UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUMICA

DISCIPLINA: ENG 07064 - BIOENGENHARIA B

Professor: Daniele M. Rossi

LISTA DE EXERCCIOS

1. Quais os principais produtos produzidos hoje atravs do cultivo de microrganismos ou

clulas?

2. Para produzir energia a partir da glicose, os microrganismos utilizam dois processos gerais: respirao e fermentao. 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 cintica de crescimento microbiano. Utilize grfico para exemplificar as etapas.

4. Descreva os tipos de operao que podem ser utilizadas em uma fermentao submersa. Cite uma caracterstica e exemplo de utilizao de cada processo.

5. O que so enzimas e fale sobre algumas das suas aplicaes industriais.

6. O que o inculo de um biorreator?

7. O nmero de esporos viveis de uma nova linhagem de Bacillus subtilis foi medida em funo do tempo em vrias temperaturas.

1. Determine a energia de ativao de inativao trmica dos esporos de B. subtilis.

2. Qual a velocidade especfica de inativao trmica a 100 C? 3. Estime o tempo necessrio para inativar 99 % dos esporos de uma amostra a

100 C.

8. Uma cepa de Escherichia coli est sendo utilizada para produzir hormnio de crescimento recombinante. A bactria cresce aerobicamente em uma cultura em batelada com glicose como substrato limitante. As concentraes de clulas e substrato, medidas em funo do tempo de cultivo esto na tabela abaixo.

1. Faa os grficos de X e S contra o tempo. 2. Qual o valor da velocidade especfica de crescimento observada? 3. Qual a converso de substrato em biomassa observada?

9. A equao estequiomtrica para a produo aerbica de cido actico partir de etanol por bactrias acticas :

C2H5OH + O2 CH3CO2H + H2O (etanol) (cido actico)

1. Qual a converso de etanol cido actico baseado na reao estequiomtrica acima?

2. Uma linhagem de Acetobacter aceti foi adicionada a um meio vigorosamente agitado contendo 10 g/L de etanol. Aps algum tempo, a concentrao de etanol era 2 g/L e haviam sido produzidas 7,5 g/L de cido actico. Qual a converso, YPS, de etanol a cido actico do cultivo.

3. Discuta os resultados.

10. Etanol produzido pela fermentao anaerbica de glicose por Saccharomyces cerevisiae. Pra certa linhagem de S. cerevisiae empregada, o coeficiente de manuteno 0,18 kg kg-1 h

-1, YXS 0,11 kg kg

-1 , YPX 3,9 kg kg

-1 e mx 0,4 h

-1. Decidiu-se

pesquisar a possibilidade de se utilizar a bactria Zymomonas mobilis ao invs da levedura para produzir etanol. Sabe-se que a Z. mobilis produz etanol sob condies anaerbias utilizando uma rota metablica diferente da utilizada pela levedura. Para Z. mobilis tem-se que os valores tpicos de YXS e mS so 0,06 kg kg

-1 e 2,2 kg kg

-1 h

-1, o

valor de YPX 7,7 kg kg-1 e mx 0,3 h-1

.

a)Qual a mxima converso estequiomtrica terica de glicose (C6H12O6) para etanol (C2H5OH)? Dica: a glicose convertida anaerobicamente a etanol e gs carbnico

(CO2). b) YPS mximo e igual ao rendimento terico quando no h crescimento e todo o substrato que entra na clula utilizado na manuteno celular. Se o etanol for o nico produto extracelular do metabolismo energtico, calcular o mP para cada

microrganismo.

c) S. cerevisiae e Z. mobilis so cultivadas em um cultivo batelada. Faa uma previso

dos rendimentos de produto (converso) a partir do substrato para as duas culturas. d) Qual a eficincia da produo de etanol pelos dois microrganismos? A eficincia definida como a converso observada dividida pela converso estequiomtrica mxima calculada. e) Qual a velocidade especfica de produo de etanol (kg EtOH / kg cel . s) dos dois

organismos? f) Compare as propores de produo de etanol associada e no-associada ao crescimento para as S. cerevisiae e Z. mobilis. Para qual microrganismo a produo no-

associada ao crescimento maior? g) Para atingir a mesma taxa volumtrica de produo de etanol, qual a relao entre a

concentrao leveduras e a concentrao de bactrias? h) Com crescimento zero, a produtividade de etanol (kg h-1) das duas culturas a mesma. Sob estas condies, se utilizada a mesma concentrao de bactrias e leveduras, qual a ralao entre o tamanho dos fermentadores necessria para atingir esta

mesma produtividade? Faa uma previso da converso de biomassa partir do substrato observada no meio de cultivo para os dois organismos. Para qual organismo a disposio final da biomassa

ser um problema maior? Faa uma recomendao sobre qual microrganismo mais adequado para a produo

industrial de etanol, e d suas razes.

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; c. A produtividade mxima em clulas que pode ser obtida desse processo.

12. Clulas de Nicotiana tabacum so cultivadas para a produo de uma goma

polissacardica em um reator de tanque agitado com 100 L de meio de cultivo. A velocidade especfica mxima de crescimento da cultura de 0,18 d-1 e a converso de substrato em biomassa 0,5 g g-1. A concentrao do substrato limitante no meio de cultivo 30 g L-1. O reator inoculado com 1,5 g L-1 de clulas operado at que o substrato acabe completamente, ento inicia-se a adio de meio de cultivo na vazo de 4 L d-1.

a. estimar o tempo do cultivo em batelada e a concentrao final de biomassa.

b. Se a alimentao ocorre durante 40 dias, qual a massa final de clulas no biorreator?

13. Zymomonas mobilis utilizada para converter glicose a etanol em um fermentador batelada sob condies anaerbias. Os valores de YXS e YPX so 0,06 e 7,7 g g

-1

respectivamente. O coeficiente de manuteno 2,2 g g-1

h-1

, e o mP 1,1 g g-1

h-1

. A velocidade especfica mxima de crescimento da Z. mobilis 0,3 h

-1. O inculo

consistiu de 5 g de bactrias 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 converso de substrato; c. produzir 100 g de etanol.

14. A Zymomonas mobilis do exerccio anterior utilizada em um cultivo contnuo em um

biorreator de 60 m3. A alimentao contm 12 g L

-1 de glicose. O KS da Z. mobilis 0,2

g L-1

. qual a vazo necessria para manter a concentrao de substrato estvel em 1,5 g L

-1?

Nesta vazo, qual a concentrao celular e qual a concentrao de etanol que sai do reator?

15. 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 especfica de crescimento e o fator de converso de glicerol em clulas na fase exponencial de crescimento;

c. Determine a produtividade mxima em clulas.

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