exercicios bioengenharia_2016_1

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
DISCIPLINA: ENG 07064 - BIOENGENHARIA B 
 
Professor: Daniele M. Rossi 
 
LISTA DE EXERCÍCIOS 
 
1. Quais os principais produtos produzidos hoje através do cultivo de microrganismos ou células? 
 
2. Para produzir energia a partir da glicose, os microrganismos utilizam dois processos gerais: respiração e 
fermentação. Explique detalhadamente os dois processos. 
 
3. Quais os elementos essenciais para o crescimento microbiano? Quais os fatores que afetam o crescimento 
microbiano? Explique detalhadamente a cinética de crescimento microbiano. Utilize gráfico para exemplificar 
as etapas. 
 
4. Descreva os tipos de operação que podem ser utilizadas em uma fermentação submersa. Cite uma 
característica e exemplo de utilização de cada processo. 
 
5. O que são enzimas e fale sobre algumas das suas aplicações industriais. 
 
6. O que é o inóculo de um biorreator? 
 
7. O número de esporos viáveis de uma nova linhagem de Bacillus subtilis foi medida em função do tempo em 
várias temperaturas. 
1. Determine a energia de ativação de inativação térmica dos esporos de B. subtilis. 
2. Qual a velocidade específica de inativação térmica a 100 ºC? 
3. Estime o tempo necessário para inativar 99 % dos esporos de uma amostra a 100 ºC. 
 
 
 
 
 
 
8. ( aula) Uma cepa de Escherichia coli está sendo utilizada para produzir hormônio de crescimento 
recombinante. A bactéria cresce aerobicamente em uma cultura em batelada com glicose como substrato 
limitante. As concentrações de células e substrato, medidas em função do tempo de cultivo estão na tabela 
abaixo. 
1. Faça os gráficos de X e S contra o tempo. 
2. Qual é o valor da velocidade específica de crescimento observada? 
3. Qual é a conversão de substrato em biomassa observada? 
 
 
 
9. (feito aula) A equação estequiométrica para a produção aeróbica de ácido acético à partir de etanol por 
bactérias acéticas é: 
C2H5OH + O2 →CH3CO2H + H2O 
(etanol) (ácido acético) 
1. Qual é a conversão de etanol à ácido acético baseado na reação estequiométrica acima? 
2. Uma linhagem de Acetobacter aceti foi adicionada a um meio vigorosamente agitado contendo 10 
g/L de etanol. Após algum tempo, a concentração de etanol era 2 g/L e haviam sido produzidas 7,5 
g/L de ácido acético. Qual a conversão, YPS, de etanol a ácido acético do cultivo. 
3. Discuta os resultados. 
 
10. (exercício entregue) Etanol é produzido pela fermentação anaeróbica de glicose por Saccharomyces 
cerevisiae. Pra certa linhagem de S. cerevisiae empregada, o coeficiente de manutenção é 0,18 kg kg-1 h-1, 
YXS é 0,11 kg kg-1 , YPX é 3,9 kg kg-1 e µmáx é 0,4 h-1. Decidiu-se pesquisar a possibilidade de se utilizar a 
bactéria Zymomonas mobilis ao invés da levedura para produzir etanol. Sabe-se que a Z. mobilis produz etanol 
sob condições anaeróbias utilizando uma rota metabólica diferente da utilizada pela levedura. Para Z. mobilis 
tem-se que os valores típicos de YXS e mS são 0,06 kg kg-1 e 2,2 kg kg-1 h-1, o valor de YPX é 7,7 kg kg-1 e 
µmáx é 0,3 h-1. 
 
a)Qual a máxima conversão estequiométrica teórica de glicose (C6H12O6) para etanol (C2H5OH)? Dica: a 
glicose é convertida anaerobicamente a etanol e gás carbônico (CO2). 
b) YPS é máximo e igual ao rendimento teórico quando não há crescimento e todo o substrato que entra na 
célula é utilizado na manutenção celular. Se o etanol for o único produto extracelular do metabolismo 
energético, calcular o mP para cada microrganismo. 
c) S. cerevisiae e Z. mobilis são cultivadas em um cultivo batelada. Faça uma previsão dos rendimentos de 
produto (conversão) a partir do substrato para as duas culturas. 
d) Qual a eficiência da produção de etanol pelos dois microrganismos? A eficiência é definida como a 
conversão observada dividida pela conversão estequiométrica máxima calculada. 
e) Qual a velocidade específica de produção de etanol (kg EtOH / kg cel . s) dos dois organismos? 
f) Compare as proporções de produção de etanol associada e não-associada ao crescimento para as S. 
cerevisiae e Z. mobilis. Para qual microrganismo a produção não-associada ao crescimento é maior? 
g) Para atingir a mesma taxa volumétrica de produção de etanol, qual a relação entre a concentração leveduras 
e a concentração de bactérias? 
h) Com crescimento zero, a produtividade de etanol (kg h-1) das duas culturas é a mesma. Sob estas 
condições, se é utilizada a mesma concentração de bactérias e leveduras, qual a ralação entre o tamanho dos 
fermentadores necessária para atingir esta mesma produtividade? 
Faça uma previsão da conversão de biomassa à partir do substrato observada no meio de cultivo para os dois 
organismos. Para qual organismo a disposição final da biomassa será um problema maior? 
Faça uma recomendação sobre qual microrganismo é mais adequado para a produção industrial de etanol, e dê 
suas razões. 
 
 
 
11. Em uma cultura batelada a volume constante foram obtidos os seguintes dados experimentais: 
 
Tempo (h) X(g/l) 
0 1 
1 1,1 
2 1,6 
3 2,5 
4 3,8 
5 5,9 
6 7,0 
7 7,9 
8 8,5 
9 8,5 
10 9,3 
11 9,6 
12 9,3 
13 9,5 
a. Identificar as diversas fases de crescimento do microrganismo; 
b. O tempo que o microrganismo leva para duplicar a sua massa na fase exponencial de crescimento; td= ,64 
c. A produtividade máxima em células que pode ser obtida desse processo. 0,65 g/L.h 
 
12. Células de Nicotiana tabacum são cultivadas para a produção de uma goma polissacarídica em um reator de 
tanque agitado com 100 L de meio de cultivo. A velocidade específica máxima de crescimento da cultura é de 
0,18 d-1 e a conversão de substrato em biomassa é 0,5 g g-1. A concentração do substrato limitante no meio 
de cultivo é 30 g L-1. O reator é inoculado com 1,5 g L-1 de células é operado até que o substrato acabe 
completamente, então inicia-se a adição de meio de cultivo na vazão de 4 L d-1. 
 
 
a. estimar o tempo do cultivo em batelada e a concentração final de biomassa. 16,4 g/L 
b. Se a alimentação ocorre durante 40 dias, qual a massa final de células no biorreator? 4,04 Kg 
 
13. (feito aula) Zymomonas mobilis é utilizada para converter glicose a etanol em um fermentador batelada sob 
condições anaeróbias. Os valores de YXS e YPX são 0,06 e 7,7 g g-1 respectivamente. O coeficiente de 
manutenção é 2,2 g g-1 h-1, e o mP é 1,1 g g-1 h-1. A velocidade específica máxima de crescimento da Z. mobilis 
é 0,3 h-1. O inóculo consistiu de 5 g de bactérias em 50 L de meio de cultivo contendo 12 g L-1 de glicose. 
Determine o tempo de cultivo para: 
a. produzir 10 g de biomassa; 
b. atingir 90 % de conversão de substrato; 
c. produzir 100 g de etanol. 
 
14. (feito aula) A Zymomonas mobilis do exercício anterior é utilizada em um cultivo contínuo em um biorreator 
de 60 m3. A alimentação contém 12 g L-1 de glicose. O KS da Z. mobilis é 0,2 g L-1. 
qual a vazão necessária para manter a concentração de substrato estável em 1,5 g L-1? 
Nesta vazão, qual a concentração celular e qual a concentração de etanol que sai do reator? 
 
 
15. (exercício entregue) Os dados da tabela abaixo representam o crescimento de Candida utilis em biorreator 
batelada sobre glicerol como fonte de carbono. Pede-se: 
a. Represente o consumo de nutrientes e o crescimento celular graficamente e identifique as fases 
de crescimento; 
b. Determine a velocidade específica de crescimento e o fator de conversão de glicerol em células 
na fase exponencial de crescimento; 
c. Determine a produtividade máxima em células. 
 
 
 
 
 
 
Tempo (h) X (g/l) S (g/l) 
0 0,78 60 
4 1,12 59 
8 1,78 56 
12 2,68 53 
16 3,67 50 
20 5,68 45 
24 8,25 40 
28 12,00 34 
32 17,00 23 
36 22,80 13 
40 27,10 4,7 
42 28,20 1,1 
43 28,30 0,0 
44 28,40 0,0 
 
 
16) Pseudomonas methylotrophus é usado para a produção de single cell protein (SCP) a partir de metanol em um 
reator de 1000 m3. O fator de conversão de substrato em célula, Yxs= 0,41 g/g, Ks= 0,7 mg/L e a máxima velocidade 
específicade crescimento é 0,44 h-1. O meio contem 40 g/L de metanol. Uma conversão de substrato de 98% é 
desejável. O reator pode ser operado ou batelada ou em modo contínuo. Se operado em batelada, um inóculo de 0,1 
g/L é usado e o tempo entre as bateladas é 20h. Se operado continuamente, um tempo de 25 dias entre as operações é 
esperado por ano. Negligenciando requerimentos de manutenção, compare a produção anual de biomassa da cultura 
batelada e da cultura contínua. 
A produção de células é 5,78.107kg usando cultura contínua e 4,54.104 kg usando cultivo batelada. 
 
17) Uma Enterobacter aerogenes auxotrófica com capacidade de superproduzir treonina foi isolada. Os parâmetros 
cinéticos para este organismo foram investigados usando cultivo contínuo com volume de 2 Litros e 10 g/L de glicose 
na alimentação. As células em estado estacionário e concentração de substrato foram medidas como função da vazão 
volumétrica: 
 
Vazão (L/h) X(g/L) Substrato (g/L) 
1 3,15 0,010 
1,4 3,22 0,038 
1,6 3,27 0,071 
1,7 3,26 0,066 
1,8 3,21 0,095 
1,9 3,10 0,477 
 
Determine a velocidade específica de crescimento máxima, a constante do substrato, Ks, o coeficiente de manutenção, 
ms, e o rendimento teórico em biomassa para esta cultura. 
 
Dica: Linearizando a equação de Monod e sabendo que , em cultivo contínuo, µ=D, tem-se as seguintes relações 
linearizadas para o cálculo dos parâmetros cinéticos: 
 
Para os fatores de conversão, num quimiostato, pode-se usar a seguinte equação: 
 
Resp: µmax=0,97 h-1, Ks=0,012 g/L.h, ms=0,12 g/g.h, Yxs=0,34 g/g 
18) Um fermentador com volume de 5 m3 é operado continuamente com concentração de substrato na alimentação de 
20 Kg/m3. O microrganismo cultivado no reator tem as seguintes características: µmáx=0,45 h-1, Ks=0,8 Kg/m3, 
Yxs=0,55 kg/Kg. Calcular: 
a. Qual a vazão de alimentação necessária para alcançar 90% de conversão? 1,6 m3/h 
b. Qual a produtividade em biomassa a 90% de conversão de substrato? 3,7 kg/ m3/h 
c. Qual a máxima produtividade em biomassa? Qxmáx (3,33 kg/ m3/h) 
 ocorre a Dopt (0,36 h-1) 
d. Compare os resultados de produtividade. 
 
19) Uma cepa de Azotobacter vinelandii é cultivada em um biorreator de tanque agitado de 15 m3 para a produção de 
alginato. Nas condições de operação o coeficiente de transferência de massa da fase líquida, kLa, é 0,17 s-1. A 
solubilidade do oxigênio no meio de cultivo é aproximadamente 8×10-3 kg m-3. Qual a concentração máxima de 
células possível se a velocidade específica de consumo de oxigênio das células é 12,5 mmol g-1 h-1. 
 
20)Durante um cultivo o pesquisador efetuou um teste para determinar o coeficiente volumétrico de transferência de 
massa da fase líquida, a, e a velocidade específica de respiração, QO2, do microrganismo cultivado. Para isto, num 
dado momento do cultivo ele fechou a entrada de ar e, antes que a concentração de O2 dissolvido atingisse um valor 
crítico, abriu novamente. Os dados do experimento encontram-se na tabela e no gráfico abaixo. No momento do 
experimento foi determinada a concentração de biomassa em 10 g/L. Sendo a concentração de oxigênio na água em 
equilíbrio com o ar igual a 8 mg/L, determine o kLa e o QO2. 
 
 
 
21) Utilizou-se o método dinâmico para o cálculo do kLa em um biorreator operado a 30 ºC. Os dados de 
concentração e O2 dissolvido com o tempo durante a re-oxigenação estão na tabela abaixo. Determine o kLa. 
 
 
Tempo (s) CO2 (% saturação do ar 
10 43,5
15 53,5
20 60,0
30 67,5
40 70,5
50 72,0
70 73,0
100 73,5
130 73,5
 
 
 
 
 
 
 
 
 
22) Em um cultivo contínuo foram aplicadas diferentes taxas de diluição no biorreator e calculados os valores de QO2 
para cada taxa de diluição conforme os resultados da tabela. Com base nestes dados calcule o coeficiente de 
manutenção das células para o O2, mO, em gO2/(gcél h) e o fator de conversão de O2 para células, YO, em (gcél/gO2). 
 
 
23) A bactéria Serratia marcescens é usada para a produção de treonina. A velocidade específica de utilização de 
oxigênio em cultura batelada é 5 mmol O2/g.L. As bactérias são crescidas em reator de tanque agitado com uma 
densidade celular de 40 g/L, KLa de 0,15 s-1. A solubilidade do oxigênio no meio de cultivo é 8.10-3 Kg/m3. A taxa de 
metabolismo celular é limitada pela transferência de massa ou pela respiração microbiana?