UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA CENTRO UNIVERSITARIO DE LOS LAGOS GUIA DE ESTUDIO: INGENIERIA DE BIOPROCESOS PERIODO 2008-B PROFESORA: VIRGINIA VILLA CRUZ

SISTEMA DE UNIDADES Y CONCEPTOS BASICOS EN FISICOQUMICA

1. Qu es factor de conversin? El factor de conversin es la expresin de una cantidad con sus respectivas unidades, que es usada para convertirla en su equivalente en otras unidades de medida establecidas en dicho factor. 2. Qu es un sistema cerrado y sistema abierto y un ejemplo en cada caso: Sistema cerrado: no entra ni sale materia (un reloj de cuerda, no introducimos ni sacamos materia de l, solo precisa un aporte de energa que emplea para medir el tiempo.) Sistema abierto: entra y sale materia (un coche, le echamos combustible y l desprende diferentes gases y calor). 3. Define un proceso termodinmico: Un proceso termodinmico puede ser visto como los cambios de un sistema, desde unas condiciones iniciales hasta otras condiciones finales, debidos a la desestabilizacin del sistema. 4. Menciona los tipos de procesos termodinmicos: Procesos Iso: Son los procesos cuyas magnitudes permanecen "constantes", es decir que el sistema cambia manteniendo cierta proporcionalidad en su transformacin. Se les asigna el prefijo iso-.

Procesos Adiabticos: El Proceso adiabtico es un proceso termodinmico en la cual no hay transferencia de calor hacia y desde su entorno el cual lo rodea 5. Menciona los tipos de procesos Iso: Isotrmico: Proceso a temperatura Constante Isobrico: Proceso a Presin Constante Isomtrico o Isocrico : Proceso a Volumen Constante Isentalpico : Proceso a Entalpa Constante Isentrpico : Proceso a entropa Constante 6. Qu es el calor especfico: La cantidad de calor necesaria para aumentar en un grado la temperatura de una unidad de masa de una sustancia. 7. Qu es una fase: Por fase entendemos un sistema en el que no se producen cambios bruscos de ninguna propiedad, especialmente de la densidad. 8. Que es un sistema homogneo: Los sistemas que estn constituidos por un slo componente y una fase, como por ejemplo agua o azcar, son sistemas homogneos. 9. Que es un sistema heterogneo: Una sustancia puede presentarse en la naturaleza en tres formas: slido, lquido o gas, por ejemplo: hielo, agua o vapor de agua. Si aparecen dos o incluso ms fases junto a otra, se habla de sistemas multifsicos.

BIOREACTORES

10. Qu es un bioreactor

Un dispositivo o recipiente en donde se lleva a cabo un proceso qumico que involucra organismos o sustancias bioqumicamente activas derivadas de dichos organismos.

11. Menciona los tipos de fermentacin y cul es la diferencia entre fermentacin batch y fermentacin continua? Fermentacin discontinua (Batch/lote). Es un sistema cerrado. Al inicio de la operacin se aade la solucin esterilizada de nutrientes y se inocula con el microorganismo, permitiendo que se lleve a cabo la incubacin en condiciones ptimas de fermentacin. Fermentacin continua: se establece un sistema abierto. El medio nutritivo estril se aade continuamente al bioreactor y una cantidad equivalente del cultivo, con los microorganismos, se saca simultneamente del sistema.

12. Coloca el nombre apropiado del tipo de fermentacin para cada figura:

13. Cuando se quiere obtener un metabolito primario, en qu fase del crecimiento microbiano se interrumpe la fermentacin: Fase logartmica 14. Cuando se quiere obtener un metabolito secundario, en qu fase del crecimiento microbiano se interrumpe la fermentacin: Antes que comience la fase de muerte. 15. En qu consisten los reactores de clulas inmovilizadas?

Es un sistema de produccin continua. Consiste en pasar el medio fresco a travs de un bioreactor en el que se han inmovilizado clulas enzimas. 16. Son modelos de bioreactores: Bioreactor de tanque con agitacin, bioreactor de elevacin con aire, bioreactores fluidificados, sistemas de bioreactores con microportador, bioreactores de membrana 17. En el tratamiento de aguas residuales, qu tipo de bioreactores se utilizan? Se utilizan reactores de membrana (BRM) para separar slidos de lquidos. 18. Caractersticas de los BRM de membrana sumergida: Bajos costos de bombeo de biomasa, limpiezas menos frecuentes, costos de operacin ms bajos y costos de inversin ms altos. 19. Ventajas de utilizar BRM con respecto al sistema convencional en el tratamiento de aguas residuales: Tamao compacto de la instalacin (en BRM el volumen es de 2 y 5 veces menor al sistema convencional).La menor produccin de lodos 30 50 % con respecto al convencional.

TRANSFERENCIA DE OXIGENO20. Cmo se transfiere el oxigeno a la clula durante la aireacin del fermentador? Desde las burbujas de aire a la solucin, desde la solucin a la clula y la absorcin del oxgeno por parte de la clula. 21. Cul es la etapa limitante en la transferencia de oxgeno a la clula? La transferencia desde las burbujas de aire a la solucin 22. Es la ecuacin de transferencia de masa del oxgeno: NA= dCL/ dt = KL a ( C* - CL )

23. Qu es el KLa? Es la medida de la capacidad de aireacin del fermentador en las condiciones de la prueba 24. Cules son los factores que influyen en KLa? Velocidad de flujo de aire, grado de agitacin, viscosidad del cultivo, la formacin de espuma y el uso de antiespumantes. 25. Para qu se utiliza el mtodo de sulfito de sodio? Para determinar el coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno (KLa) 26. Qu otro tipo de mtodo se utiliza para determinar el coeficiente volumtrico de transferencia de oxgeno (KLa) Tcnica de eliminacin de gas (gassing- out) 27. Qu efecto tiene la viscosidad en el medio de cultivo sobre la KLa? A mayor concentracin de viscosidad la KLa disminuye 28. Cmo se comporta el KLa con respecto al aumento de la velocidad de agitacin en medio de cultivo microbiano? La KLa aumenta con un aumento en la velocidad de agitacin del medio (aumento en las rpm). 29. Y con respecto a la aeracin? La KLa se comporta de la misma forma con respecto a la agitacin del medio 30. Menciona la condicin crtica para el uso de la tcnica de eliminacin de gas (gassing- out) en el medio de cultivo? Antes de cada medicin se procede a eliminar Oxigeno disuelto en las soluciones mediante burbujeo de nitrgeno hasta verificar que la concentracin de oxigeno es cero.

ESCALAMIENTO DE BIOREACTORES

31. Qu es el escalamiento?

Es el conjunto de tcnicas que conducen a predecir, con un riesgo mnimo, las condiciones bajo las que se debe operar un equipo a cualquier escala. 32. Cules son los objetivos principales de escalamiento? Reproducir los resultados de la escala disponible en la que se pretende, respetar un factor de escala y un principio de similitud. 33. Menciona los pasos de escalamiento: Nivel matraz--- nivel fermentador de laboratorionivel piloto--- nivel industrial 34. Qu es el factor de escala? Es el nmero de veces que se desea escalar el volumen o la capacidad de operaciones de un Bio-reactor. 35. Menciona los principios de similitud que se deben considerar para el proceso de escalamiento: Similitud Geomtrica, Similitud Dinmica, Similitud Trmica y Similitud Bioqumica. 36. Cules son las limitaciones de un bioreactor en los procesos de escalamiento y ejemplo? Aspectos biolgicos (ejemplo: cepas limitadas genticamente con baja tasa de produccin de sustrato) y aspectos fsicos (ej. Deficiencia en el bioreactor, nutrientes y condiciones ambientales no homogneos). 37. En una fermentacin en medio slido, cules son los parmetros ms importantes a medir? El transporte de masa y de calor 38. En el escalamiento a nivel planta piloto, menciona algunas condiciones de operacin que se optimizan? Flujos, presiones, temperaturas, velocidades de agitacin, entre otros. 39. En qu etapa de escalamiento se realizan los estudios bsicos de cintica de crecimiento? Escala laboratorio 40. En un bioreactor, qu parte fsica evita que se formen los vrtices?

Los reflectores

METABOLISMO MICROBIANO41. Definicin de metabolismo: Conjunto de procesos por lo cual un microorganismo obtiene la energa y los nutrientes (carbono por ejemplo) que necesita para vivir y reproducirse. 42. Menciona las fases tpicas del crecimiento microbiano: Fase lag, fase exponencial, fase estacionaria y fase de muerte 43. Fase de crecimiento donde las bacterias consumen a velocidad mxima los nutrientes del medio, su velocidad de crecimiento es mxima y el tiempo de generacin es mnima. Fase de crecimiento exponencial 44. Fase donde los microorganismo se adaptan a sus nuevas condiciones de cultivo y abundancia de nutrientes: Fase lag 45. En la fase de crecimiento microbiano, la velocidad de crecimiento microbiano (), cmo se comporta? Constante 46. Las fases de crecimiento microbiano son especficas de qu tipo de fermentacin cultivo? Crecimiento en cultivo en lote (batch) 47. Define la ecuacin de Monod: La ecuacin de Monod analiza la velocidad de crecimiento de microorganismo en funcin de la concentracin de sustrato. 48. Son tcnicas para medir el crecimiento microbiano: Medida de la masa celular, conteo de clulas viables (peso hmedo, peso seco, etc.). 49. Qu significa el trmino generacin?

Es el nmero de divisiones celulares que ocurren en un determinado tiempo en un cultivo microbiano 50. Qu es el tiempo de generacin? Es el tiempo requerido para que a partir de una clula se formen dos, o sea el tiempo requerido para duplicar el nmero de clulas de una poblacin 51. Matemticamente cmo se expresa el tiempo de generacin? tG = t / n 52. El crecimiento microbiano se lleva a cabo de forma exponencial, entonces a partir de 4 generaciones cuntas clulas tenemos? a) 6 clulas b) 8 clulas c) 16 clulas d) 32 clulas

PRODUCCIN DE PENICILINA

53. De qu microorganismo podemos obtener penicilina? Penicillium chrysogenun

54. Con respecto al medio de cultivo para la produccin de penicilina, complete el siguiente cuadro: Material empleado Fuente de carbono Fuente de nitrgeno Carbonato de calcio Fsforo Precursor penicilina G fenoxiacetato de sodio

55. En la produccin industrial de penicilina, cmo se mantienen o conservan las cepas de produccin? Como esporas, liofilizados o en nitrgeno lquido. Otra alternativa es mantener el desarrollo vegetativo en N2 lquido o congelado a -70 C.

56. Cules son los parmteros que se usan para la produccin de penicilina? Concentracin de clulas (X), velocidad especfica de produccin de penicilina (qp), tiempo de fermentacin (t) y el volumen de cultivo (V). 57. Indique el proceso de produccin de penicilina (partes principales) Esporas liofilizadas, inculo, cultivo vegetativo a nivel matraz, produccin de inculos (semillas), reactor de produccin, separacin caldo del micelio, purificacin, cristalizacin, separacin de cristales y secado. 58. En la produccin de penicilina, explica el proceso de separacin del micelio: Separacin del micelio del caldo: Por medio de filtros rotatorios cilndricos. El filtrado rico en penicilina es luego enfriado en un intercambiador de calor a 0 - 4 C con el objeto de disminuir la degradacin enzimtica y qumica durante las etapas de extraccin posteriores. 59. En la produccin de penicilina Cmo se lleva a cabo el proceso de cristalizacin? Con solventes utilizando un exceso de Na+ o K+, siendo los cristales recuperados en un filtro rotatorio a vaco. 60. Cmo se realiza el secado de los cristales de penicilina? Con aire caliente, vaco o calor radiante. 61. Qu tipo de fermentacin se utiliza para la produccin de penicilina? Fermentacin batch

CERVEZA

62. Son los procesos principales en que se divide la produccin de cerveza:

El primero corresponde a la conversin del almidn de un cereal a los azcares (maltosa) y la posterior fermentacin de los azcares para obtener la cerveza. 63. Componentes principales para la elaboracin de cerveza: Cebada, lpulo, levadura (Saccharomyces) y agua. 64. Para qu se utiliza el lpulo en la elaboracin de la cerveza? Se utiliza para equilibrar el dulzor de la malta. Confiere un sabor amargo a la cerveza. 65. Que es el proceso de maceracin: Consiste en extraer el azcar del cereal aplicando altas temperaturas. 66. Qu es el mosto? Es el lquido obtenido despus de la maceracin (cebada con agua), su coccin y adicin de lpulo. 67. La levadura que se utiliza en la elaboracin de cerveza, produce 2 tipos de fermentacin, explica cules son? Alta fermentacin, se utiliza Saccharomyces cerevisiae. Esta variedad acta a temperaturas de entre 12 y 24 C y se sita en la superficie del mosto. A las cervezas que se consiguen con este tipo de fermentacin se les llama de alta fermentacin o Ales. Baja fermentacin, se utiliza la especie Saccharomyces uvarum (tambin denominada S. carlsbergensis), actan a temperaturas de entre 7 y 13 C y se suele situar en el fondo del fermentador. Las cervezas que se elaboran con esta variedad son las llamadas de baja fermentacin o Lager. 68. Di el diagrama de produccin de cerveza: Adicin de cebada y agua, maceracin, filtracin, ebullicin, refrigeracin, centrifugacin, fermentacin, maduracin, filtrado, tanque de almacenamiento.

PROBLEMAS

69. La distancia que hay del home al jardn central de un campo de beisbol es de 400 pies (ft), convierta esta cantidad a metros. 121.92 m 70. Convertir una velocidad de 100 millas/h a m/seg. 44.7 m/s 71. La longitud de un campo de futbol americano es de 100 yardas (yd), convertirla a metros. 91.49 m 72. Convertir una velocidad de 120 km/h a millas/h. 74.58 millas/h 73. La densidad de un lquido es 855 kg/m-3. Calclese el valor de la densidad en las siguientes unidades: a) lb/ft3, b) oz/in3, c) lb/m3 , d) g/cm3 a) 53.3762 b) 0.4942 c) 1884.96 d) 0.8550

74. Exprsese el valor de la aceleracin normal de la gravedad (9.80665 m/s2) en las siguientes unidades: a) ft/s2, b) km/h2 , c) in/d2 , d) mile/h2 a) 32.14 b) 127094 c) 2.8821x1012 d) 78974.8

75. La constante R que interviene en la ecuacin de los gases ideales es R = 0.08206 atm.L/(molg.K). Calclese su valor en las siguientes unidades: a) (mmHg).cm3/(molg.K) b) cal/(molg.K) c) Btu/(mollb.R) d) bar.L/(molg.K) a) 6.2366x104 b) 1.987 c) 1.987 d) 0.08315

76. Un cuerpo de 1.25 kg se mueve con una velocidad de 6 m/s. Calclese su energa cintica en: a) Julios, b) poundal.ft , c) atm.litro a) 22.50 b) 533.94 c) 0.2221

77. EQUILIBRIO TERMICO. Cuntas caloras de calor se requieren para elevar la temperatura de 3 kg de aluminio de 20C a 50C. Nota: se toma como calor especifico del aluminio c= 0.215 cal g-1 C-1 78. Q = mct

1.935 x 104 cal

79. 1ra. LEY DE LA TERMODINMICA. Se comprime gas a presin constante de 0.8 atm de un volumen de 9L a un volumen de 2L. En el proceso se escapan del gas 400 J de energa calorfica. Considrese 304 J de trabajo. Cul es el cambio en la energa interna del gas? U= 96 J

80. Se realiz el grfico de logaritmo de nmero de clulas contra el tiempo para la cepa K. pneumoniae y se obtuvo el siguiente resultado de ecuacin de la recta: y= 0.0613x + 5.5005. Calcule el tiempo de generacin de la cepa? 0.49 h-1 b) 4.49 h-1 c) 1.49 h-1 d) no tiene solucin

81. Calcule el tiempo de generacin para Saccharomyces cerevisiae cepa UDLAP-07? y = 0.0248x + 7.8558 12.13 h b) 12.0 h c) 15.7 h d) no tiene solucin

82. Un cultivo bacteriano est creciendo en condiciones ptimas. Se divide cada 20 min. Se colocan 1000 clulas en un matraz con medio fresco. Cul ser la poblacin al cabo de cuatro horas? a) 3,000 107) b) 4,000 c) 20,000 d) 4 million (4 X 106) e) 20 million (2 X