscosidade do meio de fermentação = 0.1 Kg m-1s-1
Constante m’ da equação de Michell e Miller para uma turbina de 8 pás: m’ = 0.619
Considere ainda que KLa’ = 2 x 10-3 (Pa/V)0.6 (Vs)0.667
Onde Pa/V = potencia por unidade de volume (hp/m3; 1 hp = 735.5 watt)
45.0
56.0
32 '
=
g
ii
aF
D N PmP
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Vs = velocidade superficial de arejamento(cm min-1); KLa’ = s-1
Gráfico do Número de potência ( ρ
53
ii
no D N
PP = )em função do Número de Reynolds
(Re) do agitador:
b) De forma a operar o reactor a uma temperatura de 27ºC é utilizada uma camisa
externa com uma área de transferência de 15 m2 por onde circula água de
arrefecimento que entra a uma temperatura de 10.4 ºC. Sabendo que o coeficiente
global de transferência de calor tem o valor de 1000 W m-2
K-1
.
Qual a temperatura de saída da água de refrigeração?
b) Qual o caudal volumétrico de água de refrigeração a usar?
Dados:
Qger= 460 KJ mol-1
O2
Cp água = 4181 J Kg-1
K-1
2
)(2 21 T T T T
f +−=∆
Tf – Temperatura do meio de fermentação
T1 e T2 - Temperatura da água de entrada e saída
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