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ertenecen los autores

FERIA MEXICANA DE CIENCIAS E INGENIERAS 2014

TTULO Diseo de un Reactor Qumico.

AVANCES DE INVESTIGACIN

rea de conocimiento: Qumica.

Nombre de los estudiantes: Maria Guadalupe Velazquez Luna.

Nombre y firma del asesor: I.Q.I. Alberto Cocom Celaya

Fecha 25/Junio/2014NDICE

RESUMEN3ANTECEDENTES.4DEFINICIN DEL PROBLEMA.5JUSTIFICACIN.5OBJETIVOS.6HIPTESIS O META DE INGENIERA.6MARCO TERICO.6MTODOS y/o PROCEDIMIENTOS.7RESULTADOS Y DISCUSINES PARCIALES8CONCLUSIONES PARCIALES10REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.10

RESUMEN.

Las molculas quirales son importantes en el sector farmacutico, son producidas en reactores de particin de tres fases y debido a su importancia se ha buscado su produccin a nivel semi-piloto; sin embargo, en el mercado no se encuentran este tipo de reactores disponibles por lo que resulta relevante el disear este tipo de reactores para la produccin de molculas quirales a nivel semi-piloto.Estas molculas se producen por medio de bioctalisis este proceso ofrecen soluciones alternativas a la qumica verde para reducir la contaminacin del medio ambiente causada por diversos procesos qumicos.Los reactores de particin de tres fases utilizando una fase orgnica son empleados en biocatlisis para remover los productos de inhibicin selectivos que se encuentran en la fase acuosa. Esta clase de reactores ha demostrado ser efectiva para la degradacin de altos niveles de contaminantes orgnicos, utilizndose en la remediacin de aguas, suelos y aire.Se realizara el diseo de este reactor de particin de tres fases utilizando variables operacionales obtenidas anterior mente. Se determinara si las variables obtenidas son suficientes para comenzar el diseo del reactor; si es as, se comenzara el diseo mecnico y termodinmico con las condiciones principales esperando un volumen de 10 a 15 litros. Este diseo tiene como finalidad de contribuir a la ciencia bsica en el rea del diseo de un reactor de particin de tres fases a nivel semi-piloto para la produccin de molculas quirales producidas por biocatlisis.

ANTECEDENTES.

Reaccin de bioconversin (Biocatlisis)La biocatlisis se utiliza cada vez ms en la industria, tanto para la reduccin de contaminantes en el medio ambiente como para ayudar en las rutas de sntesis de molculas complejas. Los procesos con biocatlisis ofrecen soluciones alternativas a la qumica verde para reducir la contaminacin del medio ambiente causada por diversos procesos qumicos: por ejemplo, ayuda a la reduccin en el uso de solventes orgnicos a travs de los bioprocesos en sistemas acuosos, o disminuyendo el uso de los catalizadores metlicos mediante biocatalizadores (Pollard y Woodley, 2006).

Reactores de particin de tres fases.Los biorreactores de particin de tres fases utilizando una fase orgnica son empleados en biocatlisis para remover los productos de inhibicin selectivos que se encuentran en la fase acuosa. Esta clase de biorreactores ha demostrado ser efectiva para la degradacin de altos niveles de contaminantes orgnicos, utilizndose en la remediacin de aguas, suelos y aire. Por ejemplo, la fase orgnica permite disminuir la concentracin de contaminantes que inhiben la degradacin de tolueno, benceno y xilenos (Collins y Daugulis, 1997).La problemtica de la tesis de la cual se basa este proyecto en este trabajo se realiza el estudio de transferencia de momento y masa en ausencia de reaccin en un biorreactor de particin de tres fases con el objetivo de utilizar esta informacin para realizar un escalamiento descendente basado en criterios de similitud geomtrica y el mtodo de Buckingham. Primero, se estudia el biorreactor de 1L, se describe el comportamiento hidrodinmico y de transferencia de masa mediante el uso de dinmica de fluidos computacionales (CFD) para la generacin de valores para los coeficientes globales de transferencia de oxgeno, los cuales van de 19 a 210 h-1, y los coeficientes globales de transferencia de sustrato y producto que estn entre 207-2174 y 4-411 h-1, respectivamente. Estos coeficientes se encontraron en el mismo orden de magnitud que los reportados en estudios experimentales para el mismo sistema de biorreaccin. Posteriormente se realiza un escalamiento descendente del biorreactor de 1 L a un biorreactor de 100 mL. Los valores de kLa fueron similares con las dos aproximaciones, lo cual sugiere que el escalamiento descendente mediante los criterios establecidos puede ser utilizado con confianza bajo condiciones de reaccin en un estudio futuro.

DEFINICIN DEL PROBLEMA.

Actualmente existe inters por la biocatlisis para la produccin de molculas quirales pticamente puras que se producen mediante reacciones redox de tipo Baeyer-Villiger. Los reactores de particin de tres fases son utilizados en esta clase de biotransformaciones ya que permiten eliminar los efectos de inhibicin de la clula por sustrato o producto. Por lo que este proyecto busca disear un reactor de particin de tres fases a nivel semi-piloto o planta piloto para la produccin de molculas quilares.

Desde esta perspectiva es esencial el diseo de un reactor semi-piloto y su caracterizacin en trminos del transporte de momento, su efecto en la transferencia masa y la cintica enzimatica utilizando herramientas como el anlisis de rgimen, anlisis adimensional. Por lo cual se utilizaran datos ya obtenidos en pruebas realizadas anteriormente en mini-reactores lo que permitir el escalamiento del reactor de particin de tres fases con datos reales y as mismo poder realizar el mismo a nivel planta semi-piloto.

JUSTIFICACIN.

Las molculas quirales son importantes en el sector farmacutico, son producidas en reactores de particin de tres fases y debido a su importancia se ha buscado su produccin a nivel semi-piloto; sin embargo, en el mercado no se encuentran este tipo de reactores disponibles por lo que resulta relevante el disear este tipo de reactores para la produccin de molculas quirales a nivel semi-piloto.

El diseo de este reactor pretende obtener las molculas quirales a nivel semi-piloto. Con la finalidad de tener mejores rendimientos de produccin de las molculas quirales y adems, se cuente con informacin de ciencia bsica para la construccin de reactores de particin en donde se lleva a cabo la produccin de las estas molculas; contribuyendo al sector farmacutico.

OBJETIVOS.

Objetivo General:

Disear un reactor de particin de tres fases a nivel semi-piloto o planta piloto para la produccin de molculas quirales.

Objetivos especficos:

Determinar las variables experimentales ms importantes para el diseo del reactor de particin. Proponer la metodologa a seguir ms adecuada para el diseo del reactor de particin. Disear el reactor de particin a escala semi-piloto o piloto a partir de las variables operacionales y experimentales definidas. Construir y validar el reactor de particin diseado a escala semi-piloto o piloto.

HIPTESIS O META DE INGENIERA.

Del trabajo anterior se obtuvieron parmetros de los cuales dos fueron una problemtica muy importante en la produccin de las molculas quirales los cuales fueron el oxgeno y la agitacin. En relacin a esto la meta de ingeniera que se propone es contribuir a la ciencia bsica en el rea del diseo de un reactor de particin de tres fases a nivel semi-piloto o planta piloto, esto en base a que en el mercado no se cuenta con equipos de ms de 10L de capacidad para la produccin de molculas quirales producidas por biocatlisis. Siendo este proceso de inters para el sector farmacutico es que este proyecto pretender contribuir a resolver dichas problemticas.

MARCO TERICO.

Reactores de particin de tres fases.Los biorreactores de particin de tres fases utilizando una fase orgnica son empleados en biocatlisis para remover los productos de inhibicin selectivos que se encuentran en la fase acuosa. Esta clase de biorreactores ha demostrado ser efectiva para la degradacin de alto niveles de contaminantes orgnicos, utilizndose en la remediacin de aguas, suelos y aire.

En el diseo de un biorreactor de particin de tres fases se requiere que el sustrato sea poco soluble en la fase acuosa, pero con una solubilidad alta en la fase orgnica. As tambin se requiere que el producto sea soluble tanto en la fase orgnica como en la fase acuosa (Lilly y col., 1990). Por lo anterior la naturaleza fsico-qumica de la fase orgnica debe ser ptima para servir como reservorio selectivo del sustrato y/o del producto. La seleccin de la fase orgnica se lleva a cabo utilizando valores tericos y/o experimentales del punto de ebullicin, solubilidad en la fase acuosa relacionada con el coeficiente de particin y biocompatibilidad con las clulas (Malinowski, 2001),

Dispersin lquido-lquidoEn tanques agitados, la transferencia de masa en sistemas de dos fases lquido-lquido tiene como parmetro controlante el rea de transporte interfacial, donde la dispersin de las fases lquidas (acuosa-orgnica) en el biorreactor son dominantes en comparacin a las velocidades de reaccin (Chang y Dang, 1986).

Fase Orgnica: Lquido inico.Los lquidos inicos son sales orgnicas que permanecen como lquidos a temperaturas menores a 300 C, son no voltiles, no inflamables, presentan alta polaridad y buena estabilidad qumica y trmica. Su polaridad es una propiedad que se aprovecha en reacciones qumicas y bioqumicas, ya que pueden disolver un amplio rango de sustancias incluyendo compuestos orgnicos polares y no polares, as como compuestos inorgnicos y polmeros. Las propiedades fsicas y qumicas de los lquidos inicos (hidrofobicidad, viscosidad, polaridad, inmiscibilidad) pueden ser modificadas por la alteracin del catin y/o anin. Esto es importante porque permite disear lquidos inicos para reacciones especficas, como son incrementar la solubilidad del sustrato o modificar la selectividad de la enzima (Yang y Pan, 2005)

MTODOS y/o PROCEDIMIENTOS.

La tesis en la cual me he basado se han obtenido resultados que son principalmente la problemtica de este proyect una de ella es la agitacin de las mezclas la cual no era adecuada dado que la sustancia orgnica se descompona si era muy fuerte la agitacin y si era muy lenta el lquido y el orgnico no lograban alcanzar una mezcla homognea. Otro parmetro que afectaba era la dispersin del oxgeno dado que no se esparca como deba y eso ocasionaba que la materia orgnica se descompusiera con mayor facilidad y su tiempo de vida fuera minino. Todos estos resultados fueron obtenidos despus de la realizacin de pruebas y del estudio de transferencia de momento y masa en ausencia de reaccin en un biorreactor de particin de tres fases. Con dichos resultados primero se valoraran las diferentes variables obtenidas cabe destacar que todas estos fueron obtenidos despus de realizar pruebas en reactores comerciales de 100 mL y de 1 L. Con los resultados necesarios completos se comenzar el diseo mecnico y termodinmico del mismo dndole un volumen de 10 a 15 litros de capacidad. En el diseo propondr una administracin de oxigeno apta para la realizacin de la reaccin qumica para la obtencin de las molculas quirales. Se diseara la forma necesaria para que la agitacin que necesitan estas faces las cuales tendrn que hacer solo una mezcla homognea.

RESULTADOS Y DISCUSINES PARCIALESComparacin de los posibles materiales a utilizar.Tipo de Marial.Fcil de Oxidar.Resistencia a la presin.Durabilidad.

Acero al Carbn.222

Acero Inoxidable.022

Acrlico.011

Acero Pintado.122

0 Nada2 Mucho.

1 Poco

Diferentes tipos de agitadores.Los agitadores se dividen en dos clases: los que generan corrientes paralelas al eje del agitador y los que dan origen a corrientes en direccin tangencial o radial. Los primeros se llaman agitadores de flujo axial y los segundos agitadores de flujo radial.Los tres tipos principales de agitadores utilizados en la industria son, de hlice, de paletas, y de turbina. Cada uno de estos tipos comprende muchas variaciones y subtipos que no consideraremos aqu. En algunos casos tambin son tiles agitadores especiales, pero con los tres tipos antes citados se resuelven, quizs, el 95% de los problemas de agitacin de lquidos.Para procesos microbiolgicos slo se pueden utilizar tipos especficos de agitadores desarrollados para la tecnologa qumica. El agitador de discos es el tipo ms comn; desde el eje del disco de dimetro apropiado salen 4-8 paletas radiales. Comparado con el agitador de disco, el tipo turbina requiere 50% menos de aire para el mismo consumo de energa y rendimiento. Dos tipos mas consisten en brazos agitadores MIG y INTERMIG requieren 25% y 40% menos energa respectivamente para rendimientos equivalentes.

Sistemas de impulsores para fermentadoresCONCLUSIONES PARCIALES

El orgnico a utilizarse es corrosivo, esto me dio como conclusin que se debe de utilizarse acero inoxidable o acrlico; sin embargo, debido a la presin debe utilizarte un material que no se colapse y pues entonces consider que lo ms factible es utilizar acero inoxidable. La agitacin no debe romper el lquido inico por lo que existen diferentes tipo de agitadores pero el ms comn y el que podra dar la eficiencia necesaria seria el agitador de disco

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS.

Pollard D. J., Woodley J. M. (2006). Biocatalysis for Pharmaceutical Intermediates: The Future is now. TRENDS in Biotechnology, 25 (2): 66-73

Malinowski J.J. (2001). Two-phase partitioning bioreactors in fermentation technology. Biotechnology Advances, 19:525-538.

Lilly, M.D., Dervakos G.A., Woodley J.M. (1990). Two-Liquid Phase Biocatalysis: Reactor Design. En Biocatalysis pginas: 337-355, Editorial: Van Nostrand Reinhold, New York.

Doig S. D., Pickering S.C.R., Lye G.J., Woodley J.M. (2002). The Use of Microscale Processing Technologies for Quantification of Biocatalytic Baeyer-Villiger Oxidation Kinetics, Biotechnology and Bioengineering, 80 (1): 42-49.

Chang T.P.K., Dang T. (1986). Drop Breakup in turbulent Stirred-Tank contactors. Part 1: Effect of Dispersed-Phase Viscosity. AICHE Journal, 324(4): 657-666.

La biocatlisis es el proceso por el que se aumenta la velocidad de una reaccin metablica debido a la accin enzimtica. Las enzimas no alteran el equilibrio qumico de la reaccin que catalizan, sino que aceleran la reaccin. Intervienen sobre la energa de activacin de las reacciones qumicas, disminuyndola, de manera que la reaccin ocurre con mayor velocidad. Los catalizadores biolgicos o enzimas se unen al sustrato formando un complejo enzima-sustrato para as catalizar la reaccin; cuando esta se produce, se forman los productos y la enzima se recupera.

Imagen en Wikimedia Commonsde KES47 bajo Dominio Pblico Imagen modificada en Wikimedia Commonsde Gonn bajo CC

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