Impulsion technologique pour la production de médicaments

Les plumes contiennent de la kératine, une protéine structurale insoluble dans l'eau, à partir de laquelle on peut fabriquer des composants pour des adhésifs. © Getty Images

Dans les projets communs, une nouvelle plateforme technologique pour la fabrication de produits chimiques fins a été développée. © Fraunhofer IMM / Les projets conjoints ont développé une nouvelle plateforme technologique pour la production de produits chimiques fins. © Fraunhofer IMM

Les catalyseurs nécessaires aux étapes de synthèse sont immobilisés sur des films transparents (en haut) ou utilisés sous forme de particules catalytiques (en bas). La micrographie électronique montre un extrait d'une particule avec les particules porteuses pour les enzymes et les photocatalyseurs. Leur taille se situe dans la plage nanométrique. © Fraunhofer IGB (en haut) / Fraunhofer ISC (en bas)

La production de produits chimiques fins, par exemple pour l'industrie pharmaceutique, est généralement complexe et exigeante. Une équipe interdisciplinaire de chercheurs du Fraunhofer a développé, dans le cadre de projets communs, une méthode inspirée d'une cascade, où plusieurs étapes de synthèse successives sont effectuées sans interruption. Cela est rendu possible grâce à l'utilisation de catalyseurs innovants dans des réacteurs à flux spécialement adaptés. Ainsi, la fabrication des médicaments devient plus efficace et économe en énergie. La plateforme technologique modulaire soutient la production de médicaments sur le site allemand.

Dans l'industrie chimique, les produits chimiques fins font partie des produits de très haute qualité. Ils sont demandés partout où l'on privilégie une action précise et des niveaux de pureté élevés plutôt que de grandes quantités, par exemple dans la fabrication de médicaments. La fabrication de produits chimiques fins est complexe et nécessite généralement plusieurs étapes de réaction successives. Les procédés de synthèse sont établis depuis de nombreuses années, mais sont également largement exploités au maximum de leurs capacités techniques.

Les chercheurs du Fraunhofer ont maintenant développé, dans deux projets, un procédé innovant de synthèse pour la fabrication de produits chimiques fins. Alors que les procédés traditionnels fonctionnent avec une succession de divers réacteurs et chaudières, où, après chaque réaction, la solution de produit formé doit être préparée pour l'étape suivante et transférée dans un autre récipient, le nouveau procédé permet d'obtenir le produit final dans une cascade de synthèse continue, idéalement dans un seul réacteur. Ce procédé conduit à une gestion de processus beaucoup plus efficace et à une production plus durable grâce à des temps de changement réduits et à une consommation d'énergie moindre. Ces avantages ont un impact direct sur les émissions de CO2 du procédé de synthèse et sur ses coûts.

Au total, quatre instituts du Fraunhofer se sont regroupés pour ce projet : l'Institut Fraunhofer pour la biologie moléculaire et l'écologie appliquée (IME), pour la recherche sur la silice (ISC), pour la technique des interfaces et des procédés biologiques (IGB) et pour la microtechnologie et les microsystèmes (IMM).

Catalyse avec enzymes et lumière

Les chercheurs du Fraunhofer misent sur une combinaison innovante de deux méthodes de catalyse dans leur procédé. Des photocatalyseurs, activés par la lumière, sont combinés avec des enzymes qui agissent également comme catalyseurs. Les enzymes sont soit déposées sur des films transparents et immobilisées, soit utilisées sous forme de particules dans le milieu réactionnel. La chef de projet, Dr. Michaela Müller, du Fraunhofer IGB, explique l'avantage de cette méthode : « Nous évitons ainsi que les catalyseurs flottent librement dans la solution et doivent être filtrés ou enlevés de manière coûteuse après chaque étape. Les enzymes ou catalyseurs immobilisés peuvent rester dans le réacteur, tandis que le produit de réaction se forme en continu. Si les enzymes perdent leur activité, elles peuvent être facilement remplacées sans interrompre le processus. »

« La catalyse par lumière pour les réactions en cascade ne nécessite pas de températures particulièrement élevées, ce qui la rend compatible avec la biocatalyse et permet d'économiser de l'énergie », explique le Dr. Thomas Rehm, chef de projet à l'IMM et spécialiste des synthèses durables en réacteurs à flux. Pour optimiser le contact entre la lumière, le photocatalyseur et la solution réactionnelle, les réacteurs à flux utilisés sont équipés de fines tubes en plastique transparent (capillaires) ou de films. La solution de départ est soit pompée à travers les capillaires du réacteur – avec des particules de catalyseur et un gaz pour améliorer le transport de solides – soit dirigée sur le film polymère transparent qui sert de support aux photocatalyseurs et enzymes.

Grâce à l'utilisation d'enzymes dans la réaction en cascade, la méthode est particulièrement adaptée à la fabrication de ce que l'on appelle des produits chimiques fins chiraux, fréquemment utilisés dans les médicaments. Ces composés chimiques sont basés sur des molécules qui sont exactement le miroir l'une de l'autre, mais ne peuvent pas être superposées par rotation, comme par exemple des mains humaines. On parle ici de stéréoisomérie. Selon la version, c'est-à-dire l'isomère du molécule chirale – main gauche ou main droite – ces molécules peuvent avoir des effets totalement différents. C'est pourquoi la fabrication ciblée d'un seul isomère, avec une pureté aussi élevée que possible, est essentielle pour obtenir une efficacité maximale.

Une impulsion technologique pour la production chimique

Pour réaliser ce nouveau procédé de catalyse, les quatre instituts du Fraunhofer ont mis en commun leurs compétences de recherche très variées et ont travaillé en interdisciplinarité. Le résultat ne se limite pas à une simple nouvelle méthode : les experts du Fraunhofer ont développé une plateforme technologique modulaire pour la fabrication de différentes classes de produits chimiques fins. Pour les clients industriels, il est ainsi possible, dans une étude de faisabilité, d'adapter sur mesure les processus de réaction et les combinaisons de catalyseurs selon leurs besoins.

Ce progrès peut particulièrement profiter à l'industrie pharmaceutique, car ses technologies de production sont souvent exploitées à leur maximum. De plus en plus de fabricants délocalisent leur production à l'étranger pour réduire les coûts ou achètent des principes actifs sur place. « Nous avons besoin de nouvelles méthodes dans l'industrie chimique pour une production à la pointe de la technologie, qui soit aussi durable et économiquement viable », déclare Müller. « Cela garantit l'avance technologique des fabricants allemands de médicaments sur le marché mondial et rend l'Allemagne à nouveau attractive en tant que site de production. » Ainsi, la nouvelle avancée des chercheurs du Fraunhofer contribue également à assurer la santé de la population à l'avenir.

Pour la recherche fondamentale, le consortium a été soutenu à la fois par des fonds propres de la société Fraunhofer et par le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche (BMBF) (projet ILLUMINATE, numéro de subvention 031B1121).