Un reactor con depósito agitado continuo (CSTR) es un recipiente de reacción en el que distintos reactivos, reactantes y disolventes fluyen hacia el reactor al mismo tiempo que los productos de esa reacción salen del recipiente. Por esta razón, se considera que los reactores con depósito son una valiosa herramienta para el procesamiento continuo de químicos.
Los reactores CSTR son conocidos por su mezcla eficaz y su funcionamiento estable y uniforme en condiciones estacionarias. Normalmente, la composición del producto que se obtiene es la misma que la del material que se encuentra en el reactor, lo cual depende del tiempo de estancia y de la tasa de reacción.
En situaciones en las que una reacción es demasiado lenta, cuando dos líquidos inmiscibles o viscosos requieren una velocidad de agitación alta, o cuando se desea un comportamiento de flujo conectado, se pueden conectar varios reactores para formar una cascada de CSTR.
Un CSTR proporciona una retromezcla ideal, que es exactamente lo contrario que un reactor de flujo conectado (PFR).
A grandes rasgos, los reactores se pueden clasificar en los siguientes grupos: continuos (figura 1) y discontinuos (figura 2). Los CSTR suelen ser de menor tamaño y permiten la adición perfecta de reactantes y reactivos, mientras que el producto puede fluir de forma continua sin interrupciones.
Por el contrario, un reactor discontinuo es un reactor químico que implica la adición de una cantidad fija de reactantes al recipiente del reactor, seguida del proceso de reacción hasta que se obtiene el producto deseado. A diferencia de un reactor continuo, los reactantes no se añaden de forma continua y los productos no se eliminan de esa misma forma. Además, en los reactores discontinuos la mezcla no es tan uniforme y las condiciones de temperatura y presión pueden variar durante la reacción.
Los CSTR tienen la capacidad única de manejar mayores concentraciones de reactante, así como la posibilidad de obtener reacciones con más carga de energía debido a las propiedades superiores de transferencia del calor en comparación con los reactores discontinuos. Por esta razón, los reactores CSTR se consideran una herramienta ideal para la química de flujo.
Los reactores con depósito agitado continuo (CSTR) constan de:
Los CSTR se suelen emplear más a menudo para tareas de procesamiento industrial, principalmente, para reacciones homogéneas de flujo en fase líquida en las que se requiere una agitación constante. Sin embargo, también se usan en la industria farmacéutica y en procesos biológicos como el cultivo de células o con fermentadores.
Estos reactores se pueden usar de forma independiente (figura 1) o formando una cascada (figura 3).
En química de flujo continuo, se emplean tanto reactores CSTR (figura 1) como PFR (figura 4). Los CSTR y los PFR pueden funcionar como sistemas de reacción independientes o combinarse para formar parte de un proceso de flujo continuo. Mientras que la mezcla desempeña un papel esencial en los CSTR, los PFR son reactores tubulares donde varios pistones en movimiento contienen el paso de los reactivos y los reactantes, y hacen las veces de minireactores discontinuos individuales. Cada pistón de un PFR alberga una composición ligeramente distinta y mezcla solo el contenido de su interior, sin afectar al que se encuentra en los pistones situados antes o después de él. Dentro de un CSTR con una mezcla perfecta, la composición del producto es la misma en todo el recipiente, mientras que en un PFR, esta varía según su posición dentro del reactor tubular. Cada uno de estos tipos de reactor tiene sus propias ventajas e inconvenientes en comparación con los demás.
Aunque un CSTR puede producir cantidades sustanciales de producto por unidad de tiempo y puede funcionar durante periodos prolongados, puede que no sea la mejor opción para reacciones con cinética lenta. En tales casos, los reactores discontinuos suelen ser la opción preferida para la síntesis.
Los reactores de flujo conectado suelen ser más eficientes en cuanto a espacio y tienen mayores tasas de conversión que otros tipos de reactores. Sin embargo, no son adecuados para reacciones muy exotérmicas porque puede resultar difícil controlar los aumentos repentinos de temperatura. Además, los PFR suelen conllevar mayores costes de funcionamiento y mantenimiento que los CSTR.
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La distribución del tiempo de estancia (RTD) describe el tiempo que un componente de fluido permanece en un sistema o reactor. El tiempo de estancia de CSTR se refiere al tiempo que los reactantes pasan en el reactor antes de salir de él.
Comprender la distribución del tiempo de estancia de un CSTR es fundamental para diseñar y optimizar reactores para reacciones químicas. Ayuda a evaluar la eficiencia del reactor y la duración necesaria para lograr una reacción completa. Esta falta de resultados ideales puede tener varias causas: que el recipiente se haya empleado para reciclar algún fluido, que un fluido haya canalizado a través de él o que el recipiente presente regiones estacionarias o no lo suficientemente mezcladas. Para actuar frente a esto, se recurre a una función de probabilidad de distribución, la RTD, que señala el tiempo que cualquier porción finita de fluido reside en el reactor. Esto ayuda a determinar las características de mezcla y flujo del reactor, y permite comparar el comportamiento de este reactor con el de otros modelos ideales. Por ejemplo, una formación de CSTR en cascada, donde el número de reactores es mayor, muestra un tiempo de estancia más limitado y la resolución de la reacción.
La distribución del tiempo de estancia de un fluido dentro de un recipiente se puede determinar experimentalmente al añadir una sustancia de marcado no reactiva en la vía de entrada del sistema. La concentración del marcador varía según una función conocida y, para valorar las condiciones de flujo generales del recipiente, se hace un seguimiento de esta concentración en el efluente del recipiente.
La química ecológica y sostenible es una tendencia creciente en las industrias farmacéutica y de productos químicos puros. Este enfoque de la química pretende minimizar el impacto medioambiental de los procesos químicos mediante la reducción de los desperdicios y el consumo de energía, el uso de recursos renovables y el diseño de procesos que sean seguros y eficientes.
Mediante el uso de software de modelado, los científicos e ingenieros pueden predecir cómo se comportarán las reacciones químicas en distintas condiciones, optimizar las condiciones de reacción para reducir los desperdicios y el consumo de energía, y diseñar procesos más seguros y eficientes. Por ejemplo, se pueden realizar rápidamente evaluaciones de química de lotes frente a química de flujo o determinar el tamaño de los CSTR para obtener el mejor rendimiento. Los procesos continuos pueden ser más sostenibles que los procesos por lotes, por motivos como el menor volumen, el menor uso de disolventes y la reducción de los ciclos de limpieza.
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Los reactores químicos automatizados de laboratorio pueden pasar rápidamente de un funcionamiento discontinuo al propio de un reactor CSTR.
La tecnología analítica de procesos es una herramienta imprescindible para supervisar y controlar correctamente el estado constante.
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ReactIR controla la concentración de diazocetona y se emplea para determinar la RTD
Los autores anuncian el desarrollo de un generador de diazometano compuesto por una cascada de CSTR con tecnología de separación interna mediante membranas. Esta tecnología se usó en la síntesis telescópica de tres pasos de una cetona quiral de α-cloro, un compuesto intermedio importante en la síntesis de inhibidores de la VIH proteasa. En primer lugar, se empleó un reactor de bobina para generar una mezcla de anhídrido que se transfirió a la cascada de CSTR de diazometano. La membrana de teflón hizo posible la difusión del diazometano en el CSTR, donde reacción con el anhídrido para formar la diazocetona correspondiente. Después, esa diazocetona se transformó en α-clorocetona al reaccionar con HCI en un reactor discontinuo.
Las mediciones de ReactIR se emplearon para supervisar el proceso de formación del compuesto de diazocetona intermedio (seguimiento de 2107 cm-1 pico) y para determinar experimentalmente la distribución del tiempo de estancia en el sistema mediante un seguimiento de la sustancia de marcado. El experimento con marcador controlado por ReactIR determinó que cinco volúmenes del segundo reactor CSTR de la cascada necesitaban alcanzar un estado constante, es decir, seis horas de puesta en marcha.
Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D. y Kappe, C. O. (2019). Design and Optimization of a Continuous Stirred Tank Reactor Cascade for Membrane-Based Diazomethane Production: Synthesis of α-Chloroketones. Organic Process Research & Development, 23(7), 1359-1368. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00115
Uso de OptiMax como recipiente de reacción MSMPR en la cristalización continua
Los autores anuncian el desarrollo de un sistema que permite realizar un acoplamiento de Suzuki intermitente y de líquido a líquido totalmente automatizado, así como el tratamiento discontinuo de metales y la cristalización continua. En los procesos de cristalización continua, se usaron reactores OptiMax en serie como recipientes de eliminación de productos mixta y suspensión mixta (MSMPR) para fomentar la cristalización antisolvente a temperatura ambiente.
Estos recipientes MSMPR funcionan como CSTR que producen y transfieren una mezcla con cristales del producto. Los autores señalan que el tiempo de estancia nominal de los cristalizadores se calculó dividiendo su volumen de llenado entre el flujo total de las alimentaciones de entrada. La tecnología PAT, incluidas las técnicas ParticleTrack con FBRM y la reflectancia total atenuada (ATR), se usó para medir la cristalización continua.
Cole, K. P., Campbell, B. M., Forst, M. B., McClary Groh, J., Hess, M., Johnson, M. D., Miller, R. D., Mitchell, D., Polster, C. S., Reizman, B. J. y Rosemeyer, M. (2016). An Automated Intermittent Flow Approach to Continuous Suzuki Coupling. Organic Process Research & Development, 20(4), 820-830. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.6b00030
ReactIR y ParticleTrack ofrecen información y feedback en relación con la PAT
Los autores anuncian el desarrollo de un sistema de reactores de flujo PFR y CSTR en cascada con sensores FTIR y FBRM en línea incorporados que puede emplearse como tecnología analítica de procesos. Este sistema se usó para investigar varios procesos de cristalización reactiva continua y ayudó a determinar la morfología de los cristales, la distribución de su tamaño, el rendimiento de la reacción y la cristalización, y los niveles de supersaturación. Tras medir la distribución del tiempo de residencia de la cascada de PFR y CSTR, se pudo comprobar que este sistema en cascada presentaba una distribución ligeramente mayor que la de las cascadas de CSTR. En el caso de la cristalización reactiva, se obtuvo un rendimiento mayor en el sistema de cascada de PFR y CSTR gracias a que los PFR ofrecen una RTD menor, lo que minimiza tanto la cantidad de material sin reaccionar con la formación de impurezas.
Durante el proceso de cristalización reactiva, las sondas de ReactIR y ParticleTrack se encargaron de medir la concentración del reactivo y la longitud de cuerda de los cristales. Las concentraciones de reactivo que ReactIR midió en el licor madre se correspondían con los resultados de HPLC (error de predicción por debajo del 0,17 %). Las mediciones de ParticleTrack revelaron una longitud de cuerda relativamente estable de aprox. 150 µm.
Hu, C., Shores, B. T., Derech, R. A., Testa, C. J., Hermant, P., Wu, W., Shvedova, K., Ramnath, A., Al Ismaili, L. Q., Su, Q., Sayin, R., Born, S. C., Takizawa, B., O’Connor, T. F., Yang, X., Ramanujam, S. y Mascia, S. (2020). Continuous reactive crystallization of an API in PFR-CSTR cascade with in-line PATs. Reaction Chemistry & Engineering, 5(10), 1950-1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j
Un reactor con depósito agitado continuo (CSTR) es un envase que se usa para reacciones químicas. Permite la entrada de las sustancias necesarias para la reacción y la salida simultánea de los productos. Esto lo convierte en una gran herramienta para la fabricación continua de productos químicos. El reactor CSTR mezcla bien las sustancias y funciona de forma uniforme en condiciones estables. Normalmente, la mezcla que sale es la misma que la que hay dentro, lo que depende del tiempo que las sustancias permanezcan en el envase y de la rapidez con la que se produzca la reacción.
En determinados casos, cuando una reacción es demasiado lenta o hay dos líquidos diferentes que requieren una velocidad de agitación alta, se pueden conectar varios CSTR entre sí para crear una cascada. Un CSTR proporciona una retromezcla ideal, que es lo opuesto a un reactor de flujo conectado (PFR).
No, un reactor con depósito agitado continuo (CSTR) no es un reactor discontinuo. La principal diferencia entre un CSTR y un reactor discontinuo es que un CSTR es un reactor de flujo continuo en el que los reactantes se introducen de forma continua en el reactor y los productos se eliminan de la misma forma, mientras que en un reactor discontinuo, se añade una cantidad fija de reactantes al reactor y se deja que reaccionen hasta que la reacción se completa antes de eliminar los productos.
En un CSTR, los reactantes se mezclan de forma continua mediante un agitador, lo que asegura que la mezcla de reacción sea homogénea y esté bien mezclada.
A menudo, los CSTR se usan en procesos industriales a gran escala en los que se requiere un suministro continuo de reactivos para satisfacer las demandas de producción. Los reactores discontinuos, por otro lado, se usan con más frecuencia en experimentos de laboratorio, donde se requieren cantidades más pequeñas de reactantes para las pruebas y el análisis, y en la producción de productos farmacéuticos, agroquímicos y productos químicos especializados de menor volumen.
Más información sobre las diferencias entre reactores discontinuos y CSTR
El reactor de flujo conectado (PFR) y el reactor con depósito agitado continuo (CSTR) son dos tipos comunes de reactores químicos que se usan en entornos industriales y de laboratorio. Las principales diferencias entre estos dos reactores son la forma en que funcionan y sus aplicaciones.
En general, la elección entre un PFR y un CSTR depende de la reacción específica que se lleve a cabo y del resultado de producción deseado. Los datos de laboratorio de alta calidad son muy valiosos para la caracterización de reacciones y el modelado de procesos se puede usar para ayudar a seleccionar el reactor. Más información sobre las diferencias entre CSTR y PFR
El hecho de que el flujo continuo (CSTR) o el flujo conectado (PFR) sean mejores para una aplicación concreta depende de la reacción específica que se lleve a cabo y del resultado deseado. Sin embargo, en general, los CSTR suelen preferirse a los PFR por varias razones:
En general, la elección entre un CSTR y un PFR depende de las necesidades específicas de la reacción que se lleva a cabo, por lo que ambos reactores tienen sus ventajas y desventajas. Sin embargo, los CSTR a menudo se prefieren por su flexibilidad, buena mezcla y capacidad para lograr altas tasas de conversión en un corto tiempo de estancia.
