Environmentally Friendly Syntheses of Viagra and a Chiral Glutarate Intermediate

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I 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
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La 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.

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Beneficios 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

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Los 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.

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Los 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.

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Los 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.
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Los 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.

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Los 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.

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Los 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.

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Los 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.

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Los 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

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Impacto 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.

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Futuro 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.