Universidad Francisco de Vitoria

Licenciado en Biotecnología. 5º Curso Biorreactores Examen final

NOMBRE: Calificación

DNI: 10 de septiembre de 2013

LEA DETENIDAMENTE LAS SIGUIENTES INSTRUCCIONES: El presente cuadernillo consta de cinco ejercicios.

CASO B: alumnos que deben examinarse de todas las secciones del curso por no haber

superado alguna de las secciones del curso (ACTIVIDADES O LABORATORIO):

- La puntuación de cada pregunta se muestra entre paréntesis. Esta puntuación se

desglosa dentro de cada ejercicio por apartados.

La pregunta 1 tiene un valor de 3 puntos.

Las preguntas 2 y 3 tienen un valor de 1,5 puntos cada una.

Las preguntas 4 y 5 tienen un valor de 2 puntos cada una.

Recuerda que además de aprobar (5 puntos sobre 10), es necesario superar el

40 % en cada bloque para superar la asignatura. Es decir, debes: sumar 2,4

puntos o más mediante las preguntas 1, 2 y 3, y sumar 1,6 puntos o más

mediante las preguntas 4 y 5.

Dispone de 180 minutos para realizar este examen.

La puntuación total correspondiente a cada ejercicio se muestra junto a cada enunciado. Esta puntuación se desglosa dentro de cada ejercicio por apartados.

Utilice sólo el espacio reservado para cada ejercicio. NO se admitirán ni evaluarán hojas extras en ningún caso.

Las respuestas numéricas sin justificar no serán valoradas.

1- BLOQUE DE EXAMEN

1er

EJERCICIO (3,0 PUNTOS) – Un quimiostato (D=0,07 h-1

) se emplea en la obtención de un

determinado producto por vía microbiana.

Antes de poner en marcha este proceso, se llevaron a cabo ensayos a menor escala en fermentadores

por lotes. El tratamiento estadístico de la información procedente de triplicados en estos

fermentadores más pequeños dio como resultado los datos sobre crecimiento que se representan en la

Figura 1. En todos los casos se ha utilizado el mismo medio (KLa = 0,055 s-1

y [O2]*

= 7,5 mg/L),

temperatura (30ºC) y el resto de condiciones de operación que finalmente se emplearon en el

quimiostato. En la Figura 2 se muestran resultados procedentes de triplicados a partir de un ensayo que

consistió en la suspensión de la entrada de aire y posterior reaireación cuando la concentración de

biomasa media era 0,75 g/L, en dicho fermentador por lotes.

Mediante un adecuado escalado se ha conseguido aumentar el tamaño del reactor hasta alcanzar la

productividad buscada, comprobándose que el siguiente modelo cinético describe adecuadamente el

bioproceso:

X

X

PP

X

NN

N

RYR

RxYR

NK

XNRx

·

·

][

]]·[·[max

En la Figura 3 se muestra la evolución de la concentración de oxígeno en el reactor continuo, cuando

el sistema alcanza la productividad buscada con una concentración de 2 g/L de producto. Con esta

información responda de manera justificada las cuestiones que se muestran a continuación.

A. Calcule la tasa específica de crecimiento máxima (0,3 puntos), la tasa específica de consumo

de oxígeno (0,3 puntos), y el parámetro KN (0,3 puntos), utilizando unidades adecuadas.

B. Calcule el rendimiento de sustrato limitante a biomasa (0,45 puntos) y el rendimiento de

producto a biomasa (0,45 puntos), utilizando unidades adecuadas.

C. Calcule la velocidad de consumo de oxígeno en el fermentador por lotes (0,3 puntos) y en el

quimiostato (0,3 puntos), utilizando unidades adecuadas.

D. Calcule el caudal que puede acoger el quimiostato si su volumen es 200 m3

(0,3 puntos) y la

producción anual de producto si al año se trabajan 8000 h (0,3 puntos).

FIGURA 1 – Cinética de crecimiento en fermentador por lotes.

FIGURA 2 – Ensayo de perturbación de aireación en fermentador por lotes.

FIGURA 3 – Perfil de oxígeno en el quimiostato.

2º EJERCICIO (1.5 PUNTOS) – Una planta lleva a cabo la eliminación del 80% del

catecol presente en aguas residuales mediante un proceso continuo, empleando una

enzima inmovilizada procedente de Cyperus rotundus. Hace unos años, la empresa en

cuestión utilizaba un reactor tipo tanque de 692 L a la que se alimentaban 0,6 m3/h de

agua. Actualmente se emplea un reactor tubular de 509 L para tratar el mismo caudal,

con la misma concentración (3,2 g/L). Suponiendo una estequiometría 1:1:1:1, calcule

KM y Vmax para este sistema enzimático:

NOTA: masa molecular del catecol: 110,1 g/L

3er

EJERCICIO (1.5 PUNTOS) – La enzima isopentenil pirofosfato -isomerasa

procedente de E.coli K12 cataliza la siguiente transformación:

Isopentenilpirofosfato (IPP) dimetilalilpirofosfato (DMAPP)

H9C5O7P2 H9C5O7P2

Información de esta proteína:

Vmax = 43,5 mM/min.

KM = 9.5 mM.

Código de entrada en UNIPROT: Q46822

Secuencia conocida de 182 aminoácidos de longitud.

Peso molecular: 41016 Da.

Estructura de la subunidad: homodímero.

Localización subcelular: citoplasma.

Rutas metabólicas en las que participa: biosíntesis de isoprenoides, biosíntesis de

DMAPP.

Se emplean tres reactores tubulares en serie para transformar una corriente líquida

de 3 m3/h que contiene 2000 M de IPP. La salida de cada reactor tiene la

concentración de DMAPP correspondiente a la conversión del 62,02%, 88,85% y

96,85%, respectivamente, con respecto a la concentración inicial de 2000 M.

Calcule el volumen que debe tener cada reactor para conseguir dichas conversiones.

2- BLOQUE DE TAREAS Y ACTIVIDADES

4º EJERCICIO (2.0 PUNTOS) – Se desea tratar térmicamente 500 L de un medio de cultivo

para reducir su carga microbiana desde 3,5·109 ufc/mL hasta 2000 ufc/mL como máximo.

Sabiendo que D110 =97,9 min y D121 =7,4 min para el microorganismo presente de mayor

resistencia a la temperatura, responda al cuestionario que se presenta más adelante. Cada

pregunta correcta suma 0,333 puntos y cada fallo resta 0,111 puntos. Se considera que las

preguntas incompletas son fallos. Rodee la letra correspondiente a la opción escogida. No

tiene que entregar sus cálculos.

4.1 ¿Cuál es el valor de la constante de muerte térmica a 121ºC?

a) 7,420 min.

b) 0,310 min-1

.

c) 0,135 min-1

.

d) 9,82 ºC

4.2 ¿Cuál es el valor de la constante de resistencia térmica?

a) 7,420 min.

b) 0,310 min-1

.

c) 0,135 min-1

.

d) 9,82 ºC

4.3 ¿Cuál es el tiempo necesario de tratamiento a 121ºC para conseguir el objetivo buscado?

a) 7,420 min.

b) 611,37 min.

c) 97,90 min.

d) 46,36 min.

4.4 ¿Cuál es el número de órdenes de magnitud que se desea reducir la población?

a) 7,420.

b) 6,24.

c) 1750000 veces.

d) 5,71·10-7

veces.

4.5 Escriba en cuadro correspondiente el tiempo de tratamiento para cada temperatura

utilizando unidades adecuadas:

100 ºC

105 ºC

110 ºC

130 ºC

4.6 Empareje (una con líneas) cada tiempo de tratamiento con la población final alcanzada:

30 min

40 min

50 min

60 min

319216 ufc/mL

30 ufc/mL

14369 ufc/mL

647 ufc/mL

3- BLOQUE DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO

5º EJERCICIO (2.0 PUNTOS) - Responda el siguiente cuestionario compuesto por diez

preguntas. Cada pregunta correcta suma 0,200 puntos y cada fallo resta 0,067 puntos. Rodee

la letra correspondiente a la opción escogida.

5.1 En el método dinámico de determinación de KLa y OUR, ¿qué fase se emplea para medir

la tasa específica de consumo de oxígeno?

a) Aquella en que el término de acumulación es nulo.

b) Aquella e que el término de consumo de oxígeno es nulo.

c) Aquella en que no existe aporte de oxígeno.

d) Aquella en que no existe crecimiento microbiano.

5.2 En el método dinámico de determinación de KLa y OUR, ¿en qué fase se verifican todos

los términos del balance de oxígeno?

a) En la fase de estabilización previa al experimento.

b) En la fase de corte de aireación.

c) En la fase de reaireación.

d) Realmente hay dos fases de las anteriores en las que se verifican todos los términos del

balance

5.3 Escoja la afirmación más completa sobre qO2 de entre las siguientes:

a) Sólo depende del microorganismo y de su estado metabólico.

b) Sólo depende de las características físicas del medio, tales como composición,

temperatura y velocidad de agitación.

c) Sólo depende de velocidad de agitación.

d) Sólo depende del microorganismo y de su estado metabólico, pero la agitación puede

causar estrés que afecte a dicho estado.

5.4 Escoja la afirmación más completa sobre KLa de entre las siguientes:

a) Sólo depende del microorganismo y de su estado metabólico.

b) Sólo depende de las características físicas del medio, tales como composición,

temperatura y velocidad de agitación.

c) Sólo depende de velocidad de agitación.

d) Sólo depende de la velocidad de agitación, pero el microorganismo empleado puede

causar cambios en la potencia que imprime el agitador.

5.5 OUR…

a) … jamás se pueden equilibrar a OTR.

b) … puede superar a OTR.

c) … es independiente de la concentración de biomasa.

d) … es igual a OTR en un proceso en estado estacionario para la concentración de

oxígeno.

5.6 La ecuación de Pirt…

a) … muestra una relación de proporcionalidad directa entre la tasa específica de

crecimiento y de consumo del sustrato

b) … muestra una relación de proporcionalidad inversa entre la tasa específica de

crecimiento y de consumo del sustrato limitante.

c) … muestra una relación de proporcionalidad directa entre la inversa de la tasa específica

de crecimiento y la inversa de la tasa de consumo del sustrato limitante.

d) … procede de una linealización de la ecuación de M'Kendrick y Pai.

5.7 Señale la opción correcta de entre las cuatro siguientes:

a) La segunda práctica realizada tiene lugar en esterilidad.

b) La segunda práctica realizada estudia la producción de azúcares por una cepa

microbiana.

c) La segunda práctica realizada considera como variables de estudio el microorganismo

empleado y la concentración inicial de azúcares.

d) La segunda práctica realizada considera diferentes experimentos desfasados unos de

otros.

5.8 La evolución del pH en la segunda práctica…

a) … refleja la producción de etanol.

b) … tiene que ver con la producción de ácidos orgánicos.

c) … se estabiliza con la biomasa.

d) … Hay dos respuestas correctas.

5.9 Seleccione la opción correcta de entre las cuatro siguientes:

a) El valor máximo de tasa específica de crecimiento según la ecuación de Monod tiene

lugar al inicio del crecimiento.

b) El valor máximo de tasa específica de crecimiento según la ecuación de Monod tiene

lugar al final del crecimiento.

c) El valor máximo de tasa específica de crecimiento según la ecuación de Monod tiene

lugar en un punto de la etapa exponencial de crecimiento.

d) Ninguna de las anteriores son correctas.

5.10 Seleccione la opción correcta de entre las cuatro siguientes:

a) La linealización de la ecuación de Monod permite estimar los valores de YXS y KS.

b) La linealización de la ecuación de Monod permite estimar los valores de max

y KS.

c) La linealización de la ecuación de Monod permite estimar los valores de YO2S y OUR.

d) La linealización de la ecuación de Monod permite estimar los valores de YXS y OUR.