Stimolo tecnologico per la produzione di farmaci

Le piume contengono cheratina, una proteina strutturale insolubile in acqua, da cui è possibile ottenere componenti di adesivi. © Getty Images

Nei progetti congiunti è stata sviluppata una nuova piattaforma tecnologica per la produzione di fine chimici. © Fraunhofer IMM / The joint projects developed a new technology platform for production of fine chemicals. © Fraunhofer IMM

I catalizzatori necessari per i passaggi di sintesi vengono immobilizzati su pellicole trasparenti (sopra) o utilizzati come particelle catalitiche (sotto). La micrografia elettronica mostra una sezione di una particella con le particelle portatrici per enzimi e fotocatalizzatori. La loro dimensione si aggira nell'intervallo dei nanometri. © Fraunhofer IGB (sopra) / Fraunhofer ISC (sotto)

La produzione di fine chimici, ad esempio per i farmaci, è generalmente complessa e impegnativa. Un team interdisciplinare di ricercatori Fraunhofer ha sviluppato in progetti congiunti una procedura ispirata a una cascata, in cui più fasi di sintesi successive vengono eseguite senza interruzioni. Ciò è reso possibile dall'impiego di catalizzatori innovativi in reattori a flusso appositamente adattati. In questo modo, la produzione dei farmaci diventa più efficiente e risparmia energia. Così, la piattaforma tecnologica modulare supporta la produzione di medicinali presso il sito in Germania.

Nel settore chimico, i fine chimici sono tra i prodotti di altissima qualità. Sono richiesti ovunque si voglia ottenere effetti precisi e elevati livelli di purezza, ad esempio nella produzione di medicinali. La produzione di fine chimici è complessa e di solito richiede più passaggi reattivi successivi. I metodi di sintesi sono stati consolidati da molti anni, ma sono anche ampiamente sfruttati.

I ricercatori Fraunhofer hanno ora sviluppato in due progetti un processo innovativo di sintesi per la produzione di fine chimici. Mentre i metodi convenzionali funzionano con una sequenza di vari reattori e caldaie, in cui dopo ogni reazione la soluzione di prodotto risultante deve essere preparata e trasferita in un altro contenitore, il prodotto finale nel nuovo metodo si ottiene in una cascata di sintesi in continuo, al massimo in un singolo reattore. Il metodo porta a una gestione del processo molto più efficiente e a una produzione più sostenibile grazie a tempi di riattrezzaggio ridotti e a un minor consumo energetico. Questi vantaggi incidono direttamente sulle emissioni di CO2 del processo di sintesi e sui costi.

In totale, quattro istituti Fraunhofer si sono uniti in questo progetto: l'Istituto Fraunhofer per la biologia molecolare e l'ecologia applicata IME, l'ISC per la ricerca sui silicati, l'IGB per le tecnologie di superficie e bioprocessi e l'IMM per la microtecnica e i microsistemi.

Catalisi con enzimi e luce

I ricercatori Fraunhofer utilizzano nel loro metodo una combinazione innovativa di due metodi di catalisi. Vengono combinati fotocatalizzatori, attivi con la luce, con enzimi che agiscono anch'essi come catalizzatori. Gli enzimi vengono applicati su pellicole trasparenti e immobilizzati o utilizzati come particelle nel mezzo reattivo. La direttrice del progetto, Dr.ssa Michaela Müller dell'IGB Fraunhofer, spiega il vantaggio di questo metodo: «Evitiamo così che i catalizzatori fluttuino liberamente nella soluzione e che debbano essere filtrati o rimossi con procedure complesse dopo ogni passaggio. Gli enzimi o catalizzatori immobilizzati possono rimanere nel reattore mentre il prodotto della reazione si forma in modo continuo. Se gli enzimi perdono attività, possono essere facilmente sostituiti senza interrompere il processo.»

«La catalisi fotogenerata per le reazioni a cascata non richiede temperature particolarmente elevate, si combina bene con la biocatalisi e risparmia energia», spiega il Dr. Thomas Rehm, responsabile di progetto presso l'IMM Fraunhofer e specialista di sintesi sostenibili in reattori a flusso. Per contattare in modo efficace la luce con il fotocatalizzatore e la soluzione reattiva, i reattori a flusso utilizzati sono dotati di sottili tubi di plastica trasparente (capillari) o di pellicole. La soluzione di partenza viene pompata attraverso i capillari del reattore – insieme a particelle di catalizzatore e a un gas per migliorare il trasporto di solidi – oppure fatta passare attraverso la pellicola di polimero trasparente, che funge da supporto per i fotocatalizzatori e gli enzimi.

Grazie all'impiego di enzimi nella reazione a cascata, il metodo è particolarmente adatto alla produzione di cosiddetti fine chimici chirali, frequentemente usati nei medicinali. Questi composti chimici si basano su molecole che sono esattamente speculari tra loro, ma non sono sovrapponibili tramite rotazione, come ad esempio le mani umane. Questo fenomeno si chiama stereoisomeria. A seconda della versione, cioè dell'isomero della molecola chirale – mano sinistra o mano destra – possono avere effetti completamente diversi. Per questo motivo, è importante produrre in modo mirato un solo isomero in purezza elevata, per ottenere un effetto massimo positivo.

Impulso tecnologico per la produzione chimica

Per realizzare il nuovo metodo di catalisi, i quattro istituti Fraunhofer hanno unito le loro competenze di ricerca molto diverse e hanno collaborato in modo interdisciplinare. Il risultato non è solo un nuovo procedimento: gli esperti Fraunhofer hanno sviluppato una piattaforma tecnologica modulare per la produzione di diverse classi di fine chimici. Per i clienti industriali, questa permette di personalizzare in uno studio di fattibilità i processi desiderati per reazioni e combinazioni di catalizzatori.

Le aziende farmaceutiche possono trarre grande beneficio da questo, poiché le tecnologie di produzione sono spesso già sfruttate al massimo. Sempre più produttori trasferiscono le loro sedi all'estero per produrre più a buon mercato o acquistano i principi attivi all'estero. «Abbiamo bisogno di nuove tecniche di produzione nel settore chimico, all'avanguardia, sostenibili ed economicamente vantaggiose», afferma Müller. «Questo garantisce il vantaggio tecnologico dei produttori tedeschi di medicinali nel contesto globale e rende di nuovo attrattiva la Germania come sede di produzione.» Inoltre, questa innovazione dei ricercatori Fraunhofer contribuisce a garantire l'assistenza sanitaria della popolazione in futuro.

Per la ricerca di base, il consorzio è stato sostenuto sia con fondi propri della Gesellschaft Fraunhofer sia con finanziamenti del Ministero federale dell'istruzione e della ricerca (BMBF) (progetto ILLUMINATE, numero di finanziamento 031B1121).