Cultivo continuo II

GUIA 4
CULTIVO CONTINUO II
4.1.- En un laboratorio de bioprocesos se dispone de un sistema de cultivo continuo consistente en 2
quimiostatos en serie de 80 litros de volumen de trabajo cada uno. Se requiere realizar un ensayo con una
bacteria de µ M=0,57 h -1 , con un medio definido limitado por carbono, con Ks=0,09 g/L y un Y x/s=0,43. A la
primera etapa se alimenta un flujo de 32 L/h con un S 0=35 g/L. Entre las dos etapas se incorpora una
alimentación de 12 L/h con una concentración de nutriente limitante de 25 g/L.
a) Determinar las condiciones de salida de cada etapa en operación régimen estacionario.
b) Determinar la productividad volumétrica en células para cada etapa
4.2.- Un quimiostato simple de 5 litros de volumen útil presenta algunos problemas de diseño que ocasionan
una imperfecta agitación. El equipo se va a utilizar para cultivar una levadura de µ M=0,48 h -1 y Ks=0,072 g/L.
La alimentación se hará a 1,1 L/h con una concentración de nutriente limitante S 0 = 65 g/L. En esa condición
Y x/s=0,43 g/g. Para predecir los resultados de esa experiencia se plantea un modelo que supone que un 35%
del flujo de alimentación no pasa por el fermentador, sino que se une a la corriente de salida y que el resto
ingresa al quimiostato que se considera perfectamente agitado.
a) Determine los valores estacionarios de µ, X , S y Q máx (Q X).
b) Comparar los resultados anteriores con los valores generados considerando un fermentador
perfectamente agitado.
4.3.- Se desea producir un metabolito P mediante una fermentación continua con un microorganismo
anaerobio facultativo en un sistema quimiostato de 2 etapas. La primera (200 litros de volumen útil) se opera a
D= 0,4 h -1 , en condiciones aerobias en las cuales P no se produce. El segundo reactor (300 litros) se opera
sin aireación y en él se produce un metabolito con Y p/s=0,44. Se utiliza un medio limitado por sacarosa con
una concentración inicial de 15 g/L. En base a las condiciones de cultivo, en la primera etapa se tiene un
µ M= 0,52 h -1 , un Y x/s= 0,5 g/g y K s=0,018 g/L. La segunda etapa posee una alimentación secundaria de 15 L/h
de una solución de 100 g/L de sacarosa. Se sabe además que para la segunda etapa µ M=0,3 h -1 , Y x/s=0,25
g/g y K s=0,018 g/L.
a) Determinar la concentración final del producto.
b) Discuta lo que sucedería en el sistema si el flujo de alimentación se aumenta en 5 L/h para compensar
una filtración continua en el primer reactor que implica una pérdida de 5 litros por cada hora de operación.
4.4.- Un fermentador de tanque agitado de 1500 litros de volumen de operación es utilizado en un proceso
continuo con una levadura de µ M= 0,34 h -1 y un K s= 80 ppm. La levadura presenta auxotrofía de un metabolito
intermedio que es usado como nutriente limitante con un Y x/s= 4,5 y una concentración en la alimentación de 5
g/L para un flujo de 165 L/h. El efluente del fermentador pasa por una centrífuga continua que produce una
corriente concentrada de células, que es bombeada a otra sección de la planta, y otra corriente clara que es
recirculada parcialmente al fermentador, purgándose el resto. El factor de concentración es 3,3 y el factor de
recirculación medido después de la purga es de 1,8. Si se desea que el flujo de la purga sea un 65% del flujo
de la corriente concentrada de células, determine los valores de los flujos y la concentración de células y
nutrientes limitantes de todas las corrientes, cuando se opera en estado estacionario. Además comparar los
resultados con los que se obtendrían con un quimiostato simple de 1 etapa.
4.5.- Un quimiostato de 12 m 3 de volumen con recirculación de células y sin purga, posee una alimentación
fresca de 6240 L/h con una concentración de 1,2 g/L. Se pide determinar el factor de concentración en el
separador, la concentración celular en el fermentador y la concentración de sustrato en el efluente.
Datos: µ M = 0,62 h -1 µ = 0,35 h -1 K S = 0,2 g/L Y x/s = 0,5 g/g.

Diseño de Bioreactores
4.6.- En una planta piloto se dispone de un sistema de fermentación continua consistente en dos quimiostatos
en serie de 50 litros de volumen de trabajo cada uno. Se desea cultivar una determinada bacteria (55% C;
11% N; 1,2% S; 2,0% Mg; 1,3% P) cuya velocidad específica de crecimiento máxima es de 0,45 h -1 en las
condiciones del ensayo y su constante de afinidad es de 28 mg/L para glicerol, que será utilizado como
nutriente limitante. Considere un rendimiento en células constante de 0,45 g/g.
La primera etapa se operará a D= 0,23 h -1 , con una concentración de glicerol en la alimentación de 18 g/L. La
segunda etapa tiene una alimentación secundaria de 6 L/h con 100 g glicerol/L.
a) Determinar los valores estacionarios de X, S y µ en cada etapa.
b) Determinar las productividades volumétricas de células en la primera etapa, en la segunda etapa y la
productividad global del sistema.
c) ¿Cómo varían los resultados de (a) si la alimentación secundaria incluye además 5 g/L de células?
4.7.- Un fermentador continuo de laboratorio de 2,5 litros está acondicionado para operar con retención de
células, para lo cual tiene dos salidas: una con un filtro absoluto y la otra directa del caldo. A través de la
salida con el filtro fluye un 30% de la alimentación al sistema.
a) Establecer las ecuaciones que describan totalmente la operación del fermentador en estado transiente y
en estado estacionario.
b) Calcular la concentración celular y concentración de nutriente limitante en el fermentador en estado
estacionario si µ= 0,83 h -1 , K S= 0,377 g/L e Y x/s= 0,33 g/g, con un medio conteniendo 4 g/L de nutrientes y
un flujo de 8,5 mL/min.
c) Calcule la máxima productividad celular.
4.8.- Se tienen dos fermentadores en serie perfectamente agitados. El segundo posee recirculación parcial
de células. Establecer las ecuaciones que caracterizan esta configuración. Escriba las suposiciones y la
notación utilizada.
4.9.- Se propone un sistema de fermentación continua en régimen permanente que consta de un fermentador
con reciclo de células cuyo efluente alimenta un segundo fermentador. Sugiera una expresión que relacione la
tasa específica de crecimiento en el segundo reactor con los parámetros D, µ 1, X 1 y X 2.
Considere:
• D=F/V es la tasa (velocidad) de dilución, igual en ambos fermentadores
• La alimentación fresca es estéril
• α es la razón de reciclo y C f es el factor de concentración
4.10.- Si un reactor de flujo en pistón de 1 m 2 de sección se alimenta con un caudal de 0,1 m 3 /s, la velocidad
específica de crecimiento es 1 h -1 y la concentración de biomasa es de 100 g/m 3 en un punto situado a 10 m
del punto de alimentación. Calcular:
a) La velocidad de formación de biomasa en ese punto.
b) Si bajo esas mismas condiciones la velocidad específica de formación de producto es de 1 g de
producto por gramo de biomasa y hora, ¿cuál sería la velocidad de formación de producto en el mismo
punto?
c) Si el rendimiento de producto en biomasa es de 0,1 g producto/g biomasa y la concentración de sustrato
está cambiando a razón de 1200 g/m 3 m de reactor, ¿cuál sería el rendimiento de sustrato en biomasa
observado?
4.11.- Un microorganismo tiene una cinética de crecimiento que sigue el modelo de Monod con los siguientes
parámetros: µ M = 0,5 h -1 ; K S = 2 g/L; Y X/S = 1 g/g. Si se utiliza un fermentador de tanque agitado con
alimentación estéril (S 0 = 50 g/L) a una velocidad de dilución de 0,402 h -1 , ¿cuántos tanques en serie del
mismo volumen, trabajando con la misma D, serían necesarios para transformar el 98% del sustrato?
Departamento de Ingeniería Química
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IIQ-461
Mayo, 2004
Diseño de Bioreactores