1 Lista de Exercicios Rev. 1

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1a LISTA DE EXERCÍCIOS 
EQB 367 FUNDAMENTOS DE ENGENHARIA BIOQUÍMICA 
CONTEÚDO: PROCESSOS DESCONTÍNUOS 
 
1) Um bioprocesso apresenta as seguintes características: 
Concentração inicial de substrato: 120 g/L 
Concentração final de substrato: 10 g/L 
Concentração final de produto: 52,8 g/L 
Concentração inicial de células: 1 g/L 
Concentração final de células: 11 g/L 
Tempo de fermentação : 20 h 
 
Com base nestes dados, calcular: 
a) YP/s, YP/x, Yx/s, YP/So 
b) Produtividade volumétrica 
c) Produtividade mássica, considerando que o volume de meio no reator é igual a 
120 m3 
 
2) Uma instalação industrial de fermentação foi corretamente projetada de acordo com 
a equação 
P = K . V 0,75. O tempo de separação é igual a 8 horas, sendo igual ao tempo 
necessário para a limpeza e enchimento de cada biorreator. A vazão de mosto 
destinado à seção de separação é igual a 400 m3/hora. Pede-se calcular: 
a. O número de biorreatores que compõem a unidade 
b. O volume útil de cada biorreator 
c. O tempo de fermentação. 
 
 
3) Uma fermentação acetono-butílica é conduzida por processo em batelada, 
resultando na obtenção de uma mistura de solventes que, no final do processo 
fermentativo, se encontram dissolvidos no meio fermentado na proporção em peso 
6,6: 2,5: 1;0 (butanol) acetona: álcool etílico. A fermentação é limitada pela 
tolerância de Clostridium acetonobutylicum ao butanol, que é de 13 g/l. 
A matéria prima é farinha de mandioca, que contém 66,7% de amido (Peso sêco), e 
o mosto é preparado, juntando-se aos outros nutrientes necessários, 10 kg de farinha 
seca para cada 100 litros de meio. No bioprocesso, são utilizados vários fermentadores 
cilíndricos, todos iguais, em que a altura e 4 vezes maior que o diâmetro, e que 
asseguram continuidade de alimentação à seção de destilação e fracionamento, 
responsável pela recuperação dos solventes. 
 
A taxa média de formação de solventes em cada fermentador é de 50 kg/h, e toda 
a quantidade de solventes produzida em um fermentador é recuperada pelas 
colunas em 8 horas de funcionamento. Estas 8 horas são também o tempo que se 
leva para o “preparo” de cada fermentador (lavagem, enchimento, esterilização, 
etc). A produção da seção de recuperação deve ser de 9.600 kg de solventes por 
dia. 
 
Considerando-se desprezível o espaço livre em cada fermentador, pede-se: 
 
1a parte 
 
a) Tempo de fermentação em cada biorreator 
b) Número de biorreatores utilizados 
c) Diâmetro e altura de cada biorreator 
d) Fator de rendimento do bioprocesso em relação ao substrato inicial, YP/So, em 
peso de solventes produzidos/peso de amido. 
 
2a parte 
 
Baseado na tabela de preços fornecida a seguir, verificar se a instalação foi 
projetada da forma mais econômica, ou seja, se as respostas dos itens 1-b e 1-c 
levam ao projeto mais econômico. 
 
 
TABELA DE PREÇOS PARA BIORREATORES (fictícia) 
 
VN (m3) Preço (U$) 
25 5000,00 
50 8350,00 
75 11350,00 
100 14050,00 
125 16775,00 
150 19050,00 
200 23650,00 
 
 
 
 
4) O ácido láctico é obtido industrialmente por fermentação de mostos sacaríneos, 
empregando-se Lactobacillus delbrueckii como microrganismo agente do processo. 
 
Uma determinada indústria utiliza vários biorreatores, para que se assegure suprimento 
contínuo de mosto fermentado à seção de separação do mosto proveniente do 
mesmo. 
O produto no mosto fermentado apresenta-se sob a forma de lactato de cálcio, pois 
o ácido láctico excretado é neutralizado a medida que se forma. Para isso utiliza-se 
suspensão de hidróxido de cálcio a 50% (peso/volume), a qual é juntada ao mosto 
em fermentação durante o correr do processo, numa vazão média de 53,3 L/h. Ao 
final de cada batelada, foram gastos 1.600 kg de Ca(OH)2 por biorreator. 
 
O bioprocesso é submerso e não aerado, conduzido descontinuamente em 
biorreatores cilíndricos, cada um contendo ao fim do processo, líquido até 96,4% de 
sua capacidade total, exibindo nesta hora uma relação altura: diâmetro H/T = 3,5. 
Utiliza-se como matéria prima melaço, contendo 50% (peso/peso) de ART. A 
concentração inicial de substrato na dorna é ajustada em 12% de A.RT 
(peso/volume). Ao final do processo, a concentração de ART. É de 1,2% 
(peso/volume). 
 
A seção de recuperação de ácido láctico consta de um tratamento com carvão 
ativo para clarificação, passagem por um filtro prensa, concentração de lactato em 
evaporadores e sua cristalização a baixa temperatura. A seguir, libera-se o ácido 
láctico por tratamento com ácido sulfúrico, precipitando-se o sulfato que é separado 
Dell
Nota
Essa relação altura/diâmetro é com relação ao mosto! Não é com o reator!
Dell
Nota
ART é a sigla para açúcares redutores totais.nullnull
Dell
Nota
Faltam informações na questão que impossibilitam de resolver a letra e):nullnull1) Os ART não são considerados como uma mistura de açúcares nesta questão, mas sim como sendo apenas glicose.nullnull2) Na página 47 do arquivo das aulas inaugurais, há a informação de que a decomposição de 1 molécula de glicose (180 g/mol) gera 2 moléculas de ácido láctico (90 g/mol).
Dell
Nota
MM = 74 g/mol
Dell
Nota
MM = 90 g/mol
por filtração. Neste processo de separação, perde-se 15% do ácido láctico formando 
na fermentação. O material de cada biorreator é processado pela seção de 
separação em 10 horas e a vazão com a qual é enviado à mesma é de 4. 820 L/h. 
Pede-se: 
 
1a parte 
 
a) Quantidade de melaço utilizado por biorreator. 
b) Rendimento do processo fermentativo (peso de produto/peso de ART. 
fermentado.) 
c) Número de biorreatores empregados na instalação. 
d) Tempo de fermentação em cada biorreator. 
e) Eficiência do bioprocesso. 
f) Dimensões do biorreator (diâmetro e altura nominal). 
g) Produção horária de ácido láctico entregue pela indústria ao consumo. 
 
2a parte 
 
Considerando-se que a tabela de preços para os biorreatores empregados na 
instalação é baseada na equação que se segue: 
 
aVKP 
, a=0,8 
 
onde P = preço de 1 biorreator e V= volume nominal de 1 biorreator, verificar se a 
resposta do item 1-c permite concluir que o projeto da planta foi realmente aquele 
que levou ao menor custo. Caso sua resposta seja negativa, faça um novo 
dimensionamento da planta quanto ao volume e número de biorreatores. 
 
 
5) Uma planta produtora de álcool opera com biorreatores de 250 m3, contendo 225 m3 
de mosto. A matéria-prima é melaço (50% P/P em ART) e, durante seu 
beneficiamento, há perdas de 2% em peso de melaço. As concentrações inicial e 
final de ART no meio são 150 g/L e 2 g/L, respectivamente, sendo o fator de ART em 
etanol igual a 0,49 g de etanol /g ART consumido. Durante a destilação, há perdas de 
8% em peso de etanol. 
 
Com base nestes dados, calcular: 
 
a) A eficiência do bioprocesso 
b) A quantidade de melaço gasta por biorreator no preparo de meio 
c) A eficiência da planta 
 
 
 
6) Um biorreator para produzir vinagre de vinho tinto, opera nas seguintes condições: 
a) A inoculação é feita mediante a adição de vinho tinto (teor de etanol 9,5 % P/V) 
a uma parte do vinagre forte obtido no processo, de modo a obter-se uma acidez 
inicial de 2% P/V em ácido acético. O volume total de mosto após a inoculação é 
igual a 25 m3. 
b) Em 50 horas de processo, obtém-se o vinagre forte, com acidez 10 %P/V e 
concentração residual de etanol 0,2 %P/V. 
c) Como já mencionado, parte do vinagre forte permanece no biorreator e o 
restante segue para as seções de recuperação e embalagem, onde o produto 
final (vinagre de mesa) tem acidez 4,5 % P/V. Nesse processamento,há perdas de 
10 % do volume do produto final a ser comercializado. 
d) A estequiometria do processo obedece à seguinte equação: 
 
C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O 
 
Com base nestes dados, calcular: 
 
a) O volume de vinagre forte empregado na inoculação, em m3 
b) A concentração inicial de substrato, em %P/V 
c) A produtividade volumétrica do biorreator, em Kg/m3.h 
d) O fator de conversão de etanol em ácido acético, em g de ácido/g de etanol 
consumido 
e) A eficiência do bioprocesso 
f) A eficiência da planta 
 
 
7) Um processo descontínuo para produção de biomassa microbiana a partir de soro 
de leite se dá do início ao fim na fase exponencial, sendo o tempo de duplicação 
igual a 3,5 horas. Ao final do processo são obtidas 15 g de células secas/L. O soro de 
leite empregado como matéria prima contém 5% (p/v) de lactose, que é inoculado 
com uma suspensão de células que corresponde a 20 % do volume total da dorna. A 
concentração final de lactose residual no processo é de 10% da inicial. A planta foi 
corretamente dimensionada, tendo como base a equação, 
 
P = K . V 0,8333 
 
A seção de recuperação de produto opera ininterruptamente, sendo verificadas 
perdas de 10% nestes tratamentos finais. Diariamente são entregues ao consumo 32,4 
toneladas de células com teor de umidade de 40%. O tempo de processamento do 
meio proveniente de um biorreator é de 1,5 horas que é igual ao tempo de 
enchimento e preparo. 
 
Com base nos dados fornecidos, calcular: 
a) Volume de meio em cada biorreator, expresso em m3. 
b) Tempo de fermentação, expresso em horas. 
c) Fator de conversão de substrato em células, expresso em g de células/g de 
substrato 
d) Concentração de células na suspensão que serve de inoculo, expressa em g/L.