Hidrogenação catalítica da glicose para obtenção de sorbitol : otimização dos parâmetros reacionais

Abstract

RESUMO: Muitas pesquisas têm sido realizadas no mundo todo para estudar a reação de hidrogenação de glicose para sorbitol, principalmente avaliando-se diferentes tipos de catalisadores e parâmetros reacionais. No cenário atual, é importante a busca incessante por melhorias na produção, obtendo maior rendimento com diminuição de custo. Nesse contexto, o presente trabalho teve por objetivo avaliar parâmetros relevantes na produção de sorbitol a partir da glicose, tais como: quantidade de catalisador (A), temperatura (B) e pressão (C) e otimização dos mesmos a partir de análise estatística com planejamento experimental e utilização da metodologia de superfície de resposta (RSM). Para tanto, utilizou-se planejamento experimental do tipo Box-Behnken em 3 níveis para avaliar seus efeitos e interações no processo. As reações foram conduzidas em um reator do tipo autoclave (Parr) na presença de catalisador à base de rutênio. Além disso, a influência do tempo reacional e da concentração inicial de glicose adicionada à reação, a reusabilidade do catalisador e um breve estudo da cinética foram também investigados. Os parâmetros A, B e C interferiram no sistema de maneira relevante. Variando-se as combinações de seus níveis foi possível obter rendimentos de sorbitol de 13 % até 100 %. Os fatores A e C contribuíram apenas de maneira linear, o fator B de maneira linear e quadrática. As interações entre os fatores ajudaram a compor o modelo, proporcionando um modelo muito bem ajustado aos dados. Os valores ótimos dos parâmetros para alcançar resultados maximizados de conversão de glicose, rendimento e seletividade de sorbitol, considerando custo-benefício, foram A= 1,0 g, B= 135 oC e C= 2,5 MPa. Nas condições otimizadas, o tempo total de reação pode ser diminuído de 3,5 h para 2 h mantendo os níveis máximos de conversão, rendimento e seletividade, refletindo economia de 43% de tempo. O estudo da reusabilidade do catalisador apontou que os catalisadores reutilizados podem ser tão bons quanto o novo dependendo do tempo total de reação. No breve estudo da cinética, verificou-se uma rápida conversão da glicose nos primeiros minutos e os parâmetros cinéticos foram ?= 0,5585 e k= 0,0068 g0,4415 L-0,4415min-1

ABSTRACT: A lot of research has been done around the world to study the reaction of hydrogenation of glucose to sorbitol, mainly studying different catalysts and the parameters one by one. In the current scenario, it is important to constantly search for improvements in production, obtaining higher yields with lower costs. In this context, the present work was focused on the study of relevant parameters in the production of sorbitol from glucose and on the optimization of the same from statistical analysis with experimental design and use of response surface methodology (RSM). The main factors studied were: amount of catalyst (A), temperature (B) and pressure (C). Three-level Box-Behnken experimental design was used to evaluate their effects and interactions in the process. The reactions were conducted in an autoclave type reactor (Parr) in the presence of ruthenium-based catalyst. In addition, the influence of the reaction time and the initial glucose concentration added to the reaction, the reusability of the catalyst and a brief study of the kinetics were assessed. Parameters A, B and C affected significantly the system. Varying the combinations of their levels it was possible to obtain sorbitol yields of 13 % up to 100 %. Factors A and C contributed only linearly, factor B in a linear and quadratic way. The interactions among the factors helped to compose the model, providing a model very well adjusted to the data. The optimal values of the parameters to achieve maximized glucose conversion, sorbitol yield and selectivity, considering cost-benefit, were A= 1.0 g, B= 135 oC and C= 2.5 MPa. Under optimized conditions, the total reaction time can be reduced from 3.5 h to 2 h maintaining maximum conversion, yield and selectivity levels, reflecting time savings of 43%. The reusability study of the catalyst pointed out that the reused catalysts can be as good as the new one depending on the total reaction time. In the brief study of the kinetics, a fast conversion of the glucose in the first minutes was verified and the kinetic parameters were ?= 0,5585 and k= 0.0068 g0,4415 L-0,4415min-1