Processo de Produção de Xarope de Milho

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MgSO4
Alcalino
19.1 Projeto de Processos Enzimáticos: Xarope de Milho Rico em Frutose (HFCS)
tratamento
Figura 19.1 Esquema do processo da glicose isomerase (Crueger, 1989).
Concentração
Misturador
processo
Carvão
hidrólise
Misturador
De
G + E ÿ EX ÿ E + F
(19.2)
Como a isomerização da glicose e da frutose é reversível, a cinética da reação pode ser 
representada pela Eq. (19.1) (G = glicose; E = enzima, F = frutose).
r = vmax · [E] · ([G] – [G]*)/{KM,S + ([G] – [G]*)}
[E] = concentração do organismo [kg biomassa seca m–3].
A grande escala de produção de HFCS exige baixos custos de fabricação e, portanto, um 
processamento muito eficiente. Por esta razão, investigaremos com mais profundidade a 
opção de processo comum para a reação catalisada por GI ao HFCS, o reator de leito 
empacotado de fluxo tampão (Roels, 1979).
Conseqüentemente, a expressão da taxa, uma equação padrão de Michaelis-Menten, deve 
ser baseada não na concentração global de glicose [G], mas na diferença na concentração 
da concentração de equilíbrio de glicose [G]*, ambas em mol m– 3 :
[mol (kg biomassa seca) –1s –1]
(19.1)
Os símbolos restantes são: r = 
taxa de reação da glicose em frutose [mol m–3 s–1] vmax = taxa 
específica máxima de formação de frutose
541
19.1.2
Modelo Matemático para Descrição da Cinética Enzimática da Glicose Isomerase (GI)
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kÿ = {k2 (K* + 1) · [E] · [Eintr]}/{K* [(1 + K* · (KM,G/ KM,S)) · [G]* + KM,G ]} (19.4)
=
ÿ
Supõe-se que a desativação da enzima ocorre de acordo com a cinética de primeira 
ordem (Eq. (19.7)).
comprimento estatístico, ou seja, r/3 para uma esfera.
(19,5)
O efeito dos parâmetros operacionais em kÿ e kd pode ser capturado com um Arrhenius
A Figura 19.2 representa o balanço de massa para o reator de leito fixo (Eq. (19.10)), com
constante; [Eintr] é a concentração intrínseca da enzima [mol (kg de biomassa seca) –1], e
representa o módulo de Thiele adimensional, e L é a característica
) – 1/
ÿ
(1 –
cinética de primeira ordem pode ser assumida e a Eq. (19.2) pode ser simplificado para a Eq. (19.3),
· bronzeado ÿ
geometria na Eq. (19.6) (que é idêntica à Eq. (5.59) no Capítulo 5), onde L · (kÿ/
Deff)
kd = kd,0 · exp (–ÿHd /RT)
) A · kÿ ([G] – [G]*) dh
r = kÿ · ([G] – [G]*)
ÿ
= 3/(
k = k0 · exp (– kd · t)
(19,9)
= porosidade do leito fixo [–], A = área do leito fixo [m2 ] e h =
(19.10)
A solução para a Eq. (19.10) é fornecido pela Eq. (19.11) com as duas condições de 
contorno listadas abaixo ([G]0 = entrada e [G]f = concentração de glicose na saída, ambas em
(19.3)
ÿ
ÿ
(19.7)
os parâmetros 
altura do leito fixo [m].
mol m-3 ).
Entretanto, como KM,S é em torno de 5.000 mol m–3, a diferença ([G] – [G]*) comumente
K* é a constante de equilíbrio.
ÿ
Como kÿ depende de [G]* e, portanto, também de [G]0 , kÿ não pode representar uma verdadeira cinética
equação cada (Eqs. (19.8) e (19.9)).
(19.6)
(19,8)
F · d[G] = – ÿ
situa-se entre apenas 3.000 mol m–3 (entrada da coluna) e 20 mol m–3 (saída da coluna),
Do Capítulo 5, Seção 5.5.2, lembramos a definição do fator de efetividade interno 
((Eq. (19.5)), com a solução para cinética de primeira ordem e esférica.
ÿ
onde kÿ é uma constante de taxa de pseudo primeira ordem dada pela Eq. (19.4).
19 Projeto de Processos Biocatalíticos
ÿ
kÿ = k0 ÿ · exp (–ÿHÿ/RT)
542
1/2
taxa de reação levando em consideração os efeitos de difusão interna
taxa de reação intrínseca sem efeitos difusionais
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ÿ
Em pH 7,5, com [G] = 3 m e adições de 3 mm de MgSO4 e 100 ppm de SO2 como ativadores, 
Eq. (19.11) foi validado experimentalmente em Gist – Brocades com Maxa-zymeÿ, o GI de 
Gist – Brocades. Foram realizadas execuções com fluxo constante de substrato em vários 
graus de conversão (política de fluxo constante), bem como execuções com conversão 
constante, mas fluxo de substrato variável (política de conversão constante). A temperatura 
variou entre 55 °C e 75 °C, e 65 °C foi escolhido como temperatura de referência para a 
maioria dos pontos de dados. Os dados obtidos com ajuste de curva multivariada por 
regressão não linear estão listados na Tabela 19.1
A equação (19.11) contém uma série de suposições: a 
transferência externa de massa pode ser 
desprezada; o xarope de glicose flui através da coluna em uma configuração 
de fluxo tampão; a pseudo-estacionariedade em relação a kÿ em função de t é 
assumida, ou seja, kÿ é assumido como constante durante um tempo de residência 
na coluna. (Como kd apresenta uma escala de tempo de cerca de 100 dias em 
comparação com um tempo de residência de 1 h, esta suposição é justificada.)
) A · kÿ · H/ln {([G]0 – [G]*)/([G]f – [G]*)} (1 –
Condição limite 1:
F =
Condição limite 2:
ÿ (19.11)
[G] = [G]0 em h = 0 e
[G] = [G]f em h = H
Figura 19.2 Modelo para isomerização em leito fixo 
(Roels, 1979).
19.1 Projeto de Processos Enzimáticos: Xarope de Milho Rico em Frutose (HFCS)543
19.1.3
Avaliação do Modelo da Reação GI no Reator de Leito Fixo
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0,6
Parâmetro
K*
1,51 × 1030 exp (- 24 400/T)
eu milímetros
'
3,0 × 10–3
4,83 × 109 exp (- 9500/T)
6,7 × 10–11
kJmol–179
kJmol-1203
ÿHÿ
28,8 · exp (–1100/TR) (–)
UnidadesValor
ÿHd
544 19 Projeto de Processos Biocatalíticos
Tabela 19.1 Dados de validação para modelo de reação GI.
Figura 19.3 Relação entre vazão inicial e temperatura em leito fixo (Roels, 1979).
m2 s–1
k0,T
k0,65ÿ
s-1
kd
s-1
Desfavorável
d-1
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A Figura 19.3 demonstra o gráfico de Arrhenius, normalizado para T = 65 °C. A 
curva não é uma linha reta, portanto a equação de Arrhenius não é válida. Na 
Figura 19.4, pode-se discernir que o gradiente do gráfico de Arrhenius no presente 
caso é cerca de metade do valor em alta temperatura e em baixa temperatura e 
metade no caso de enzima homogênea solúvel. Como se sabe que ocorre uma 
diminuição na energia de ativação aparente no caso de fortes limitações 
difusionais, pode-se supor que, no presente caso, a alta temperatura, a reação 
enzimática é retardada pela difusão do substrato ou produto.
O presente modelo permite a determinação da vazão em conversão constante 
e do tempo de operação em um reator de leito fixo. Na Figura 19.5 pode-se 
observar que a curva de desativação realmente medida está localizada entre o valor exponencial assumido
545
Figura 19.4 Gráfico característico de Arrhenius da vazão inicial do leito fixo (Roels, 1979).
19.1 Projeto de Processos Enzimáticos: Xarope de Milho Rico em Frutose (HFCS)
Figura 19.5 Diminuição na vazão de leito fixo em conversão constante (Roels, 1979).
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Figura 19.6 Gráfico característico de Arrhenius 
de meia-vida em conversão constante (Roels, 1979).
Figura 19.7 Relação teórica entre meia-vida de atividade da enzima livre e imobilizada (Roels, 
1979).
546 19 Projeto de Processos Biocatalíticos
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AH (3 tanh 3)/ [G]*)]}d) t[G]*)/([G]Em[([G](1 eu( ) { ponto D
t
0
2
ef
t
f0
0
19.1.4
Produtividade de um reator enzimático de leito fixo
0
0
2
1/2
o tempo se comporta conforme descrito pela Eq. (19.13), onde a Eq. (19.14) vale para
entalpia de desativação como a enzima dissolvida em temperaturas ainda mais altas e
pelo qual a dependência da temperatura aumenta a estabilidade operacional no caso
Inicialmente, ou seja, em módulos de Thiele baixos, o gráfico de Arrhenius na Figura 19.6 é linear
Das Eqs. (19.11), (19.12) e (19.14) Eq. (19.16) segue para a Eq. (19.12).
ÿ
As equações (19.13) e (19.7) produzem a Eq. (19h15).
o caso da enzima livre (veja a discussão no Capítulo 5, Seção 5.6.3).
ÿ
ÿ
enzima imobilizada; em contraste, a suposição de uma desativação linear subestima a meia-
vida.
pelas propriedades de transferência de massa de um imobilizado. A Figura 19.7 revela o fator
(19.12)
0 .
ÿÿ
com uma inclinação igual à entalpia de desativação da enzima livre dissolvida. No
Para a integração, a Eq. (19.16) tem que ser simplificado. Com a Eq. (19.17), Eq. (19.13)
=
de enzima imobilizada.
F(t) é calculado de acordo com a Eq. (19.11), os valores de kÿ em função do tempo de 
operação de acordo com a Eq. (19.7) e o fator de efetividade conforme Eq. (19.6).
(19.14)
(19h15)
(19.16)
temperaturas mais altas, a inclinação diminui, apenas para adotar o mesmo valor para o
Como são assumidas fortes limitações de difusão, o módulo de Thiele em função de
· exp (– ½ kd · t)
desativação ao longo do tempo e uma desativação linearmente decrescente. A suposição de
Do parágrafo anterior pode-se discernir que a meia-vida de um biocatalisador
ÿ
portanto, também em módulos de Thiele altos. No entanto, a meia-vida é agora duas vezes maior que em
A produtividade p de um catalisador enzimático é a quantidade total de xarope de glicose 
convertida durante a vida útil desse catalisador. É calculado de acordo com a Eq. (19.12).
= L · (k0 ÿ/Deff)
pode ser transformado na Eq. (19.18).
ÿ
kÿ = k0 ÿ (/ 0 )
é determinado não apenas pelas propriedades de desativação da enzima livre, mas também
uma desativação exponencial superestima a meia-vida realmente determinada do
(19.13)
19.1 Projeto de Processos Enzimáticos: Xarope de Milho Rico em Frutose (HFCS)
ÿ ÿÿ
( )d( ) pt Ft t
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548
0
ÿ
ÿ
ÿÿ ÿ ÿÿÿ
ÿeÿÿ
) = {–6 Deff (1 –p ( ]} · {ln [(sinh) A · H/[kd · L )/
H (1/tanh) ]}d{ 6 (1 p DA ( ) k eu
a produtividade arbitrariamente longa é mais alta na temperatura mais baixa possível. No
dt/d= –2/(kd ·
se os custos operacionais de uma coluna, bem como os custos da enzima imobilizada
Com a ajuda da Eq. (19.20) as produtividades podem ser calculadas em função da 
temperatura operacional (ver Figuras 19.8 e 19.9). A Figura 19.8 demonstra que em um
a temperatura de produção é mais alta do que com menor demanda. A partir da Figura 
19.9 fica evidente como os tempos e temperaturas operacionais ideais podem ser estimados
ÿ
Na rotina diária de produção, tanto os custos com enzimas quanto os custos operacionais 
desempenham papéis decisivos. Além disso, é provável que a quantidade de produção seja 
adaptada à procura da carga do produto, aqui HFCS, de modo que, em caso de elevada procura, o produto ideal
ÿ
maior a 60 °C do que a 65 °C.
ÿ
qual Eq. (19.20) é a solução.
(19.18)
a 65°C. Num tempo de produção possível de 50 dias, a produtividade máxima é de 30%
dt = (dt/ d ) · d (19.17)
]} (19.20)
Com as Eqs. (19.17) e (19.18), Eq. (19.16) pode ser transformada na Eq. (19.19), para
descarte, a produtividade máxima é alcançada a 55 °C e é duas vezes maior que
)
50 °C é sete vezes maior do que a 65 °C. Se alguém tiver apenas 100 dias
ÿ
(19.19)
Figura 19.8 Produtividade versus tempo de operação em diferentes temperaturas de operação (Roels, 1979).
19 Projeto de Processos Biocatalíticos
2
0 ] – ln [(sinh 0 )/
2
1)/[ def
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549
já foram discutidos no Capítulo 5. Como no caso da imobilização, a retenção do catalisador 
por uma membrana melhora enormemente a produtividade do biocatalisador, uma característica
são conhecidos. Se forem conhecidos valores realistas para ambos, os custos de produção de HFCS
pode ser otimizado. O gráfico revela prontamente que uma temperatura variável aumentando
importante em escala de processamento, mas geralmente não em escala laboratorial.
com desativação produz melhores resultados do que uma temperatura constante.
Os métodos para retenção de (bio)catalisador incluem: (i) heterogeneização em suportes;
(ii) recuperação através de mudança de fase, tal como precipitação ou extração do catalisador; 
e (iii) filtração por membrana de um catalisador homogêneo. Todos os métodos, em princípio, 
permitem o uso repetido de um catalisador quiral sem muita perda de atividade ou seletividade. 
Numa revisão recente (Kragl, 2001), são dados exemplos de laboratório e
Na seção anterior, analisamos um processo enzimático imobilizado e calculamos alguns 
parâmetros importantes, como a produtividade. Nesta seção, investigamos outra configuração 
de processo para retenção de biocatalisadores, o reator de membrana. As vantagens e 
desvantagens da imobilização e retenção da membrana
em diferentes temperaturas de operação (Roels, 1979).
19.2 Processamento de Produtos Químicos Finos ou Intermediários Farmacêuticos em um Reator de Membrana Enzimática
Figura 19.9 Gráfico qualitativo das contribuições de custos para a produção de HFCS
Processamento de produtos químicos finos ou intermediários farmacêuticos em um
19.2.1
19.2
Reator de membrana enzimática
Introdução
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O reator de membrana enzimática (EMR) é um modo estabelecido para a execução de 
processos biocatalíticos contínuos, variando de unidades laboratoriais de 3 mL de 
volume, passando por unidades de escala piloto (0,5–500 L), até unidades industriais em 
grande escala de vários metros cúbicos de volume e capacidades de produção de 
centenas de toneladas por ano (Woltinger, 2001; Bommarius, 1996). O conceito análogo 
de reator de membrana quimiozima (CMR), discutido no Capítulo 18, Seção 18.4.5, baseia-
se nos mesmos princípios do EMR, mas ainda é muito menos desenvolvido.
Calcularemos o desempenho do reator em si, bem como a produtividade ao longo do 
tempo; veremos que a produtividade é influenciada tanto pela retenção do catalisador 
enzimático quanto pelo seu comportamento de desativação. No esquema de um reator de membrana enzimática
processos industriais, incluindo hidrogenações, reduções de cetonas, epoxidações, 
diidroxilações, adições de dietilzinco e reações de Diels-Alder catalisadas por quimio ou 
biocatalisadores. Os dados de alguns processos industriais incluem a produção de 
metalocloro e a produção de (–)-mentol.
Nesta seção, desenvolvemos conceitos abordados em vários capítulos anteriores; os 
reatores de membrana foram discutidos no Capítulo 5 e a filtração por membrana foi 
abordada no Capítulo 8, Seção8.5.1. Uma configuração típica de reator de membrana é 
representada na Figura 19.10, compreendendo uma bomba trabalhando no reator de 
membrana, unidades de pré-filtragem, o próprio reator de membrana, muitas vezes um 
reator de reciclagem com uma bomba separada, e a própria unidade de membrana. As 
unidades de membrana de fibra oca são as mais comuns, pois permitem a filtração 
tangencial minimizando a polarização da concentração (Cap. 8, Seção 8.5.1.) e uma configuração que economiza espaço.
Figura 19.10 Esquema de um reator enzimático de membrana (Leuchtenberger, 1984).
19 Projeto de Processos Biocatalíticos550
Determinação dos Parâmetros do Processo de um Reator de Membrana
19.2.2
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a taxa de diminuição é dada pela Eq. (19.21).
(19.22)
ln (Et / E0 ) = –(1 – R)(t/ )
ÿ
) · (1 – R) · E
ÿ
com resultados do parâmetro (t/ ).
que exp (–x) ÿ 1 – x e, portanto, a Eq. (19.28), de modo que resulta um comportamento linear 
ao longo do tempo.
–V · (dE/dt) = J · Am · Ef
ÿ
(19h25)
(Et / E0 ) = exp –(t/ )
(19.28)
Ao observar um declínio na atividade enzimática no reator, assume-se a desativação da 
enzima. Se este fenômeno de desativação for modelado de acordo com
concentração de enzima E no reator a qualquer momento pode ser diminuída por vazamento
–V · (dE/dt) = (V/
Inserindo as Eqs, (19.21) e (19.22) na Eq. (19.23) produz a Eq. (19.24), que após
ÿ
pode ser ex-
(19.26)
(19.27)
Eq. (19.29) [que é equivalente ao Capítulo 2, Eq. (19.19) e Capítulo 5, Eq. (5.74)],
Ef = (1 – R) E
ln (Et / E0 ) = –(1 – R)(t – t0 )/
Se a enzima vazar fortemente através da membrana, ou seja, valores baixos de R (R ÿ 0),
No caso de retenção muito boa da enzima, R ÿ 1; assim x = (1 – R)(t/ ) ÿ 0, então ÿ
= V/Q = V/(J · Am)
Como muitas vezes acontece que t0 = 0, a Eq. (19.25) é reduzido à Eq. (19.26).
Se apenas o vazamento através da membrana puder diminuir a concentração da enzima, o
Eq. (19.26) torna-se a Eq. (19,27); em outras palavras, uma função exponencial negativa
(Et / E0 ) = 1 – (t/ )
(EMR) na Figura 19.10, o solvente (geralmente água) com fluxo J passa através do
(19.21)
(19.24)
ÿ
(19.23)
ÿ
ÿ
ÿ
ÿ
então kd,obs pode ser identificado com a Eq. (19.26), conforme Eq. (19h30) afirma.
membrana de área Am após um tempo de residência no reator de volume V; o ativo
A concentração da enzima Ef no filtrado e o tempo de residência apresentados 
como Eqs. (19,22) e (19,23) respectivamente.
integração do tempo t0 a t e concentração de enzima E0 a Et produz a Eq. (19h25).
através da membrana e pode então ser encontrado no filtrado com concentração Ef .
19.2 Processamento de Produtos Químicos Finos ou Intermediários Farmacêuticos em um Reator de Membrana Enzimática
19.2.2.1 Caso 1: Vazamento pela Membrana, sem Desativação
551
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–V · (dE/dt) = (V/
ÿ
ÿ
e Eq. (19h30) é recuperado.
)} {1 – exp(–kd · t)}
Pode-se presumir que a fluidez permanece constante ao aumentar a escala de um sistema 
enzima-substrato, desde que soluções de composição idêntica sejam usadas para o modelo 
em escala de laboratório e para o projeto da planta em tamanho real. Aplicação do critério 
de projeto na Eq. (19.36) assume operação no regime linear de pressão transmembrana ÿP 
até cerca de 1–2 bar, conforme descrito no Capítulo, Seção 8.5.1, Eq. (8.78), de modo que
(19.31)
(19.32)
ÿ
19.2.2.3 Critério de projeto para EMRs 
Sob certas condições, a ampliação de reatores de membrana é simples. Desde que (i) o 
conteúdo do reator esteja bem misturado para que o reator seja operado como CSTR, e que 
(ii) a membrana esteja configurada para filtração no modo tangencial, o critério de projeto 
pertinente, além do tempo de residência constante no reator, é a fluidez constante F da 
solução substrato/produto através da membrana em todas as escalas do reator. A fluidez é 
definida pela Eq. (19.36) (V = volume ultrafiltrado, ÿP = pressão transmembrana, t = tempo 
de filtração e A = área da membrana).
(19.29)
Et /E0 = 1 – {(1 – R)/(kd ·
Se agora a Eq. (19.34) é comparado com a Eq. (19.29), kobs não pode mais ser expresso em 
termos simples de R, kd e. Somente se kd e kd,obs forem pequenos, kd,obs poderá ser 
identificado com a Eq. (19h35).
kd,obs = (1 – R) kd /(kd ·
ÿ
ÿ
(19.33)
) = (1 – R)/
(19.36)
19.2.2.2 Caso 2: Vazamento através da membrana e desativação da enzima Se 
assumirmos agora que a enzima é desativada de acordo com a lei da taxa de primeira 
ordem, ln (Et / E0 ) = –kd · t e permeia a membrana de modo que a retenção é (1 – R), Eq. 
(19.24) é modificado para fornecer a Eq. (19.31), que após integração do tempo 0 a t e 
concentração de enzima E0 a Et (Eq. (1932)) produz a Eq. (19.33) ou, mediante rearranjo, 
Eq. (19.34).
(19.34)
(19h35)
ln (Et / E0 ) = –kd,obs · t
ÿ
)} {1 – exp(–kd · t)}
) · (1 – R) · E0 · exp (–kd · t)
ÿ
ÿ
F = V/(ÿP · t · A) [L (barra h m2 ) –1]
kd,obs = (1 – R)/
(Et – E0 ) = {E0 (1 – R)/(kd ·
(19h30)
19 Projeto de Processos Biocatalíticos
t
ÿ
552
E
E 0
E RE d{ ( 0 1 )/} exp( ) d k tt d
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A acilase (acilase I; aminoacilase; N-acetil aminoácido amidohidrolase; EC 3.5.1.14), 
é uma das enzimas mais conhecidas no que diz respeito à especificidade do substrato 
(Chenault, 1989) ou uso em reatores imobilizados (Takahashi, 1989) ou de membrana. 
(Wandrey, 1977, 1979; Leuchtenberger, 1984; Bommarius, 1992a) está preocupado; 
entretanto, seu mecanismo exato ou estrutura 3D ainda não é conhecido (Gentzen, 
1979; 1980). A acilase está disponível em grandes quantidades em escala de processo 
a partir de duas fontes: rim suíno e o fungo Aspergillus oryzae.
([E] · t)/[S0 ] = x/r(x)
A resolução catalisada por acilase de N-acetil-d,l-aminoácidos para obter l-
aminoácidos enantiomericamente puros (ver Capítulo 7, Seção 7.2.1) foi ampliada 
para o nível de centenas de toneladas. Para o reator de enzima imobilizada (Takeda, 
1969), bem como para a tecnologia de reator de membrana enzimática (Degussa, 
1980), o processo de acilase foi o primeiro a ser ampliado para níveis industriais. 
Comercialmente, a acilase possui ampla especificidade de substrato e estabilidade 
suficiente durante o armazenamento e a operação. O processo está totalmente 
desenvolvido e permitiu grande penetração no mercado para seus produtos, principalmente l-metionina e l-valina de qualidade farmacêutica.
Como em todos os processos catalíticos, a estabilidade do catalisador é uma 
característica essencial. Nós investigamos a estabilidade da acilase em condições 
pertinentes para processos em larga escala. Em vez de apenas determinar a 
estabilidade térmica, o que pode ser feito medindo a estabilidade de armazenamento 
da enzima em condições particulares de temperatura e pH, também determinamos a 
estabilidade operacional. O parâmetro relevante para estudos de estabilidade 
operacional de enzimas é o produto da concentração da enzimaativa [E] e do tempo 
de residência t, [E] · t. Para um CSTR, as quantidades [E] e t estão ligadas pela Eq. 
(19.37), onde [S0 ] = concentração inicial de substrato, x = grau de conversão e r(x) = taxa de reação (Wandrey, 1977; Bommarius, 1992b).
a relação volume-superfície V/A deve ser mantida constante. A validade da fluidez F 
como critério de projeto apropriado foi verificada durante a operação em seis ordens 
de grandeza, para volumes de reatores variando de 10 mL em escala de laboratório, 
através de modelos em escala piloto entre 300 cm2 e 0,5 m2, até reatores em escala 
de produção . com volume de vários metros cúbicos e área de membrana superior a 
100 m2 (Bommarius, 1996).
(19.37)
Na escala piloto e na planta completa, o reator geralmente é operado adequadamente 
porque foi bem estudado e projetado em laboratório. Contudo, a maior quantidade de 
capital é investida não na parte a montante do reator, mas na parte a jusante, em 
colunas de cromatografia, cristalizadores e secadores. Embora o estudo destas 
operações unitárias deva ser proporcional à sua importância, isto muitas vezes não é 
suficientemente levado em conta.
19.2 Processamento de Produtos Químicos Finos ou Intermediários Farmacêuticos em um Reator de Membrana Enzimática
19.2.3
19.2.3.1 L-Aminoácidos Enantiomericamente Puros para Soluções de Infusão e como
Aplicações em larga escala de reatores de membrana
Blocos de construção para novos medicamentos
553
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19.2.3.2 Reatores de membrana aquoso-orgânicos
19.2.3.3 Outros Processos em Reatores de Membrana Enzimática
19 Projeto de Processos Biocatalíticos554
aproveitando as propriedades de compartimentalização da membrana para criar dois 
ambientes aquosos no sistema do reator. Um ambiente foi mantido em condições ótimas 
para a enzima (pH baixo para minimizar o envenenamento)
Um reator de membrana enzimática permite a produção contínua de l-eritrulose 
catalisada por transcetolase a partir de hidroxipiruvato e glicolaldeído com alta
presença da aldolase do ácido N-acetilneuramínico para dar NANA. Alimentação de
substrato, como ésteres de ácidos propanóicos racêmicos, com uma enzima imobilizada,
(Schmidt, 1992).
1997).
ÿ
solubilidade aquosa do substrato éster tornou o substrato mais disponível para
de 45 g (L d) –1, superando melhor a desativação da transcetolase por substratos
ser ideal com conversão de 86% (Kragl, 1995).
contator, separador de fase e catalisador interfacial (McConville, 1990). Tal reator foi 
utilizado pela Sepracor (Marlborough/MA, EUA) para contatar
reator obteve o maior número de rotatividade total (TTN: 860.000) (Seelbach,
(Bongs, 1997).
O maior rendimento espaço-tempo (120 g L –1d –1) foi alcançado em um processo contínuo
reator de membrana por aminação redutiva enzimática do -cetoácido com d-lactato 
desidrogenase acoplada à formato desidrogenase (FDH) para regeneração de NADH. 
Os dados de desempenho do reator correspondem a um modelo de reator cinético
foi reagido a 20-22°C em tampão fosfato 0,2 m, pH 7,0, e deu uma conversão
como a lipase de Candida rugosa, para produzir ácido 2-cloropropanóico, naproxeno,
O ácido N-acetilneuramínico (NANA) é produzido em escala de quilograma em uma enzima
Otimização de uma reação enzimática contínua produzindo (R)-fenilacetilcarbinol
ou ibuprofeno (Matson, 1989). Melhorias significativas no processo foram realizadas por
reator de membrana usando N-acetilglucosamina 2-epimerase para converter N-acetil-
glucosamina em N-acetilmanosamina, que reage com ácido pirúvico em
Uma variedade de processos foram desenvolvidos em um sistema de reator de membrana 
enzimática. A Tabela 19.2 lista uma seleção de tais desenvolvimentos:
(PAC), um intermediário l-efedrina (Capítulo 7, Seção 7.5.2), de acetaldeído e benzaldeído 
com PDC de Zymomonas mobilis demonstrou que
a enzima imobilizada, reduzindo assim as limitações difusionais. Este sistema tem
e outro para o substrato (pH alto para retirar o produto). Aumentando o
Descobriu-se que N-acetilmanosamina (300 nm) com um excesso duplo de piruvato
conversão, pontos operacionais estáveis e boa produtividade (rendimento espaço-tempo)
reator de membrana enzimática operado para a oxidação catalisada por cloroperoxidase 
de indol em oxindol com H2O2 em t-BuOH aquoso , enquanto um reator de batelada alimentada
Em um reator bifásico de membrana de fibra oca, a membrana pode ser usada como fase
foi ampliado para o nível de tonelada. Por exemplo, sal de éster sulfometílico de ibuprofeno Na
O ácido (R)-2-Hidroxi-4-fenilbutírico foi produzido continuamente em uma enzima
de 39% e um excesso enantiomérico (ee) > 99%.
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sistema de reação com concentração equimolar de substrato foi mais eficiente
A síntese enzimática de 2-ceto-3-desoxi-d-glicero-d-galacto-nonopiranulosônico
ácido (KDN) a partir de d-manose e ácido pirúvico usando Neu5Ac-aldolase
foi ampliado para 100 g no modo de ultrafiltração em lote repetitivo e, 
alternativamente, para um reator de membrana enzimática (EMR) em escala piloto de 440 mL para contínuo
(Goetz, 2001).
conduzindo a reação com a enzima mutante PDCW392M de forma contínua
produção de KDN (Salagnad, 1997).
19.2 Processamento de Produtos Químicos Finos ou Intermediários Farmacêuticos em um Reator de Membrana Enzimática
Tabela 19.2 Seleção de processos desenvolvidos em um sistema de reator enzimático com membrana.
Nac-epimerase: N-acetilglucosamina 2-epimerase;
ácido -d-uridina difosfoglucurônico;UDPGA:
d-LDH: d-lactato desidrogenase;
dTDP: difosfato de desoxitimina;
PDC: piruvato descarboxilase; (R)-PAC: (R)-fenilacetilcarbinol;
FDH: formato desidrogenase.
KDN: ácido 2-ceto-3-desoxi-d-glicero-d-galacto-nonopiranulosônico;
NANA aldolase: aldolase do ácido N-acetilneuramínico;
ÿ
555
Ácido (R)-2-OH-4-
fenilbutírico
Schmidt, 
1992
220 mL, 3,1kg 165
Polifrutano 
(inulina)
(S)- 
narizes (
0,07
Volume, rendimento
10ml,
[S] = 50 mm 81
2.8
Reação
d-LDH/FDH
Goetz, 
2001
45
-transami-
Elling,
l-Eritrulose
carboligação
440 mL, x = 
0,75, oy = 75%
UDPGA
Bongos, 
1997
Nac-epimerase
hidrólise
aminação 
redutiva
W392M
2001
45
Reação aldólica Neu5Ac-aldolase
produtos
Aminotetralina
1995
Hike, 
1999
TTN ÿ 860 000 120
Formação 
de ligação C – C
CDP, mutante
Canela,
Pfaar, 
1999
Seelbach, 
1997
reação aldólica
núcleo. substan.: 
transferência de frutose
sacarose sintase nucl. substan.: 
transferência de glicose
Sakaki, 
2001
[S] = 50 mm
KDN
Chiqueiro [g (L d)–1]
NANA aldolase/
oxidação da cloroperoxidase
Lipase éster de naproxeno
(R)-1-
98
transcetolase
(R)-PAC
transaminação 39 mL, cy = 97%, [S] 
= 0,2 m
Enzima
Kragl, 
1995
NANA
frutosil-
transferase (FTF)
dTDP-glicose
Oxindol
-TA)
10ml
Salagnad, 
1997
375
-glucuronidase glucuronidase 100–200 mg
Referência
ÿ
ÿ
ÿ
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As aminas quirais, aqui (R)-1-aminotetralina, foram obtidas a partir de amina racêmica e
de sacarose e dTDP (Elling, 1995).
produtos farmacêuticos, agentes de proteção de cultivos e alimentos e nutracêuticos. Há um
solventes orgânicos, oucombinações dos mesmos.
118 horas (Pfaar, 1999).
As enzimas isoladas pertencem às configurações de catalisador conceitualmente mais fáceis. Deles
-TA) (Shin, 2001). Os substratos foram recirculados até que o valor ee excedesseÿ
rotas de processo de células inteiras, catalisadas enzimaticamente ou catalisadas homogeneamente;
os custos de execução do esquema de purificação antes do uso, incluindo a perda de rendimento
a partir de agliconas e ácido -d-uridina difosfoglucurônico (UDPGA) na presença de uma 
preparação de -glucuronidase de fígado de cobaia por entre 24 e
diferentes configurações de reatores, como reatores de membrana, sistemas bifásicos,
ÿ
redução por vários redutores possíveis, como borano, formato ou molecular
em comparação com uma meia-vida de 2 horas em tanque agitado. Somente a lipase pura deu o
incorridos. Além disso, enzimas de regeneração devem ser empregadas quando há
Polifrutano (inulina) de PM 30-50 milhões foi sintetizado a partir de sacarose com
Um maior rendimento espaço-temporal (98 versus 59 g L–1 d–1) foi alcançado em um EMR do que
atividades que assolam as abordagens de células inteiras e a facilidade muito maior em repetições
frutosiltransferase (FTF, inulina sacarase de Streptococcus mutans) imobilizada por 
copolimerização de enxerto fotoiniciada com poli(2-aminoetilmetacrilato) nos poros de uma 
membrana de microfiltração de 3,0 µm (Hicke, 1999).
Os álcoois enantiomericamente puros pertencem aos blocos de construção mais procurados para
em um reator descontínuo para a síntese de dTDP-glicose e subproduto d-frutose
Um reator de membrana imobilizada por lipase foi aplicado para a resolução óptica
(95%. As simulações sugeriram que os tempos de residência deveriam ser curtos para 
minimizar a inibição do produto.
variedade de configurações de processos disponíveis para sua fabricação:
piruvato em um reator de membrana de fibra oca de 39 mL com (S)- -transaminasesÿ
hidrogênio;
principais desvantagens são a necessidade de elaborar um protocolo de purificação e
um requisito para regeneração do cofator. As vantagens são ausência do lado
de naproxeno racêmico. A estabilidade da lipase foi melhorada pela configuração EMR para> 200 h
2O-Glucuronídeos foram produzidos continuamente em um reator de membrana enzimática
ÿ
melhor enantiosseletividade (Sakaki, 2001).
19 Projeto de Processos Biocatalíticos556
Produção de Álcoois Hidrofóbicos Enantiomericamente Puros:
Abordagem de enzima isolada
Comparação de diferentes rotas de processo e configurações de reatores
19.3
19.3.1
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Nas versões anteriores deste conceito, a extração contínua foi empregada para 
aliviar a inibição do produto durante a oxidação de 1-fenil-1,2-etanodiol com glicerol 
desidrogenase (GDH); o cofator NAD+ necessário foi regenerado pelo acoplamento 
com uma redução catalisada por lactato desidrogenase (LDH) de piruvato em lactato 
(Liese, 1996). O produto, hidroxiacetofenona, causa forte inibição do produto. Em um 
reator de reciclagem diferencial, a pequena quantidade de produto formada por ciclo é 
extraída com a ajuda de um módulo de membrana hidrofóbica de fibra oca. Num 
determinado grau de conversão, a desidrogenase é consideravelmente mais ativa. 
Além disso, a reação pôde ser concluída até a conclusão (50% de conversão), e o (S)-1-
fenil-1,2-etanodiol restante foi > 99% ee
Um dos objetivos mais importantes é o aumento da produtividade volumétrica.
Uma opção para atingir esse objetivo no caso de substratos menos solúveis é a 
utilização de um meio bifásico aquoso-orgânico. A fase orgânica atua como reservatório 
de substrato. As cetonas aromáticas podem ser reduzidas com conversões moderadas 
a boas e ee muito elevado, na maioria dos casos > 99%, aos (S)-álcoois (Groger, 2003). 
Ambas as enzimas, a (S)-ADH de Rhodococcus erythropolis e a FDH de Candida boidinii, 
mostraram-se estáveis durante muitos dias num sistema tampão aquoso/hexano (ou 
heptano) 4:1. Adições de até 10% ao tampão de vários outros solventes orgânicos, 
variando de isopropanol e acetona a acetato de etila, tolueno ou clorofórmio, provaram 
ser muito prejudiciais à atividade da FDH, a enzima mais suscetível, após um dia ou 
menos. A concentração global de substratos de cetona aromática pode ser fortemente 
aumentada em relação a sistemas puramente aquosos em tais sistemas: a acetofenona 
pode reagir em concentrações globais até pelo menos 200 mm sem uma queda 
significativa na conversão, em comparação com sistemas aquosos com um limite de 
solubilidade de cerca de 10mm. Assim, foram encontradas produtividades volumétricas 
de 22 mol (L d)–1 , um aumento de 250 vezes em relação ao caso puramente aquoso (caso 
aquoso não otimizado).
À medida que o produto é transportado pela fase orgânica, a fase aquosa é recarregada 
pela partição do substrato para a fase aquosa. O conceito foi demonstrado pela redução 
da 2-octanona com a ajuda da carbonil redutase de Candida parapsilosis para (S)-2-
octanol com > 99,5% de ee e regeneração do cofator NAD+/NADH com FDH de Candida 
boidinii. Considerando que o rendimento espaço-tempo no reator aquoso monofásico 
durante quatro meses foi de modestos 21,2 g (L d)–1, o número total de rotatividade 
poderia ser aumentado por um fator de nove no reator de membrana de emulsão.
lote ou uso contínuo com as correspondentes vantagens para o número total de 
faturamento (TTN). Numerosas redutases foram desenvolvidas para a síntese de álcoois 
enantiomericamente puros; A Tabela 19.3 fornece uma visão geral.
Como a alta produtividade volumétrica se correlaciona com a alta solubilidade dos 
substratos (Capítulo 2; Bommarius, 2001), o aumento da solubilidade do substrato é 
uma excelente medida para melhorar a produtividade volumétrica.
Outro conceito para superar a baixa solubilidade do substrato é a utilização de um 
reator de membrana enzimática em emulsão que consiste em uma fase orgânica atuando 
como reservatório de substrato e uma fase aquosa contendo a enzima; as duas fases 
são separadas por uma membrana de ultrafiltração hidrofílica (Liese, 1998). Uma suave 
pressão transmembrana faz com que o limite da fase fique localizado dentro dos poros da membrana.
55719.3 Produção de Álcoois Hidrofóbicos Enantiomericamente Puros
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Tabela 19.3 Processos com enzima isolada para síntese de álcoois enantiomericamente puros.
R. erythropolis: Rhodococcus erythropolis; CPCR: Candida parapsilosis carbonil 
redutase; L. brevis: Lactobacillus brevis; L. lactis: Lactococcus lactis; 
Candida magnólia; CR: carbonil redutase; GDH: glicose desidrogenase; COBE: 4-cloro-3-
oxobutanoato 
de etila; BA: acetato de butila. [a] produto mol (cofator mol) –1; [b] sistema bifásico (volume total).
558 
19 
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Em uma abordagem de célula inteira usando atividade nativa em uma célula (Yasohara, 1999) 
e genes clonados expressos em células recombinantes de E. coli (Kataoka, 1999), (S) -4-cloro-3-
hidroxibutanoato de etila completamenteenantiomericamente puro [ (S)-CHBE], um potencial 
precursor da (S)-carnitina, foi obtido a partir do seu precursor ß-ceto éster 4-cloro-3-oxobutanoato 
de etila (COBE). Clonando o gene da carbonil redutase de Candida magnoliae e o gene da 
glicose desidrogenase de Bacillus megaterium em um plasmídeo comum em células HB 101 de 
E. coli , 1,25 m de produto (S) -CHBE poderia ser acumulado no sistema totalmente aquoso por 
alimentação contínua de Substrato COBE, que é instável em meio aquoso (Kizaki, 2001). Em 
contraste, no meio bifásico acetato de butila:água (1:1), uma concentração de 2,58 ÿm pode ser 
alcançada com um rendimento molar no substrato de 85%. Nenhum GDH externo ou cofator 
precisa ser adicionado a este sistema.
Como o uso de desidrogenases requer a regeneração do cofator, o emprego de células inteiras 
em vez de enzimas isoladas parece atraente: células em crescimento ou em repouso podem 
reciclar o cofator internamente, de modo que nenhuma adição externa seja necessária.
Da mesma forma, (S)-1-fenil-2-propanol hidrofóbico enantiomericamente puro , (S)-4-fenil-2-
butanol e (S)-6-metilhept-5-en-2-ol (sulcatol) foram obtidos com alta pureza em uma unidade de 
reator de membrana enzimática de circuito duplo com unidade de extração de membrana 
separada (Kruse, 1996). Considerando que as concentrações de substrato foram baixas em 9-12 
mm, os rendimentos espaço-tempo superiores a 100 g (L d) –1 , bem como produtos concentrados
A mais simples e direta é a utilização da redutase no ambiente experimentado do organismo 
nativo; os trabalhos com Rhodococcus ruber (Stampfer, 2002; 2003a,b) e com Candida magnoliae 
(Yasohara, 1999) enquadram-se nessa categoria. O gene redutase de Saccharomyces cerevisiae 
(Stewart, 2001) foi clonado e posteriormente superexpresso em seu próprio hospedeiro. Estas 
leveduras recombinantes, denominadas “leveduras projetadas”, são capazes de reduzir uma 
ampla gama de funções cetônicas sem adição externa de cofator. Embora algumas redutases 
tenham sido encontradas e preliminarmente otimizadas no ambiente nativo de células inteiras, 
em última análise, elas foram clonadas e superexpressas em sistemas recombinantes; o trabalho 
de redução de COBE a (S)-CHBE com Candida magnoliae serve de exemplo.
Uma simplificação adicional além da co-clonagem de dois genes é manifestada pela condução 
de uma redução assimétrica de uma cetona na presença de até 20% de isopropanol como doador 
de hidrogênio ou da oxidação enantiosseletiva complementar de um álcool secundário racêmico 
na presença de um quantidade semelhante de acetona como aceitador de hidrogênio, catalisada 
por uma álcool desidrogenase secundária em células inteiras liofilizadas de Rhodococcus ruber 
DSM 44541 (Stampfer, 2002). A adição externa de NADH/NAD+ pode ser omitida. Devido à 
tolerância a altos níveis de substratos,
As diferentes abordagens de células inteiras estão em estágios de desenvolvimento muito diferentes.
A Tabela 19.4 lista alguns resultados do uso de células inteiras na redução de compostos 
cetônicos.
soluções de duto foram obtidas.
19.3 Produção de Álcoois Hidrofóbicos Enantiomericamente Puros
Abordagem de célula inteira
19.3.2
559
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Substratos: WM: cetona de Wieland-Miescher; 4-Me-HP: 4-metil Hajos – Parrish cetona; COBE: 
4-cloro-3-oxobutanoato de etila.
Tabela 19.4 Abordagens de células inteiras para a redução de compostos cetônicos.
Organismos: Lactobacillus kefir DSM 20587, Saccharomyces cerevisiae, Candida magnoliae, 
Bacillus megaterium, Thermoanaerobium brockii, Clostridium beijerinckii, Thermoanaerobacter 
ethanolicus, Rhodococcus ruber DSM 44541. Solventes: ace = acetona; iPr = i-PrOH.
560 
19 
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ÿ
A grande maioria dos sistemas catalíticos da Tabela 19.5 utiliza rutênio como metal; 
exemplos incluem trans-RuH( -BH4 )(binap)(1,2-diamina) (Ohkuma, 2002), trans- RuCl2 
[(R)-xilbinap][(R)-daipen] (Ohkuma, 2000b) e trans -RuCl2 [P(C6H4-4 -CH3 )3 ]2 
(etilenodiamina) (Ohkuma, 2000a).
Provavelmente existem poucas áreas da catálise onde há uma competição mais intensa 
e interessante entre abordagens biocatalíticas e catalisadas homogeneamente do que no 
tópico desta seção, a redução das funcionalidades ceto. A hidrogenação é uma tecnologia 
central na síntese química, por isso não é surpreendente que tecnologias catalíticas 
correspondentes tenham sido desenvolvidas. É portanto muito apropriado, mesmo num 
tratado sobre biocatálise, apreciar as capacidades dos catalisadores organometálicos 
neste campo e comparar o desempenho dos catalisadores organometálicos e biológicos. 
O trabalho a mencionar em primeiro lugar é o de Ryoji Noyori (prémio Nobel de Química 
2000), que desenvolveu uma gama de opções para a redução das funções cetónicas 
(Noyori, 2001).
Altas taxas e seletividades são alcançáveis apenas pela coordenação de catalisadores 
estruturalmente bem projetados e condições de reação adequadas. O sistema de base 
emprega um complexo [RuCl2 (fosfano)2 (1,2-diamina)] como pré-catalisador, o isopropanol 
servindo tanto como solvente quanto doador de hidrogênio e na presença de base, normalmente t-BuOK.
co-substratos, produtos e solventes, o processo apresenta altas produtividades. O 
sistema apresenta termoestabilidade de até 60 °C e estabilidade de pH de até pH 11 
(Stampfer, 2003). Em relação à estabilidade, a meia-vida operacional do sistema redox é 
de 29 horas em acetona 20% v/v e 37 horas em 2-propanol 30% v/v (Stampfer, 2003b).
Uso de difosfanos quirais, particularmente compostos BINAP e/ou diaminas quirais
A Tabela 19.5 ilustra catalisadores organometálicos pertinentes e seu desempenho.
Embora a enantiosseletividade durante a redução do 3-oxobutanoato de etila pela 
levedura de padeiro (Saccharomyces cerevisiae) em (S)-3-hidroxibutanoato de etila tenha 
sido superior a 99%, os rendimentos não excederam 50-70% (Chin-Joe, 2000). A eliminação 
de duas das três causas, evaporação do substrato e dos ésteres do produto e absorção 
ou adsorção dos dois ésteres pelas células da levedura, aumentou o rendimento para 
85%. O alívio da hidrólise dos dois ésteres pelas enzimas de levedura poderia aumentar 
ainda mais o rendimento. Baixas taxas de fornecimento de glicose como doador de 
elétrons forneceram a estratégia mais eficiente para o fornecimento de doadores de 
elétrons e produziram um alto excesso enantiomérico de (S)-3-hidroxibutanoato de etila, 
baixa formação de subprodutos e aumento de biomassa, com baixo teor de oxi- requisito de geração (Chin-Joe, 2001).
Ao examinar a literatura sobre catalisadores organometálicos, procura-se em vão números 
relativos à estabilidade do processo catalítico, conforme incorporado pelos TTNs. Após 
uma inspeção mais detalhada, nenhum dos catalisadores é recuperado e reutilizado, 
portanto o TTN nunca foi determinado. Em vez disso, a produtividade do catalisador é 
uma dimensão chave de mérito na catálise homogênea, muitas vezes o número de 
rotatividade, TON [produto mol (catalisadormol) –1], ou seu equivalente, a razão [S]/[C] 
freqüentemente usada, é referenciado na literatura e, portanto, também na Tabela 19.5.
19.3 Produção de Álcoois Hidrofóbicos Enantiomericamente Puros
1
561
19.3.3
Abordagem do Catalisador Organometálico
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Tabela 19.5 Abordagens de catalisadores organometálicos para a redução de compostos cetônicos.
(S,S)-DPBPD: (S,S)-N,Nÿ-bis[o-(difenilfosfino)benzil]propano-1,2-diamina-RuCl2; (S,S)-DPEN: 1,2-difeniletilenodiamina; daipen: 1,1-di(4-anisil)-2-isopropil-1,2-etilenodiamina; 
(1S,2R)-ADPE: (1S,2R)-amino-1,2-difeniletanol-N(R)-fanefós: (R)-4,12-bis(difenilfosfino)[2.2]paraciclofano; (R)-xilbinape: (R)-2,2'-bis(di-3,5-xililfosfino)-1,1'-binaftil; (R)-
tolbinap: (R)-2,2ÿ-bis(di-4-tolilfosfino)-1,1ÿ-binaftil.
562 
19 
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resulta em hidrogenação assimétrica rápida e produtiva de uma variedade de cetonas aromáticas 
e heteroaromáticas e proporciona alta enantiosseletividade. A especificidade do substrato 
atualmente abrange cetonas cíclicas e acíclicas, bem como certas amino e alcóxi cetonas. A 
hidrogenação tolera muitos substituintes, incluindo F, Cl, Br, I, CF3, OCH3 , OCH2C6H5 , 
COOCH(CH3 )2 , NO2 , NH2 e NRCOR, bem como vários heterociclos ricos em elétrons e 
deficientes. Como este sistema catalisador reduz preferencialmente as funções C = O em 
relação às ligações C = C coexistentes, as cetonas ÿ, ÿ- insaturadas cíclicas e acíclicas podem 
ser convertidas em álcoois alílicos quirais de alta pureza enantiomérica.
Esta característica é uma vantagem distinta dos catalisadores organometálicos.
Os complexos PhanePhos-rutênio-diamina catalisam a hidrogenação assimétrica de uma 
ampla gama de cetonas aromáticas, heteroaromáticas e ÿ, ÿ-insaturadas com alta atividade e 
excelente enantiosseletividade (Burk, 2000).
A duloxetina, um inibidor dos transportadores de captação de serotonina e norepinefrina, foi 
sintetizada desta forma (Ohkuma, 2000b).
Estabilidade e produtividade do catalisador: Curiosamente, uma comparação da estabilidade 
e produtividade do catalisador para as diferentes tecnologias não é simples, já que os 
profissionais da catálise homogênea parecem preferir fazer referência aos números de rotatividade.
Enantiosseletividade: A pureza enantiomérica do produto é frequentemente maior no caso 
da catálise enzimática do que na catálise química homogênea: enquanto as enzimas em 
muitos casos relatados atingem mais de 99% de seletividade, os catalisadores químicos 
raramente excedem 95%. No entanto, o princípio de concepção de catalisadores químicos 
homogéneos, na maioria dos casos, permite que ambos os enantiómeros da porção quiral 
sirvam como parte do catalisador para gerar ambos os enantiómeros do produto.
O uso de um complexo BINAP/diamina quiral Ru trans-RuCl2 [(R)-xilbinap][(R)-daipen] ou o 
complexo S,S catalisa eficientemente a hidrogenação assimétrica de cetonas heteroaromáticas, 
com pouca influência das propriedades do anel na enantiosseletividade .
Revendo o status desta tecnologia (Noyori, 2001), a alta taxa e a seletividade de carbono-nil 
parecem ser baseadas na catálise bifuncional não clássica de metal-ligante envolvendo um 
complexo de hidreto de aminorúnio de 18 elétrons e uma espécie de amidorutênio de 16 
elétrons. (Noyori, 2001). Os substratos de cetonas simples carecem de qualquer funcionalidade 
capaz de interagir com o centro metálico. A estereosseletividade pode ser controlada pelas 
propriedades eletrônicas e estéricas (volume e quiralidade) dos ligantes, bem como pelas 
condições de reação. trans-RuCl2 [P (C6H4 -4-
CH3 ) 3 ] 2 (etilenodiamina), um complexo quiral BINAP / quiral diamina Ru, efetua a 
hidrogenação assimétrica de várias benzofenonas orto-substituídas e benzoilferroceno em 
diarilmetanols quirais suavemente a 8 atm e 23 –35 °C com valores de ee consistentemente 
elevados (Ohkuma, 2000a).
(TONs) e proporções substrato/catalisador (razões [S]/[C]), enquanto pesquisadores em 
biocatálise citam a carga de biocatalisador (Unidades L-1) e números de rotatividade total
19.3 Produção de Álcoois Hidrofóbicos Enantiomericamente Puros
19.3.4
Comparação de diferentes estratégias de redução catalítica
563
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(TTN). No caso de catalisadores químicos homogêneos lentos, a razão [S]/[C] pode até 
ser unitária (isto é, condições estequiométricas). Os valores numéricos para o número 
total de rotatividade e o número de rotatividade são separados pelo número médio de 
reciclagens que um catalisador experimenta. No limite sem reciclagem os valores são 
idênticos (TTN ÿ TON). Embora a reciclagem seja muito importante na biocatálise, 
aparentemente não está no topo da agenda na catálise química assimétrica (Blaser, 2001).
Em uma comparação direta da redução de acetofenona a (R)-feniletanol altamente 
enantio-enriquecido (94% ee) por (S)-difeniloxazaborolidina heterogeneizada (catalisador 
Corey-Itsuno) ou a (S)-feniletanol enantiomericamente puro (> 99% ee) pela Candida 
parapsilosis carbonil redutase (CPCR), a solubilidade superior da acetofenona em THF 
(0,25 m) versus água (0,04 m) leva a um rendimento espaço-tempo muito superior de 290 
g (L d)–1 em THF com o catalisador Corey – Itsuno em comparação com 27 g (L d) –1 em 
água com CPCR (Rissom, 1999). Por outro lado, as frequências de rotatividade (tofs) de 
0,3 min–1 (catalisador Corey-Itsuno) versus 2,3 × 104 min–1 (CPCR) pressagiam a 
diferença no número total de rotatividade (TTNs) de 2,4 × 108 versus 560.
Dependendo dos requisitos da reação, a seletividade (no caso de compostos farmacêuticos) 
ou o desempenho e o custo (no caso de aplicações de química fina) são critérios 
fundamentais para decisões sobre uma rota de processo. Os biocatalisadores geralmente 
atingem com mais facilidade a meta de seletividade e os altos números de rotatividade 
total. Catalisadores homogêneos geralmente fornecem altos rendimentos espaço-temporais 
e ainda podem ser projetados mais rapidamente. Embora a tendência tenha favorecido os 
biocatalisadores na última década, é o desempenho que decidirá o uso de um catalisador na maioria dos casos no futuro.
Sistemas solventes: Uma das potenciais desvantagens dos biocatalisadores é a sua 
limitação à água como solvente. As redutases, dependentes de uma enzima de 
regeneração, seja na forma isolada ou intracelular, tendem a não ser ativas em solventes 
orgânicos. Como muitos substratos de interesse na síntese não se dissolvem bem em 
água, outros sistemas solventes são necessários. Acredita-se que catalisadores químicos 
assimétricos homogêneos respondam a esse desafio. Como revela a Tabela 19.5, no 
entanto, os catalisadores de hidrogenação de transferência tendem a funcionar apenas 
em isopropanol ou solventes semelhantes, de modo que permanece o problema de encontrar uma ampla gama adequada de sistemas de solventes.
Em resumo, no caso de tecnologias bem desenvolvidas, tanto a catálise química 
homogênea quanto a biocatálise tendem a fornecer soluções para desafios de síntese.
564 19 Projetode Processos Biocatalíticos
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568 19 Projeto de Processos Biocatalíticos
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O processo Genencor-Eastman para ácido ascórbico (vitamina C) fermenta a glicose em uma 
etapa em ácido 2-cetogulônico, com subsequente conversão química em ácido ascórbico. Ele 
substitui o antigo processo Reichstein-Grüssner com seu rendimento total de 55%, tempo de 
ciclo de 3 dias, cinco etapas químicas, 17 a 20 etapas diferentes de processamento a jusantee 
pelo menos sete sistemas de solventes diferentes.
Os critérios de comparação devem ser quantitativos e incluir a vida útil do catalisador, bem como 
as produtividades volumétricas, mas descobriu-se que dependem das diferentes necessidades 
dos químicos sintéticos de laboratório, que precisam rapidamente de um catalisador amplamente 
específico, versus aqueles dos químicos de processo, que muitas vezes controlam a 
disponibilidade do catalisador. e podem permitir especificidade estreita (desde que seu substrato seja aceito), mas necessitam de alta produtividade.
números totais de faturamento de 400.000.
Uma comparação direta da catálise da epoxidação de olefinas com um catalisador químico 
homogêneo (Mn salen), uma enzima (CPO) e um anticorpo resultou em enantiosseletividade 
suficientemente alta para todos os três catalisadores, um número de rotatividade mais alto para 
a enzima , e uma proporção substrato/ catalisador ligeiramente mais alta para o catalisador homogêneo.
O processo catalisado por Rh-BINAP de mirceno para l-(-)-mentol inclui uma isomerização quiral 
e proporções de (-)-isopulegol desejável para outros isômeros de isopulegol de 99,7: 0,3, bem 
como rendimentos espaço-tempo de 10 kmol de enamina ( mol Rh)–1 d–1, e
Resumo
O novo processo de ibuprofeno BHC com suas três etapas catalíticas e 80% de utilização de 
átomos (99% com reciclagem) substitui um processo com seis etapas estequiométricas com 
<40% de utilização de átomos.
A produção bem-sucedida de produtos químicos através da engenharia de vias requer a 
integração de tecnologias de fermentação e engenharia metabólica com os objetivos de
As principais tendências para processos novos e ambientalmente mais benignos são: (i) 
substituição de processos estequiométricos por processos catalíticos, (ii) etapas de processo 
com 100% de conversão e 100% de seletividade; (iii) a maior concentração de substrato possível; 
(iv) solventes ambientalmente aceitáveis com poucas trocas de solvente; (v) evitar tampões e 
produção de sal, mas em vez disso usar ácidos e bases sólidas e técnicas de pH-stat. Exemplos 
de novos processos incluídos na discussão são:
569
Biocatálise. Andreas S. Bommarius e Bettina R. 
Riebel Copyright © 2004 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co.
20
Comparação de catalisadores biológicos e químicos para
Processos Novos
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maior rendimento na fonte C, rotatividade por célula e produtividade volumétrica e, portanto,
intermediário via cis-aminoindanol para indinavir (Crixivanÿ), o inibidor de protease do 
HIV da Merck, são para aumentar a atividade da tolueno dioxigenase em relação à 
monooxigenase e evitar a degradação do cis-(1S,2R)-indanodiol. Ainda a alcançar é um baixo
intermediários ou redução de quatro vezes da necessidade de vitamina B12 do glicerol
Os principais objetivos da rede de reação do indeno ao cis-(1S,2R)-indanodiol, um
epóxido racêmico por uma molécula de água (Figura 20.1).
genes em E. coli, converte a glicose diretamente em 1,3-propanodiol. Melhorias de 
processo, como aumento de rendimento, evitando o equilíbrio de
era do processamento químico.
teve um desempenho extremamente bom. Uma razão é a dependência da pureza 
enantiomérica dos produtos diol e epóxido da regioespecificidade do ataque ao
O processo da DuPont para o intermediário de fibra 1,3-propanodiol, depois de expressar todos
No exemplo da epoxidação assimétrica de olefinas, enzimas, catalisadores sintéticos e 
anticorpos catalíticos foram comparados lado a lado em relação ao desempenho na síntese 
química (Jacobsen, 1994). A epoxidação de olefinas é uma reação de considerável interesse 
industrial onde, historicamente, as enzimas não
a fabricação de produtos químicos reduziria ainda mais os custos e poderia abrir um novo
espectro suficiente de subprodutos e rendimentos comercialmente atraentes.
custos de produção mais baixos:
desidratase, tornam o processo competitivo. Acoplar uma infraestrutura de combustível com
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
Figura 20.1 Hidrólise de epóxidos procedendo com retenção ou inversão (Drauz, 2002).
Critérios para o Julgamento de Processos (Bio)catalíticos
Discussão: Os Cinco Critérios de Jacobsen
20.1.1
20.1
570
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ad 1) Enantiosseletividade: Jacobsen e Finney consideram um valor ee de 90% para 
o produto como suficiente para a presença de uma reação enantiosseletiva. De 
acordo com a sua declaração, a pureza enantiomérica pode ser elevada sem 
dificuldade para 95% por cristalização, embora com a perda proporcional de 
rendimento. As três epoxidações comparadas foram:
número de rotatividade ÿ 
1/kcat, obtido de v = kcat · [E] · [S]/(KM + [S])
(20.2)
reação de hept-2-eno e H2O2 em óxido de (2R)-hepteno com cloroperoxidase 
(CPO; Allain, 1993); 
epoxidação de um éter cíclico com hipoclorito (NaOCl) com auxílio de um 
catalisador salen-Mn 
(Lee, 1991); oxidação de um ciclopenteno substituído por benzila em acetonitrila/
H2O2 com o anticorpo 20B11 ao (1R)-epóxido (Koch, 1994).
A enantiosseletividade de todos os três é muito alta. No caso do anticorpo, 
entretanto, a epoxidação química como reação de fundo teve que ser levada em 
consideração para a pureza enantiomérica global medida experimentalmente de 
71% ee para o produto. Como a reação de fundo foi de cerca de 30% da taxa total, 
a seletividade da epoxidação enzimática atinge um valor muito alto com 98% ee
Após apresentar os critérios de avaliação de desempenho das três diferentes 
técnicas, explicamos o seu significado e importância. Na próxima seção 
comentaremos a adequação dos critérios e dos pontos de referência. Esta discussão 
refere-se à cobertura dos critérios de desempenho enzimático no Capítulo 2. 
Jacobsen e Finney sugerem os seguintes cinco critérios para comparação de 
desempenho (“os cinco critérios de Jacobsen”):
(20.1)
ad 2) Quantidade de produto obtido por unidade de catalisador consumida: Os 
autores admitem a dificuldade na simples utilização deste critério; afinal, terminologia 
como rendimento do produto, grau de conversão, inibição do produto, número total 
de rotatividade, massa molecular do catalisador e produtividade volumétrica do 
processo deve ser padronizada. Um problema é a diferença nas definições do 
número de rotatividade para catalisadores enzimáticos e químicos (Eqs. (20.1) e (20.2)).
Química:
1. enantiosseletividade do produto, 
2. quantidade de produto obtida por quantidade de catalisador 
consumido, 3. disponibilidade e custos 
do catalisador, 4. especificidade do substrato 
(amplitude de substratos) e 5. comparação do método com estratégias alternativas.
Biocatálise:
20.1 Critérios para Julgamento de Processos (Bio)catalíticos571
total de moles de número de renovação 
de substrato convertido 
ÿ total de moles de catalisador usado
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Enzima
Número de faturamento (TON), acc. para a Eq. (20.2) 2000
8
(CPO)
Organomet. catalisador 
(Mn-saleno)
Proporção [S]/[C] [–]
3.5
0,01Anticorpo
5
33
Critério
(20B11)
CPO: cloroperoxidase; [C]: concentração de catalisador [mol L–1].
Tabela 20.1 Dados de desempenho de três catalisadores para epoxidação de olefinas.
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
ad 4) Especificidade do substrato (amplitude da especificidade do substrato): Em conexão com
Jacobsen e Finney encontraram um empate entre enzima e complexo organometálico
Ao comparar a quantidade de produto produzido por quantidade de catalisador utilizado,
a disponibilidade do anticorpo foi considerada difícil; como não está disponível comercialmente, 
os custos não podem ser estimados.
complexo de saleno-manganês disponível comercialmente abaixo de US$ 1/g a granel. O
tecnologias.
ad 5) Comparação do método com estratégias alternativas: Neste ponto os autores não fornecem 
quaisquer factos, limitando-se a afirmações gerais.
otimizado para substratos desejados.
Os valores da Tabela 20.1 foram tomados como base para avaliação dos três catalisadores
$ 10/mg de produto bruto, $ 100/mg de enzima pura) foi comparado com o preço de um
custos, o preço da cloroperoxidase de Caldariomyces fumago da Sigma (então:
Os anticorpos supostamente apresentam uma especificidade potencialmente mais ampla do que as enzimas quando
decisão rápida nos casos em que todos os dados estão disponíveis. Excelente desempenho com
dados para este critério não podem ser obtidos na literatura. Para comparação de
especificidade do substrato do que as enzimas, que, no entanto, convertem bons substratos rapidamente.
a avaliação do desempenho de um substrato novo, ainda não investigado, muitas vezes não é 
possível. Os autores são da opinião que os catalisadores químicos sintéticos apresentam
ad 3) Disponibilidade e custos do catalisador: Os autores apontam (corretamente) que
tipos e fontes. Bons critérios para avaliação de catalisadores devem permitir uma visão clara e
e comparando dados quantitativos numa base comum para catalisadores de diferentes
(5 para CPO, 8 para Mn-saleno).
especificidade foi limitada a alguns bons substratos, de modo que a aplicabilidade e
enantiosseletividade em substratos principais, a especificidade do substrato é geralmente o 
parâmetro mais conhecido de um catalisador. Em muitos casos, no entanto, investigações de substrato
porque os autores interpretaram o critério como o ótimo da relação [S]/[C]
Jacobsen e Finney devem ser creditados com uma importante contribuição para a comparação 
de diferentes tecnologias catalíticas, listando explicitamente seus critérios de avaliação.
572
Comente os Cinco Critérios de Jabobsen
20.1.2
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Os critérios não foram desenvolvidos para a situação de produção contínua e em larga escala 
de um produto estritamente definido, mas bem conhecido. Os protocolos de síntese laboratorial 
únicos devem se preocupar com a disponibilidade instantânea e o custo instantâneo de
não são realizados em paralelo com medições de desempenho em dimensões de mérito.
para um processo. O valor enantiomérico E, um critério alternativo ao enantiomérico
quantidade de catalisador utilizado, e (iv) a especificidade do substrato é de natureza quantitativa,
o valor ee é suficiente para avaliar a qualidade óptica de um produto quiral.
e critérios de desempenho do processo, como produtividade volumétrica, não são e não
indústria, devem ser adicionados critérios para a avaliação do processo , como a estabilidade do 
catalisador ao longo da vida e a produtividade volumétrica.
o valor E está repleto de desafios próprios, como no caso da inibição mútua dos dois enantiômeros. 
Se um valor ee for determinado em um produto isolado,
medidas para avaliação. Quando vistos deste ângulo, três comentários são particularmente 
pertinentes:
1) A enantiosseletividade é de fato a melhor e mais importante quantidade para a avaliação de 
um processo para compostos enantiomericamente puros. Excesso enantiomérico,
Deixamos agora de avaliar os próprios critérios e passamos a comentar a forma como são 
aplicados e a adequação da sua aplicação.
a avaliação das etapas de purificação pode alterar o valor (isso pode não interessar ao usuário do
Considerando que os critérios (i) enantiosseletividade, (ii) quantidade de produto obtido por
composto alvo, às vezes nem otimizado para sua finalidade, era necessário
o ponto (iii) a disponibilidade (embora não o custo) de um catalisador é apenas um critério 
semiquantitativo, e (v) a comparação de um método com estratégias alternativas é ainda
Para um processo, no entanto, é necessário incluir dimensões suplementares de mérito,
rapidamente e provavelmente apenas uma vez ou, na melhor das hipóteses, algumas vezes, e em escala laboratorial.
como regiosseletividade e rendimento do produto, ou pelo menos o grau final de conversão
redundante, uma vez que o processo de comparação de opções e a sua resultante avaliação e 
classificação são apenas partes diferentes do processo de tomada de decisão, e
respeito a todos os critérios aplicados deve ser suficiente para um processo otimizado para
não precisa ser considerado. Para a produção contínua em grande escala, a situação é
excesso para avaliação de um processo (Eq. (5.90)), tem a vantagem de englobar tanto o valor de 
ee quanto o grau de conversão (Eqs. (5.98)–(5.101)); no entanto,
catalisadores (geralmente não sob a influência do usuário), mas reutilização do catalisador
Se o objetivo é a produção contínua ou em larga escala de um composto, como tantas vezes acontece
tal produto).
a síntese de um composto específico de interesse e não deve exigir
muitas vezes invertido.
aplicativo. Cada um dos critérios merece comentários nesse sentido:
Os cinco critérios de Jacobsen foram escolhidos para uma situação de laboratório em que um produto sintético
57320.1 Critérios para Julgamento de Processos (Bio)catalíticos
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Um (bio)químico preparativo depende de uma especificidade de substrato ampla e conhecida para 
que um catalisador seja útil. O pesquisador de processos na grande maioria dos casos
2) A interpretação do critério de massa de produto obtido por massa de catalisador utilizado como 
determinação da relação [S]/[C] ótima é enviesada de duas maneiras diferentes:
A verdadeira vantagem de utilidade e produtividade dos biocatalisadores é capturada na 
reutilização do catalisador, alcançando produtividades de vida útil do catalisador muito 
superiores às dos catalisadores usados apenas uma vez.
A razão [S]/[C] é calculada com base na massa molar do catalisador.
3) A disponibilidade e o custo do catalisador não podem ser abordados no âmbito de uma avaliação 
tecnológica de um processo. No entanto, para uma avaliação logística de um processo, não só a 
disponibilidade (e os prazos de entrega) e o preço do catalisador são muito importantes, mas 
também as questões de formulação e armazenamento adequados, bem como de segurança . 
Conforme mencionado acima, um químico de laboratório não tem controle sobre o preçode um 
catalisador oferecido, enquanto uma empresa que deseja produzir um determinado produto pode 
planejar com antecedência o fornecimento do catalisador no momento e no preço certos.
Normalmente, os catalisadores químicos homogêneos apresentam uma massa molecular de 
cerca de 1.000 em comparação com a de uma enzima de 30–50 kDa. Com um número de 
rotatividade igual (eventos catalíticos por sítio ativo por unidade de tempo), tal visão produz 
razões [S]/[C] 30-50 vezes maiores para catalisadores homogêneos. Como, no entanto, o custo 
de uma unidade de actividade ou a facilidade de síntese devem ser a dimensão orientadora e não 
a massa molar, tais catalisadores homogéneos são indevidamente favorecidos em detrimento 
de enzimas e anticorpos.
4) A relevância da especificidade do substrato de um catalisador como critério de avaliação será 
respondida de forma diferente por um (bio)químico preparativo e um (bio)químico de processo.
Por último, cabe um comentário sobre o limite de 90% ee empregado por Jacobsen e Finney. 
Pelos padrões atuais, tal nível de enantiosseletividade é muito baixo; considerando que a FDA, 
para novos processos para intermediários farmacêuticos enantiomericamente puros, exige uma 
investigação toxicológica separada para cada subproduto acima do nível de 1%, mesmo o 
enantiômero indesejado, um valor ee de 98% deveria representar o limite inferior. Um valor de 99% 
seria preferível e bons processos biocatalíticos apresentam um excesso enantiomérico > 99,5%. 
Embora tais níveis de desempenho devam servir como padrão, muitos catalisadores quirais 
homogêneos apresentam enantiosseletividades de 90-95% ee, portanto, um corte de 90% serve 
como uma tendência para tais catalisadores.
Embora uma relação [S]/[C] sirva como uma boa dimensão de mérito para a produtividade de um 
lote, ela não fornece nenhuma informação sobre a estabilidade do catalisador ao longo de sua 
vida útil. Como já discutido no Capítulo 19, Seção 19.3.4, a comunidade de catálise homogênea 
normalmente não sente a necessidade de reciclar catalisadores (Blaser, 2001), portanto o número 
de rotatividade (TON) é igual ao número de rotatividade total (TTN).
574 20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
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Uma observação sobre o estado do conhecimento sobre a especificidade do substrato, 
mesmo de enzimas bem pesquisadas: em nossa experiência, muitas investigações sobre 
a especificidade do substrato são conduzidas com uma visão conservadora de sua 
amplitude. Substratos arriscados que cobrem um grande espaço de parâmetros ou aqueles 
fora da faixa de interesse estritamente definida não são testados. Muitos pesquisadores 
muitas vezes incluem apenas substratos padrão e têm medo de resultados negativos, 
embora seja óbvio como o relato de resultados, mesmo negativos, pode ajudar outros pesquisadores.
substituição de processos estequiométricos por processos 
catalíticos, escolha de etapas do processo com 100% de conversão e 100% de 
seletividade se possível, utilização da maior concentração 
possível de substrato, utilização de solventes ambientalmente aceitáveis com o menor 
número 
possível de trocas de solvente, evitando a produção de por -produtos durante ajuste de 
pH; evitar tampões e usar ácidos e bases sólidas (resinas de troca iônica, zeólitas) e 
técnicas de pH-stat.
Devido às pressões económicas resultantes do aumento da concorrência mundial pela 
quota de mercado e do aumento dos custos decorrentes da melhoria das condições 
ambientais e de segurança (Capítulo 1, Secção 1.2.3), existem requisitos urgentes para a 
renovação dos actuais processos industriais. Em muitos casos, contudo, a renovação será 
insuficiente para fazer face às pressões de custos ou às normas ambientais e, portanto, 
será necessário desenvolver processos completamente novos.
A adesão a esses critérios resulta em uma posição inicial muito melhor ao mudar de 
processos com o objetivo de uma fabricação ambientalmente benigna (Capítulo 1, Seção 
1.2.3).
5) Tal como discutido acima, a comparação com estratégias alternativas deve fazer parte 
do processo de avaliação global, mas não deve ser considerada como um critério separado.
já conhece a resposta (quase exclusivamente afirmativa) quanto à adequação de um 
catalisador para uma reação desejada. Se o catalisador tiver a especificidade certa para 
uma aplicação de processo, poderá muito bem ser restrito; a ampla reatividade não é 
apenas irrelevante, mas muitas vezes prejudicial. (Em aplicações analíticas, a especificidade 
estreita do substrato é muitas vezes essencial para excluir reatividades cruzadas 
indesejadas.) Em média, entretanto, a especificidade estreita do substrato é um obstáculo para um químico sintético.
Algumas das tendências mais importantes do processamento (bio)químico são (Sheldon, 
1994):
20.2 Posição da Biocatálise em Comparação com Catalisadores Químicos para Novos Processos575
Condições e Estrutura para Processos do Futuro
20.2
20.2.1
Posição da biocatálise em comparação com catalisadores químicos para novos processos
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O processo para um processo ambientalmente benigno começa com a seleção das matérias-
primas: além das matérias-primas convencionais da indústria petroquímica, baseadas em 
hidrocarbonetos alifáticos e aromáticos de baixo a médio ponto de ebulição, são utilizadas 
matérias-primas naturais reabastecíveis. cada vez mais disponível
está crescendo fortemente. Boas propriedades de solvatação, baixo ponto de ebulição e baixa 
propensão à explosão (devido à incapacidade de formar peróxidos devido ao terc-butil
capacidade ou margem de lucro, ou critérios externos, como emissões máximas permitidas, 
devem decidir sobre qual tecnologia adotar. A seguir
por outro lado, o uso de éter metil terc-butílico (MTBE) na indústria química
tecnologias catalíticas competem entre si. Tanto critérios económicos como
propriedades de processamento, foram proibidas na União Europeia desde 1997. Em
reações com enzima purificada. Em muitos casos, novos processos baseados em diferentes
no Capítulo 1, estes últimos abrangem um continuum que vai da fermentação até
As restrições legais também influenciam cada vez mais a escolha do solvente para processos 
(bio)químicos. Solventes halogenados, que possuem capacidade de solvatação e
do pool quiral, com seus custos estimados por quilograma.
catalisadores homogêneos; e (iii) processos que utilizam catálise biológica. Conforme discutido
Novos processos ambientalmente benignos podem ser baseados em três plataformas 
tecnológicas distintas: (i) processos que utilizam catalisadores heterogêneos; (ii) processos com
como ácido glutâmico ou ácido cítrico. A Tabela 20.2 lista uma seleção de matérias-primas
reservatórios de águas subterrâneas.
do “pool quiral” ou através de fermentação barata a partir de fontes de carbono,
e estabelecidos.
sacarose para fermentação, mas também moléculas mais complexas, frequentemente obtidas
devido às grandescapacidades, mas à diminuição da demanda como aditivo antidetonante para 
gasolina sem chumbo após a proibição na Califórnia, a partir de 2003, de causar poluição de
grupo) complementam um preço baixo e uma disponibilidade quase infinita. A última propriedade é
hoje em dia. Nos casos mais simples, podem ser fontes de carbono, como glicose e
exemplos ilustram a situação competitiva para novos processos que substituem processos mais antigos
Tabela 20.2 Matérias-primas e seus custos provenientes de fontes biológicas e do conjunto quiral.
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos576
Etanol
Ácido glucônico
Ácido cítrico 
l-lisina, grau alimentício
Preço do 
produto [$ kg–1 ou € kg–1]
Quantidade de produção 
[toneladas por ano (tpa)]
15.000.000 
5.000.000 
1.000.000 
400.000 
115.000 
50.000 
6.000
Glutamato monossódico (MSG)
0,8 
0,9 
1,1 
1,2 
2,0 
30
produtos
Ácido caínico 
Ácido l-málico
Glicose-frutose (HFCS)
500 25
Ácido 6-aminopenicilânico (6-APA) Ácido 
l-aspártico l-
Fenilalanina l-Ácido 
tartárico e ácido 
d-shiquímico
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20.2.2 
Ibuprofeno (analgésico)
Figura 20.2 Processos de ibuprofeno (//www.chm.bris.ac.uk/motm/ibuprofen/synthesisc.htm).
20.2 Posição da Biocatálise em Comparação com Catalisadores Químicos para Novos Processos577
O ibuprofeno, um conhecido medicamento antiinflamatório não esteróide (AINE), 
usado como analgésico comum e comercializado sob marcas como Advil™ e 
Motrin™, fornece um exemplo da mudança de processos de uma rota química 
para outra. .
Em 1992, a BHC (Boots Hoechst – Celanese) Company comercializou um novo 
processo sintético para fabricar ibuprofeno nas instalações de 3.500 toneladas 
métricas por ano da BHC em Bishop/TX, EUA, que foi citado como um modelo 
industrial de excelência ambiental. em tecnologia de processamento químico. Por 
sua inovação, a BHC recebeu o prêmio Alternative Synthetic Pathways de 1997 
do Presidential Green Chemistry Challenge.
Tem havido muitas publicações comerciais e laboratoriais sobre a síntese do 
ibuprofeno. Duas das formas mais populares de obter ibuprofeno são o processo 
Boots e o processo Hoechst. O processo Boots é um processo comercial mais 
antigo desenvolvido pela Boots Pure Drug Company, os descobridores do 
ibuprofeno na década de 1960, e o processo Hoechst é um processo mais recente 
desenvolvido pela Hoechst Company. A maioria dessas rotas para o ibuprofeno 
começa com isobutilbenzeno e usa acilação de Friedel-Crafts. O processo Boots 
requer seis etapas, enquanto o processo Hoechst, com a ajuda de catalisadores, 
é concluído em apenas três etapas (Figura 20.2).
O processo BHC de ibuprofeno é uma tecnologia inovadora e eficiente que 
revolucionou a fabricação farmacêutica a granel. A nova tecnologia com suas 
três etapas catalíticas atinge aproximadamente 80% de utilização de átomos, que 
aumenta para quase 99% se for incluída a recuperação do subproduto ácido acético. Ele substitui um programa
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A Cheminor Drugs (parte do Dr. Reddy's Group, Mumbai, Índia) desenvolveu um 
processo baseado na síntese quiral de (S)-ibuprofeno. O (S)-ibuprofeno é 160 vezes 
mais ativo que a forma (R) , portanto, com um medicamento enantiomericamente puro, 
a dosagem pode ser reduzida pela metade. Como foi relatado que o corpo humano 
racemiza o (R)-ibuprofeno parcialmente na forma (S) e como o (R)-ibuprofeno não é 
prejudicial, quase todo o ibuprofeno tomado torna-se ativo. É, portanto, pouco provável 
que o processo descoberto pela Cheminor tenha significado comercial.
O índigo é produzido acoplando duas moléculas de fenilglicinato de sódio, obtido 
industrialmente a partir da anilina, que por sua vez é isolada do alcatrão de carvão, em 
uma fusão de KOH-NaOH a 900 °C com NaNH2, um reagente recentemente introduzido 
para este processo (Figura 20.3) . O corante indoxil solúvel em água produzido 
intermitentemente reage ao índigo após exposição ao ar. O processo clássico 
permaneceu praticamente inalterado desde o início de 1900 até agora. Embora 
económico, o seu impacto ecológico estimulou a procura de outras rotas.
processo com seis etapas estequiométricas e menos de 40% de utilização de átomos. 
O uso de fluoreto de hidrogênio anidro como catalisador da acilação de Friedel-Crafts 
e como solvente oferece vantagens importantes tanto na seletividade da reação 
quanto na redução de resíduos, já que o HF é reciclado com mais de 99,9% de 
eficiência. Nenhum outro solvente é necessário no processo, simplificando a 
recuperação do produto, minimizando as emissões fugitivas e eliminando grandes 
volumes de soluções aquosas de resíduos de sal na fonte. A utilização quase completa 
de átomos dos materiais de partida, seja por conversão em produto ou por reciclagem, 
torna esse processo simplificado uma tecnologia que minimiza resíduos e é ecologicamente correta.
A síntese industrial do índigo, um corante azul obtido de plantas e utilizado desde a 
antiguidade, em 1891, foi um dos primeiros sucessos da química industrial. A sua 
estrutura química tinha sido descoberta apenas oito anos antes por Adolf von Baeyer.
Ácido antraílico
Índigo
Anilina
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
Figura 20.3 Processo índigo clássico.
Ácido fenilglicinaortocarboxílico
Síntese industrial de índigo a partir de anilina
578
Índigo (corante azul)
20.2.3
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A Genencor (Palo Alto/CA, EUA) desenvolveu um processo alternativo, biocatalítico.
A bactéria E. coli , usando açúcares como principal matéria-prima, converteu a fonte de carbono em 
triptofano, um precursor adequado para o índigo porque já continha a estrutura do anel no núcleo 
da molécula do índigo. A engenharia metabólica modificou a via do triptofano para causar produção 
de indol de alto nível, adicionando os genes de Pseudomonas putida que codificam a naftaleno 
dioxigenase (NDO). Em comparação com uma cepa superprodutora de triptofano, a primeira cepa 
produtora de índigo produziu menos da metade da quantidade esperada de índigo. A inativação 
severa da primeira enzima da biossíntese aromática, 3-desoxi-d-arabino-heptulosonato 7-fosfato 
(DAHP) sintase (o produto do gene aroGfbr ), foi observada em células coletadas de fermentações de 
índigo. Experimentos in vitro subsequentes revelaram que a DAHP sintase foi inativada pela 
exposição à conversão química espontânea de in-doxil em índigo. A produção de índigo foi 
posteriormente melhorada aumentando a dosagem genética de aroGfbr ou aumentando a 
disponibilidade de substrato para DAHP sintase in vivo, amplificando o gene tktA (transcetolase) ou 
inativando ambas as isoenzimas da piruvato quinase. Ao combinar todas as três estratégias para 
melhorar a formação de DAHP na célula, foi alcançado um aumento de 60% na produção de índigo. 
Como última etapa, o precursor do índigo indoxil foi dimerizado espontaneamente por oxidação em 
índigo quando exposto ao ar (Figura20.4). A engenharia metabólica foi então aplicada para eliminar 
um subproduto, a isatina, da conversão espontânea de indoxil em índigo, resolvendo assim um 
sério problema com o uso de bioíndigo na aplicação final de tingimento de denim.
Um mercado mundial estimado em 16 000 toneladas por ano de índigo é totalmente dominado 
pela sua utilização para tingir ganga, o tecido das calças de ganga. Justamente quando muitas 
fábricas estavam programadas para fechar, na década de 1960, o boom do denim trouxe um 
renascimento da demanda e despertou novamente o interesse no desenvolvimento de um processo mais contemporâneo.
57920.2 Posição da Biocatálise em Comparação com Catalisadores Químicos para Novos Processos
Figura 20.4 Rota biocatalítica para o índigo.
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No início, porém, um subproduto, a indirubina, tornou o jeans fora de moda.
& Reimer (H&R, Holzminden, Alemanha) descobriram inesperadamente que o gene racêmico
(3R)-citronelal enamina com 96–99% ee A hidrólise dá (3R)-(+)-citronelal de
pares de diastereômeros racêmicos: mentol, isomentol, neomentol e neoiso-mentol. No 
processo sintético clássico, a separação dos oito isômeros é proporcionada pela formação de 
pares de sais diastereoméricos. No entanto, pesquisadores da Haarmann
que por sua vez é isomerizado cataliticamente com Rh-BINAP (Figura 20.6b) no quiral
(+)-citronelal para (–)-isopulegol com uma proporção de (–)-isopulegol para o outro isopulegol
processo catalisado em l-(–)-mentol a partir de mirceno (Figura 20.6a). Mirceno é convertido em 
dietilgeranilamina pela adição de dietilamina catalisada por lítio,
Na rota biológica, há uma nova rota química em desenvolvimento usando catálise homogênea.
O racemato é produzido diretamente a partir de m-cresol via acilação de Friedel-Crafts em timol 
e hidrogenação catalítica. A hidrogenação do timol produz quatro
No início da década de 1980, Takasago (Tóquio, Japão) desenvolveu um elegante e homogêneo
Para manter tudo em perspectiva, é importante mencionar que, além de
Três processos foram desenvolvidos para o l-(–)-mentol, que possui três centros assimétricos: 
(i) separação de pares de sais diastereoméricos; (ii) catálise homogênea com Rh-BINAP; e (iii) 
resolução lipase de benzoatos de mentol.
ambientalmente benigno e produz muito menos resíduos.
vários países, principalmente no sudeste da Ásia (kretek na Indonésia).
do processo ainda precisa ser melhorado. O processo, no entanto, é muito mais
1972) (Figura 20.5).
isômeros de 94: 6. No entanto, em uma patente recente, os trabalhadores da Takasago mostraram que
fez tintura. Para ser competitivo com o processo estabelecido, no entanto, a eficiência
4.000 toneladas por ano em todo o mundo. Além da indústria alimentícia (aditivos de chá, 
doces), o principal cliente é a indústria do tabaco: os cigarros com sabor de hortelã-pimenta são muito populares em
rendimento geral e tornou a H&R líder de mercado em l-(–)-mentol sintético (Fleischer,
desenvolvimento de engenharia, esta descoberta resultou em um processo de mais de 90%
a cor é “indistinguível” do azul profundo globalmente popular do quimicamente
é o óleo de hortelã-pimenta, mas a oferta é insuficiente para satisfazer a demanda atual de cerca de
maior pureza quiral do que o citronelal do óleo de citronela. O restante da síntese emprega 
química clássica: o brometo de zinco catalisa a ciclização de (3R)-
l-(–)-mentol é responsável pelo sabor de hortelã-pimenta. A fonte clássica de mentol
tom de vermelho. A engenharia genética removeu o gene do pigmento vermelho. O final
os benzoatos de mentila podem ser separados por cristalização induzida pela semeadura da 
mistura com um dos enantiômeros de benzoato de mentila opticamente ativos. Depois de notável
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos580
20.2.4.1 Separação de Pares de Sal Diastereomérico
20.2.4.2 Catálise Homogênea com Rh-BINAP
Mentol (agente aromatizante de hortelã-pimenta)
20.2.4
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Os catalisadores de tris (2,6-diarilfenoxi) alumínio podem fornecer uma proporção de (-) 
-isopulegol para os outros isômeros de isopulegol de 99,7: 0,3 (Iwata, 2002).
Esta é a segunda principal rota comercial para o l-(–)-mentol e a maior aplicação de catálise 
assimétrica homogênea. Anualmente, cerca de 1.500 t de (-)-mentol e outros terpenos são 
produzidos por esta rota. O rendimento espaço-tempo poderia ser melhorado para cerca de 
8.000 mol enamina (mol Rh) –1 em 18 horas. O número de volume de negócios total (TTN) 
melhorou para uns impressionantes 400 000.
58120.2 Posição da Biocatálise em Comparação com Catalisadores Químicos para Novos Processos
Figura 20.5 Rota sintética clássica para l-(–)-mentol.
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20.2.4.3 Resolução de ésteres racêmicos de mentol catalisada 
por lipase Durante décadas, processos biocatalíticos para (-)-mentol têm sido 
procurados. Os pesquisadores de Takasago foram os primeiros a conseguir a hidrólise 
de ésteres racêmicos de mentol usando uma enzima hidrolase de ácido carboxílico 
(Moroe, 1968). Atualmente, dois processos enzimáticos desenvolvidos muito mais 
recentemente competem para realização em escala comercial: AECI (Gallo Manor, 
África do Sul) emprega acilação estereosseletiva catalisada por lipase da mistura de 
quatro pares de diastereômeros racêmicos mencionados acima para obter acetato de 
l-mentila em ÿ 96% ee O acetato de mentila é separado dos isômeros que não reagiram 
por destilação e hidrolisado em l-(–)-mentol (Figura 20.7). De uma patente de 2002 
concedida à AECI (Chaplin, 2002), a meia-vida da enzima é consideravelmente superior 
a 2.000 horas. A mistura restante de isômeros é isomerizada ou racemizada para 
produzir a composição original que pode então ser novamente submetida à catálise 
de lipase. O rendimento global de timol ao longo de vários ciclos é quase quantitativo. De acordo com a patente, o processo contínuo foi demonstrado em uma escala de 1 kg h-1 .
582
b)
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
Figura 20.6 
a) Processo catalisado homogeneamente para l-(–)-mentol a partir de 
mirceno; b) Catalisador Takasago para o processo de l-(–)-mentol.
a)
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Haarmann & Reimer (Holzminden, Alemanha), em colaboração com o grupo de Rolf 
Schmid da Universidade de Stuttgart, desenvolveram um processo baseado na resolução 
de ésteres racêmicos de mentol, como ésteres de acetato ou benzoato. A equipe 
empregou diversas lipases, como Candida cyclindracea , que resultou em enantio-
seletividades de até 100% ee (Bornscheuer, 2002).
O ácido ascórbico como vitamina solúvel em água (vitamina C) é um componente 
essencial na dieta humana. Como um dos muitos antioxidantes (a vitamina E e o ÿ-
caroteno são exemplos de antioxidantes solúveis em gordura), o ácido ascórbico é 
necessário para o crescimento e reparação de tecidos em todas as partes do corpo. É 
necessário formar colágeno, uma proteína importanteusada para formar pele, tecido cicatricial, tendões, ligamentos e vasos sanguíneos.
20.2 Posição da Biocatálise em Comparação com Catalisadores Químicos para Novos Processos
Figura 20.7 Processo catalisado por lipase para l-(–)-mentol.
583
Ácido Ascórbico (Vitamina C)
20.2.5
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Fermentação de GlicoseFermentação com SorbitolSíntese de Reichstein-
Grüssner
Figura 20.8 Comparação de processos de ácido ascórbico.
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
Ácido ascórbico Ácido ascórbico
20.2.5.2 Processo de fermentação em duas etapas para ácido 2-cetogulônico com etapa química para
Ácido ascórbico
584
Diacetona-L-sorbose
Um passo
Acetonização
L-Sorbose
Fermentação
L-Sorbose
Fermentação
Fermentação
TecnologiaLactonização
D-Sorbitol
Ácido Metil 2-ceto-L-gulônico
Hidrogenação
Em processamento
D-glicose
Esterificação Químico
Fermentação
Ácido 2-ceto-L-gulônico
Oxidação/Hidrólise
Processo
Há um total de três processos de ácido ascórbico em vigor ou em estágios finais 
de desenvolvimento com firmes expectativas de comercialização: (i) a síntese 
química tradicional de Reichstein-Grüssner; (ii) o processo de fermentação em 
duas etapas para ácido 2-cetogulônico com subsequente esterificação/lactonização 
química para ácido ascórbico; e (iii) a fermentação em uma etapa em ácido 2-
cetogulônico com a mesma última etapa química. A Figura 20.8 e a Tabela 20.3 fornecem uma visão geral dos três processos.
Num desenho de processo para um processo biológico, as enzimas para as duas 
primeiras etapas, E1 – glicose desidrogenase e E2 – ácido glucônico desidrogenase, 
foram co-clonadas em E. coli e assim produziram l-sorbose diretamente. A próxima 
etapa fermentativa foi realizada para obtenção do ácido 2-ceto-l-gulônico, que foi 
então tratado como no processo convencional.
A vitamina C é essencial para a cicatrização de feridas e para a reparação e 
manutenção de cartilagens, ossos e dentes.
20.2.5.1 A Síntese Reichstein-Grüssner Tradicional O 
processo Reichstein-Grüssner, desenvolvido em 1934, abrange todas as cinco 
etapas químicas (hidrogenação, oxidação fermentativa, acetonização, oxidação e 
hidrólise/rearranjo) (Tabela 20.3). Ao longo de toda a síntese, existem 17 a 20 
etapas diferentes de processamento posterior, seis etapas de manuseio de sólidos 
e pelo menos sete sistemas de solventes diferentes para manusear. O rendimento 
geral é de cerca de 55% e o tempo geral do ciclo é de cerca de três dias. Tais 
valores sugerem claramente possível melhoria no processo em direção ao ácido ascórbico.
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precipitação, 
filtração, secagem
Ra–Ni, H2O/MeOH
ClHC, EtOH
Colheita [%]
filtração a 
quente, troca 
iônica, filtração
24; 30°C, 135°C/3 Torr; 
acetona/H2SO4 , éter
[S] 
[g L–1]
esterilidade e 
2 atm de O2 
necessários; 
Material do tanque de Ni tóxico
Oxidação
Acetonização 85
Etapas de trabalho
Oxidação 
do sorbitol
90
90
85
Tempo de ciclo [h]; 
T,p; catalisador, solvente
centrifugação, 
desionização, 
cristalização
6; 50°C; Pd/C; pH 
H2O, ácido, acetona
N2/CO2 atm. 
obrigatório
2 × destilação, 
filtração, 
vácuo. destilação
2; 140 °C, 80–125 bar;
2; 100°C; 
pH 2: HCl/MeOH,
Maiores 
desafios
50
24; 30°C, 2 atm; pH 
5–6 ÿ 2, H2O
95
Hidrólise/
rearranjo
Hidrogenação
Etapa
200
destilação, 
recristalização, 
evaporação
ClHC: hidrocarboneto clorado.
Figura 20.9 Processo Genencor-Eastman para ácido ascórbico.
20.2 Posição da Biocatálise em Comparação com Catalisadores Químicos para Novos Processos
Tabela 20.3 Características das etapas da síntese de Reichstein-Grüssner.
20.2.5.3 Fermentação em uma etapa para ácido 2-cetogulônico com etapa química para
Ácido ascórbico
Recuperação
Ácido 2,5-diceto-D-Gulônico
E3
Esterificação/Lactonização
Recuperação 2-KLG 
via Cristalização
Ácido 2-ceto-D-Gulônico
E4-redutase do ácido 2,5-diceto-D-glucônico
Ácido GlucônicoD-glicose
E3- desidrogenase do ácido 2-ceto-D-glucônico
E2- ácido glucônico desidrogenase
E2E1
E1- glicose desidrogenase
Ácido 2-ceto-L-gulônico (2-KLG)
E4
585
(Kingsport/TN, EUA) co-patrocinado pelo governo federal dos EUA através do
Programa de Tecnologia Avançada, foi desenvolvido o processo mais direto até 
agora (Figura 20.9): todas as quatro enzimas para o intermediário ácido 2-ceto-l-
gulônico, glicose desidrogenase (E1, para ácido glucônico), ácido glucônico desidrogenase ( E2, para sorbose),
Em uma colaboração entre Genencor (Palo Alto/CA, EUA) e Eastman Chemical
Ácido ascórbico
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As propriedades superiores do polímero e das fibras de poli(tereftalato de propileno) 
(PPT) em relação ao poli(tereftalato de etileno) (PET, usado para garrafas de 
refrigerante) quimicamente análogos e ao poli(tereftalato de butileno) (PBT) são 
bem conhecidas há várias décadas: PPT as fibras são muito mais elásticas e menos 
quebradiças que o PET e oferecem melhor recuperação do estiramento que o PBT; 
eles também são mais fáceis de tingir do que PET ou PBT. Comparado ao 
intermediário para PET, o etilenoglicol, que está disponível a baixo custo a partir 
do óxido de etileno, e ao do PBT, o butanodiol, igualmente disponível a baixo custo 
a partir do buteno ou butadieno, o intermediário para o PPT, 1,3 propanodiol (1,3- 
PPD ou DOP), não estava – e em grande escala ainda não está – disponível. Três 
processos, dois químicos e um biotecnológico, competem para mudar esta situação (Figura 20.10).
Essencial para o sucesso da produção de produtos químicos através da engenharia 
de vias será a integração de tecnologias de fermentação e engenharia metabólica 
(Chotani, 2000). A chave para a aplicação da engenharia metabólica é a capacidade 
de medir quantitativamente múltiplos fluxos metabólicos, especialmente através de 
métodos microanalíticos aplicados intracelularmente. A engenharia de vias também 
é auxiliada por avanços em genômica e proteômica (Capítulo 15). A aplicação bem-
sucedida alcançará melhorias em vários aspectos de um processo, como maior 
rotatividade de produtos por célula, canalização mais eficiente de carbono, maior 
produtividade e, portanto, fábricas menores e, por último, tempos de ciclo de 
desenvolvimento de produtos minimizados para trazer produtos ao mercado. O 
progresso na engenharia de vias metabólicas aplicáveis industrialmente, 
impulsionado pela coalescência de análise de fluxo (“fluxômica”), genômica, proteômica e modelagem computacional, foi revisado recentemente (Sanford, 2002).
O processo DuPont-Genencor segue a via da glicólise até o equilíbrio (K = 1,1) 
entre gliceraldeído-3-fosfato (GAP) e diidroxiacetona fosfato (DHAP) catalisado pela 
triose fosfato isomerase (TIM, Capítulo 10, Seção 10.3.2) (Figura 20.11). O DHAP é 
então reduzido a glicerol-3-fosfato com glicerol desidrogenase dependente de NADP+ , 
seguido de hidrólise em glicerol com
O 1,3-propanodiol é produzido a partir da hidratação redutiva da acroleína 
(processo Degussa-DuPont), ou através da carbonilação redutiva do óxido de 
etileno (processo Shell), ou através da fermentação da glicose via glicerol (processoDuPont-Genencor).
A desidrogenase do ácido 2-ceto-d-glucônico (E3, para ácido 2,5-diceto-d-glucônico) 
e a redutase do ácido 2,5-diceto-d-glucônico (E4, para ácido 2-ceto-l-glucônico) 
foram co-clonado em E. coli para produzir o intermediário diretamente. A última 
etapa é paralela à síntese química convencional.
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos586
20.3
Engenharia de Caminhos para Produtos Químicos Básicos: 1,3-Propanodiol
Engenharia de Vias através da Engenharia Metabólica
20.3.1
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CO, H2
Concha
E. coli
processo
acroleína
glicose
Processo Degussa/
Dupont
H2O, [H2 ]
1,3-propanodiol
óxido de etileno
Processo Dupont/
Genencor
20.3 Engenharia de Vias através da Engenharia Metabólica
Figura 20.11 Esquema da rede de reação da glicose ao 1,3-propanodiol (Chotani, 2000).
Figura 20.10 Processos concorrentes do 1,3-propanodiol.
glicerol-3-fosfato fosfatase. As duas últimas etapas são uma desidratação em 3-
hidroxi-propionaldeído e outra redução dependente de NADP+ no produto final, 
1,3-propanodiol.
A triose fosfato isomerase, TIM, como uma enzima com difusão quase limitada 
(Cap. 2, Seção 2.2.3), catalisa o equilíbrio de GAP e DHAP de maneira muito 
eficiente. No entanto, as concentrações de equilíbrio de GAP foram metabolizadas 
em piruvato e posteriormente em etanol ou acetato, de modo que o rendimento 
estequiométrico de glicose para 1,3-PPD de 42,5% foi inferior à meta de 50%. 
Assim, o TIM foi clonado para evitar o equilíbrio entre o DHAP desejado e o 
produto secundário indesejado GAP, o que aumentou com sucesso o rendimento além da meta mínima.
O processo DuPont consistia originalmente em duas fermentações separadas, 
a primeira em levedura que levava da glicose ao glicerol, e a segunda em E. coli 
do glicerol ao produto final 1,3-propanodiol. Um grande avanço, especialmente 
em termos de custos de investimento mais baixos, foi a clonagem e expressão 
de todos os genes da via em E. coli para levar directamente da glicose ao produto final.
A penúltima enzima na via, glicerol desidratase (EC 4.2.1.30), catalisando a 
desidratação do glicerol em 3-hidroxipropionaldeído, é uma enzima dependente 
de vitamina B12, contendo cianocobalamina, que emprega um radical
587
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Ó
---C-)---0-CH2 -CH2 -CH2 ---C-)-
Ó
-(-0-CH2 -CH2 -CH2 -0-C--
Ó
-(-0-CH2 -CH2 -CH2 -0-C--
Ó
--0-CH2 -CH2 -CH2
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
Figura 20.12 Visão geral do processo da DuPont para poli(tereftalato 
de propileno) (3-GT, Soronaÿ) (Ray Miller, DuPont).
1,3 Propanodiol Tereftalato
3G T
588
Se a rota biológica para o 1,3-propanodiol for competitiva em relação aos dois processos 
químicos (e muitos sinais apontam para o fato de que será), a fermentação de uma fonte 
biológica de carbono com uma cepa recombinante otimizada forneceria um produto “não 
biológico”, ou seja, um produto sem uso em ciências biológicas. Embora matérias-primas 
químicas como acetona, butanol ou etanol tenham sido obtidas por fermentação, o 1,3-
propanodiol forneceria o primeiro caso de uma empresa química utilizando DNA 
recombinante, bem como tecnologia de fermentação para fabricar um produto, ou pelo 
menos um produto químico. intermediário. Por este trabalho, a Dupont ganhou o Prémio 
Presidencial Green Challenge em 2003. A combinação de uma infra-estrutura de combustível 
com o fabrico de produtos químicos reduziria ainda mais os custos e poderia inaugurar uma 
nova era de processamento industrial.
No Capítulo 13, Seção 13.3.3, discutimos o indinavir (Crixivanÿ), o inibidor da protease do 
HIV da Merck, que atualmente é fabricado por meio de uma rota de síntese química.
No nível de planta piloto de 5 a 10.000 toneladas, o 1,3-PPD químico e agora também 
biológico foi incorporado às fibras PPT. O produto de fibra, Soronaÿ, é sintetizado em um 
processo contínuo via transesterificação a partir de tereftalato de dimetila (“T”) e 1,3-
propanodiol (“3-G”) com a ajuda de um catalisador para o polímero (“3-GT ”), finalizado sob 
vácuo e peletizado. A Figura 20.12 resume o processo.
Uma rota biocatalítica alternativa, pelo menos para intermediários, brevemente discutida na Seção
mecanismo baseado na clivagem hemolítica da ligação cobalto-carbono (Kajiura, 2001; 
Toraya, 2002). Combinando uma variedade de técnicas de engenharia de proteínas, a 
necessidade de cofatores por unidade de massa de produto poderia ser reduzida em quatro 
vezes, de modo que o custo da vitamina B12 não parecesse mais limitante.
20.3.2 
Engenharia de Vias para Intermediários Farmacêuticos: cis-Aminoindanol
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O grupo empregou diversos microrganismos, como duas cepas diferentes de 
Pseudomonas putida e um Rhodococcus sp. cepa para atingir o objetivo original de 
produzir cis-aminoindanol. A biotransformação na cepa original de Pseudomonas 
resultou no desejado cis-(1S,2R)-indanodiol com mais de 99% de ee. O alto valor de 
ee foi alcançado por metabolismo adicional exclusivamente do enantiômero 
indesejado, cis-(1R,2S) -indanodiol, dentro da célula, resolvendo assim a solução 
racêmica e resultando no alto valor de ee, embora às custas do rendimento global.
Um operon tolueno dioxigenase (TOD) foi isolado de uma cepa de Pseudomonas 
que pode crescer em tolueno através da expressão do operon TOD e clonado em E. 
coli. O complexo TOD pode converter tanto o tolueno quanto o indeno nos cis-
diidrodióis correspondentes, mas tem que ser induzido pelo tolueno, que é tóxico 
para o microrganismo acima de uma certa concentração. Uma medida para reduzir a 
toxicidade é a adição de óleo de soja à biotransformação para formar uma segunda 
fase solvente hidrofóbica para particionar o tolueno tóxico da solução aquosa do biocatalisador.
Mais de 1 kg de cis-(1S,2R)-indanodiol purificado foi produzido e incorporado ao 
sulfato de indinavir, princípio ativo do Crixivanÿ. A necessidade indesejada de induzir 
a dioxigenase com tolueno foi contornada através de rodadas de mutação para 
rastrear apenas um produtor constitutivo do sistema enzimático TDO.
Na seção 13.3.3, busca-se aumentar a eficiência do processo atual e diminuir custos. 
Nos Laboratórios de Pesquisa Merck em Rahway/NJ, EUA, o grupo de Barry Buckland 
aplicou engenharia metabólica para construir novos caminhos para a biossíntese de 
cis-aminoindanol, um intermediário útil para o indinavir (Buckland, 1999).
A bioconversão de indeno em Rhodococcus sp. leva também ao produto desejado 
de cis- (1S,2R)-indanodiol, mas também a vários subprodutos que perturbam o 
rendimento geral e o excesso enantiomérico do produto desejado (ver Figura 20.13).
A expressão do operon em E. coli e a otimização do processo levam a um título de 
produto de 1 g L-1 com mais de 99% ee após 24 h de fermentação. Contudo, o título não 
foi suficientemente elevado para níveis comercialmente atrativos.
58920.3 Engenharia de Vias através da Engenharia Metabólica
Figura 20.13Rede de reação Indene em Rhodococcus sp. (Buckland, 1999).
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crescendo no indene. Os mutantes foram selecionados pela produção de in-digo de cor azul, 
uma vez que o indol pode ser convertido primeiro por este complexo enzimático em cis-indole-2,3-
empurrando a síntese ainda mais para a próxima etapa, o derivado de amina desejado, cis- 
aminoindanol (Figura 20.14). Esta abordagem ainda está em desenvolvimento, indicando a
2. O cultivo prolongado deste organismo em um sistema de fluxo contínuo, na verdade
subprodutos e degradação do produto. A engenharia metabólica está sendo aplicada para 
reduzir reações colaterais e evitar a degradação adicional do cis-indanodiol,
quimiostato com um novo sistema de fornecimento de ar indeno.
Embora a bioconversão de indeno em cis-(1S,2R)-indanodiol apresente a especificidade 
enantiomérica correta, a conversão faz parte de uma via de degradação resultando em
1. Fisiologia do estado estacionário do Rhodococcus sp. A cepa 124 foi investigada por um
o indanediol também foi investigado em Rhodococcus sp. (Stafford, 2001). A metodologia de 
engenharia metabólica foi aplicada passo a passo:
A rede de biorreação indene que catalisou a bioconversão em (2R)-
abordagem.
facilitar a purificação do produto; e (iv) rendimentos comercialmente atrativos.
todos os produtos de reação, de modo que a inibição do produto final limita a produtividade deste
vias metabólicas para simplificar a fermentação; (iii) o mínimo possível de subprodutos
indanediol e assim resolver o racemato cineticamente. Outras experiências demonstraram que 
cada produto emergente da bioconversão inibiu a formação de
A cepa mutante constitutiva bem-sucedida converteu indeno em cis-(1S,2R)-indanodiol com > 
90% ee devido a duas cis-glicol desidrogenases, que preferem cis-(1R,2S)-
produzir um produto desejado com (i) um bom excesso enantiomérico; (ii) direto
dificuldades e obstáculos que os pesquisadores têm que superar para sintonizar um biocatalisador em
diidrodiol e depois, após a eliminação da água, em indoxil, que é oxidado pelo ar em índigo.
resultou na evolução de uma cepa mutante, designada KY1, com melhor
caminho em Rhodococcus para alcançar o produto desejado
20 Comparação de Catalisadores Biológicos e Químicos para Novos Processos
Figura 20.14 Potencial futuro de engenharia metabólica
cis-aminoindanol (Buckland, 1999).
590
Perspectiva para um processo para cis-aminoindanol
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3. Estudos de indução com ambas as cepas revelaram a falta de atividade de dioxigenase 
induzível por tolueno (TOD) presente em 124, mas ausente em KY1, que é 
responsável pela formação de vários subprodutos indesejados.
Como resultado da análise de fluxo, o alvo mais promissor para a modificação da via 
para aumentar o rendimento do trans-(1R,2R)-indanodiol desejado é a hidrólise seletiva 
aprimorada do óxido de indano em trans-(1R,2R)-indanodiol, quer por modificação das 
condições de cultura quer por sobre-expressão de uma epóxido hidrolase.
propriedades de bioconversão, em particular um aumento duplo no rendimento de 
(2R)-indanodiol em relação à cepa 124. (Antes do advento da engenharia de proteínas 
(Capítulo 10) e da evolução dirigida (Capítulo 11), um quimiostato foi empregado 
para observar taxas de mutação ao longo tempo.)
4. Em KY1, mais de 95% do substrato de indeno é oxidado por uma monooxigenase em 
óxido de indano, que por sua vez é hidrolisado em trans-(1R,2R)-indanodiol e cis-
(1S,2R)-indanodiol indesejados, como foi verificado por equilíbrio de metabólitos 
em estado estacionário e marcação com traçadores 14C.
Os esforços e ferramentas de engenharia metabólica são bem resumidos e revisados 
por Stafford et al. (Stafford, 2002) para o exemplo da síntese de 1,2-indanodiol a partir 
de indeno em Rhodococcus.
G. Chotani, T. Dodge, A. Hsu, M. Kumar, R. 
LaDuca, D. Trimbur, W. Weyler e
BC Buckland, SW Drew, NC Conors, MM 
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