Impulso tecnológico para la producción de medicamentos

Las plumas contienen queratina, una proteína estructural insoluble en agua, a partir de la cual se pueden fabricar componentes de adhesivos. © Getty Images

En los proyectos conjuntos se desarrolló una nueva plataforma tecnológica para la producción de productos químicos finos. © Fraunhofer IMM / Los proyectos conjuntos desarrollaron una nueva plataforma tecnológica para la producción de productos químicos finos. © Fraunhofer IMM

Los catalizadores necesarios para los pasos de síntesis se inmovilizan en láminas transparentes (arriba) o se utilizan como partículas catalíticas (abajo). La micrografía de electrones muestra una sección de una partícula con las partículas portadoras para enzimas y fotocatalizadores. Su tamaño está en el rango de nanómetros. © Fraunhofer IGB (arriba) / Fraunhofer ISC (abajo)

La producción de productos químicos finos, por ejemplo para productos farmacéuticos, suele ser compleja y laboriosa. Un equipo interdisciplinario de investigadores de Fraunhofer ha desarrollado en proyectos conjuntos un proceso inspirado en una cascada, en el que varias etapas de síntesis consecutivas se realizan sin interrupciones. Esto es posible gracias al uso de catalizadores innovadores en reactores de flujo especialmente adaptados. De este modo, la fabricación de medicamentos es más eficiente y ahorra energía. Así, la plataforma tecnológica modular apoya la producción de medicamentos en la sede de Alemania.

En la industria química, los productos químicos finos son considerados productos de muy alta calidad. Son demandados en todas partes donde se requiere menos cantidad y más precisión en la acción y altos grados de pureza, por ejemplo en la producción de medicamentos. La fabricación de productos químicos finos es compleja y generalmente requiere varios pasos de reacción consecutivos. Los métodos de síntesis están establecidos desde hace muchos años, pero también están técnicamente casi al límite.

Investigadores de Fraunhofer han desarrollado ahora, en dos proyectos, un proceso innovador de síntesis para la fabricación de productos químicos finos. Mientras que los métodos tradicionales trabajan con una secuencia de diversos reactores y calderas, en la que después de cada reacción la solución del producto se prepara y transfiere a otro recipiente para el siguiente paso, el producto final en el nuevo proceso se obtiene en una cascada de síntesis que funciona de forma continua, en el mejor de los casos en un solo reactor. El proceso conduce a una gestión mucho más eficiente del proceso y a una producción más sostenible mediante tiempos de cambio reducidos y menor consumo de energía. Estas ventajas tienen un impacto directo en las emisiones de CO2 del proceso de síntesis y en sus costes.

En total, cuatro institutos de Fraunhofer se han unido en este proyecto: el Instituto Fraunhofer para Biología Molecular y Ecología Aplicada IME, para Investigación en Silicato ISC, para Tecnología de Interfaces y Procesos Biológicos IGB y para Microtécnica y Microsistemas IMM.

Catalización con enzimas y luz

Los investigadores de Fraunhofer apuestan en su proceso por una combinación innovadora de dos métodos de catalización. Se combinan fotocatalizadores, que se activan con luz, con enzimas que también actúan como catalizadores. Las enzimas se aplican sobre láminas transparentes y se inmovilizan, o se utilizan como partículas en el medio de reacción. La directora del proyecto, la Dra. Michaela Müller del Fraunhofer IGB, explica la ventaja de este método: «De este modo evitamos que los catalizadores naden libremente en la solución y que después de cada paso tengan que filtrarse o eliminarse de forma laboriosa. Las enzimas o catalizadores inmovilizados pueden permanecer en el reactor mientras se produce continuamente el producto de reacción. Cuando las enzimas pierden su actividad, se pueden reemplazar fácilmente sin interrumpir el proceso.»

«La catálisis por luz para las reacciones en cascada no requiere temperaturas especialmente altas, por lo que es compatible con la biocatálisis y también ahorra energía», explica el Dr. Thomas Rehm, director del proyecto en Fraunhofer IMM y especialista en síntesis sostenibles en reactores de flujo. Para contactar de manera efectiva la luz con el fotocatalizador y la solución de reacción, los reactores de flujo utilizados están equipados con tubos delgados de plástico transparente (capilares) o con láminas. La solución de partida se bombea a través de los capilares del reactor, junto con partículas de catalizador y un gas para mejorar el transporte de sólidos, o se hace pasar por la lámina de polímero transparente, que actúa como soporte de los fotocatalizadores y enzimas.

Al utilizar enzimas en la reacción en cascada, el proceso resulta especialmente adecuado para la producción de llamados productos químicos finos quirales, que se usan con frecuencia en medicamentos. Estas sustancias químicas se basan en moléculas que son exactamente espejo unas de otras, pero no se pueden superponer mediante rotación, similar a las manos humanas. Esto se denomina estereoisomería. Dependiendo de la versión, es decir, del isómero de la molécula quiral — mano izquierda o mano derecha —, pueden tener efectos completamente diferentes. Por ello, es importante fabricar de manera selectiva un solo isómero en la mayor pureza posible para lograr un efecto máximo positivo.

Impulso tecnológico para la producción química

Para realizar el novedoso proceso de catálisis, los cuatro institutos de Fraunhofer han unido sus competencias de investigación muy diferentes y han trabajado de manera interdisciplinaria. Como resultado, no solo se ha desarrollado un nuevo proceso: los expertos de Fraunhofer han creado una plataforma tecnológica modular para la fabricación de distintas clases de productos químicos finos. De esta forma, los clientes industriales pueden adaptar procesos deseados individualmente para las reacciones y combinaciones de catalizadores en estudios de viabilidad.

La industria farmacéutica puede beneficiarse especialmente, ya que las tecnologías de producción a menudo están al límite. Cada vez más fabricantes trasladan sus sedes al extranjero para producir más barato allí o compran los ingredientes activos en otros países. «Necesitamos en la industria química nuevos procesos para una producción en el nivel tecnológico más alto, que sean sostenibles y rentables», afirma Müller. «Esto garantiza la ventaja tecnológica de los fabricantes alemanes de medicamentos en la competencia global y vuelve a hacer a Alemania un lugar atractivo para la producción.» Así, el desarrollo innovador de los investigadores de Fraunhofer también contribuye a garantizar la atención sanitaria de la población en el futuro.

Para investigar los fundamentos, el consorcio ha sido apoyado tanto con fondos propios de la Sociedad Fraunhofer como con financiación del Ministerio Federal de Educación e Investigación (BMBF) (proyecto ILLUMINATE, número de referencia 031B1121).