Hoja de Ejercicios Biotecnologa Industrial

Esterilizacin

1. Se va a esterilizar un producto de inters en baches en un autoclave a 120C por 10 minutos. Se ha

aproximado que cada bache contiene 105 clulas bacterianas, 10

3 esporas bacterianas y 10

5 partculas de

virus. a 120C las constantes de muerte son, 10, 0.5 y 5 min-1

respectivamente. Sin considerar las etapas

de calentamiento y enfriamiento, calcular cual es el riesgo que un bache resulte contaminado, cul es la

causa ms probable de dicha contaminacin?

2. Se necesita disear un esterilizador continuo para esterilizar jugo. El jugo debe ser mantenido a 110C

por lo menos 15 segundos y la lnea debe ser llenada con 5000 cartones de un litro por hora. Se puede

asumir que el jugo tiene las mimas propiedades que el agua. Se ha calculado que el mnimo numero de

Reynolds necesario para una buena homogenizacin del fluido debe ser 100,000. Qu largo y que

dimetro de tubo se necesita?

Cul es la presin mnima necesaria en la tubera para asegurarse que no hierva el fluido?

Viscosidad del jugo: 2.5 10-4

kg/m/s (=N s/m2)

3. Se va a esterilizar leche en un proceso continuo para eliminar la bacteria TB. La planta opera 10hr/da,

procesa 20,000 litros de leche por da y se puede asumir que todo se embasa en cartones de 500 ml. La

TB bovina es lo suficientemente riesgosa que se necesita menos de 1 cartn en 10,000,000 que este

infectado con la bacteria. Anlisis muestran que se encuentra la bacteria en una concentracin de 1000

bacterias por ml en la leche cruda. La leche se va a mantener a 72C y la constante de muerte del TB a esa

temperatura es de 3 min-1

. Si asumimos que se mantiene un numero de Reynolds de 50,000 para una

transferencia de calor efectiva y ensuciamiento mnimo. Cul es el largo y el dimetro recomendado?

4. Se puede usar radiacin de una fuente de Cobalto 60 para esterilizar sistemas. La relacin entre la dosis

total recibida (d, en unidades de Gray (Gy) equivalente a 1 J absorbido por kg) y la fraccin de clulas

que sobreviven, Sf es la siguiente:

Se planea usar esta tecnologa en sachets plsticos de comida. La empresa manufacturera cree que el

conteo total de clulas por sachet cuando se cierra no excede 104 por sachet. La empresa manufacturera

no quiere ms de 1 sachet en 1000 que resulte contaminado. Qu dosis de radiacin necesita recibir cada

paquete?

Por un error en la empresa cada sachet recibi solo 10 Gy, cual es la probabilidad que un sachet salga

contaminado?

=1 cGy-1 =10 cGy-2

Cintica microbiana

1. Un CSTR (reactores continuos perfectamente agitados) ha sido llevado a condiciones estacionarias para

varias tasas de dilucin usando un flujo de entrada constante con una concentracin de 0.5 mg/ml.

Determinar si esta informacin sigue cintica de Monod, del ser as determinar los parmetros de la

ecuacin de Monod. El reactor tiene un volumen activo de 10 dm3.

Flujo Sustrato Clulas Flujo Sustrato Clulas m3/s mg/ml /ml m3/s mg/ml /ml

110-7

0.00101 349000 310-6

0.0429 320000

210-7

0.00204 348600 410-6

0.0667 303300

510-7

0.00526 346300 510-6

0.100 280000

110-6

0.0111 342200 610-6

0.150 245000

210-6

0.0250 332500 710-6

0.233 186700

Determinar el coeficiente de rendimiento de clulas/sustrato y aproximar el flujo al cual el lavado del

tanque ocurrir.

2. Se ha decidido hacer cerveza en un proceso continuo. Una levadura Saccharomyces a sido seleccionada

para que crezca con glucosa como el sustrato limitante. Se ha determinado que la velocidad de

crecimiento mximo para la levadura es de 0.5 hr-1

y la constante de saturacin es 25 mg/dm3. El

coeficiente de rendimiento para la levadura es de 105 clulas/mg, y el coeficiente de rendimiento para

producir etanol de glucosa es de 0.2 mg EtOH/ mg glucosa.

Disear un reactor que producir aproximadamente 1 m3 de cerveza por da a un grado alcohlico de

4.5%v/v alcohol (aproximadamente 36 mg/ml) y con un contenido de azcar por debajo de 10 mg/dm3.

Asumir que no hay prdidas en el embotellado y dems procesos despus de la fermentacin

(downstream).

Qu volumen activo necesita el reactor?

Cul concentracin de entrada de glucosa se debe usar?

Cul va a ser la concentracin de clulas en la cerveza cruda del reactor?

Cul va a ser la tasa de dilucin expresada como un porcentaje de la tasa de dilucin en lavado

(washout)?

3. Un simple experimento de bacteria aerbica en un fermentador batch que crece en metanol da los

siguientes resultados:

Tiempo (h) Cn (g/L) Cs (g/L)

0 0.2 9.23

2 0.211 9.21

4 0.305 9.07

8 0.98 8.03

10 1.77 6.8

12 3.2 4.6

14 5.6 0.92

16 6.15 0.077

18 6.2 0

Calcular:

a. max

b.yx/s

c. Tiempo de duplicacin (td) tiempo en el que se duplica la cantidad de clulas

d. Constante de saturacin (ks)

e. cuando t=10 h

4. Durante la fase estacionaria la clula cataboliza las reservas intracelulares para su mantenimiento. Esto

es llamado metabolismo endgeno. Por tal razn las siguientes ecuaciones representan la prdida de masa

celular consumida en este metabolismo o tambin la prdida de masa celular por lisis de la clula durante

la fase estacionaria:

4.La siguiente informacin fue obtenida para determinar el efecto de la temperatura en la produccin

fermentativa de cido lctico por medio de Lactobacillus delbrueckii. De esta informacin calcular el

valor de la energa de activacin del proceso. Es este valor tpico o no para este tipo de conversin

biolgica?

Temperatura (C) Constante de velocidad

(mol/Lhr)

40.4 0.014

36.8 0.0112

33.1 0.0074

30.0 0.0051

25.1 0.0036

5. Un ingeniero bioqumico a determinado en su laboratorio que la productividad ptima de un antibitico

cotizado industrialmente se obtiene cuando el nutriente de carbono, en este caso melasa, es alimentado al

fermentador a una tasa proporcional a la tasa de crecimiento. Sin embargo, no puede implementar su

descubrimiento en la planta de antibitico pues no hay una forma confiable de medir la tasa de

crecimiento (dCn/dt) o la concentracin de biomasa (Cn) mientras la fermentacin est en curso. Se

sugiere que un analizador de oxgeno se instale en los fermentadores para que el OUR (tasa consumo de

oxgeno, g/L hr) sea medido.

a. Derivar una serie de expresiones que se puedan usar para aproximar Cn y dCn/dt usando la informacin

de OUR y tiempo, asumiendo que un modelo simple de rendimiento y mantenimiento se pueda usar para

describir la tasa de consumo de oxgeno.

b. Calcular valores de rendimiento ( ) y mantenimiento ( ) de la siguiente informacin:

Tiempo OUR (g/hr) Cn (g/L)

0 0.011 0.60

1 0.008 0.63

2 0.084 0.63

3 0.153 0.76

4 0.198 1.06

5 0.273 1.56

6 0.393 2.23

7 0.493 2.85

8 0.642 4.15

9 0.915 5.37

10 1.031 7.59

11 1.12 9.40

12 1.37 11.40

13 1.58 12.22

14 1.26 13.00

15 1.58 13.37

16 1.26 14.47

17 1.12 15.37

18 1.20 16.12

19 0.99 16.18

20 0.86 16.67

21 0.90 17.01

6. Pseudomonas sp. tiene un tiempo de duplicacin de 2.4 hr cuando crece en acetato. La constante de

saturacin usando este sustrato es 1.3 g/L (inusualmente alto) y el rendimiento de clulas con acetato es

0.46 g cell/g acetato. Si se opera un quimiostato con un flujo de entrada que contiene 38 g/L de acetato

encontrar:

a. Concentracin de clulas cuando la tasa de dilucin es la mitad del mximo

b. Concentracin de sustrato cuando la tasa de dilucin es 0.8 Dmax

c. Tasa de dilucin mxima

d. Productividad de la clula a 0.8 Dmax

Cintica encimtica

1. Considere la siguiente reaccin:

Desarrolle una expresin apropiada de la tasa de formacin de producto (v=ks(CES)2) usando

a) asuncin de equilibrio instantneo

b) asuncin de rES=0

2. Considere la reaccin reversible de formacin de producto por medio de una reaccin catalizada por

enzimas.

Usando las mismas asunciones de Briggs Haldane, derive una expresin para la tasa de formacin de

producto y demuestre que

en la cual

3. La enzima fumarasa tiene las siguientes constantes cinticas:

a. Cul es el valor de la constante de Michaelis para la encima?

b. A una concentracin de enzima de 10-6

M, cul sera la tasa de formacin de producto inicial a una

concentracin de sustrato de 10-3

M?