Cultivo por lote alimentado

GUIA 5
CULTIVO POR LOTE ALIMENTADO
5.1.- Una fermentación se realiza por lotes alimentado utilizando una alimentación constante de 0,8 L/h, con
una concentración de sustrato limitante de 120 g/L. El cultivo se inicia por lotes con un volumen de líquido de
20 litros. La concentración celular después de inocular es de 0,1 g/L, en un medio de cultivo con 7,5 g/L de
nutriente limitante. El cultivo por lotes continúa hasta que la masa celular se quintuplica, iniciándose entonces
la alimentación.
Determine:
a. Condiciones iniciales del cultivo por lotes alimentado
b. Condiciones de transición
c. Condiciones finales, correspondientes al momento en que el volumen de caldo es de 30 litros.
Datos: µM = 0,62 h -1 , KS = 80 mg/L, Yx/s = 0,45
5.2.- Se quiere instalar un sistema de cultivo por lotes alimentado en el cual se obtenga crecimiento
exponencial con alimentación a flujo constante y concentración de nutriente limitante variable con el tiempo.
a. Deduzca las ecuaciones que representan el comportamiento del sistema
b. Determine el tiempo de alimentación si en el fermentador, inicialmente con 22 m 3 de líquido, se
desean obtener 640 kg de biomasa seca a una µ de 0,5 h -1 . Calcule también la masa total de
glucosa alimentada y su concentración inicial y final en el fermentador.
Datos adicionales: X0 = 8 g/L, µM = 0,62 h -1 , KS = 0,045 g/L, Yx/s = 0,4 y F = 1 L/h
5.3.- Se le ha solicitado a usted diseñar una fermentación por lotes alimentado con alimentación constante (F
y Sf constantes). El microorganismo a cultivar es una bacteria que posee un µM= 0,4 h -1 , Yx/s= 0,4 y KS= 0,010
g/L, cuando se utiliza glucosa como fuente de carbono y energía. Para estos efectos se cuenta con un
fermentador piloto de 200 litros de volumen total. Usando glucosa como nutriente limitante, se debe cumplir
que finalizada la zona de crecimiento exponencial (ZCE) se alimenta el flujo F de alimentación de tal modo
que se obtenga una segunda fase de crecimiento exponencial de crecimiento igual a la primera y que su
término coincida con que se ha ocupado un 80% del volumen del fermentador. Los valores de S0 y X0 al
tiempo inicial son 0 y 1,5 g/L, respectivamente. El tiempo total del CLA no debe sobrepasar 6 horas, cuando
se parte con un volumen inicial de 140 litros.
a. Cuál será el valor de F en la segunda ZCE?
b. Cuál es la concentración final de microorganismos alcanzada?
c. Cuál es el valor máximo de S que se alcanza en cada una de las ZCE?
5.4.- Se desea utilizar una fermentación por lotes alimentado en una planta piloto. La bacteria de interés
presenta una velocidad específica máxima de crecimiento de 0,34 h -1 , un KS de 0,029 g/L. La fase por lotes se
lleva a cabo en 320 litros de medio, obteniéndose una concentración celular de 7 g/L al iniciar la alimentación,
momento en el cual la concentración de maltosa es de 0,01 g/L. La alimentación, con una concentración de
66 g/L de maltosa, se realiza de acuerdo a: F = F0 + 3,3 t
Se desea que al inicio de la alimentación la oferta sea el 80% de la demanda de maltosa.
Calcular el tiempo de alimentación requerido para alcanzar una masa celular de 10 kg en base seca y el
volumen de caldo en el fermentador es ese momento. Yx/s = 0,41
5.5.- En un CLA se utiliza alimentación con flujo lineal de la forma F = 27 t (L/h)
El volumen inicial es de 1.300 litros, con concentraciones X0 = 8,5 g/L y S0 = 0,35 g/L. La concentración de
nutriente limitante en la alimentación es 170 g/L, con un rendimiento global de sustrato en células igual a 0,41.
Se cultiva una levadura de µM = 0,44 h -1 y KS = 0,06 g/L.
Determinar el tiempo de alimentación para alcanzar una biomasa de 20 kg y calcular los valores finales de S,
X, V y µ.

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5.6.- Se desea operar una fermentación bajo la modalidad lote alimentado. Se inoculan 20 litros de medio de
cultivo, con una concentración de sustrato de 11,3 g/L, con 5 litros de un preparado microbiano 1,5 g/L. La
primera etapa del cultivo se inicia por lotes hasta que la masa microbiana alcanza 4 veces su valor inicial. Se
inicia entonces una alimentación variable de sustrato (F [L/h] = 0,5 t + 4) , con una concentración de 180 g/L.
La fermentación se detendrá al alcanzar los 165 litros de volumen.
µM = 0,5 h -1 , Ks = 65 mg/L, YX/S = 0,45
Determinar
a. Condiciones iniciales del cultivo por lotes alimentado
b. Condiciones de transición
c. Condiciones finales
5.7.- En una planta de levadura la producción se realiza mediante CLA con alimentación exponencial de
medio de cultivo, con µ cte e igual a 0,24 h -1 . El volumen base es de 65.000 L de medio.
Datos: X0 = 1 g/L, Yx/s = 0,52, SF = 250 g/L, KS = 0,1 g/L, µM = 0,48 h -1 .
Después de 6 horas se produce una falla en la bomba programable de alimentación, debiendo ser
reemplazada por otra cuyo flujo viene dado por: F = 100 t 3
Calcular las condiciones al momento de la falla y después de 20 horas de trabajo (V, µ, X, S).
5.8.- En una fermentación por lotes alimentados realizada en un fermentador de 200 litros de volumen total,
se obtuvieron los siguientes resultados:
t (h) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
XV (g) 210 313 467 697 1040 1552 1797 2032 2267 2500
La fermentación se detuvo cuando el volumen de caldo alcanzó al 80% del volumen total. Las características
de las bacterias cultivadas son µM= 0,4 h -1 , Yx/s=0,4 y KS=0,010 g/L para el nutriente limitante utilizado.
Determine el tipo de alimentación usado sabiendo que Sf es constante y calcule los valores de F y Sf. Calcule
las concentraciones iniciales de sustrato y célula, considerando que se inicia el cultivo con un volumen de 140
litros.
5.9.- En un proceso industrial por lotes alimentado se utiliza un fermentador inicialmente con 30.000 litros de
medio. La alimentación contiene 200 gramos de sacarosa por litro y debe mantenerse un µ de 0,2 h -1 . El
microorganismo tiene un µM de 0,33 h -1 y un Ks de 0,050 g/L. La concentración celular al término de la fase
por lotes es de 10 g/L y se alimenta durante 7 horas. El volumen máximo de líquido en el fermentador es de
40 m 3 .
Determinar el flujo al inicio y al final de la alimentación, el rendimiento de sacarosa, la concentración celular
final y la masa total de sacarosa alimentada.
5.10.- Se desea llevar a cabo una fermentación bajo la modalidad lote alimentado. Para ello se inoculan 45
litros de medio de cultivo (12 g/L sustrato) con 5 litros de un preparado microbiano de 4 g/L. La primera etapa
del cultivo se inicia por lotes hasta que el sustrato es consumido en un 90%. Se inicia entonces una
alimentación variable de sustrato (lineal), con una concentración de 100 g/L y un flujo inicial de 5 L/h. La
fermentación se detendrá al alcanzar los 100 litros de volumen.
La cepa utilizada, Kluyveromyces fragilis, tiene un tiempo de duplicación de 1,39 horas. En relación al
sustrato utilizado, presenta un Ks = 20 mg/L y un rendimiento constante YX/S = 0,45
Determinar:
a. Condiciones iniciales del cultivo por lote alimentado (X, S, µ, t, V)
b. Función de flujo si la transición ocurre a las 3 horas de iniciada la alimentación
c. Condiciones finales del cultivo por lotes alimentado (X, S, µ, t, V)
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Diseño de Bioreactores
5.11.- Como futuro Ingeniero le ha sido encomendado el diseño de una fermentación por lotes alimentados,
con alimentación exponencial del tipo: F = 2,85 t 2 + 1
Para esto se dispone de un fermentador que contiene inicialmente 50 litros de medio que son inoculados con
2,5 litros de un cultivo de concentración celular de 10 g/L, quedando luego de la inoculación con una
concentración de sustrato limitante de 10 g/L.
En el momento en que la concentración de sustrato llegue a 0,1 g/L, comenzará la alimentación exponencial,
con una concentración de sustrato limitante de 120 g/L. El microorganismo a cultivar es una bacteria que
presenta las siguientes características: µM = 0,5 h -1 , YX/S = 0,46, KS = 40 mg/L
a. Calcular el tiempo transcurrido hasta que el crecimiento comienza a estar limitado por la alimentación
b. Determinar las concentraciones de sustrato y células, el volumen y la velocidad específica de
crecimiento una vez transcurrido el tiempo de crecimiento exponencial.
5.12.- Una fermentación se realiza por lotes alimentados utilizando una alimentación variable de tipo lineal,
con una concentración de sustrato limitante de 120 g/L. El cultivo se inicia por lotes con un volumen de
líquido de 20 litros. La concentración celular después de inocular es de 0,1 g/L, con un medio de cultivo con
7,5 g/L de nutriente limitante. El cultivo por lotes continúa hasta que la masa celular se quintuplica,
iniciándose entonces la alimentación. El volumen del fermentador es 50 litros, siendo detenida la
fermentación al completar un 70% de este. Datos: µM = 0,62 (h -1 ), Ks = 80 (mg/L), YX/S = 0,45
Determinar F = 0,6 t + 2 [ L/h ]
a. Condiciones iniciales del cultivo por lotes alimentado
b. Condiciones de transición
c. Condiciones finales
5.13.- Se desea analizar la posibilidad de usar un CLA con alimentación exponencial para producir levaduras
forrajeras utilizando melaza y sales minerales. Para estos efectos se dispone de un fermentador de 75.000
litros de volumen y los equipos necesarios para lograr este tipo de alimentación. Estudios previos han
demostrado que el microorganismo crece a máxima velocidad específica de crecimiento y con un rendimiento
en masa celular también máximo si la concentración de sacarosa se mantiene en 1 g/L en el fermentador. De
acuerdo a las características del microorganismo y del fermentador se ha estimado que la concentración
máxima de masa celular que se puede obtener creciendo a µM sin que exista limitación por O2 es de 30 g/L.
La melaza contiene 55% de sacarosa y 6% de proteína. Dado que esta alimentación no provee todo el
nitrógeno necesario, se desea que este sea suplementado con sulfato de amonio y agregado al fermentador
al inicio del CLA (t=0).
Características del microorganismo: µM= 0,35 h-1 Yx/s= 0,5
Condiciones iniciales: S0 = 1 g/L sacarosa
X0 = 2 g/L
SNO = 0,4 g/L (NH4)2SO4
Se le solicita a usted que use las condiciones de proceso que tienden a obtener la mayor producción de
biomasa. Calcule el tiempo que dura el CLA, la cantidad de sulfato de amonio necesaria a agregar y el perfil
de la concentración de nitrógeno disponible como nutriente dentro del fermentador durante todo el CLA.
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