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8/12/2019 Exercicios Eng Bioq
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Universidade Federal de Santa CatarinaCentro Tecnolgico
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA EENGENHARIA DE ALIMENTOS
UFSC/CTC/EQA- Departamento de Engenharia Qumica e Engenharia de Alimentos, Campus Universitrio, Trindade, Caixa Postal 476 CEP 88040-900Florianpolis, SC. Fone: 48 331-9448; FAX: 48 331-9687, E-mail: [email protected], URL: http://www.enq.ufsc.br
EXERCCIOSPROCESSOS BIOTECNOLGICOS
Prof. Agenor Furigo Jr.
1) Um biorreator tipo CSTR encontra-se em estado estacionrio. Descreva qualitativamente o que acontece coma concentrao de clulas, a concentrao de substrato e a velocidade especfica de crescimento se a vazo deentrada for diminuda.
2) Candida utilis cresce em glicerol com velocidade especfica de crescimento mxima de 0,095 h-1. Qual otempo necessrio para esse microorganismo duplicar a sua massa na fase exponencial de crescimento de umprocesso batelada?
3) A produo em anaerobiose de etanol por Sacharomices cerevisiae associada ao crescimento da levedura. Acintica de crescimento da levedura em estado estacionrio segue Monod. Pretende-se produzir 10 Kg/h deetanol em um fermentador tipo CSTR ideal, alimentado por uma soluo de 50 g/l de glicose. Dimensione ofermentador 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 bateladaalimentada. O biorreator contm inicialmente 5 l de meio com 1 g/l de glicose e 2 g/l de levedura. Ao curso docrescimento adiciona-se ao biorreator de uma forma contnua 100 g/l de glicose de forma a manter aconcentrao desta constante e igual a 1 g/l dentro do biorreator. Nessas condies obtm-se as seguintesvariaes em funo do tempo do volume de meio e da concentrao celular:
t(h) V(l) X(g/l)4 5,2 3,68 5,6 6,510 5,9 8,412 6,3 10,814 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 12X(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 9,5Pede-se:
a) Identificar as diversas fases de crescimento do microorganismob) 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 fatorde converso de substrato em clulas? Explique.
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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. Acintica de crescimento da levedura em estado estacionrio segue o modelo de inibio de produto comoproposto por Aiba. Produz-se etanol em um fermentador tipo CSTR ideal de 10 m3, alimentado por uma soluode 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 a100g/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
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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 de60 g.m-3e demais nutrientes. A velocidade de produo de biomassa dada pela seguinte cintica:
4.3
..4
+=
S
XSrX [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 pararesolver a situao sem ter que reconstruir o biorreator?
17) Os dados da Tabela, referentes aos trabalhos de Triboli, representam o crescimento em biorreator batelada deCandida utilissobre 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 deglicerol em clulas (YX/S).c) Faa um grfico da velocidade de crescimento especfica () e do fator de converso de glicerol emclulas (YX/S) em funo do tempo.d) Determine a produtividade mxima em clulas.
t (horas) X (g.L-1) S (g.L-1)0 0,78 604,0 1,12 -8,0 1,78 5612,0 2,68 5316,0 3,67 5020,0 5,68 4524,0 8,25 4028,0 12,0 3432,0 17,0 23
36,0 22,8 1340,0 27,1 4,742,0 28,2 1,143,0 28,3 044,0 28,4 0
18) Deve-se tratar 144 m3/dia de um efluente com concentrao de matria orgnica de 30 g/l utilizando-se doisbiorreatores contnuos agitados clssicos (CSTR) de mesmo volume em srie. Dimensione os biorreatores paraque se consiga uma remoo de 99,8% da matria orgnica. Considere os biorreatores ideais e vlida a cinticade 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.
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20) Explique as vantagens de se operar um biorreator no modo batelada alimentada em relao operao nomodo descontnuo.
21) Por que um microorganismo respira ou fermenta? Qual a diferena entre esses dois processos? Citeexemplos.
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 10,01 0,15 9,92 0,2 9,83 0,25 9,74 0,68 8,85 1,8 6,55,5 3,0 4,16 5,0 0,27 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 Lrespectivamente, sendo o primeiro alimentado com uma vazo volumtrica de 50 L/h e no havendo alimentaonova no segundo. Admita que a formao do produto no primeiro reator desprezvel e que praticamente noocorre 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; K
S=0,5g/L; Y
X/S=0,5g/g; Y
P/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 18X (g/l) 0,2 0,211 0,305 0,98 1,77 3,2 5,6 6,15 6,2S (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.
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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 outroproduto, 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? hc
o(NH4NO3)=216 KJ/mol.
27) Um ensaio em batelada para a produo de etanol e clulas floculantes de Zymommonas mobilis foirealizado produzindo os seguintes resultados (T=30oC, pH=5,5 e RPM=70 min-1):
T(h) 0 3 6 9 12 15 18 21S(g/L) 155,5 150,0 137,2 113,6 89,4 65,8 25,6 0,1P(g/L) 0 2,00 1,93 10,35 20,90 33,91 52,66 64,26X(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 faseexponencial.
28) Uma empresa utiliza um tratamento biolgico aerbio para o tratamento de sua gua residuria. Vocpretende convencer os responsveis a utilizar um tratamento biolgico anaerbio. Utilize argumentos paraconvencer os responsveis a mudar o processo de tratamento.
29) O crescimento de Saccharomices cerevisiae (bakers yeast) em glicose pode ser descrito de formasimplificada pela equao:
C6H12O6+ 3O2+ 0,48NH30,48C6H10NO3+ 4,32H2O + 3,12CO2(levedura)
Em um reator batelada de volume 100000 L, a concentrao desejada de levedura no final do processo 50gDM/L. Usando a estequiometria acima:
a) Determine a concentrao de glicose e de (NH4)2SO4que 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 saturaode Monod usando este substrato 1,3 g/L e o fator de converso de acetato em clulas 0,46 g/g. Opera-se umbiorreator do tipo CSTR para produzir Pseudomonas sp., sendo que a alimentao do biorreator contm 38 g/L deacetato, alm dos outros nutrientes necessrios. Pede-se a concentrao de clulas no biorreator quando a velocidadede diluio for metade da mxima e a produtividade em clulas quando a velocidade de diluio for 80% da mxima.