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___________________________________________EQB4383 – Enzimologia Industrial M.A.Z. Coelho
Reatores Enzimáticos
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TIPOS DE REATORES USADOS COM ENZIMAS
Os processos que utilizam enzimas imobilizadas podem ser conduzidos de forma contínua ou em batelada. O sistema mais
comum é o de tanque agitado em batelada (STR).
Em alguns casos, estes reatores vêm sendo operados de forma semi-contínua através da retirada intermitente de parte do meio
reacional e adição de nova solução de substrato.
Quando a enzima encontra-se na forma livre e solúvel o único reator utilizável é o reator em Batelada
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CSTR – tanque mecanicamente agitado (com ou sem ultrafiltração)
Batelada – enzima pode ser separada da mistura final com facilidade
Contínuo – entrada e saída do fluído.
Como certa quantidade de enzima
pode ser arrastada,
sistemas de recuperação
de enzimas devem ser usados.
Fluxo Pistonado - PFR (Plug-Flow Reactor)
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Leito Fixo (Coluna empacotada – módulo fibrilar) -Enzima empacotada –estacionária.
Leito Fluidizado - Velocidade do fluído promove movimentação das
partículas de enzima
imobilizadas dentro do reator.
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SELEÇÃO DOS REATORES ENZIMÁTICOS
Quanto à condução do processo
Batelada: mais indicados para processos de pequena escala (utilizados em caráter multi-propósito - menor ociosidade.
Contínuo:
Elevado custo do investimento.
Custo de mão-de-obra reduzido
Possibilita automação.
Apresentam maior produtividade.
Constância na Qualidade dos Produtos
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Quanto ao tipo de reator a ser utilizado - Requisitos operacionais e custo
Requisitos operacionais podem limitar a escolha do reator.
Reator CSTR – quando controles de pH e temperatura são necessários-homogeneidade
Reator Tubular –substrato fornecido de modo intermitente - casos em que substratos em elevada concentração inibem a enzima.
Reatores de Leito Fixo – não usados para fluidos de alimentação que contenha sólidos insolúveis.
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Quanto à Reutilização da Enzima
Maior parte das enzimas são instáveis para uso prolongado em reatores, podendo a imobilização ser atrativa (exceto enzimas extracelulares -
amilases e proteases).
Economicidade do processo dependerá:
custo do catalisador (enzima)
custo do processo.
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Quanto à Característica da corrente de alimentação
Meios Viscosos ou com material particulado - Tanque de agitação e Leito fluidizado
Meios de Baixa Viscosidade ou sem material particulado – Leito fixo
Processo com Enzimas Imobilizadas - as características físicas do suporte.
Suportes frágeis - não devem ser usados em reatores CSTR e leito fluidizado.
Suportes Compressíveis ou pequenos – não devem ser usados em leito fixo
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Quanto às Características Cinéticas
Reações que obedecem a cinética de Michaeliana – maior rendimento nos reatores de leito fixo e fluidizado.
Reações em ocorre inibição pelo substrato - mais adequado CSTR – [S] no reator =[S]saída- baixa
Reatores Contínuos - Enzima é retirada - necessário a adição de enzima nova, devido a perda na atividade durante uma operação prolongada.
Facilmente realizado em reator CSTR, a qualquer instante sem interrupções.
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Tipos de Reatores Enzimáticos Contínuos e suas Características
Tipo de
Reator
Regime
de Fluxo
Eficiência
de
Conversão
Razão
Enzima /
Volume do
Reator
Controle de
Parâmetros
Características
Hidro-dinâmicas
Custos de
Operação
Tanque
Agitado
Contínuo
Mistura
Perfeita
Menor que
em coluna
(exceto para
casos de
inibição)
Baixa Fácil Boas Baixos
Coluna
Empacotada
Pistão Maior que o
tanque
agitado
(exceto para
casos de
inibição)
Alta Difícil
Regulares
(problemas de
compactação e
canalização)
Interme-
diários
Reator
Contínuo de
Ultrafiltração
(UF)
Mistura
Perfeita
Idem tanque
agitado
contínuo
Interme
diária
Fácil
Regulares
(problemas de
concentração na
membrana)
Altos
Reator
de Leito
Fluidizado
Interme
diário
Interme-
diária entre
o tanque
agitado e a
coluna
Interme
diária
Interme
diário
Boas Altos
Módulo
Fibrilar
Pistão Idem coluna Alta Difícil Idem reator
contínuo de UF
Altos
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Cinética de Reatores Enzimáticos Ideais
Reator batelada, isotérmico:
max
m
V Sr
K S
r taxa de reação [mol.(s.L)-1]
o m max
o
SS S K ln V t
S
o
o
S
SS o m maxS K ln 1 V t
Conversão enzimática em um reator batelada
max
m
V SdSr
dt K S
Cinética de Michaelis-Menten, reação irreversível, sem inibição:
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Variação da quantidade de substrato convertido () com o tempo de reação (t) para diferentes relações de So/Km.
Baixos valores de So/Km - taxa de reação é essencialmente de ordem zero
Tempo t para um dado em particular - é independente de So/Km.
Elevados valores de So/Km - taxa de reação é essencialmente de 1a. ordem
O tempo dispendido (t) para atingir um determinado valor de é proporcional
a relação So/Km.
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Da mesma forma, para um CSTR e um PFR, a equação de Michaelis-Menten pode ser integrada resultando em equações idênticas a conversão enzimática em um reator batelada, usando Q como a alimentação volumétrica de substrato ao reator (em [L/s]).
Reator CSTR Reator PFR
Q
VKS max
mo
1
Q
VlnKS max
mo 1
Contribuições relativas do primeiro termo (reação de 1a ordem)
e do segundo termo (reação de ordem zero) em t ,
para atingir dado valor de , dependem dos valores de So e Km.
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Relação entre a conversão () e a vazão volumétria (Q) em ambos reatores enzimáticos para diferentes razões So/Km.
Valores elevados de So = So/Km > 10 e baixos valores de
As curvas para ambos os reatores são praticamente idênticas
Valores baixos de So/Km e altos valores de
Somente podem ser alcançados em vazões mais lentas no CSTR,
que em sistema PFR - conversões para reatores PFR em um dado valor de Q.
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As referidas equações demonstram que:
Quantidade de enzima no reator é um importante parâmetro -determina a velocidade de reação.
Reator em Batelada – quantidade enzima maior que o contínuo
Processo Reacional teoricamente é independente do tamanho do reator e estes devem ser comparados com base na quantidade de enzima requerida.
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OUTROS EFEITOS QUE AFETAM A CINÉTICA DOS RETORES ENZIMÁTICOS
Inibição por Substrato - Mais efetiva em reator tubular do que no contínuo agitado.
Pode ser minimizado em reator em batelada introduzindo substrato de forma intermitente em um reator tubular (pistonado).Em reator agitado contínuo usando vários reatores dispostos em série.
Equação que descreve a inibição da enzima pelo substrato
ism
max
KSKS
SV
Vdt
dSr
2
1
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Conversão Enzimática com Inibição pelo Substrato
CSTR PFR
Inibição pelo substrato é mais evidenciada em sistemas PFR.
Efeito é menor em reator CSTR - Enzima opera em condições onde a [S] é idêntica a da corrente do efluente do reator.
Q
V
K
SKS max
is
omo
2
2
1
Q
V
K
SKS
is
omo
max22
21ln
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Efeito da inibição pelo substrato na conversão () em função da vazão volumétria (Q) para um PFR (____) e um CSTR (----) em diferentes razões So/Km.
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Inibição pelo Produto
Competitiva (altera o valor de Km):
ipm
max
K
IKS
SV
Vdt
dSr
1
1
Conversão enzimática com inibição competitiva pelo produto em um CSTR
Q
V
K
KSKS max
ip
momo
11
2
Conversão enzimática com inibição competitiva pelo produto em um PFR
Q
VlnK
K
SS
K
K maxm
ip
oo
ip
m
111
Relação So/Kip é pequena - a inibição pelo produto desprezível.
Reator PFR desprezível , mais pronunciada reatores CSTR – elevada [P].
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Não - competitiva (altera o valor de Vmax):
m
ip
max
KS
S
K
I
V
Vdt
dSr
1
1
Conversão enzimática com inibição não - competitiva pelo produto em um CSTR
Q
V
S
K
K
SKS max
o
m
ip
omo
11
1
22
Conversão enzimática com inibição não - competitiva pelo produto em um PFR
Q
V
S
K
K
SKS max
o
m
ip
omo
11
1
22
Para os mesmos valores de So, Km, Kip e
- inibição não – competitiva
ocasiona maior efeito
no progresso da reação
que a inibição competitiva.
Efeito da inibição competitiva e não-competitiva na conversão () em função do
tempo de reação (t) para razão So/Km = 10 e diferentes relações de Kip/Km.
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