Ingeniera de Biorreactores

Elaborado por:

Dra. Mara Aurora Martnez Trujillo

PROBLEMARIO DE ESTEQUIOMETRIA DEL CRECIMIENTO

1. Una muestra de cultivo biolgico se somete en un laboratorio qumico a un anlisis para determinar la

composicin en porcentaje de los principales componentes de la biomasa. En el laboratorio se evapora la

muestra a sequedad y se introduce en una estufa durante toda la noche a 150C para eliminar

completamente el agua. La porcin orgnica del residuo que queda se analiza y la muestra se quema

despus en una mufla a 500C para determinar el peso de las cenizas. La ceniza contiene fsforo, azufre,

hierro y otros elementos inorgnicos en menor proporcin. La composicin de las clulas en peso es: C,

56.0%, H, 9%; O, 16.0% y N, 16.0% y 9% de cenizas.

Para un microorganismo con esta composicin elemental, calcule el grado de reductancia de la biomasa.

2. Calcule los grados de reductancia de las siguientes especies:

a) Hexadecano

b) C4.4H7.3N0.86O1.2

c) Butanol

d) Acetona

e) cido butrico

f) cido actico.

3. Clostridium acetobutylicum convierte anaerbicamente la glucosa en cetona y butanol principalmente,

obtenindose pequeas concentraciones de butirato, acetato, etc. En una fermentacin se obtuvieron los

siguientes productos a partir de 100 mol de glucosa y 11.2 mol de NH3 como fuente de nitrgeno.

Productos formados moles

biomasa 13

butanol 56

acetona 22

cido butrico 0.4

cido actico

CO2

H2

etanol

14

221

135

0.7

Con base en un balance de carbono, nitrgeno, hidrgeno y oxgeno, determine la composicin elemental

de las clulas

4. El crecimiento de un microorganismo en hexadecano es descrito por la siguiente ecuacin estequiometrica

C16H34 + 12.4O2 + 2.09NH3 2.42 (C4.4H7.3N0.86O1.2) + H20 + 5.33 CO2

Calcula lo siguiente:

a) Coeficiente , en base a un balance de oxgeno b) Coeficiente respiratorio (RQ= mol CO2 producido/ mol O2 consumido) c) Grado de reductancia de la biomasa d) C-mol de biomasa producida

5. Se desea producir protena unicelular para alimentacin animal a partir de Pseudomonas 5401. El

sustrato es un hidrocarburo y la frmula molecular de la biomasa es CH1.83O0.55N0.25. Si la concentracin

final de biomasa es 25 g/l, cual es la mnima concentracin de (NH)2SO4 que debe contener el medio de cultivo si es la nica fuente de nitrgeno disponible?. 6. Candida utilis convierte glucosa a CO2 y H2O durante el crecimiento, con un rendimiento de YX/S de

0.5 g/g. La composicin mnima de la biomasa es CH1.84O0.55 N0.2 ms 5% de cenizas. Como fuente de

nitrgeno se us amonio. Cul es la demanda de oxgeno con crecimiento comparada con la reaccin sin

crecimiento? Sabiendo que la ecuacin de oxidacin de la glucosa es:

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

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Elaborado por:

Dra. Mara Aurora Martnez Trujillo

C. utilis es tambin capaz de crecer usando como sustrato al etanol, con el que produce clulas con la

misma composicin mnima anterior. Cul es el rendimiento de biomasa mximo en etanol?

7. La levadura Saccharomyces cereviseae y la bacteria Zymomonas mobilis producen etanol a partir de glucosa bajo condiciones de anaerobiosis sin otro aceptor de electrones externo. El rendimiento de

biomasa a partir de glucosa es de 0.11 g/g para la levadura y de 0.05 g/g para la bacteria. La fuente

de nitrgeno es amonio y ambos casos la frmula molecular de la biomasa es CH1.8O0.5N0.2.

Cul es el rendimiento de etanol en glucosa en ambos casos?

8. En un sistema cultivo continuo de levadura se producen 0.37 g de biomasa por g de glucosa y se consumen 0.88 g de O 2 por g de biomasa formada. La fuente de nitrgeno es amonio y la frmula

molecular de la biomasa es CH1.79O0.56N0.17. Se produce algn otro producto?

9. Se desea producir protena unicelular para alimentacin animal a partir de Pseudomonas 5401. El sustrato es fuel-oil y la frmula molecular de la biomasa es CH1.83O0.55N0.25. Si la concentracin final

de biomasa es 25 g/l cual es la mnima concentracin de (NH)2SO4 que debe contener el medio de

cultivo si es la nica fuente de nitrgeno disponible.

10. En la produccin de antibiticos con frecuencia se emplean cultivos por lote. Se utiliza un cultivo sumergido para propagar al hongo en las fuentes de carbono adecuadas. Asume que se desea obtener

1 mol de penicilina (C16H18O4N2S) y que se conocen los siguientes rendimientos:

Yx/s = 0.5 y Yp/s = 0.2

Y calcula los coeficientes estequiomtricos de la siguiente reaccin:

aC6H12O6 + bH2SO4 + cNH3 dC16H18O4N2S + eCO2 + fH2O + gC4H7O3N

11. Estudiemos un caso tpico de produccin de cido citrico por Aspergillus niger a partir de glucosa, lo que se sabe tiene un rendimiento de 68 g de cido ctrico por cada 100 g de glucosa, cuando la

fermentacin se desarrolla pH de 2.5. En estos casos la fuente de nitrgeno es NH4NO3, y la

composicin de la biomasa es CH1.8O0.5N0.2.

Si la ecuacin estequiomtrica es:

CH2O + O2 + NH4NO3 + CH1.8O0.5N0.2 + CH4/3O7/6

Calcule los coeficientes estequiomtricos y el coeficiente respiratorio del proceso

Cuando el cultivo se desarrolla a pH de 5 se obtiene un rendimiento menor de cido ctrico (0.5375

molde cido ctrico por 1C-mol de glucosa), aunque se obtiene la misma cantidad de biomasa,

consumiendo la misma cantidad de nitrgeno y oxgeno. Es evidente entonces que se est

produciendo un producto metablico externo. Cul es ste?

12. El microorganismo Mycobacterium vaccae puede crecer con etano como su nica fuente de carbon y NH3 como nica fuente de nitrgeno. As, el sustrato limitante es etano, y el rendimiento es de 23.7 g

de biomasa por mol etano. El anlisis elemental de la biomasa es C, 47.4 %; N, 8.30 %; H, 7.43 %.

El contenido de oxgeno de la biomasa se calcula por un balance si se sabe que sta contiene 45 de

cenizas.

a) Determina la composicin elemental de la biomasa y establece su frmula qumica con base en 1 C-mol.

b) Calcula el rendimiento expresado como C-moles de biomasa por C-moles de sustrato c) Calcula el consume de oxgeno en moles por cada C-mol de etano d) Si se asume que el CO2 es el nico producto metabolico, escribe la ecuacin estequiomtrica que determina la conversin de etano a protena unicelular (biomasa)

e) Al hacer las mediciones se observa que en el experiment se obtuvieron 10.44 g de biomasa por cada mol de O2 consumido. Si el rendimiento YXS es como el calculado pero el valor

del coeficiente respiratorio RQ es 0.3805, muestra que ha sucedido la formacin de un producto

metablico adicional

f) Determina el grado de reductancia de este producto metablico y a partir de ello trata de identificarlo. Puedes usar como base las reacciones bioqumicas correspondientes.