Vector 5 (2010) 115 - 121 ISSN 1909 - 7891 Optimización de la hidrólisis enzimática de lactosa en reactores de tanque agitado Carlos Ariel Cardonaa*, Catalina Álvareza, Juan Jacobo Jaramilloa a Departamento de Ingeniería Química, Universidad Nacional de Colombia, Sede Manizales, Cra. 27 No. 64-60, Manizales, Colombia Recibido: 14 de junio de 2011. Aprobado: 12 de junio de 2012 Resumen En el presente trabajo se analiza la optimización de una batería de reactores de tanque agitado CSTR (del inglés continuous stirred tank reactors) para la hidrolisis enzimática de la lactosa, y la comparación con un reactor de flujo pistón PFR (del inglés plug flow reactor). Se utilizó el software comercial MATLAB R2008B para resolver los balances de materia en los reactores teniendo en cuenta la influencia de la temperatura, la concentración inicial de sustrato, la cantidad de enzima y la conversión. Adicionalmente se realizó el análisis del tiempo de residencia sobre la productividad del proceso. Se encontró que una batería de tan solo 5 CSTR alcanza conversiones de alrededor de 98% a un volumen de reacción menor al modelo de flujo pistón mejorando la operación y visualizando posibles arreglos para este proceso. Palabras clave: Lactosa, hidrólisis, CSTR, PFR, optimización. Optimization of lactose enzymatic hydrolysis in stirred tank reactors Abstract In this paper the optimization of a stirred tank battery of reactors CSTR (Continuous stirred tank reactors) for enzymatic hydrolysis of lactose, and the comparison with a plug flow reactor PFR are analyzed,. The commercial software MATLAB R2008B was used to solve the material balances in the reactors, taking into consideration temperature influence, initial concentration of the substrate, the amount of enzyme and conversion. Further analysis was conducted for the residence time on the productivity of the process. It was found that a battery of only 5 CSTR reaches a conversion of around 98% with a lower volume of reaction to the plug flow model, improving the operation and visualizing possible arrangements for this process. Key words: Lactose, hydrolysis, CSTR, PFR, optimization. 1. Introducción La lactosa o azúcar de la leche es el principal carbohidrato de ésta, en la que se encuentra en concentraciones próximas al 5%. La hidrólisis de lactosa, para formar glucosa y galactosa, es una reacción interesante desde diversos puntos de vista (Venkatesh et al., 1993; Al-Muftah y Abu-Reesh, 2005). En primer lugar, la insuficiencia intestinal de lactasa, que padece un significativo porcentaje de la población, se traduce en una incapacidad para digerir la leche y/o productos lácteos, sufriendo trastornos gastrointestinales. Por otra parte, tecnológicamente, la lactosa es fácilmente cristalizable y poco soluble, lo que dificulta ciertos procesos en la industria láctea, evitándose estos problemas con la hidrólisis enzimática (Hobman, 1984; Mehaia et al., 1993; Shin et al., 1998). Por último, se debe tener en cuenta que la lactosa presente en el suero de la leche, como subproducto en la elaboración de quesos, genera un gran problema de contaminación ambiental por las grandes cantidades de lactosuero que son vertidos por industrias de este tipo, ya que la lactosa no es fácilmente biodegradable (Galan, 1999). * Autor de correspondencia. E-mail: ccardonaal@unal.edu.co (C. Cardona) Vector, 5 (2010) xx - xx Carlos Ariel Cardona et al. / Vector 5 (2010) 115-121 Figura 1. Reacción de hidrólisis de la lactosa. Diferentes esquemas tecnológicos se usan para la hidrólisis de lactosa en la industria con enzimas tales como lactasas libres o inmovilizadas en reactores de flujo pistón o de tanque agitado. No obstante, se prefiere realizar el proceso siempre en un solo reactor sin analizar las posibilidades de configuraciones con baterías de reactores en serie o en paralelo. Diversos trabajos han analizado la optimización de reactores para reacciones enzimáticas (Luyben y Tramper, 1982; Santos et al., 1998; Shin et al., 1998; Genari et al., 2003). Sin embargo, no se hacen unos análisis de sensibilidad rigurosa ni se optimiza el número mínimo de reactores a utilizar. En este trabajo se hace este tipo de análisis para reactores CSTR en serie donde se realizan reacciones enzimáticas tomando como base la hidrólisis de lactosa y usando una cinética sencilla del tipo Michaelis-Menten con inhibición. (4) (5) (6) donde Vmax es la velocidad máxima de reacción [mol/ L*h], Km es la constante de Michaelis-Menten [mol/L], Ki es la constante de inhibición por producto [mol/L], S (lactosa [mol/L]) es la concentración de sustrato, y P (galactosa [mol/L]) es la concentración de producto. El balance en el reactor es: (7) 2. Modelamiento y simulación El mecanismo de reacción propuesto por Abuu-Reesh (2000), para la reacción de hidrólisis enzimática de la lactosa es del tipo Michaelis-Menten con inhibición competitiva del producto. El mecanismo de reacción es: (1) (2) La expresión de la velocidad de la reacción de hidrólisis es: (3) [ 116 ] donde τi es el tiempo de residencia en el reactor i, Vi es el volumen del reactor i. Combinando las ecuaciones (3) y (4) y obteniendo las variables en forma adimensional se tiene que: donde: (8) (9) Las concentraciones adimensionales por paso están dadas por: (10) Optimización de la hidrólisis enzimática de lactosa en reactores de tanque agitado donde N es el número de reactores. El tiempo de residencia adimensional por paso es: una conversión del 95% , con una concentración de lactosa 4,39% en peso, con una temperatura de 37 °C. 3. Resultados y discusión y el tiempo de residencia adimensional total óptimo está dado por: Al comparar los diferentes autores propuestos se puede ver que las condiciones planteadas por AbuuReesh (2000), se encuentran en los rangos propuestos en la literatura y que fueron comprobados a nivel de planta piloto por Xuemei et al. (2007), de esta manera se comprueba que los valores usados en la simulación son acordes. Se puede ver que el tiempo adimesional de un reactor CSTR para la hidrólisis enzimática es de 6,3477 min y para una batería de 5 reactores CSTR en serie es de 2,7945 min. En la Figura 2 se puede comprobar cómo la temperatura afecta el desempeño de una batería de reactores. A bajas temperaturas se tiene un mayor tiempo de residencia para cada uno de los casos, siendo el mayor un solo reactor y el menor el correspondiente al rector PFR, además es importante tener en cuenta que después de 40 ºC los tiempos de residencia tienden a ser los mismos, sin importar si es uno o 5 reactores en la batería, sabiendo que 40 ºC es la temperatura máxima de trabajo ya que por encima de 40 ºC la enzima empieza su proceso de desnaturalización. Finalmente, para realizar la comparación, la ecuación del tiempo de residencia adimensional es: Se utilizó el software comercial MatLab R.2008b para resolver el modelo a diferentes condiciones de operación. Las condiciones propuestas por AbuuReesh (2000), como temperatura de trabajo es 40 °C, concentración de lactosa 5% en peso, la concentración inicial de lactasa de cerca del 7 mg/l , y trabajando para alcanzar un 80% de conversión, realizando una comparación con Jurado (2002), donde igualmente la temperatura óptima la toman a 40 °C, la concentración de la enzima entre 0,1-7 g/l y la concentración de lactosa de 6% en peso y un estudio de planta piloto presentado por Xuemei et al. (2007), donde se alcanza Tabla 1 Conversión por paso en cada una de las baterías de reactores propuestas N 1 2 3 4 5 1 0,8 0,5528 0,4152 0,3313 0,2752 2 3 4 5 0,8 0,6580 0,5528 0,4747 0,8 0,7009 0,6193 0,8 0,7241 0,8 Tabla 2 Tiempo de residencia adimensional óptimo por reactor y total en la batería de CSTR’s θ 1 2 1 2 3 4 5 6,3477 1,8027 0,9847 0,6654 0,4990 1,9615 1,0743 0,7224 0,5384 3 1,1267 0,7606 0,5669 4 0,7861 0,5876 5 Θtotal 0,6026 6,3477 3,7642 3,1856 2,9345 2,7945 [ 117 ] Carlos Ariel Cardona et al. / Vector 5 (2010) 115-121 Figura 2. Influencia de la temperatura sobre la batería de CSTR para la hidrólisis de lactosa a Eo = 7 mg/L, So = 5%(wt.), X = 80%. Figura 3. Influencia de la concentración inicial de sustrato sobre la batería de CSTR para la hidrólisis de lactosa a Eo = 7 mg/L, T = 40 ºC, X = 80%. [ 118 ] Optimización de la hidrólisis enzimática de lactosa en reactores de tanque agitado Figura 4. Influencia de la cantidad inicial de enzima sobre la batería de CSTR para la hidrólisis de lactosa a T = 40 ºC, So = 5%(wt.), X = 80%. Figura 5. Influencia de la conversión sobre la batería de CSTR para la hidrólisis de lactosa a Eo = 7 mg/L, So = 5 wt%, T = 40 ºC. [ 119 ] Carlos Ariel Cardona et al. / Vector 5 (2010) 115-121 Figura 6. Productividad de las baterías de CSTR’s propuestas a T = 40 ºC, E0 = 7 mg/L, S0 = 5 wt%, X = 80%. La Figura 3 muestra el efecto de la concentración inicial de sustrato en el tiempo de residencia óptimo de cada una de las propuestas de baterías de CSTR, donde a mayor concentración inicial de sustrato y la misma conversión se tienen tiempos de residencia mayores, esto debido a los factores inhibitorios presentes en el mecanismo de reacción enzimático, evidenciando una inhibición por presencia de sustrato. La Figura 4 muestra que al aumentar la cantidad de enzima utilizada los tiempos de residencia son menores, debido a que existe menor competencia entre los productos por la enzima, disminuyendo así la inhibición de la reacción por productos. En la Figura 5 se observa cómo el tiempo de residencia no se ve significativamente afectado por la conversión final hasta el 80%; para obtener mayores conversiones se puede apreciar que el tiempo de residencia aumenta de acuerdo al número de reactores que posee la batería. La Figura 6 permite apreciar cómo la productividad de la reacción aumenta conforme aumenta la tasa de dilución, observándose que para los 5 casos de baterías propuestas se tienen casi las productividades, además cabe anotar que la productividad no tiene un máximo visible y por encima de una tasa de dilución superior a 20 min-1 se presenta un fenómeno de lavado, donde la enzima está completamente inhibida y la tasa de reacción es cero (Doran, 1995). [ 120 ] 4. Conclusiones Los reactores CSTR se utilizan a nivel continuo o discontinuo para reacciones enzimáticas con grandes volúmenes sin un estudio previo de las bondades de usar o distribuir el volumen de los diferentes reactores usados. Se ve claramente demostrado el gran desempeño de una batería de CSTR debido a la reducción en el volumen total de reacción del esquema en comparación a los de un reactor PFR. La reacción enzimática al seguir una cinética de tipo MichaelisMenten se ve influenciada claramente por la cantidad de sustrato inicial, evidenciando los posibles arreglos de reacción separación para aumentar la conversión y la productividad evitando la inhibición competitiva por producto tratada en este trabajo. La inmovilización localizada ofrece un panorama prometedor en una serie de reactores CSTR que industrialmente haría viable su aplicación como alternativa a un reactor tipo lecho empacado o PBR. Referencias Abuu-Reesh I.M. (2000). 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