Diseño de reactores

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INSTITUTO TECNOLOGICO DE TOLUCA
INGENIERIA QUIMICA
DISEÑO DE REACTORES
POR:
PROFR:
JULBUEBYEIO 2001
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DEFINICIONES
METABOLISMO
• Actividades químicas organizadas de una célula, que comprende dos aspectos: la producción de
energía y la utilización de la energía. La energía faculta para hacer un trabajo. (PELCZAR,
BEID, CHANG).
• Serie colectiva de procesos químicos que ocurren en los organismos vivos, tanto de síntesis como
de biodegradación.
Se utiliza para aludir a todos los procesos que tienen lugar dentro de una célula metabole (griego)que es
igual a cambio. Así que la célula se puede considerar como una entidad que cambia. (BROCK).
• Conocimiento químico de las moléculas participantes (metabolitos)de las reacciones en que
participan las enzimas que catalizan dichas reacciones, y de los mecanismos reguladores que
determinan las velocidades de las reacciones catalizadas por enzimas que transcurren en forma
secuencial, por las cuales cualquier metabolito A es convertido a otro B.
Tal serie de etapas constituye una ruta metabólica y los mecanismos de las numerosas rutas metabólicas
y su funcionamiento en forma integrada, constituyen el metabolismo. (WHITE).
CATABOLISMO
Fase degradativa del metabolismo, a través de la cual las moléculas nutritivas procedentes del medio
exterior, de la digestión o de las propias reservas de la célula sufren una serie de reacciones escalonadas
hasta dar productos finales muy sencillos utilizables por la célula para la biosíntesis de otros
componentes celulares o para la respiración celular.
ANABOLISMO
Fase de biosíntesis del metabolismo en la que se forman nuevas sustancias progresivamente más
complejas a partir de los productos simples y energía.
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CUESTIONARIO
• ¿Cuál es la diferencia entre G, Gº y Gº´? ¿Entre reacciones endergónicas y reacciones exergónicas?
¿Entre Eh y E´o?
• G es la cantidad de energía liberada o consumida en el curso de una reacción, mientras que Gº
significa condiciones estándar es decir que la concentración de reactivos, T y pH afectan este valor y
Gº´ es la energía desprendida de reacciones exergónicas para efectuar reacciones endergónicas,
por medio de un reactivo común.
Entre reacciones endergónicas y reacciones exergónicas la diferencia es
que la energía no siempre está en forma de calor sino también en química, entonces si G en una reacción
química tiene el valor negativo la reacción desprende energía por lo tanto es exergónica y si tiene un valor
positivo, requiere energía por lo tanto es endergónica.
Mientras que E´o es la tendencia a absorber electrones expresada por el potencial de reducción estándar o
electromotriz, a mayor E´o mayor capacidad oxidante del sistema
• Describir el papel de la ATP durante los intercambios de energía en la célula.
• En las células existen varios compuestos de alta transferencia de energía, y aunque algunos tienen
menor energía total, la energía se distribuye de tal modo dentro de la molécula que una porción se
opone a la otra, dando como resultado una tensión molecular considerable. Cuando se rompe una
molécula, por la acción catalítica de una enzima, se desprende energía. La ATP es un compuesto de
alta energía superior es en encargado del intercambio energético entre las reacciones exergónicas y
endergónicas. Esta energía se desprende por hidrólisis y la cantidad liberada es la capacidad de
transferencia de energía de la ATP
• Describir un compuesto de transferencia de alta energía. Poner algunos ejemplos de algunas que ocurren en
la vida glucolítica.
• En las células existen varios compuestos de alta transferencia de energía, y aunque algunos tienen
menor energía total, la energía se distribuye de tal modo dentro de la molécula que una porción se
opone a la otra, dando como resultado una tensión molecular considerable.
Cuando se rompe una molécula, por la acción catalítica de una enzima, se desprende energía.
La desasimilación de una molécula de glucosa suele ocurrir después de una secuencia de reacciones
catalizadas por enzimas al final de la cual se forman dos moléculas de ácido pirúvico. Además, en un paso,
por la oxidación del gliceraldehído−3−fosfato, se separan un par de electrones que entran en la cadena
respiratoria. El ácido pirúvico formado por glucólisis puede sufrir nueva oxidación. De esta serie de
reacciones catalizadas enzimáticamente, resulta la producción de acetil−coenzima A (acetil−CoA), que entra
al ciclo del ácido tricarboxílico (ATC). La pareja de electrones liberados pueden entrar en la cadena
respiratoria.
La reacción es la siguiente:
C6H12O6 + 2 ADP + 2 H3PO4! 2 CH3COCOOH + 2 ATP + 2 H2O + 2 (2H)
GLUCOSA ACIDO PIRUVICO
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En el ciclo del ácido tricarboxílico, la acetil−CoA es oxidada por las series de ciclos de reacciones
catalizadas por enzimas. Los cuatro pares de electrones liberados por cada molécula de acetil−CoA que
entra al ciclo pueden integrarse en la cadena respiratoria. , estos tres procesos, logran la oxidación completa
de la glucosa a dióxido de carbono y agua, según la siguiente reacción:
C6H12O6 + 6O2 !6CO2 + 6H2O
GLUCOSA
• Definir oxidación y reducción. También el sistema O/R. En relación con dos sistemas O/R, ¿cómo se puede
utilizar E´o para determinar cuál sistema oxida a cual?
• En la producción de energía intervienen varias reacciones químicas, pero la más común es la de
óxido−reducción. La oxidación es la pérdida de electrones, reducción es la ganancia de electrones
En cada reacción participan un par de sustancias, una es la forma reducida y la otra oxidada. A cada
pareja se le llama sistema de óxido reducción. Un sistema O/R tiende a absorber electrones de otro
sistema O/R es decir el primer sistema oxidará al segundo.
La tendencia a absorber electrones expresada por el potencial de reducción estándar o electromotriz (E´o),
de un sistema O/R que se mide eléctricamente bajo condiciones de comparación establecidas y expresadas en
voltios. A mayor E´o mayor capacidad oxidante del sistema.
• Las vitaminas son frecuentemente precursoras (construcción de bloques) para la síntesis de las coenzimas.
Desde este punto de vista ¿qué se puede decir de las vitaminas niacina (ácido nicotínico) y riboflavina?
• Hay enzimas que eliminan electrones e iones hidrógeno de los sustratos reducidos (deshidrogenasa),
que tienen Nicotinamida Adenina Dinucléotido (NAD) o Nicotinamida Adenina Dinucléotido Fosfato
(NADP), como coenzima NAD, puede existir en una forma reducida, NAD + H, para formar un
sistema de O/R:
NAD´ + 2H´ + 2e!NAD + H´
Del mismo modo NAD puede existir en una forma reducida.
La vitamina niacina (ácido nicotínico) forma parte de la estructura NAD y de NADP y es un precursor de su
biosíntesis.
Otra clase de deshidrogenasa son las flavoproteinas que contienen FAD o FMN como grupos proteicos. Una
de las partes básicas de la estructura de su coenzima es la vitamina riboflavina, que se encuentra en forma
oxidada o reducida:
Riboflavina + 2H ! rivoflavina−H2
Las formas reducidas de las coenzimas son FADH2 y FMNH2.
• ¿Qué es la fosforilación oxidativa?
• La ordenación de los sistemas O/R de acuerdo a los valores de E´o, esta basada en la secuencia de
las reacciones de oxidación en la cadena respiratoria determinada experimentalmente. En tres
puntos a lo largo de la cadena se libera suficiente energía para la síntesis de ATP.
• En la fermentación láctica, NAD´ es reducida durante la oxidación de gliceraldehido−3−fosfato, pero es
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reoxidada durante la reducción del ácido pirúvico. ¿Podría este ciclo de regeneración de NAD´ explicar
porque algunas vitaminas como la niacina (ácido nicotínico) son requeridas por los organismos vivos sólo
en muy pequeñas cantidades si las comparamos con sustancias nutritivas como la glucosa?
La degradación de una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato y energía libre en forma de ATP se
desarrolla a través de diez reacciones enzimáticas escalonadas, que tienen lugar sin oxígeno y reciben en
conjunto el nombre de glucólisis. En condiciones aerobias el piruvato se oxida a acetil−coenzima A y CO2;
en condiciones anaerobias, se reduce a lactato o en la fermentación alcohólica, en etanol y CO2.
Las vitaminas son compuestos orgánicos precursores esenciales de diversas coenzimas. Se necesitan en
cantidades muy pequeñas pero la falta o deficiencia acarrea serias perturbaciones.
• ¿Cuáles son las diferencias esenciales entre la fotosíntesis de las bacterias y la que efectúan las plantas
verdes?
• Las plantas verdes viven autotróficamente en presencia de la luz, ya que utilizan el dióxido de
carbono como única fuente de carbono, mientras que las bacterias se caracterizan por su capacidad
para efectuar la fotosíntesis sin producir finalmente oxígeno.
• Distinguir entre la respiración por nitratos y la aeróbica
• La respiración aeróbica libera mayor cantidad de energía, el agente oxidante es el oxígeno libre.
Para la respiración por nitratos este radical se sustituye por el oxígeno como aceptor final de
electrones.
• Distinguir entre bacterias heterotróficas, quimioautotróficas y fotoautotróficas.
• Las sustancias nutritivas para las bacterias heterótroficas son materias orgánicas ricas en energía,
ya que son incapaces de tomar energía libre para sintetizar materia orgánica a partir de material
mineral.
Las bacterias quimioautotróficas transforman las sustancias minerales en materia orgánica rica en energía,
biosíntesis que puede realizarse a expensas de la energía de la luz solar, o bien de la energía química
liberada en reacciones exotérmicas de oxidación de compuestos inorgánicos que se producen en el medio
ambiente.
Las bacterias fotoautotróficas utilizan la energía luminosa del sol o la liberada en reacciones químicas del
medio.
• ¿Cuáles son sus conocimientos en cuanto al acoplamiento de cadenas respiratorias para la síntesis de ATP
aplicables en el momento de la fotosíntesis?
• En la primera fase de la fotosíntesis asociada a las membranas tilacoides de los cloroplastos, la
clorofila capta la energía luminosa y ésta es transformada en energía química bajo forma de ATP.
Además del ATP se forma NADP receptor de electrones de gran poder reductor. Los electrones que
va perdiendo la clorofila se reponen a partir de la fotólisis del agua. La fase oscura ocurre en el
estroma y sin necesidad de luz o clorofila, ya que en ella se utiliza la energía química almacenada en
el ATP y el poder reductor de NADP para fijar el carbono atmosférico, que se integra a moléculas
orgánicas, formando un círculo cerrado.
• ¿Por qué se considera al ácido pirúvico como eje del metabolismo de los carbohidratos?, Relacionar los
productos finales que resultan de la fermentación bacteriana de la glucosa, ¿Todas las bacterias producen
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los mismos productos finales?
• Las etapas iniciales de la desasimilación de la glucosa siguen los siguientes pasos: los dos pares de
electrones liberados por la oxidación de gliceraldehido a fosfato son aceptados por NAD y así entran
a la cadena respiratoria. Por lo común se presentan diferencias en la fermentación en las vías que
utiliza el ácido pirúvico resultante, por lo tanto se le considera el eje de la fermentación de
carbohidratos.
La degradación de una molécula de glucosa en dos moléculas de piruvato y energía libre en forma de ATP se
desarrolla a través de diez reacciones enzimáticas escalonadas, que tienen lugar sin oxígeno y reciben en
conjunto el nombre de glucólisis. En condiciones aerobias el piruvato se oxida a acetil−coenzima A y CO2;
en condiciones anaerobias, se reduce a lactato o en la fermentación alcohólica, en etanol y CO2.
Por lo anterior se dice que no todas las bacterias o microorganismos metabolizan el mismo sustrato de la
misma manera.
• ¿Qué es el flujo reversible de electrones en las bacterias quimioautotróficas?
• Si el potencial redox de una fuente de energía es más alto que para NAD o NADP, es imposible, para
su oxidación, que sea directamente acoplado a la reducción de NADP. Para evitar esta dificultad
todos los organismos regeneran a los piridinanucleótidos reducidos por un proceso (flujo reverso de
electrones), en donde los electrones fluyen a NAD o NADP con el agotamiento de ATP, es decir, la
ATP se gasta para conducir los electrones al potencial al cual son aceptados por NAD o NADP
reducidos.
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