Principis Bàsics de les Reaccions Químiques i Bioreactors

1. Principis Bàsics de les Reaccions Químiques

Reacció química: Una reacció que passa de Reactius (R) a Productes (P).

Tipus de reaccions: Reacció de síntesi / Reacció de descomposició / Reacció de desplaçament / Reacció de doble descomposició o doble substitució / Reacció de combustió.

Estequiometria: Proporcions dels reactius i productes que participen en una reacció química.

Reactiu Limitant: El reactiu limitant determinarà la quantitat màxima de productes que es podran obtenir.

Reaccions incompletes per: Condicions inadequades de pressió i temperatura / Absència de catalitzador o error en la seva elecció / Naturalesa reversible de la reacció química / Absència de relació estequiomètrica dels reactius.

Rendiment: % = (massa real / massa teòrica) x 100

2. Termoquímica i Cinètica Química

Balanç energètic: Termodinàmica. L'energia d'una reacció pot ser: Llum o Calor

Reacció Exotèrmica: Allibera energia / Reacció Endotèrmica: Absorbeix energia

ΔH 0 → POSITIU ENDOTÈRMIC

Llei de Hess: 1a llei: El valor de ΔH per 1 reacció és el mateix independentment de que la reacció es doni en un o diversos passos. / 2a llei: El valor d'entalpia de la reacció és directament proporcional a la quantitat de reactiu o producte / 3a llei: Els valors de variació d'entalpia per a dues reaccions inverses són iguals en magnitud però de signe oposat.

Cinètica química: És l'estudi de la velocitat d'una reacció química. (aA + bB → cC + dD)

Energia d'activació: L'energia d'activació és la mínima que es requereix perquè es pugui produir la reacció química. Menys energia d'activació, més ràpid es dóna la reacció química.

Factors que influeixen en la velocitat de reacció: Estat físic dels reactius i nivell de compactació: L'estat físic influeix en les reaccions, l'estat de gas o dissolució ajuda a que la reacció sigui més ràpida. / Concentració dels reactius: A més [ ] → més velocitat → ja que incrementa els xocs entre ells. (teoria de col·lisions) / Pressió: Un increment de la pressió → disminueix espai → més xocs entre molècules. / Temperatura: Més temperatura → més moviment de les molècules → més arribaran a l'energia d'activació. / Presència de catalitzadors: acceleren o indueixen que es produeixi la reacció.

E / temps

3. Catalitzadors

Introducció: Els catalitzadors són substàncies que s'afegeixen a una reacció química per modificar la velocitat i tenir millor rendiment. Tenim diferents funcions de catalitzadors: Més ràpida → La majoria de RQ volen anar més ràpid per tenir millor rendiment. / Més lent → Si volem ralentitzar una reacció perillosa.

No reaccionen químicament amb els productes: Un catalitzador no es consumeix ja que no reacciona en la reacció. Al final de la reacció es troba en la mateixa condició que inicialment.

Modifiquen la cinètica: Tipus: Catalitzador positiu → Baixar E d'activació, per anar més ràpid / Catalitzadors negatius → Puja E d'activació, per anar més lent.

CAT+ / CAT- / CAT NEUTRE / CATALITZADOR RX

Especificitat: No existeix un catalitzador per totes les reaccions: Específics per un conjunt de reaccions de mateixa naturalesa / Específics per tipus de grup funcional / Específics per la formació d'isòmer òptic o estructural / Específic per una única reacció

Vida útil: Tenen una vida útil limitada encara que no reaccionen en la reacció → després s'han de regenerar o substituir.

Quantitat: TON: Quantitat de catalitzador per catalitzar els productes. ((TON) = mol producte / mols catalitzador) / TOF: El que triga el catalitzador a catalitzar els productes. ((TOF) = TON x temps)

Poc temps i TON alt = catalitza molta quantitat en poc temps → RX MOLT EFICIENT I MOLT RENDIMENT

Estat físic: En funció de si l'estat físic del catalitzador coincideix amb l'estat dels reactius tenim la següent classificació: Homogeneïtat: Productes i catalitzadors (L - L) i Heterogeneïtat: Productes i catalitzadors es troben en diferent fase (S - L).

Avantatges: Homogeneïtat: Més eficàç / Treballen a pressió i temperatura més suaus / Més econòmics. Heterogeneïtat: El catalitzador es pot separar fàcilment. / Els catalitzadors són més estables tèrmicament. / Facilita la preparació de catalitzadors / Són més fàcils de regenerar.

Inconvenients: Homogeneïtat: Difícils de separar catalitzadors i producte → se poden separar per destil·lació. / Heterogeneïtat: El contacte entre els productes i catalitzadors és més difícil i són més cars.

Catalitzadors mixtes: Són catalitzadors de 2 o més compostos → són útils perquè poden combinar les propietats catalítiques de diversos components per millorar l'eficiència i la selectivitat de la reacció.

Els catalitzadors mixtes tenen avantatges en comparació amb els únics: Una major estabilitat tèrmica i química / Activitat catalítica més alta / Millor selectivitat / Menys efectes secundaris.

Catàlisi heterogènia: Mateix estat físic de catalitzadors i reactius (G - G / L - L) La cinètica d'una reacció de catàlisi heterogènia s'estudia en 5 etapes: Difusió dels reactius a la superfície del catalitzador. / Adsorció dels reactius / Reacció (la més lenta) / Desadsorció dels productes / Difusió dels productes cap a la fase líquida (fora del catalitzador).

Centres actius: CATALITZADORS SÒLIDS: El punt d'unió entre el catalitzador i el reactiu. / Un cop allibera fa la seva funció el catalitzador, recupera l'estabilitat inicial. / Quantes més reaccions fa un catalitzador en un curt temps (s'ajunta i se separa de centres actius) → millor és l'eficàcia. Més superfície → Més catàlisi i més eficàcia / Per tenir més superfície hem d'augmentar la seva porositat.

1. Catalitzadors no suportats: Tenen una bona porositat per si mateixos, per tant, una bona superfície, ex: Zeolites.

2. Catalitzadors suportats: Ajudats per altra substància per tenir més porositat.

Aquests tipus de catalitzadors estan constituïts per: Fase activa: Zona on es troba el centre actiu / Suport: Material i peces amb elevada superfície que li donen estabilitat a la fase activa. Bona estabilitat tèrmica i inerts / Promotor: Additiu que s'afegeix al suport per millorar la selectivitat. (Suport + catalitzador suportant → Més eficàcia)

Regeneració de catalitzadors: Recuperar les característiques originals del catalitzador → Recuperar l'activitat i selectivitat inicial.

1. Poisoning: enverinament: Quan una substància que no és el catalitzador crea un enllaç irreversible fortament al centre actiu. Es podria regenerar fent una hidrogenació. / 2. Fouling: embrutiment: Substàncies que tapen la superfície dels centres actius. Es poden eliminar per combustió a temperatures de quasi 500ºC. / 3. Aging: envelliment: Degradació de l'estructura del catalitzador que impedeix l'accés del reactiu als centres actius. La regeneració no és possible. / 4. Sintering: sinterització: Centres actius s'ajunten entre ells, reduint l'àrea superficial del catalitzador on tenen lloc les reaccions catalítiques. La regeneració no és possible. / 5. Volatilizations: volatilització: Compost volàtil que s'emporta el centre actiu i el perd. Només se pot substituir.

4. Reactors i Bioreactors

Introducció: Un reactor químic és un equip industrial dins del qual es porta a terme una reacció química per obtenir un producte determinat a partir d'uns reactius específics.

En el disseny i control dels reactors químics s'han de tenir en compte els següents factors: - 1 Estat físic dels reactius i dels productes: Condiciona la facilitat de barrejat íntim entre els reactius. (Productes → diferents estats → facilita separació) / - 2 Estequiometria: S'ha de tenir present quin és el reactiu limitant per determinar quin és el cabal d'entrada al reactor. / - 3 Equilibri químic: Els factors que modifiquen l'equilibri químic de la reacció: temperatura, pressió, concentració o volum. / - 4 Canvis energètics: Tenir en compte si hi ha alliberació o absorció de calor al produir-se la reacció. / - 5 Cinètica química: Informa del temps de residència de les substàncies reactives en el reactor i de la necessitat d'utilitzar algun tipus de catalitzador. Factors que influeixen en la velocitat de les reaccions: temperatura / Pressió / Concentració / Catalitzadors / Barreja homogènia o heterogènia.

Classificació dels reactors: Característiques d'un reactor per optimitzar el rendiment d'una reacció: Aconseguir una mescla independentment del seu estat / Garantir el temps de contacte suficient entre els reactius / Proporcionar l'escalfament o la refrigeració perquè la reacció es produeixi a la velocitat planificada.

Criteris de CLASSIFICACIÓ: CLASSIFICACIÓ DELS REACTORS (criteris de classificació) ------>Reactors homogènics i heterogènics (Nombre de fases) / Reactius discontinus, continus i semicontinus (Règim de circulació) / Reactors adiabàtics, isotèrmics i no adiabàtic-no isotèrmic (Règim tèrmic) / Reactor tipus tanc, tubular, multitubular i llit fluiditzat. (Factor del reactor)

Segons el nombre de fases: Reactors homogènics: substàncies que es troben en la mateixa fase. / Reactors heterogènics: substàncies en fases diferents.

Segons el règim de circulació: Reactors continus: flux sense interrupcions. / Reactors discontinus: regeneració de procés quan s'ha finalitzat la reacció. / Reactors semicontinus: hi ha entrada d'un reactiu de manera discontinua i d'un altre reactiu de manera contínua al llarg de la reacció.

Segons el règim tèrmic: Reactor adiabàtic: sense intercanvi de calor entre l'interior i l'exterior del reactor. A mesura que avança la reacció ho fa amb la temperatura. / Reactor isotèrmic: hi ha equips de refrigeració o calefacció que ajuden a mantenir la temperatura de dins del reactor estable. / Reactor no adiabàtic - no isotèrmic: hi ha intercanvi de calor amb l'entorn, però no es manté la temperatura estable al llarg de tota la reacció.

Segons la forma del reactor: Reactors tipus tanc: Acompanyats de sistemes d'agitació que ajuden a homogeneïtzar la barreja. Pot ser Continu / Discontinu i Semicontinu. / Reactor tubular: Tub de diàmetre més petit que la seva longitud. Hi ha un flux continu d'entrada i de sortida. Són molt utilitzats quan es necessita la presència d'un catalitzador sòlid. / Reactors multitubulars: compostos per més d'un reactor tubular, normalment els tubs estan farcits de catalitzador. / Reactor de llit fix: reactors plens de farciment o de catalitzador per augmentar la superfície de contacte. / Reactor de bombolleig: circulació a contracorrent d'un líquid i d'un gas. La reacció té lloc durant el desplaçament del gas dividit en fines bombolles dins el líquid. / Reactor de llit fluiditzat (slurry): el catalitzador es troba en forma de pols a l'interior del reactor i el gas l'atravessa perquè es produeixi la reacció.

Operativa estàndard del procés: 1. Verificar l'estat del reactor: Abans d'iniciar l'operació del reactor, cal verificar que estigui en bon estat i que tots els components siguin segurs i estiguin en el lloc adequat. / 2. Configurar el sistema: Configura el sistema d'alimentació dels reactius i l'eliminació dels residus de manera que el flux de materials sigui adequat per al procés. / 3. Preparar els reactius: Prepara els reactius necessaris per al procés i mesura les quantitats exactes requerides. / 4. Carregar els reactius: Afegir els reactius al reactor segons les instruccions i les mesures de seguretat necessàries. / 5. Controlar les condicions: Controla les condicions del reactor, com la temperatura, la pressió i el pH. / 6. Monitoritzar el procés: Monitoritza el procés per assegurar-te que es produeix correctament. / 7. Realitzar les operacions de neteja: Realitza les operacions de neteja necessàries per netejar el reactor i els sistemes relacionats per poder passar al següent lot. / 8. Apagar el reactor: Quan s'ha completat el procés, s'apaga el reactor de manera segura i completa totes les tasques necessàries per garantir la seguretat i la neteja del sistema.

Bioreactors: Els bioreactors són reactors als quals es produeix una reacció per part d'algun organisme viu (microorganisme) o d'alguna substància d'activitat biològica (enzim). S'utilitzen molt en la indústria farmacèutica, ja que permeten el creixement de microorganismes per obtenir productes biològics de valor terapèutic.
1. Producció de proteïnes recombinants: Aquestes proteïnes són produïdes mitjançant modificacions genètiques i són utilitzades per al tractament de malalties com el càncer, la diabetis i l'artritis. / 2. Producció d'anticossos monoclonals: Aquests són anticossos que són produïts per cèl·lules híbrides d'animals i humans, coneguts com a hibridomes, i són utilitzats per al tractament de malalties autoimmunitàries, el càncer i altres malalties. / 3. Cultiu de cèl·lules: Els bioreactors també es poden utilitzar per al cultiu de cèl·lules per a la producció de vacunes i altres productes biològics. / 4. Producció de medicaments: Els bioreactors són utilitzats per a la producció de molts medicaments biotecnològics, incloent insulina, interferó i eritropoetina. / 5. Producció de vacunes: Les vacunes també poden ser produïdes en bioreactors, ja que el procés de fabricació implica el cultiu de virus o bacteris que han estat atenuats o inactivats.

Usos a la indústria alimentària: Fermentació de begudes alcohòliques / Llevadures en l'elaboració de pans / Elaboració de iogurts i altres làctics / Obtenció de fruites sense llavors (síndria, raïm...) / Altres: biocombustibles com bioetanol.

Processos biotecnològics: Dins la gran varietat de processos biotecnològics existents, es poden destacar els que hi ha a continuació: - Processos fermentatius: Processos d'oxidació de microorganismes. Produeix molècules orgàniques de menor mida i més senzilles / - Tecnologia enzimàtica: Processos que es donen per la participació d'alguns enzims. / - Cultiu de cèl·lules vegetals: Processos per cultivar cèl·lules i obtenir teixits vegetals, òrgans o plantes senceres. / - Cultiu de cèl·lules animals: Procés complex de la síntesi de proteïnes.

Reactors amb microorganismes: En els reactors biològics (amb creixement de microorganismes) s'haurà de tenir en compte les variables causades pel creixement del propi microorganisme. EXISTEIXEN 4 fases del creixement microbià: Latència → Exponencial → Estància → Mort.

La creació de microorganismes es dóna en els bioreactors i dependrà de diversos factors:

1. Substrat: El substrat és aliment (matèria consumida) pels microorganismes per obtenir els productes de la reacció. La velocitat de la reacció i la quantitat de biomassa creada dependrà de la quantitat de substrat present. Actua com a reactiu limitant.

2. Temperatura: S'haurà de regular el bioreactor segons l'interval de temperatura òptim per al creixement de cada tipus de microorganisme. L'òptima és de 38 ºC.

3. Airejació: És el procés utilitzat per dissoldre un gas a l'interior d'un líquid. En aquest cas s'haurà de controlar segons les necessitats que presenta cada tipus de microorganisme. Aerobis obligats: aire / Aerobis facultatius: sense aire / Microaeròfils: poc aire / Anaerobis: no el toleren.

4. pH: Cada tipus de microorganisme treballa a unes condicions de pH òptimes. Bacteris: pH 6 - 7 / Llevats: pH 4 i 5.

Reactors enzimàtics:

Els enzims són catalitzadors biològics. Són proteïnes → produïdes per les cèl·lules → funció catalitzadora.

1: Oxireductases: Catalitzen reaccions d'oxidació-reducció / 2: Transferases: Catalitzen reaccions de transferència de grups funcionals. / 3: Hidrolases: Catalitzen reaccions d'hidrolisi / 4: Liases: Catalitzen reaccions d'addició a dobles enllaços. / 5: Isomerases: Catalitzen reaccions d'isomerització / 6: Ligases: Catalitzen reaccions en les que es formen enllaços, a les que hi ha acoblats una transformació d'una substància amb un elevat consum energètic, com ATP o nucleòtids.

L'activitat enzimàtica → s'hauran de contemplar en el disseny i control d'aquest tipus de bioreactors:

Presència d'activadors: Els activadors són compostos que augmenten la velocitat d'una reacció enzimàtica, poden unir-se a l'enzim i augmentar la seva capacitat per catalitzar la reacció. Es pot aconseguir augmentant la concentració del substrat o disminuint la concentració de productes que actuen com a inhibidors.

Presència d'inhibidors: Els inhibidors són compostos que disminueixen la velocitat d'una reacció enzimàtica. Això pot succeir perquè l'inhibidor s'uneix a l'enzim i interfereix amb la seva capacitat per catalitzar la reacció, o bé perquè l'inhibidor s'uneix al substrat i impedeix que l'enzim el reconegui i el converteixi en producte.

Temperatura: La temperatura afecta l'activitat enzimàtica en un bioreactor. La temperatura òptima per a una activitat enzimàtica eficient està entre 35-40 ºC per als enzims més comuns.

pH: En aquest text s'explica com el pH influeix en l'activitat enzimàtica. Els enzims tenen un rang de pH òptim per a la seva activitat, generalment entre 6-8. Fora d'aquest rang, la velocitat de la reacció disminueix dràsticament. Es pot controlar el pH del bioreactor afegint àcid o base per mantenir-lo dins del rang adequat.

Agitació: L'agitació és un factor clau en les reaccions enzimàtiques amb diversos efectes importants: Distribució uniforme dels reactius. / Transferència de massa. / Oxigenació. / Remoció de productes i metabòlits.

Immobilització enzimàtica: L'immobilització enzimàtica és una tècnica que fixa els enzims a una matriu sòlida perquè no es dissolguin en la solució del bioreactor i es puguin reutilitzar. Aquesta tècnica millora l'eficiència de les reaccions enzimàtiques en el bioreactor i té diversos efectes positius: Estabilitat enzimàtica: / Control de la concentració d'enzim: / Reutilització dels enzims: / Fàcil separació de l'enzim i el producte.

Oxigen: molts enzims requereixen oxigen per a la seva activitat. És important mantenir una concentració adequada d'oxigen en el bioreactor per garantir l'activitat enzimàtica òptima.

Tipus de bioreactors: Bioreactors de llit fixe: Alta concentració d'enzims/microorganismes / Alta producció.
Bioreactors de membrana: Els microorganismes es troben atrapats en una membrana polimèrica. / Són molt utilitzats en la depuració d'aigües. / Risc de taponament de la membrana per embrutiment ja que treballa en continu durant llargs períodes.

Air-lift: El air-lift és un tipus de reactor que fa circular el líquid utilitzant gas que es fa passar per algunes parts del reactor. És eficient per mesclar bé els microorganismes amb el substrat i és fàcil de netejar i esterilitzar ja que no té parts mòbils. El reactor està dividit en zones en funció de la circulació del gas: les zones amb gas pugen i les zones sense gas baixen.

Bioreactors de llit fluiditzat: Els bioreactors de llit fluiditzat són una tecnologia que s'utilitza per tractar aigües residuals. Aquest sistema consisteix a suportar els microorganismes en petites partícules que són agitades per un flux d'aigua que circula a través d'elles. Això permet que els microorganismes estiguin en contacte directe amb els contaminants i els puguin degradar. A més, aquest sistema té un bon control del flux d'aigua per evitar danyar els microorganismes i es pot utilitzar en una àmplia gamma de contaminants.