Catálisis enzimática en un reactor continuo de tanque agitado

Existen muchas configuraciones de reactores continuos de tanque agitado que utilizan enzimas en una u ocasionalmente, varias reacciones. Por lo general, el costo elevado de la preparación de enzimas impide su adición continua a la alimentación del reactor. Con base en lo anterior, la enzima debe retenerse dentro del reactor, ya sea evitando su remoción con el uso de una membrana de ultrafiltración a la salida del recipiente, o por medio de la inmovilización de la enzima sobre soportes, los cuales se mantienen dentro del reactor por medio de una película a la salida del mismo. Si las cinéticas de la reacción que está siendo catalizada son lo suficientemente lentas, la recirculación a velocidad elevada de la fase líquida, a través de un reactor enzimático de lecho empacado, se aproximará al comportamiento de un reactor continuo de tanque agitado. Algunos ejemplos de reactores continuos de tanque agitado para reacciones catalizadas por enzimas se presentan en la figura 1.

Figura 1. Algunos métodos para retener enzimas en un reactor continuo de tanque agitado: A) Enzima inmovilizada en forma de esferas, cuya salida del reactor se previene por medio de una pantalla en la línea de salida; B) Retención por medio de un ultrafiltro; C) Una recirculación rápida a través de un reactor de lecho empacado, produce un comportamiento cinético aproximado al de un reactor continuo de tanque agitado

El análisis de las reacciones catalizadas por enzimas en reactores continuos de tanque agitado es un poco más sencillo que el del crecimiento microbial y la formación de producto. Considérese una reacción que involucra enzimas solubles que se ajustan a la cinética de Michaelis – Menten, con una estequiometría global de una mol de producto formado por mol de sustrato reaccionante (S ® P ).

Los balances de sustrato y de producto en estado estacionario, para esta situación son:

1.

2.

Estas ecuaciones se pueden resolver para las concentraciones de sustrato de estado estacionario como una función de la velocidad de dilución. Luego se puede determinar la conversión.

3.

Una aproximación más simple para el diseño del reactor es especificar una conversión fraccional deseada de sustrato.

de donde:

4.

Con este valor de c_S , se puede resolver la ecuación 1 para el tiempo de residencia (1/D) necesario para la conversión correspondiente.

5.

Se pueden utilizar otras expresiones para r(c_S, c_P) dentro de la ecuación 1 y emplear la misma aproximación utilizada para encontrar el tiempo de residencia correspondiente a un grado específico de conversión de sustrato. La tabla 1 presenta las soluciones para algunas formas comunes de cinéticas enzimáticas.

Tabla 1. Formas cinéticas y sus correspondientes tiempos de residencia, para grados específicos de conversión de sustrato [d =(c_S0 - c_S)/c_S0]

Expresión de velocidad r(cS , cP)	Tiempo de residencia (1/D) necesario para alcanzar un grado específico de conversión, d
Michaelis – Menten
Inhibición por sustrato