TALLER BIOTECNOLOGÍA

31-08-2023

1.La levadura Phaffia rhodozyma produce astaxantina, un pigmento carotenoide en ausencia de luz.
Las células crecen en un cultivo discontinuo usando un medio que contiene 40g/L de glucosa. La
concentración de células, sustrato y productos son medidas en función del tiempo como se especifica
en la siguiente tabla.
Tabla 1Datos de cultivo de Phaffia rhodozyma
Concentración celular (g/ Concentración de azúcar Concentración de
Tiempo (h) astaxantina (g/L)
peso seco) (g/L)
0 0,01 40 0
5 0,019 39,96 0,19
10 0,029 39,90 0,32
12 0,029 39,91 0,45
20 0,074 39,65 0,60
24 0,124 39,14 0,72
30 0,157 38,95 0,81
35 0,356 38,22 0,87
45 0,906 35,24 1,01
50 2,28 32,40 1,29
60 3,67 17,05 1,35
70 7,17 0 1,33
78 6,59 0 1,48

A) ¿El cultivo tiene fase lag?

No, no tiene fase lag

B) Phaffia rhodozyma Sigue la cinética de primer orden? ¿Por qué?
C) ¿Sobre que periodo de tiempo de la curva se puede encontrar Umax y td? ¿Cuáles son estos
valores?

Según la fase exponencial, la ecuación de la recta es

y = 0,0985x – 4,5746

El valor de μmax es el valor de la pendiente, por lo tanto, es 0,0985, y el tiempo en el que se

determinó es entre las 0 y 45 horas
 D) De la gráfica de concentración de astaxantina Vs t, determine si es un metabolito primario o
secundario. Estime la tasa inicial de síntesis de astaxantina entre el tiempo 0 y 24 h. Exprese
su respuesta en unidades de mg/lh

El metabolito es primario por que solo tiene fase exponencial.

E) Usando el resultado de (d) estime la velocidad especifica de producción de astaxantina a las

24 h.

F) Calcule el rendimiento global biomasa /sustrato global

El rendimiento global biomasa/sustrato global es de 0,18847897 g/g

2.Tenemos tres biorreactores de tanque agitado de diferentes volúmenes en los cuales se utilizan
turbina Rusthon y necesitamos realizar un escalado de un cultivo de células vegetales. Según los
datos que se muestran en la tabla 2.

A) Determinar si los tres tanquen cumplen con los criterios de similitud geométrica.

Ninguno cumple con los criterios de similitud geométrica, pero, los tanques que tienen una
similitud en el escalado geométrico son los de 7,5 L y 250 L

B) ¿Cuál de los tres tanques está mejor diseñado?

El tanque que esta mejor diseñado es el que tiene la capacidad de 7,5L y 250 L

C) ¿Es posible realizar el escalado entre los biorreactores?

Si, el escalado es posible entre los biorreactores de 7,5 L y 250 L

D) ¿Los volúmenes de trabajo a los cuales están los biorreactores son adecuados? Anexe los
resultados de las relaciones y justifique su respuesta.

Los volúmenes de trabajo de los biorreactores de 7,5L y 250L si son adecuados por que trabajan
entre un 70% y 80%. En cambio, el biorreactor de 30 L, tiene un volumen de trabajo es de más de
90%, por lo que no es adecuado trabajar con ese porcentaje de volumen.
Tabla 2Mediciones de los componentes de biorreactores de 7,5 L,30L y 250 L
Biorreactor 7,5 L 30 L 250 L

Dt (cm) 18 40 60

HL (cm) 20 22 65

Di (cm) 6 9,4 19

Hi (cm) 5,5 7 17

Wb (cm) 1,8 2,1 6,5

Vt (L) 5,1 27,6 183,8

Siendo Dt, diámetro del tanque, Di, diámetro del impulsor, Hl, altura del líquido o medio, Hi, altura
del impulsor, Wb, ancho de los deflactores, Vt, Volumen de trabajo (L).

3.Los cultivos de células vegetales son sensibles al daño mecánico, en el biorreactor de 7,5 L se utiliza
una velocidad de agitación de 250 rpm. Se desea realizar el escalado al biorreactor de 250 L. ¿Cuál
debe ser la velocidad de operación (rpm) del biorreactor a gran escala para conservar constante el
esfuerzo cortante máximo en la punta del impulsor? ¿Cuál es la velocidad en la punta del impulsor?

N 7,5 L ⋅ D7,5L =N 250 L ⋅ D250 L

N 7,5L ⋅ D7,5 L ( 250 rpm ) (18 cm)

N 250 L = ⇒ N 250 L=
D250 L 60 cm

N 250 L =75 rpm

2π
75 rpm∙ =7,85 π m/s
60 seg

m
Vi=7,85 π ∙0,6 m=¿
s
4.Teniendo en cuenta los datos ofrecidos en la tabla 2. Si operamos el biorreactor de 7,5L a 450 rpm
Realice los cálculos correspondientes para completar la información solicitada en la tabla 3. ¿En
cuantas veces aumenta o disminuye la potencia en el cambio de escala si mantenemos constante la
potencia por unidad de volumen? ¿Qué sucede en el cambio de escala si se mantiene constante el
Re?

Tabla 3. Relaciones entre propiedades en el cambio de escala

Propiedad Reactor 7,5 L Reactor 250 L

P (N3D5) 19,77 731,67 219,37 5,93

P/V (N3D2) 3390 3386 1015,61 27,44

N 15 21,11 14,13 4,24
ND 8,48 12,666 8,48 2,54
Re (ND2) 1,52 7,59 5,09 1,53
P/V= Cte ND=Cte Re=Cte

Vamos a hallar la potencia del biorreactor de 7,5 L

1 min 2 π m
N=450 rpm× × ⇒ N=15 π
60 s 1 rev s

1m
D=18 cm× ⇒ D=0,18 m
100 cm

( )
3
3 5 m ( 5
P=N ⋅ D ⇒ P= 15 π 0,18 m )
s

P=19,77 W

Hallamos la potencia por unidad de volumen

 P 3 2 P 3 2
=N ⋅ D ⇒ =( 15 π m/s ) ⋅ ( 0,18 m)
V V

P
=3390,54 W / m3
V

Velocidad en la punta del impulsor

(
N ∙ D= 15 π
m
s )
( 0,18 m )

3
N ∙ D=8,48 W /m

Hallamos Re

(
ℜ= 15 π
m
s )
( 0,18 m )2

ℜ=1,52

Vamos a hallar la potencia del biorreactor 250L

1 min 2 π m
N=201,6 rpm× × ⇒ N=21,11 π
60 s 1 rev s

1m
D=60 cm× ⇒ D=0 ,6 m
100 cm

3 5
P=N ⋅ D ⇒ P= 21,11 π ( m 3(
s )
0 ,6 m)
5

P=731,5 W
Vamos a hallar la potencia por unidad de volumen

P 3 2 P 3 2
=N ⋅ D ⇒ =( 21,11 π m/s ) ⋅ ( 0 , 6 m )
V V

P
=33 86,62W /m3
V

Hallamos la velocidad en la punta del impulsor

(
N ∙ D= 21,11 π
m
s )
(0 , 6 m)

3
N ∙ D=12,666 W / m

Vamos a calcular Re

(
ℜ= 21,11 π
m
s )
( 0 , 6 m )2

ℜ=7,59

P/C=C

1 min 2 π m
N=135 rpm × × ⇒ N =14,13 π
60 s 1rev s

Re=C

1 min 2 π m
N=40,5 rpm× × ⇒ N=4,24 π
60 s 1 rev s
Aumenta la potencia en el cambio de escala del biorreactor de 250L cuando es comparado con la
potencia del biorreactor de 7,5L, aumentando 37 veces.

Manteniendo constante Re todas las propiedades del biorreactor de 250L respecto al bioreactor de
7,5L, disminuye.

5.Para el cultivo sumergido de un hongo medicinal, se decidió evaluar el KLa inicial sobre su
crecimiento y producción de metabolitos. Esto con el fin de determinar la mejor condición de
cultivo para un futuro escalado. Se utilizó el método dinámico para el cálculo del coeficiente
volumétrico de transferencia de oxígeno (KLa) a diferentes condiciones de operación,
manteniendo el flujo constante en 0,5 vvm y variando la velocidad del impulsor. En la tabla 4 se
presentan los datos obtenidos de forma experimental, utilice los datos suministrados para calcular
el KLa (h-1) en cada condición de cultivo.
Tabla 4. Mediciones experimentales de OD para el cálculo de KLa según el método dinámico.
400 rpm 500 rpm
300 rpm
Tiempo (min) OD Tiempo (min) OD
Tiempo (min) OD
0 1,6 0 4,8
0 11
0,167 1,8 0,083 4,7
0,25 10,7
0,333 2 0,167 5,5
0,5 12,5
0,5 3,1 0,25 7
0,75 17,1
0,667 9,3 0,333 10,6
1 22,1
0,833 15,4 0,416 15,6
1,25 28,3
0,9167 19,4 0,5 19
1,5 33,6
1 22 0,583 25
1,75 40,2
1,167 28,7 0,667 28,8
2 45
1,25 32,7 0,75 32,4
2,16 47,5
1,333 35,5 0,833 38,7
2,33 50,6
1,5 41,1 0,917 43,4
2,5 53,9
1,583 44,6 1 46,9
2,67 56,1
1,667 46,7 1,083 49,9
2,83 59
1,75 49,7 1,167 54,4
3 61,5
1,833 51,5 1,25 58,2
3,16 63,3
 1,917 54,3 1,333 60
3,33 65,1
2 55,8 1,416 63,1
3,5 66,7
2,08 57,9 1,5 63,1
3,67 68,8
2,167 59,4 1,583 68,2

3,83 70,3

2,25 61,6 1,667 69,7

4 71,8
2,333 63 1,75 71,9
4,16 73,1
2,417 64,8 1,833 73,2
4,33 74,4
2,5 66 1,917 74,7
4,5 75,7
2,583 67,7 2 75,7
4,67 76,8
2,667 69,2 2,083 77,4
4,83 77,4
2,75 70 2,167 78,2
5 78,6
2,833 71,4 2,25 79,1
5,16 79,5
2,917 72,2 2,333 79,8
5,33 80,4
3 72,9 2,5 81,4
5,5 81,3
3,08 74 2,583 82
5,67 82
3,167 74,7 2,667 82,3
5,83 82,7
3,25 75,7 2,75 83
6 83,4
3,333 76,4 2,917 83,7
6,16 84,2
3,417 76,8 3 83,9
6,33 84,7
3,5 77,6 3,083 84,3
6,5 85
3,583 78,1 3,167 84,5
6,67 85,5
3,667 78,8 3,25 84,7
6,83 85,7
3,75 79,1 3,333 84,8
7 86,4
3,833 79,8 3,416 85,3
7,16 86,9
3,917 80,1 3,5 85,1
7,33 87,3
4 80,4 3,583 85,1
7,5 87,6
4,08 80,8 3,667 85,6
7,67 87,9
 4,167 81,1 3,75 85,5
7,83 88,1
4,25 81,5 3,833 85,7
8 88,5
4,333 81,7 3,917 86

4,5 82,1 4 86,1

4,75 83,2

5 83,6

5,5 84,6

5,75 85

6.En un cultivo sumergido con el hongo Rhizophus oryzare para la obtención de Ácido láctico, se
hizo el seguimiento al consumo de oxígeno del microorganismo. Para esto fue suspendida la
aireación dentro del biorreactor a diferentes tiempos del cultivo y medida la tensión de oxígeno
disuelto, obteniendo los resultados presentados en la tabla 5. Calcular el consumo de oxígeno de
las células (OUR en % min-1) en cada tiempo (presentar las gráficas). En este caso, como se hacen
mediciones de OD (%), es necesario multiplicar dicha pendiente por una constante de
proporcionalidad, b (6.339 x 10-5 kg O2 m-3 %-1) para obtener el valor de la OUR (kg O2 m-3 h-1).

-Calcular la velocidad especifica de consumo de oxigeno teniendo en cuenta la producción de

biomasa presentada en la tabla 6. Grafique la velocidad especifica de consumo de oxígeno vs el
tiempo. En qué tiempo las células presentan mayor consumo de oxígeno las células?

- Tabla 5. Mediciones experimentales para el cálculo de consumo de oxígeno.

t=0 t=24 h T=48 h t=72 h

Tiempo Tiempo Tiempo Tiempo

(min) OD (min) OD (min) OD (min) OD
0 100
0 85,9 0 67,7 0 56,9
1 99,7 0,5 84,2 0,25 66,9 0,25 54,7

2 99,2 1 80,1 0,5 65,1 0,5 49,3

3 98,5 1,25 78 0,75 62,4 0,75 45

4 98,1 1,5 76 1 60 1 41,4

5 97,6 1,75 74 1,25 56,8 1,25 38,4

6 97,1
2 71,7 1,5 53,9 1,5 36,6
7 96,6 2,25 69,6 1,75 51,6 1,75 34,5
 8 96 2,5 67,6 2 48,8 2 32,1

9 95,6 2,75 65,5 2,25 46,6

10 94,9 3 63,7

11 94,3 3,25 61,9

3,5 60,1
Tabla 6. Producción de biomasa con respecto al tiempo
Tiempo (h) Biomasa (Kg CS/m3)
0 0,395
24 0,501
48 0,945
72 1,704

OUR T=0 OUR T=24H OUR T=48 OUR T=72H

0,72453264 0,62206344 0,33116928 0,1782664

−3 −1
OUR T 0=0,7245 KgO 2 m h

−3 −1
OUR T 24 h=0 , 622 Kg O 2 m h

−3 −1
OUR T 48 h=0 , 3311 Kg O 2 m h

−3 −1
OUR T 72h=0 ,1782 Kg O 2 m h

q0 q24 q48 q72

1,83425985 1,24164359 0,35044368 0,10461643

q 0−0 h=1,834 Kg O2 /Kgcs

q 0−24 h=1 , 241 Kg O2 /Kgcs

q 0−48 h=0,35 KgO2 / Kgcs

q 0−72h =0,104 KgO2 / Kgcs

Cuando q 0 está en 0 horas se presenta mayor consumo de células.