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Reatores de Tanque com Agitação Contínua (CSTRs)

Tecnologia de Fluxo para Sínteses de Produtos Químicos e Biológicos

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O que é um Reator de Tanque com Agitação Contínua?

Um reator de tanque com agitação contínua (CSTR) é um tanque de reação no qual reagentes, reativos e solventes fluem para o reator enquanto os produtos da reação saem simultaneamente do recipiente. Dessa maneira, o reator do tanque é considerado uma ferramenta valiosa para o processamento contínuo de produtos químicos.

Os reatores CSTR são conhecidos por sua mistura eficiente e desempenho estável e uniforme em condições de estado estacionário. Normalmente, a composição de saída é a mesma do material dentro do reator, que depende do tempo de residência e da taxa de reação.

Em situações em que uma reação é muito lenta, quando dois líquidos imiscíveis ou viscosos requerem uma alta taxa de agitação, ou quando é desejado um comportamento de fluxo contínuo, vários reatores podem ser conectados em série para criar uma cascata de CSTRs.

Um CSTR assume um cenário ideal de mistura completa, que é exatamente o oposto de um reator de fluxo em pistão (PFR).

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CSTR versus Reator em Batelada

Em geral, os reatores podem ser classificados como reatores contínuos (Figura 1) ou reatores em batelada (Figura 2). Os CSTRs são tipicamente menores e permitem a adição perfeita de reagentes e reativos, enquanto o produto pode fluir continuamente sem interrupções.

Por outro lado, um reator em batelada é um reator químico que envolve a adição de uma quantidade fixa de reagentes ao recipiente do reator, seguido pelo processo de reação até que o produto desejado seja obtido. Ao contrário de um reator contínuo, os reagentes não são adicionados continuamente, e os produtos não são removidos de forma contínua. Além disso, os reatores em batelada não são misturados tão uniformemente, e as condições de temperatura e pressão podem variar durante a reação.

Os CSTRs têm a capacidade única de lidar com concentrações mais altas de reativo, bem como mais reações energéticas devido às propriedades superiores de transferência de calor em comparação ao reatores em batelada. Dessa maneira, um CSTR é considerado uma ferramenta de suporte à química do fluxo.

Projeto e Operação de CSTRs

Os reatores de tanque com agitação contínua (CSTRs) consistem em:

  • Um reator de tanque
  • Sistema de agitação para misturar os reativos (impulsor ou introdução de fluxo rápido de reativos)
  • Tubos de alimentação e saída para introduzir reativos e remover produtos

Os CSTRs são usados mais frequentemente em processamento industrial, especialmente nas reações de fluxo de fase líquida homogênea em que é exigida a agitação constante. No entanto, eles também são usados no setor farmacêutico e para processos biológicos, como culturas de células e fermentadores.

Os CSTRs podem ser usados em uma aplicação em cascata (Fig. 3) ou de forma independente (Fig. 1).

CSTR e PFR

Qual É a Diferença Entre CSTR e PFR (reator de fluxo em pistão)?

Os CSTRs (Fig. 1) e PFRs (Fig. 4) são ambos usados na química do fluxo contínuo. Os CSTRs e PFRs podem funcionar tanto como sistemas de reação autônomos ou serem combinados para fazer parte de um processo de fluxo contínuo. A mistura é um aspecto crucial dos CSTRs, enquanto os PFRs são projetados como reatores tubulares nos quais os pistões de movimentação individuais contêm reagentes e reativos, atuando como minirreatores em batelada. Cada pistão em um PFR possui uma composição ligeiramente diferente, e eles se misturam internamente, mas não com o pistão próximo adiante ou atrás dele. Em um CSTR idealmente misturado, a composição do produto é uniforme em todo o volume, enquanto no PFR, a composição do produto varia dependendo de sua posição dentro do reator tubular. Cada tipo de reator possui seu próprio conjunto de vantagens e desvantagens quando comparado aos outros.

Embora um CSTR possa produzir quantidades substanciais de produto por unidade de tempo e possa operar por períodos prolongados, pode não ser a melhor escolha para reações com cinética lenta. Nesses casos, os reatores em batelada são geralmente a opção preferida para síntese.

Reatores de fluxo pistão geralmente são mais eficientes em espaço e apresentam taxas de conversão mais altas em comparação com outros tipos de reatores. No entanto, eles não são adequados para reações altamente exotérmicas porque pode ser desafiador controlar picos repentinos de temperatura. Além disso, os PFRs geralmente envolvem custos operacionais e de manutenção mais elevados do que os CSTRs.

Vantagens do CSTR em relação ao PFR

  • O controle de temperatura é mantido facilmente
  • O comportamento do CSTR é bem compreendido, incluindo a mistura (habilidade de lidar com sólidos e pastas), calorimetria de reação, opções de dosagem e cinética química
  • Menos dispendioso e mais fácil de construir do que sistemas de fluxo especialmente dedicados
  • A parte interna do reator é acessível para a tecnologia analítica de processos (PAT)
  • Várias unidades podem ser facilmente unidas para operação em cascata ou integração em sistemas de fluxo mais complexos com PFR etc.

 

Desvantagens do CSTR em relação ao PFR

  • Produtividade geral por volume de unidade é normalmente menor que reatores de fluxo tubulares
  • O estado contínuo precisa ser mantido, então o sistema precisa ser bem compreendido
  • Unidades simples não são ideais para reações com cinética lenta

 

guia de química ecológica e engenharia sustentável

Avanços na Química Verde

Veja nossa lista completa de recursos sobre química ecológica e sustentável, incluindo estudos de caso e exemplos do setor. Este informativo técnico demonstra como as informações fornecidas pela tecnologia avançada da METTLER TOLEDO auxiliam no apoio à química ecológica e sustentável na pesquisa, desenvolvimento e produção de moléculas e produtos farmacêuticos, químicos e poliméricos

Otimização de Desempenho do CSTR

Distribuição do Tempo de Residência (RTD) em Reatores CSTR

Distribuição do Tempo de Residência CSTR (RTD)

A distribuição do tempo de residência (RTD) descreve a duração que um componente fluido permanece em um sistema ou reator. O tempo de residência do CSTR se refere ao tempo que os reagentes passam no reator antes de saírem dele.

Compreender a distribuição do tempo de residência de um CSTR é crucial para projetar e otimizar reatores para reações químicas. Ajuda na avaliação da eficiência do reator e da duração necessária para atingir uma reação completa. O desvio da idealidade pode resultar em canalização do líquido através do recipiente, reciclagem do líquido dentro do recipiente ou a presença de regiões mal misturadas ou estacionárias no recipiente. Como resultado, uma função de distribuição de probabilidade, RTD, é usada para descrever o tempo que uma porção finita do fluido reside no reator. Isso ajuda a caracterizar as características da mistura e do fluxo no reator e a comparar o comportamento do reator com modelos ideais. Por exemplo, uma cascata de CSTRs exibe um tempo de residência e uma resolução da reação mais estritos à medida que o número de reatores aumenta na configuração em cascata.

A distribuição do tempo de residência de um líquido em um recipiente pode ser determinada de maneira experimental pelo acréscimo de uma substância rastreadora não reativa na entrada do sistema. A concentração desse rastreador é variada por uma função conhecida e as condições gerais do fluxo no recipiente são determinadas rastreando-se a concentração de rastreador no efluente do recipiente.

modelagem e simulação de cstr

Modelagem para Química Mais Ecológica

A química ecológica e sustentável é uma tendência crescente nas indústrias farmacêutica e de produtos químicos finos. Essa abordagem à química visa minimizar o impacto ambiental dos processos químicos, reduzindo o desperdício e o consumo de energia, utilizando recursos renováveis e projetando processos que sejam seguros e eficientes.

Ao usar software de modelagem, cientistas e engenheiros podem prever como as reações químicas se comportarão sob diferentes condições, otimizar as condições de reação para reduzir o desperdício e o consumo de energia, e projetar processos que sejam mais seguros e eficientes. Por exemplo, avaliações de química do fluxo versus em batelada podem ser feitas rapidamente, ou determinando os tamanhos de CSTRs para melhor desempenho. Processos contínuos podem ser mais sustentáveis do que em batelada, por razões como menor volume, menor uso de solvente e ciclos de limpeza reduzidos.

A modelagem e simulação de reações químicas são particularmente adequadas para apoiar iniciativas de química ecológica. As capacidades avançadas de modelagem do Scale-up Suite permitem aos usuários simular com precisão reações químicas complexas, incluindo reações de múltiplas etapas, e otimizar parâmetros do processo, como temperatura, pressão e concentrações de reagentes, para minimizar o desperdício e maximizar o rendimento.

O Scale-up Suite™ também possui recursos que permitem aos usuários avaliar o impacto ambiental de seus processos, como calcular a pegada de carbono ou o consumo de energia de uma determinada reação. Essas informações podem ajudar os usuários a tomar decisões informadas sobre o design do processo e identificar oportunidades para tornar os processos mais sustentáveis.

CSTR e Tecnologia Analítica de Processos

CSTR e Tecnologia Analítica de Processos (PAT)

Reatores químicos automatizados em escala laboratorial podem ajudar na conversão de lote a operação do CSTR.

  • Reatores de síntese paralela como o EasyMax tem diversos reatores independentes bem controlados que podem ser usados individualmente ou em conjunto como CSTRs
  • Os reatores de síntese e o sistemas de controle de reator podem operar como sistemas CSTR únicos ou acoplados com outros reatores controlados a partir do mesmo PC
  • Para cristalizações ou reações multifásicas a diferença de pressão pode ser usada para transferir polpas 

A tecnologia analítica de processos é valiosa para manter o estado contínuo monitorado e bem controlado.

 

suporte do reator encamisado

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Aplicações Industriais

Processo Contínuo para Produção Segura de Diazometano

O ReactIR monitora a concentração de Diazocetona e é usado para determinação de RTD

Os autores relatam o desenvolvimento de um gerador de diazometano que consiste em uma cascata de CSTR com tecnologia de separação de membrana interna. Eles usaram essa tecnologia em uma síntese encurtada de uma alfa-cloroacetona quiral; um importante composto intermediário na síntese de inibidores de protease do HIV. Um reator de bobina foi usado para gerar um anidrido misto que foi passado pela cascata de diazometano do CSTR. A membrana de PTFE permitiu a difusão do diazometano no CSTR onde ele reagiu com o anidrido para formar a diazoacetona correspondente. Depois, a diazoacetona foi convertida para a alfa-cloroacetona pela reação com HCl em um reator em batelada.

As medições do ReactIR foram usadas para acompanhar a formação do composto de diazoacetona intermediário (rastreando um pico de 2107 cm-1) e também para determinar experimentalmente a distribuição de tempo de residência para o sistema, rastreando a substância rastreadora. O experimento do rastreador monitorado pelo ReactIR determinou que cinco volumes de reator do segundo CSTR na cascata foram exigidos para chegar ao estado contínuo, correspondendo a um tempo de start-up de 6 horas. 

Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & 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

 

Automated Intermittent Flow Suzuki Coupling System with Associated Downstream Operations

OptiMax used as MSMPR reaction vessels in continuous crystallization

Os autores relatam o desenvolvimento de um sistema para permitir uma reação de acoplamento Suzuki líquido-líquido de fluxo intermitente totalmente automatizado, bem como manipular o tratamento de metais em lote e cristalização contínua. Com relação à cristalização contínua, os reatores OptiMax foram usados em série como recipientes de Remoção de Suspensão Mista Multiestágio e de Produto Misto (MSMPR) conduzindo à cristalização antissolvente em temperatura ambiente.

Esses recipientes MSMPR agem como CSTRs que produzem e transferem uma polpa que contém cristais do produto. Os autores relatam que o tempo de residência nominal nos cristalizadores foi calculado pelo volume de envase dos cristalizadores dividido pela taxa de fluxo total das alimentações de entrada. A PAT, incluindo o Rastreio de Partículas com FBRM e a Reflectância Total Atenuada (ATR), foi usada para medir a cristalização contínua. 

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., & 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

 

PFR-CSTR Cascade for Continuous Reactive Crystallization

ReactIR and ParticleTrack provide PAT information and feedback

Os autores relatam o desenvolvimento de um sistema de reator de fluxo em cascata PFR-CSTR combinado que integrou sensores FTIR e FBRM em linha como tecnologia analítica de processos. Esse sistema foi usado para investigar várias cristalizações reativas contínuas, determinando a morfologia do cristal, distribuição do tamanho do cristal, rendimentos de reação e cristalização e níveis de supersaturação. A distribuição de tempo de residência (RTD) para a cascata PFR, CSTR e a cascata PFR-CSTR foi medida e mostrou que a cascata PFR-CSTR combinada teve uma RTD ligeiramente mais longa que a da cascata CSTR sozinha. Para a cristalização reativa, um rendimento mais alto foi obtido para o sistema de cascata PFR-CSTR como resultado de uma RTD mais estreita do PFR, minimizando o material não reagido e a formação de impurezas.

Os sensores ReactIR e ParticleTrack mediram a concentração de reativos e o comprimento da corda de cristais durante o processo de cristalização reativo. As concentrações de reativos no licor-mãe medidas pelo ReactIR estavam em boa concordância com os resultados do HPLC (erro de previsão < 0,17%). As medições do ParticleTrack revelaram um comprimento de corda relativamente estável de ~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., & 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

 

 

 

 

 

Citações e Referências

Reatores de Tanque com Agitação Contínua em Periódicos Recentes

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  • Copelli, S., Petrucci, NB, Florit, F. e Barozzi, M. (2022). Increasing Safety by Shifting Semi-Batch Polymerizations into Semi-Continuous Production. DOAJ (DOAJ: Diretório de Periódicos de Acesso Aberto). https://doi.org/10.3303/cet2290101
  • Muir, R., G, BJ, Pearsall, A., Jorgensen, MJ, Sims, B., Yonoski, K., Mehta, N. e Salan, JS (2021). Development of a Safe Continuous Process to Sodium Nitrotetrazolate via Solid Phase “Catch and Release.” Organic Process Research & Development, 25(8), 1882–1888. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.1c00129
  • Talicska, C. N., O’Connell, E. C., Ward, H. W., Diaz, A., Hardink, M., Foley, D. P., Connolly, D., Girard, K. P., & Ljubicic, T. (2022). Process analytical technology (PAT): applications to flow processes for active pharmaceutical ingredient (API) development. Reaction Chemistry and Engineering, 7(6), 1419–1428. https://doi.org/10.1039/d2re00004k
  • Ahmed, B., Brown, C., McGlone, T., Bowering, D., Sefcik, J., & Florence, A. J. (2019). Engineering of acetaminophen particle attributes using a wet milling crystallisation platform. International Journal of Pharmaceutics, 554, 201–211. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2018.10.073
  • Copelli, S., Barozzi, M., Petrucci, N. e Moreno, VC (2019). Modeling and process optimization of a full-scale emulsion polymerization reactor. Chemical Engineering Journal, 358, 1410–1420. https://doi.org/10.1016/j.cej.2018.10.055
  • Glace, A. M., Cohen, B. J., Dixon, D. D., Beutner, G. L., Vanyo, D., Akpinar, F., Rosso, V. W., Fraunhoffer, K. J., DelMonte, A. J., Santana, E., Wilbert, C., Gallo, F., & Bartels, W. (2020). Safe Scale-up of an Oxygen-Releasing Cleavage of Evans Oxazolidinone with Hydrogen Peroxide. Organic Process Research & Development, 24(2), 172–182. https://doi.org/10.1021/acs.oprd.9b00462
  • Hu, C., Shores, B. T., Derech, R. A., Testa, C. J., Hermant, P., Wu, W., Shvedova, K., Ramnath, A., Ismaili, L. Q. A., Su, Q., Sayin, R., Born, S. C., Takizawa, B., O’Connor, T. G., Yang, X., Ramanujam, S., & Mascia, S. (2020). Continuous reactive crystallization of an API in PFR-CSTR cascade with in-line PATs. Reaction Chemistry and Engineering, 5(10), 1950–1962. https://doi.org/10.1039/d0re00216j
  • Feng, R., Ramchandani, S., Salih, N. M., Lim, X. Y., Tan, S., Lee, L. S., Teoh, S. S., Sharratt, P. N., & Boodhoo, K. (2019). Process Intensification Strategies and Sustainability Analysis for Amidation Processing in the Pharmaceutical Industry. Industrial & Engineering Chemistry Research, 58(11), 4656–4666. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b04063
  • Wernik, M., Poechlauer, P., Schmoelzer, C., Dallinger, D., & 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
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Perguntas Frequentes

FAQs

O que é o CSTR? Como funciona o CSTR?

Um reator de tanque com agitação contínua (CSTR) é um recipiente utilizado para reações químicas. Ele permite que as substâncias necessárias para a reação fluam para dentro, enquanto os produtos fluem para fora ao mesmo tempo. Isso o torna uma ótima ferramenta para produzir produtos químicos continuamente. O reator CSTR mistura bem as substâncias e funciona de maneira consistente em condições estáveis. Normalmente, mistura que sai é a mesma que está dentro, o que depende de quanto tempo as substâncias estão no recipiente e da rapidez com que ocorre a reação.

Em certos casos, quando uma reação é muito lenta ou dois líquidos diferentes estão presentes, requerendo uma alta taxa de agitação, vários CSTRs podem ser conectados para criar uma cascata. Um CSTR assume uma mistura completa ideal, o que é o oposto de um reator de fluxo pistão (PFR).

O CSTR é um reator em batelada?

Não, um CSTR (Reator de Tanque com Agitação Contínua) não é um reator a batelada. A principal diferença entre um CSTR e um reator em batelada é que um CSTR é um reator de fluxo contínuo onde os reagentes são continuamente alimentados no reator e os produtos são continuamente removidos, enquanto em um reator em batelada, uma quantidade fixa de reagentes é adicionada ao reator e permitida a reagir até que a reação esteja completa antes que os produtos sejam removidos.

Em um CSTR, os reagentes são continuamente misturados usando um agitador, o que garante que a mistura de reação seja homogênea e bem misturada. 

Os CSTRs são frequentemente utilizados em processos industriais em larga escala onde um suprimento contínuo de reagentes é necessário para atender às demandas de produção. Por outro lado, os reatores em batelada são mais comumente utilizados em experimentos em escala laboratorial, onde quantidades menores de reagentes são necessárias para testes e análises, e na produção de produtos farmacêuticos de menor volume, agroquímicos e produtos químicos especiais.

Saiba mais sobre reatores em batelada versus CSTRs.

Qual é a diferença entre um reator CSTR e um PFR?

PFR (Reator de Fluxo em Pistão) e CSTR (Reator de Tanque com Agitação Contínua) são dois tipos comuns de reatores químicos usados em ambientes industriais e laboratoriais. As principais diferenças entre esses dois reatores são a forma como operam e suas aplicações.

  • Um PFR opera passando reagentes por um tubo ou canal longo, onde eles se misturam e reagem enquanto se movem pelo reator. No PFR, as condições de reação, como temperatura e pressão, devem ser precisamente controladas ao longo do comprimento do tubo. O fluxo de produto de um PFR é contínuo, e a taxa de conversão dos reagentes é normalmente alta. Os PFRs são usados com frequência para a produção contínua em larga escala de produtos químicos e petroquímicos.
  • Um CSTR é um reator bem misturado que agita continuamente os reagentes em um tanque ou recipiente. No CSTR, as condições de reação são uniformes em todo o reator, e a taxa de reação é determinada pela taxa de fluxo dos reagentes para dentro e para fora do tanque. Os CSTRs são comumente utilizados para reações homogêneas e heterogêneas que requerem um alto grau de mistura e um tempo de residência relativamente curto.

No geral, a escolha entre um PFR e um CSTR depende da reação específica em andamento e do resultado de produção desejado. Dados de laboratório de alta qualidade são importantes para a caracterização de reações e a modelagem de processos pode ser usada para auxiliar na seleção do reator. Saiba mais sobre CSTR versus PFR.

Quais os benefícios do CSTR em relação ao PFR?

A opção entre fluxo contínuo (CSTR) ou o fluxo em pistão (PFR) para uma aplicação específica depende da reação em andamento e do resultado desejado. No entanto, em geral, os CSTRs são frequentemente preferidos em relação aos PFRs por várias razões:

  1. Boa mistura: os CSTRs proporcionam uma boa mistura de reagentes, especialmente de pastas, o que ajuda a manter uma taxa de reação uniforme e a evitar pontos quentes localizados ou zonas mortas. Em contraste, os PFRs podem levar às vezes a gradientes de temperatura, concentração ou taxa de fluxo, o que pode afetar a eficiência da reação.
  2. Flexibilidade: os CSTRs são altamente flexíveis e podem ser adaptados facilmente a diferentes condições de reação ou volumes. Por exemplo, o tempo de residência pode ser facilmente ajustado alterando a taxa de fluxo, e o reator pode ser dimensionado para cima ou para baixo dependendo das necessidades de produção.
  3. Tempo de reação reduzido: os CSTRs frequentemente conseguem uma alta taxa de conversão em um tempo de residência relativamente curto, uma vez que os reagentes estão bem misturados e as condições de reação são uniformes. Isso pode resultar em tempos de reação mais rápidos e taxas de produção mais altas.
  4. Custos mais baixos: os CSTRs geralmente são mais simples e menos dispendiosos de construir e operar do que os PFRs, uma vez que não requerem tubulações longas e especializadas e equipamentos associados.

No geral, a escolha entre um CSTR e um PFR depende das necessidades específicas da reação em andamento, e ambos os reatores têm suas vantagens e desvantagens. No entanto, os CSTRs são frequentemente preferidos por sua flexibilidade, boa mistura e capacidade de alcançar altas taxas de conversão em um curto tempo de residência.

Saiba mais sobre o CSTR versus PFR.