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Bitecnologia-reacciones Homogeneas III
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BIOTECNOLOGÍA
INTEGRANTES:
ESTELA GUTIERREZ MILAGROS
MERCEDES
JERI AMAO LISSETTE VICTORIA
DOCENTE:
ING. DIAZ VISITACIÒN JUAN
Reacciones Homogéneas
CHICLAYO — 2012
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Las reacciones catalíticas son unas de las reacciones que presentan mayor interés en los
sistemas biológicos .Por definición, un catalizador es una sustancia que afecta a la
velocidad de reacción sin alterar el equilibrio y sin experimentar ella misma cambio
alguno. Enzimas, complejos de enzimas, órganos de células y células enteras (viables o
no viables, con crecimiento o sin crecimiento) actúan como catalizadores. Los
biocatalizadores pueden ser de origen microbiano, vegetal o animal. El crecimiento
celular es una reacción autocatalítica; es decir, el catalizador es un producto de la
reacción y el rendimiento del producto a partir de un sustrato. Estos parámetros deben
tenerse presentes en el diseño y operación de los reactores de bioprocesado.
En el análisis ingenieril de las reacciones catalíticas se diferencia entre reacciones
homogéneas y heterogéneas. Una reacción se dice que es homogénea cuando la
temperatura y todas las concentraciones del sistema son uniformes. La mayoría de las
fermentaciones y reacciones enzimáticas en recipientes mezclados son reacciones
homogéneas. Por el contrario, las reacciones heterogéneas se producen en presencia de
gradientes de concentración o de temperatura. El análisis de las reacciones
heterogéneas necesita la aplicación de los principios de transferencia de materia junto
con la teoría de la reacción.
Este trabajo cubre los aspectos básicos de la teoría de la reacción que nos permitirá
cuantificar la extensión y velocidad de las reacciones homogéneas, así como identificar
los factores más importantes que afectan a la velocidad de reacción.
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La teoría de la reacción presenta dos partes fundamentales: la termodinámica de la
reacción y la cinética de la reacción. La termodinámica de la reacción se refiere a cómo
de lejos puede llegar la reacción; es decir, la reacción no puede continuar más allá del
equilibrio químico, independientemente de la rápida que sea la reacción. Por otro lado,
la cinética de la reacción se refiere a la velocidad con que se produce la propia reacción.
I.-TERMODINÀMICA DE LAS REACCIONES
Considérese la reacción reversible representada por la siguiente ecuación:
A+bB ↔ yY +zZ …(1)
A, B, Y y Z son especies químicas y b, y y z son coeficientes estiquiomètricos. Si se
introducen los componentes en un sistema cerrado durante un periodo infinito de
tiempo, la reacción procede hasta alcanzar el equilibrio termodinámico. En el equilibrio
no existe fuerza impulsora alguna para un cambio posterior. En este punto la reacción
ha alcanzado el límite de su capacidad para su transformación química en un sistema
cerrado. La composición de la mezcla en equilibrio viene determinada exclusivamente
por las propiedades termodinámicas de los reactantes y de los productos y es
independiente del camino utilizado para llegar a tal situación. Las concentraciones de
equilibrio están relacionadas mediante la constante de equilibrio .Para la reacción de la
ecuación (1):
K=CY
y∗CZz
C A∗CBb …(2)
Donde Ci concentración de equilibrio de A, B, Y y Z respectivamente. El valor de K de
la temperatura de la siguiente manera:
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ln K=−∆ Grxn
°
RT…(3)
Donde ∆ Grxn° es la variación de la energía libre estándar por mol de A reaccionado R, la
constante de los gases ideales y T la temperatura absoluta. Sin embargo, para las
reacciones bioquímicas que se producen en disolución deben utilizarse otras
condiciones estándar. ∆ Grxn° Es igual a la diferencia de energía libre estándar de
formación, Gº, entre productos y reactantes:
∆ Grxn° = yGY
° +zGZ° −GA
° −b GB° … (4)
La energía libre G está relacionada con la entalpia H, la entropía S y la temperatura
absoluta T de la siguiente manera:
∆ G=∆ H−T ∆ S …(5)
Por lo tanto, de la ecuación (3):
lnK=−∆ H rxn
°
RT+
∆ Srxn°
R…(6)
Entonces para las reacciones exotérmicas, con −∆ H rxn° negativo, K disminuye conforme
aumenta la temperatura. Para las reacciones endotérmicas, con ∆ H rxn° positivo, K
aumenta conforme aumenta la temperatura.
Ejemplo 1.1 Efecto de la temperatura en la isomerización de la glucosa
La glucosa isomerasa se utiliza ampliamente en Estados Unidos para la producción de
jarabe de fructosa concentrado. La reacción es:
glucosa↔ fructosa
Para esta reacción ∆ H rxn° = 5.73 kJ mol-1 y ∆ Srxn
° = 0.0176 kJ mol-1 K-1
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a) Calcular las constantes de equilibrio a 50ºC y 75ºC.
b) Una compañía desea desarrollar una mezcla más dulce de azucares, es decir, con
mayor concentración de fructosa. Considerando únicamente el equilibrio, ¿sería mejor
realizar la reacción a 50ºC o 75ºC?
Solución:
a) Convirtiendo las temperaturas a grados Kelvin(K):
T = 50ºC =323.15 ºK
T= 75ºC = 348.15 ºK
De la tabla 2.5, R =8.3144 J mol-1 K-1= 8.3144×10-3 kJ mol-1 K-1.Utilizando la
ecuación (6):
ln (50 ºC)= −5.73 kJ mol−1
(8.3144 × 10−3 kJ mol−1 K−1 ) (323.15 K )+ 0.0176 kJ mol−1 K−1
8.3144 ×10−3 kJ mol−1 K−1
K (50 ºC )=0.98
De igual manera, para T= 75ºC:
lnK (75 ºC )= −5.73 kJ mol−1
(8.3144 ×10−3 kJ mol−1 K−1 ) (348.15 K )+ 0.0176 kJ mol−1 K−1
8.3144 ×10−3 kJ mol−1 K−1
K (75 ºC )=1.15
b) Cuando aumenta la fracción de fructosa en la mezcla de equilibrio. Por lo tanto,
desde en el punto de vista termodinámico es mejor que el reactor opere a 75 ºC.
Sin embargo, también deberían considerarse otros factores como, por ejemplo, la
desactivación enzimática que se produce a elevadas temperaturas.
ΔHºrxn
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ΔGºrxn
ΔSºrxn
II.-RENDIMIENTO DE LA REACCIÒN
La extensión en que los reactantes se convierten en productos se denomina rendimiento
de la reacción. Generalmente, rendimiento es la cantidad de producto formado o
acumulado por cantidad de reactante suministrado o consumido. Cuando reactantes o
productos se ven involucrados en reacciones diferentes, el rendimiento observado puede
ser diferente del rendimiento teórico.
El análisis anterior nos conduce a las dos definiciones más útiles de rendimiento para
los sistemas de reacción