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Previous issue date: 2007-03-05 === Universidade Federal de Minas Gerais === Nowadays, industrial production of semi-synthetic penicillins requires low
temperatures, organochloride solvents and yields a great amount of non-recyclable wastes.
During the last decades, concerns about environmental impacts have increased, as well as the
environmental legislation restrictions. Thus, the pursuit of cleaner routes has been
encouraged. Enzymatic synthesis of these antibiotics, using penicillin G acylase (PGA) as
biocatalyst, may be carried out at mild temperatures and pH, and is an environmentalfriendly
route, alternative to the chemical synthesis. However, the low yields of the
enzymatic process are still a drawback for their industrial implementation. An enzymatic
semi-batch reactor using aqueous-precipitated medium is a promising approach to improve
process efficiency. Yet, finding the optimal operation condition of the reactor is still a
challenge, in order to make the enzymatic route economically competitive.
This thesis addresses this issue, focusing on several aspects of the enzymatic
synthesis of ampicillin. The comprehension of the reaction mechanism, still not a consensus
in the literature, was improved especially with respect to the role of the beta-lactam nucleus
during the formation of the acyl-enzyme intermediate, which has important consequences on
the reactor operation.
Diffusion in the biocatalyst pores and its influence on the pH profile within this
micro-environment were assessed through computer simulations. Results indicate
considerable diffusion resistances within the biocatalyst, yielding important pH profiles. The
process complexity leaded to the use of simplified mechanistic or empirical kinetic models.
Applying dynamic optimization (optimal control) techniques, feed profiles for
the reactants were obtained. A simplified model for the integrated semi-batch reactor for enzymatic synthesis of ampicillin with product crystallization was used for this purpose.
Different techniques of dynamic optimization provided qualitatively the same optimum
heuristics for the process operation.
Since simplified models were used in optimal open-loop control algorithms,
theoretical feed policies may diverge from those that would be needed to maintain the track of
the concentration profiles of the optimized reactor. Moreover, disturbances in the input
variables might lead the system to a different course. Thus, on-line monitoring is essential in
pilot plants or industrial reactors. Multivariate calibration using UV spectra was the basis for
the development of a system of analysis via flow injection (FIA), with good results.
Ampicillin synthesis assays using an industrial biocatalyst (Recordatti, Italy)
were run in order to improve some simplified kinetic models.
The re-estimated models were inserted in optimization algorithms, providing
trajectories in accordance with the same heuristics previously obtained. Experimental results
obtained after two runs in the integrated semi-continuous reactor put into evidence a
mismatch between model responses and the real process. This difference may be explained by
the extrapolation of the kinetic model with respect to the enzymatic reactor load. On the other
side, using a biocatalyst wrapped with a secondary inert matrix might alter the microenvironment
of the enzyme, especially with respect to pH.
Using a model that takes into account the effect of pH on the kinetics seems to
be important to allow the fine-tuning of the industrial reactor selectivity and productivity. === A produção industrial de penicilinas semi-sintéticas é conduzida sob condições
extremas de temperatura, demanda solventes organoclorados em seu processo e gera uma
grande quantidade de resíduos não recicláveis. As crescentes preocupações governamentais
em relação ao meio ambiente e a criação de leis de proteção ambiental nas últimas décadas
vêm colocando esses processos sobre críticas e incentivando a busca de rotas alternativas mais
limpas . A síntese enzimática desses antibióticos, usando penicilina G acilase (PGA) como
biocatalisador, pode ser efetuada em condições amenas de temperatura e pH e vem sendo
estudada como alternativa à rota atualmente empregada, mas o maior obstáculo para a
substituição da rota química pela enzimática ainda é o baixo rendimento desta última. O uso
de um reator enzimático semi-contínuo com um meio aquoso-precipitado é uma abordagem
promissora em termos de eficiência. Contudo, ainda é necessário otimizar sua operação para
que a rota enzimática seja economicamente competitiva.
Esta tese enfoca vários aspectos da síntese enzimática de ampicilina. Avançouse
na compreensão do mecanismo de reação, em pontos ainda não consensuais na literatura
em especial com respeito ao papel do núcleo beta-lactâmico durante a etapa de formação do
intermediário acil-enzima, com importantes conseqüências para a operação industrial do
reator.
A difusão nos poros do biocatalisador e sua influência sobre o perfil de pH
nesse micro-ambiente foram avaliadas por meio de simulações computacionais. Os resultados
indicam resistências difusivas apreciáveis no interior do biocatalisador, suficientes para gerar
perfis significativos de pH. A complexidade desse processo como um todo levou a que se
utilizassem modelos cinéticos mecanísticos simplificados ou empíricos.
Por meio de técnicas de otimização dinâmica (controle ótimo), perfis de
alimentação de reagentes foram obtidos. Para isso, um modelo simplificado do reator
enzimático semi-contínuo integrado, com cristalização dos produtos (desejado e indesejado),
foi utilizado. Respostas obtidas usando técnicas diferentes de otimização dinâmica resultaram,
qualitativamente, em uma mesma heurística ótima para a operação do reator.
Com a utilização de modelos simplificados, funções de alimentação obtidas
teoricamente com algoritmos de controle ótimo em malha aberta poderão desviar-se das
funções reais necessárias para manter os perfis de concentração no reator otimizado. Além
disso, perturbações nas variáveis de entrada poderão levar o sistema a percorrer trajetórias
diferentes. Assim, o monitoramento da reação em tempo real é imprescindível em um reator
piloto ou industrial. Neste contexto, foi desenvolvido um procedimento de análise em fluxo
incorporando técnicas de multicalibração. O procedimento proposto apresentou bons
resultados na quantificação dos componentes de interesse, mostrando-se como método
adequado para o monitoramento em tempo real do reator, principalmente, quando feita a
reconciliação dos dados obtidos a partir dos balanços de massa.
Ensaios de síntese de ampicilina, utilizando biocatalisador imobilizado
(Recordatti, Itália) foram realizados com o objetivo de melhorar alguns modelos cinéticos
simplificados.
Os modelos re-estimados foram inseridos em algoritmos de otimização,
resultando em trajetórias que seguem a mesma heurística obtida anteriormente. Entretanto,
duas corridas de validação da estratégia ótima, realizadas em reator semi-contínuo integrado,
evidenciaram um distanciamento entre o modelo utilizado e o processo real. Esses desvios
podem ser explicados pela extrapolação do modelo em termos da carga enzimática utilizada
no reator.
Um modelo que leve em conta o efeito do pH sobre a cinética parece ser
importante para permitir o ajuste fino da seletividade e produtividade do reator industrial.
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