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Previous issue date: 2008-04-11 / Financiadora de Estudos e Projetos / This work is part of a research project in DEQ-UFSCar (Department
of Chemical Engineering at Federal University of São Carlos, Brazil). The focus is
to develop a competitive industrial enzymatic process to obtain semi-synthetic β-
Lactam antibiotics. This process rivals with the conventional one, which uses toxic
solvents and generates non-recyclable residues. Thus, the increasing rigor of
environmental regulations is an important driving force for the research.
The enzymatic production of ampicillin, in aqueous medium, uses a
derivate from an acyl donor (in this work, D-phenylglycine methyl ester, PGME)
and 6-aminopenicillanic acid (6-APA). Penicillin G acylase (PGA) is usually the
biocatalyst for this process. Unfortunately, PGA acts either as transferase,
producing ampicillin (AMP), or as hydrolase, producing D-phenylglycine (PG) from
PGME (and from ampicillin). This is a series-parallel reaction scheme, with the
antibiotic being the desired intermediate product.
This work studied the use of multivariate calibration in a
spectrophotometer for on-line monitoring the enzymatic synthesis reactor. High
Performance Liquid Chromatography (HPLC) is the usual analytical procedure,
which is time demanding, expensive and generates amounts of disposals.
Multivariate calibration, on its turn, only uses dilutions of reactor samples and a
spectrophotomer (with UV detector). Some multivariate calibration techniques
(SPA, PCR, PLS) were tested and compared. They didn t show representative
differences in cross-validations or in test data.
The work also focused the automation of a reactor and its
accessories, where the enzymatic production of ampicillin and 6-APA (after
Penicillin G enzymatic hydrolysis) takes place. The software was implemented in
LabVIEW (National Instruments), which controls the Automatic Sampler (AS) for
multivariate analysis, among other equipments. The development of this system
provided a real-time concentration response from the reactor, for all chemical
species. Following an optimal trajectory in the enzymatic reactor by adding
reactants is one of the most important strategies to reach a competitive process.
Hence, the concentration sensor represents an important step for the feasibility of
the enzymatic process, because it could be used to monitor and control the
concentrations of substrates during the industrial feed-batch.
Several assays, among then batch and fed-batch runs, were done
and many modifications on the experimental scheme were implemented or
proposed. Some of these assays could be treated as validation of monitoring
software and concentration sensor, which showed good results. / Este trabalho é parte de linha de pesquisa do DEQ/UFSCar, cujo
objetivo é o desenvolvimento de processo enzimático para produção de
antibióticos β-lactâmicos semi-sintéticos. Este processo se propõe a substituir a
rota química convencional, que possui ressalvas devido ao crescente rigor das
legislações ambientais, por utilizar solventes tóxicos e gerar quantidades
apreciáveis de resíduos não recicláveis.
No processo enzimático, a produção de ampicilina é conduzida em
meio aquoso, a partir de um derivado ativado do doador acil e do ácido 6-
Aminopenicilânico (6-APA). Geralmente, utiliza-se a enzima Penicilina G Acilase
(PGA) como catalisador. Neste trabalho, o Éster Metílico de Fenilglicina, EMFG
(derivado da Fenilglicina, FG), foi empregado. A mesma enzima atua também nas
hidrólises do derivado ativado (EMFG, produzindo FG e metanol) e do antibiótico
(ampicilina, AMP, produzindo 6-APA e FG), caracterizando um sistema reacional
série-paralelo, onde o produto intermediário é o desejado.
Uma das contribuições deste trabalho foi estudar a substituição da
análise por HPLC ( High Performance Liquid Chromatography ) pela
multicalibração espectrofotométrica, que tornou possível obter as concentrações
dos analitos, em solução aquosa multicomponente (AMP, FG, EMFG e 6-APA em
água), através da leitura das absorbâncias correspondentes a diferentes
comprimentos de onda. A substituição se justifica devido à demanda elevada do
HPLC por recursos, tempo e cuidados experimentais. Além disso, viabiliza-se
assim o monitoramento do reator em tempo real. Várias técnicas de
multicalibração (SPA, PCR e PLS) foram utilizadas e comparadas. Todas
apresentaram desempenho semelhante tanto na validação cruzada como durante
a apresentação de dados de teste.
O trabalho também focou a automação de um reator piloto, que tem
utilidade para produção de ampicilina e também 6-APA (pela hidrólise de penicilina
G microbiana, catalisada por PGA). A linguagem de programação LabVIEW
(National Instruments) foi utilizada nos trabalhos de automação. O programa de monitoramento gerado inclui, entre outros, sistema de amostragem automática
(SAA) com análises por multicalibração espectrofotométrica. A aplicação do SAA,
integrado a multicalibração, funciona como um sensor de concentrações para
produção enzimática de ampicilina e pode ser utilizado no monitoramento e
controle do reator em tempo real. Assim, o desenvolvimento do sistema
representa um passo marcante rumo à viabilidade técnica e econômica do
processo industrial, uma vez que a alimentação de reagentes, visando a obter
trajetórias ótimas no reator, é uma das estratégias mais importantes para
competitividade do processo.
Vários ensaios experimentais, com o reator operando em batelada e
em batelada alimentada, foram realizados e motivaram propostas para
modificação do aparato experimental, como a retirada de cristais durante o
processo reacional. Esses ensaios também podem ser visualizados como
validações para o sensor de concentrações desenvolvido e para o sistema
automatizado, que mostraram comportamento adequado para o monitoramento do
processo.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufscar.br:ufscar/3994 |
| Date | 11 April 2008 |
| Creators | Padua, Thiago Faggion de |
| Contributors | Giordano, Roberto de Campos |
| Publisher | Universidade Federal de São Carlos, Programa de Pós-graduação em Engenharia Química, UFSCar, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | Portuguese |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| Format | application/pdf |
| Source | reponame:Repositório Institucional da UFSCAR, instname:Universidade Federal de São Carlos, instacron:UFSCAR |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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