Modelagem e simulação de purificação de cefalosporina C em coluna de leito fixo

No processo total de obtenção de cephalosporin C, a purificação ocupa a segunda etapa, sendo a primeira fase a produção em meio de cultura pelo fungo Cephalosporium acremonium. O processo de purificação é efetuado em colunas de troca iônica. Neste trabalho foi proposto um modelo matemático para descrever o comportamento do processo de adsorção, obtido a partir de balanços de massa e equações cinéticas de adsorção por troca iônica, determinadas previamente em resina XAD-2, levando em consideração a resistência à transferência de massa externa e interna assim como a dispersão axial. As equações analíticas descritivas do processo foram transformadas em algoritmos numéricos aplicando os métodos numéricos de Crank-Nicholson para as equações diferenciais parciais e Runge-Kutta de 4ª ordem para as equações diferenciais ordinárias. O programa foi desenvolvido em linguagem Turbo-Pascal, para calcular a distribuição de concentração de cephalosporin na coluna, fase líquida e fase sólida, com o tempo, usando as equações numéricas. Verificou-se as influências dos parâmetros cinéticos e operacionais na eficiência da coluna, através de um estudo paramétrico, onde observou-se que a porosidade do leito, concentração da cephalosporin e diâmetro da coluna são os parâmetros de maior sensibilidade. Por outro lado, parâmetros como Qm (capacidade máxima de adsorção), KI e K2 (constantes cinéticas de adsorção) devem ser otimizados previamente, através da escolha do adsorvente e condições de adsorção adequadas. Verificou-se que o comprimento da coluna e a velocidade superficial, quando incrementados, melhoram a eficiência da coluna. Foi verificado que a dispersão axial, é desprezível e que o aumento tanto da difusividade efetiva como do coeficiente de transferência de massa, melhoram a eficiência do processo. Demonstrou-se igualmente que a coluna de adsorção de leito fixo apresenta considerável estabilidade, tendo em conta que nenhum parâmetro afeta significativamente a operação da coluna. Em outros termos, pode-se dizer que a eficiência do processo é relativamente pouco afetada dentro da amplitUde de alteração efetuada dos parâmetros. Com relação aos problemas de limitações do processo de adsorção dentro da coluna, observou-se que este é limitado pela transferência de massa interna, ou seja a difusão é a etapa limitante do processo. Finalmente a resina XAD-2 utilizada neste estudo apresenta uma baixa eficiência, sendo uma desvantagem de sua utilização na adsorção da cephalosporin C.In the "cephalosporin C" production process, the purification is the second step, after the antibyotic been produced by Cephalosporium acremonium in submerged cultures. The purification is carried on in ionic exchange columns. In this work a mathematical model to describe the adsorption process is suggested. The model was obtained from a mass balance and kinetic equations for ionic exchange adsorption, previously determinated in XAD-2 resin. Resistance to the internal and external mass transfer and axial dispersion were also considered in the model. The analytic equations to describe the process were transformed to numeric algorithms using Crank-Nicholson method for the partial differential equations and the 4th order Runge - Kutta method for ordinary differential equations. The computer program was developed using Turbo Pascal language to calculate the distribution of cephalosporin in the column as a time function, both in the liquid phase and in the solid phase. The influence of kinetics and operation parameters in the column efficiency was verified by means of a parametric study. It was observed that the main parameters were the bed porosity, the cephalosporin concentration, and the column diameter. On the other hand, some parameters as Qm (maximum capacity of adsorption), Kl and K2 (kinetics constants of adsorption) must be previously optimized in terms of adsorbent selection and appropriated adsorption conditions. It was also verified that the increase in the column length and the superficial velocity intrances the column efficiency. lt was demonstrated that the fixed bed adsorption column is stable considering that there is no critical parameter for the column operation. It was verified that the axial dispersion is not significant, and the increase both in the effective diffusivity and in the mass transfer coefficient gives a better process efficiency. It was observed that the adsorption process limitation in the column is caused by internal mass transfer, that is the diffusion is the process critical step. Finally, the XAD-2 resin used in this work show low efficiency. Which is a disadvantage in the cephalosporin C adsorption process