Title: Environmentally Friendly Syntheses of Viagra and a Chiral Glutarate Intermediate
1I U C T Centro Tecnológico de la Industria
Química y Farmacéutica La Biotecnología
Industrial Oportunidades de Negocio. 27 de
Juny de 2008 Josep Castells Boliart josep_at_iuct.com
2La Biotecnología Industrial
- Es la fabricación de sustancias químicas o bienes
de equipo y de consumo utilizando herramientas
biotecnológicas. - Con el uso de estas herramientas se consigue que
los procesos de fabricación tengan el menor
impacto posible sobre el medio ambiente, sin
renunciar a su eficacia ó prestaciones.
3Beneficios de la Biotecnología Industrial
- La BI consigue mejorar los procesos industriales
en los siguientes aspectos - Empleo de materias primas renovables.
- Aprovechamiento de desechos agrícolas, forestales
ó industriales, a los que se revaloriza. - Reducción del uso de solventes orgánicos o
tóxicos. - Reducción de la generación de residuos y
subproductos (tóxicos) - Menor consumo de energía y por tanto menor
emisión de gases de efecto invernadero. - Sustitución de fuentes de energía fósil por
fuentes de origen biológico, lo que también
conlleva un descenso en las emisiones netas de
GEI. - Mejoras en el rendimiento económico de sus
productos, de manera que los costes de
fabricación se reduzcan y ello repercuta en una
mejora en la relación coste / beneficio. - Un claro ejemplo lo constituye la industria
textil la sustitución de procesos de lavado y
blanqueado de tejidos por tratamientos
enzimáticos ha reducido el consumo de agua y
energía un 50, con el consiguiente ahorro
económico. - Ventajas económicas que vienen derivadas de
ahorrar costes adyacentes como los de
almacenamiento y tratamiento de residuos, y
ofrecen acceso a materias primas más baratas
4Los productos de la Biotecnología
Industrial Productos químicos a granel (Bulk
Chemicals).
- Hoy es posible producir mediante fermentación de
materias primas renovables y baratas (melazas,
bagazos, almidones y otros sustratos ricos en
carbohidratos) compuestos que antes tenían que
ser extraídos ó sintetizados químicamente. - Ejemplo de ello son la vitamina C, el ácido
glutámico ó el ácido cítrico, muy utilizados en
tecnología alimentaria. - Otros productos, como el ácido succínico o el
ácido adípico (precursor del nailon) también
pueden ser sintetizados por microorganismos, y
actualmente se estudia su producción
biotecnológica a escala industrial de manera que
en el futuro reemplace a la síntesis petroquímica.
5Los productos de la Biotecnología
Industrial Especialidades químicas.
- Los productos llamados de química fina se
caracterizan por su alta especialización
funcional. Estos compuestos es a menudo muy
compleja, requiriendo muchos pasos, empleo de
cantidades estequiométricas de sustratos,
aditivos para protección de grupos y grandes
cantidades de energía - En contraste con esto, la biocatálisis (catálisis
mediada por agentes biológicos, que pueden ser
enzimas ó incluso microorganismos vivos que
realizan todos los pasos de conversión en su
interior), suele tener lugar a temperaturas
cercanas a la ambiental, y además tiene una alta
especificidad y selectividad enantiomérica. - Ejemplos de la síntesis de productos complejos
tales como - El ácido maleico (intermediario en la síntesis de
tintes y otros compuestos) - Los benzaldehídos (de utilidad en la fabricación
de plásticos). - Otros compuestos quirales fabricados
biotecnológicamente son - El aspartamo (edulcorante)
- El ácido eritórbico (antioxidante).
- Diversos aminoádicos como la L-lisina, utilizados
como complemento nutricional en piensos.
6Los productos de la Biotecnología
Industrial Enzimas.
Los enzimas se han convertido en uno de los
productos principales de la biotecnología
industrial, existiendo empresas que se dedican
exclusivamente a su producción y
comercialización. Los enzimas - o las enzimas -
son compuestos de naturaleza proteica
responsables de la biocatálisis. Gracias a ellos,
reacciones bioquímicas que requerirían altas
temperaturas, exceso de sustratos ó presencia de
solventes complejos se llevan a cabo a
temperaturas cercanas a la ambiental (entre 25º C
y 42º C en función del enzima y la aplicación),
en medios acuosos, normalmente no tóxicos y de un
modo sumamente específico y selectivo. Su uso
industrial comenzó en la década de los 80, cuando
se introdujeron como agentes blanqueantes y
desengrasantes en los detergentes, lo que
contribuyó a la reducción de la cantidad de
surfactantes artificiales, muy dañinos para el
medio ambiente.
7Los productos de la Biotecnología
Industrial Enzimas.
- Hoy existen más de 150 enzimas de uso comercial.
Sus aplicaciones cubren casi todos los sectores
de la industria, desde - El alimentario pectinasas para eliminar la pulpa
de los zumos, transaminasas como agentes
compactantes en procesado de carnes, amilasas
como mejorantes de masa panaria, ?-galactosidasas
para obtención de productos lácteos
deslactosados, y un largísimo etcétera. - El textil (celulasas como sustitutos del lavado
a la piedra, lacasas y catalasa para procesos
de blanqueado, pectinasas para pretratamiento del
algodón, proteasas para curtido de pieles),
pasando por la elaboración de papel (lacasas y
xilanasas para el blanqueado). - Obtener y purificar los enzimas de interés de los
organismos que los poseen, se han desarrollado
microorganismos modificados genéticamente que
pueden producir y excretar enzimas a unos ritmos
tales que su producción se ha abaratado muchísimo
en los últimos años. Dado que en la actualidad
conocemos más de 3000 enzimas diferentes, el
campo de desarrollo de la biocatálisis a nivel
industrial está, sin lugar a dudas, abierto. - Pero aún más apasionante las modernas técnicas
de ingeniería bioquímica permiten diseñar enzimas
a la carta, con mayor actividad que los
naturales, ó con capacidad para degradar nuevos
sustratos ó generar nuevos productos no
naturales.
8Los productos de la Biotecnología
Industrial Biocombustibles
- Los llamados biocombustibles ó biocarburantes
son, junto con los enzimas, las grandes estrellas
de la Biotecnología Industrial. Un biocombustible
es un combustible para motores de explosión, que
se elabora a partir de materia prima de origen
biológico (principalmente vegetal). - Actualmente existen dos biocombustibles en el
mercado el bioetanol (empleado para motores de
gasolina) y el biodiesel (para motores Diesel). - Los biocombustbles actuales, llamados de primera
generación, presentan el inconveniente de que, al
emplear semillas cultivadas como materia prima,
su fabricación requiere el uso de fertilizantes,
pesticidas y maquinaria agrícola, lo que a su vez
provoca emisiones de GEI, disminuyendo el balance
neto de ahorro respecto de los combustibles
tradicionales.
9Los productos de la Biotecnología
Industrial Biocombustibles
- Biocombustibles de segunda generación. Estos se
obtienen a partir de residuos agrarios,
forestales e industriales, empleando tecnologías
más efectivas y limpias para su fabricación. La
gran ventaja de esta nueva generación de
biocarburantes es que se aprovecha íntegramente
la biomasa, eliminando la necesidad de cultivar
ciertos tipos de plantas, lo que evita problemas
de competencia en el uso de la tierra respecto de
cosechas para fines alimentarios. - Los proyectos más vanguardistas incluso se
plantean utilizar residuos urbanos como fuente de
carbono. Esto aumentará el ahorro neto de
emisiones respecto de los combustibles
convencionales a más de un 90, además de reducir
los costes de elaboración, haciendo al producto
más competitivo. Se espera que para el año 2012
la de obtención de bioetanol a partir de material
lignocelulósico (basada en una combinación de
enzimas optimizados y microorganismos modificados
genéticamente) sea ya una realidad a escala
industrial. - Del mismo modo, también existen nuevas
tecnologías para la fabricación de biodiesel a
partir de fuentes alternativas de carbono, como
glicerina (subproducto a su vez de la actual
industria del biodiesel), ó biomasa de distintos
tipos, además de incorporar enzimas para el
proceso de esterificación, y otras alternativas
para evitar la utilización de metanol. - Más allá de la automoción, el biogás
(hidrocarburos gasificados procedentes de la
descomposición de materia orgánica de origen
biológico), se perfila como uno de los
combustibles para calefacción del futuro, además
de otras propuestas, como el biobutanol (obtenido
por fermentación de carbohidratos). También la
biomasa de diversos orígenes, convenientemente
triturada y seca, constituye un excelente
combustible para hogares e industrias, y ya hay
factorías que se nutren de ella para su
funcionamiento.
10Los productos de la Biotecnología
Industrial Biomateriales
- Los materiales sintetizados a partir de material
biológico, ó utilizando metodologías basadas en
sistemas biológicos (los llamados
biomateriales) son tal vez los productos más
novedosos de la Biotecnología Industrial, y donde
existe más campo abierto para la investigación y
la experimentación. - Se trata de materiales aptos para diversas
aplicaciones (desde construcción a juguetería)
que pueden sustituir a los plásticos y otros
materiales derivados del petróleo, manteniendo, y
a menudo mejorando, sus características y
prestaciones. Los biomateriales más desarrollados
hasta el momento son polímeros producidos por
microorganismos ó plantas ó derivados de éstos,
como alternativa a los plásticos.
11Los productos de la Biotecnología
Industrial Biomateriales
- Sus propiedades son similares a las de los
plásticos convencionales (poliésteres, propilenos
o gomas), con la ventaja de que son totalmente
biodegradables, pues pueden ser fácilmente
descompuestos por bacterias tanto en el suelo
como en el agua. Además, en su fabricación se
ahorran hasta un 80 de las emisiones de gases
tóxicos. - Ejemplos de estos bioplásticos son los
fabricados a base de almidón (generalmente de
maíz), ó el polihidroxibutirato, sintetizado por
ciertas bacterias a partir de glucosa. Otra
aproximación consiste en sintetizar los monómeros
mediante procesos biológicos, para luego obtener
el polímero, como en el caso del ácido
hidroxipropanoico y el ácido poliláctico, del que
se obtiene una fibra que ya se utiliza
industrialmente en procesos tan diferentes como
la elaboración de envases ó la fabricación de
automóviles. Otro bioplástico de notable éxito
comercial es un polímero derivado del
1,3-propanodiol, cuyo monómero se obtiene por
biotransformación del almidón mediante bacterias
genéticamente modificadas. - Más allá de los bioplásticos, la biotecnología
nos ofrecerá, dentro de pocos años, una serie de
materiales de características y prestaciones
mucho más avanzadas que los materiales que
conocemos hoy. - Las fibras textiles a base de seda de araña ya
son una realidad en los laboratorios de más de
una empresa de base biotecnológica. La seda de
araña es uno de los materiales más resistentes,
flexibles y ligeros que se conocen. Existen
gusanos de seda transgénicos cuya seda se asemeja
a la de la araña, e incluso cabras que producen
la proteína de esta seda en su leche
12Impacto económico de la Biotecnología Industrial.
- Ni que decir tiene que la Biotecnología
Industrial está ejerciendo un impacto creciente
en muchos sectores industriales, y se prevé que
en el futuro este impacto sea sumamente mayor. - Para hacernos una idea de la incidencia en el
mercado de los productos biotecnológicos, podemos
dar algunas cifras. - El valor añadido bruto de la producción y
aplicaciones industriales de los enzimas ascendió
en 2005 a 685 millones de euros, sólo en la Unión
Europea (Europa es líder mundial en la producción
de enzimas de uso industrial, con casi un 80 de
la producción total). - La producción de compuestos químicos derivados de
la biotecnología en 2002 fue de más de 2,7
millones de toneladas. En 2005 el valor de
mercado de estos compuestos se cifró en 50.000
millones de Euros (ME), lo que equivale a un 7
de la producción total, y se espera que en 2010
supere los 80.000 ME (el 10 de la producción). - Los biocombustibles, sector que se encuentra en
su edad de oro en 2002, el bioetanol (cuya
producción es muy mayoritaria frente al
biodiesel) alcanzó una producción de 26 millones
de toneladas, y el valor de mercado de
biocombustibles en 2005 era de 14.000 ME. Y esto
es sólo el comienzo. Las reglamentaciones
previstas, establecen valores mínimos de empleo
de biocombustibles (en la UE se espera una
sustitución del 10 del total de combustibles en
2020) - Los bioplásticos, aún siendo un sector poco
maduro, tampoco se quedan atrás. Actualmente se
producen 10.0000 toneladas anuales de acrilamida
empleando catálisis enzimática en lugar de
química, 28.8000 toneladas de ácido poli-láctico
y unas 90.000 toneladas de polímeros derivados
del 1,3-propanodiol.
13Futuro y retos de la Biotecnología Industrial
- Si bien es cierto que todos los aspectos
comentados hacen prever un futuro floreciente
para la Biotecnología Industrial, no hay que
olvidar que se trata de una tecnología
relativamente joven que tiene que competir con un
modelo industrial basado en el petróleo, que ha
tenido casi un siglo de evolución y mejora. - De hecho, la fabricación de biocombustibles ó
bioplásticos no es, hoy por hoy, un proceso
barato en comparación con su equivalente
petroquímico. Los progresos en ciencia y
tecnología irán aportando soluciones a los
problemas técnicos existentes, además de
descubrir nuevas aplicaciones industriales para
los procesos biológicos. Por lo tanto, para
garantizar el éxito de la Biotecnología
Industrial es fundamental una apuesta decidida
por la ID. - Por otra parte, e independientemente de estas
medidas, existen también otros factores de los
que dependerá la plena expansión de los procesos
industriales basados en biotecnología, que se
comentan a continuación - - Coste de las materias primas.
- - Coste de fabricación.
- - Generación de residuos.
- - Aceptación por el consumidor.