EKSAMEN i TBT4140 Biokjemiteknikk Fredag 19. desember

Transkript

1 NORGE TEKNIK- NATURVITENKAPLIGE UNIVERITET INTITUTT FOR BIOTEKNOLOGI ide 1 av 5 Faglig kontakt under eksamen: Navn: Per Bruheim Tlf , EKAMEN i TBT4140 Biokjemiteknikk Fredag 19. desember Hjelpemidler: D ingen trykte eller håndskrevne hjelpmidler tillatt. Bestemt, enkel kalkulator Alle 4 oppgavene teller likt - All 4 problems count equal. Totalt 5 sider 5 pages total Norsk tekst først (side 1-3), engelsk tekst sist - Norwegian text first and English text last (p. 3-5) Formler og konstanter side 5, Formula and constants page 5 OPPGAVE 1 a. Hvordan defineres Degree of reduction, γ? Bruk H 2 O, CO 2 og NH 3 som red-oks nøytrale forbindelser og sett γ for hydrogen til 1. Beregn γ for glukose (C 6 H 12 O 6 ) og biomasse (CH 1.79 O 0.56 N 0.17 ) og etanol (C 2 H 6 O) når NH 3 er nitrogen-kilde. Hvilken forbindelse er mest redusert? b. ett opp en støkiometrisk black-box modell for en aerob prosess med glukose som karbonkilde, biomasse (CH 1.79 O 0.56 N 0.17 ), CO 2, H 2 O og produkt (C j H k O l N m ). Hvilke forbindelser inngår i red-oks-balansen? Hvilke fordeler er det med red-oks-likningen i forhold til den støkiometriske black-box modellen? Utled en likning for teoretisk oksygenkrav. c. I en kjemostat operert ved steady-state betingelser er følgende verdier målt for accharomyces cerevisiae: Y X =0.37 g biomasse/ g glukose, Y OX =0.88 g O 2 / g biomasse. NH 3 er nitrogenkilde og biomassesammensetningen er CH 1.79 O 0.56 N Anta at biomasse, H 2 O, CO 2 og etanol er eneste produkter. Beregn hvor mye etanol som produseres. 1

2 OPPGAVE 2 ide 2 av 5 a. Beskriv de tre fasene i batch-sterilisering ved bruk av varme både med tanke på temperaturprofil og antall levende celler. b. Utled likningen, gitt nedenfor, for endring av levende celler som funksjon av tid i holdeperioden (dvs. konstant temperatur) under en varmesteriliseringsprosess der k d står for den spesifikke dødskonstanten, N er antall levende celler og N o antall levende celler ved start. Nevn eventuell antagelser. k d t N = N e 0 c. Medium til en 1000 liters fermentor skal steriliseres med et krav på N f =10-3. Mediet inneholder Bacillus sterothermophilus sporer i en konsentrasjon på 10 5 / ml. Ved 120 C er k d = 2.05 min -1 og aktiveringsenergien (E) lik 283 KJ/ mol for sporene. Beregn gjennomsnittlig oppholdstid for en kontinuerlig sterilisering ved 160 C d. Mediet inneholder vitaminet tiamin som har k d =0.014min -1 ved 102 C og aktiveringsenergi på 94 KJ/ mol. For minimalt tap av tiamin, bør steriliseringsprosessen i c. kjøres ved 160 C eller 120 C? OPPGAVE 3 a. Nevn noen industrielle fermenteringsprodukter og gi eksempler på viktige industrielle mikroorganismer b. Hvilke egenskaper bør en industriell mikroorganisme ha? c. Beskriv i korte trekk den industrielle produksjonsprosessen for penicillin d. Beskriv hvordan makromolekylær sammensetning i en mikrobiell celle er bestemt av vekstmedium og veksthastighet. Bruk figur. e. Forklar følgende likning: Δ hc = qγ xc, og hvordan den kan brukes til å beregne varmeutvikling per mol O 2 forbrukt i aerobe prosesser. f. Bruk figur og beskriv oksygentransport fra gassfase til en celle, hvor ligger den største motstanden til oksygentransporten. 2

3 ide 3 av 5 OPPGAVE 4 a. Bruk massebalanser og utled de to likningene gitt nedenfor for konsentrasjonen av begrensende substrat () og cellemasse (X) som funksjon av fortynningshastigheten (D) i en kjemostat uten produktdannelse. Anta Monod kinetikk og bemerk andre antagelser du tar. D K D K = og X = ( i ) YX μ D μ D max K står for halvmetningskonstanten, i for substratkonsentrasjon inn, Y X for g biomasse/ g substrat, μ for spesifikk veksthastighet, substratforbrukshastigheten er μ gitt ved r = + m x, m er vedlikeholdskoeffisienten YX b. kisser X og som en funksjon av D. Definer D kritisk, hvorfor bør en kjemostat ikke opereres med fortynningshastigheter nært oppunder og ved D kritisk? c. For en kjemostat operert ved steady-state kan følgende likning brukes for produksjon av biomasse, q x (g biomasse l -1 t -1 ): qx = 0, 2 X, der er substratkonsentrasjonen (gl -1 ) for begrensende substrat + 1 og X er biomassekonsentrasjonen (gl -1 ). er målt til 0,8 gl -1. Ved hvilken fortynningshastighet kjøres kjemostaten ved? Hva er høyeste mulig verdi for D hvis substratkonsentrasjonen inn f er 10 gl -1? d. For f =10gl -1 og D=0.05t -1 er biomassekonsentrasjonen 5 gl -1. Hva er utbyttekoeffisienten Y X når fødemediet er sterilt? max PROBLEM 1 a. How is Degree of reduction, γ defined? Use H 2 O, CO 2 and NH 3 as red-ox neutral compounds and γ for hydrogen to 1. Calculate γ for glucose (C 6 H 12 O 6 ), biomass (CH 1.79 O 0.56 N 0.17 ) and ethanol (C 2 H 6 O) when NH 3 nitrogen source. Which compound is most reduced? b. Write a black-box model for an aerobic process with glucose as carbon source, biomass (CH 1.79 O 0.56 N 0.17 ), CO 2, H 2 O and product (C j H k O l N m ). Which compounds are included in the red-ox balance and what is the advantage using this balance instead of two element balances? Derive an equation for theoretical oxygen demand. c. In a chemostat operated at steady-state conditions is the following values measured for accharomyces cerevisiae: Y X =0.37 g biomass/ g glucose, Y OX =0.88 g O 2 / g biomass. NH 3 is nitrogen source and biomass composition is CH 1.79 O 0.56 N Assume that biomass, H 2 O, CO 2 and ethanol are the only products and calculate how much ethanol is produced. 3

4 PROBLEM 2 ide 4 av 5 a. Describe the three phases for heat batch-sterilisation taking into account both temperature profile and the number of viable cells. b. Derive the equation given below for change of viable cells as a function of holding period (i.e. constant temperature) under a heat sterilization process where k d is the specific death constant, N is the number of viable cells and N o is the number of viable cells at start. Comment any assumptions. k d t N = N e 0 c. The medium for a 1000 liter fermentor is to be sterilized with a specification of N f =10-3. The medium contain Bacillus sterothermophilus spores at a concentration of 10 5 / ml. At 120 C is k d = 2.05 min -1 and the activation energy (E) equal to 283 KJ/ mol for the spore. Calculate average holding time for a continuous sterilization at 160 C. d. The medium contain the vitamin thiamine which has k d =0.014min -1 at 102 C and activation energy of 94 KJ/ mol. For minimum loss of thiamine, should the sterilization process in c. be performed at 160 C or 120 C? PROBLEM 3 a. Mention some industrial fermentation products and give examples of important industrial microorganisms. b. Discuss desired properties of industrial microorganisms. c. Discuss briefly the industrial bioprocess of penicillin. d. Describe how macromolecular composition of microbial cell is determined by growth medium and growth rate. Use figure. e. Explain the following equation: Δ hc = qγ xc, and how it can be used to estimate the heat production per mol O 2 consumed in aerobic processes. f. Use figure and describe the oxygen transport from gas phase to cell, where is the major resistance to the oxygen transport. 4

5 PROBLEM 4 ide 5 av 5 a. Use mass balances and derive the two equations given below for onsentration of limiting substrate () and cell mass (X) as function of dilution rate (D) in a chemostat without product formation. Assume Monod kinetics and comment any other assumptions you make D K D K = og X = ( i ) YX μ D μ D max K is the half saturation constant, i is the substrate concentration in, Y X is the yield coefficient g biomasse/ g substrat, μ is the spesific growth rate, substrate consumption μ rate r = + m x, m is the maintenance coefficient. YX b. Draw X and as functions of D. Define D critical, why should a chemostat never be operated at dilution rates close to D critical? c. For a chemostat operated at steady-state can the following equation be used for the production of biomass, q x (g biomass l -1 t -1 ): qx = 0, 2 X, where is substrate concentration (gl -1 ) for limiting substrate, + 1 and X is biomass concentration (gl -1 ). is measured to 0,8 gl -1. At which dilution rate is the chemostate operated? What is the highest possible value of D if the substrate concentration in the feed f is 10 gl -1? d. The biomass concentration is experimentally determined to 5 gl -1 for f =10gl -1 and D=0.05t -1. What is the yield coefficient Y X when the feed solution is sterile? max FORMULA AND CONTANT Arrhenius equation: k d =Ae -E/RT Monod equation: µ = µ max Ks + Gas constant: *10-3 KJmol -1 K -1, (0K = ºC) Molecular weights (g mol -1 ) C: 12 H: 1 N: 14 O: 16 5

6

7

8

9

10