Sintetizar química fina: avance tecnológico en la producción de productos farmacéuticos
La producción de productos químicos finos, como los utilizados en la industria farmacéutica, suele ser compleja y laboriosa. Un equipo interdisciplinario de investigadores del Instituto Fraunhofer ha colaborado en distintos proyectos para idear un método basado en un modelo en cascada, en el que se suceden varias etapas de síntesis sin interrupción. Esto es posible gracias al uso de catalizadores novedosos en reactores de flujo continuo especialmente ajustados. El nuevo método hace más eficiente el proceso de fabricación de fármacos y ahorra energía. De este modo, la plataforma tecnológica modular apoya la producción de productos farmacéuticos en Alemania como emplazamiento industrial.
La química fina se considera en la industria química como un producto de muy alto valor. Se requieren allí donde las grandes cantidades son menos preocupantes que los efectos de precisión y los altos niveles de pureza, como en la producción de productos farmacéuticos. La fabricación de productos químicos finos es compleja y suele requerir múltiples etapas de reacción sucesivas. Los métodos utilizados para sintetizarlos se han establecido desde hace muchos años, pero también han alcanzado en gran medida sus límites en términos técnicos.
Investigadores del Instituto Fraunhofer han desarrollado un innovador proceso de síntesis para la fabricación de productos químicos finos en el marco de dos proyectos compartidos. Mientras que los métodos convencionales se basan en una secuencia de diferentes reactores y tanques agitadores, en los que la solución del producto debe prepararse y trasladarse a un recipiente diferente después de cada reacción para el siguiente paso, el nuevo método implica la creación del producto final en una cascada de síntesis continua, idealmente dentro de un único reactor. Este método mejora significativamente la eficiencia del proceso y hace que la producción sea más sostenible al acortar los tiempos de reequipamiento y reducir la cantidad de energía necesaria. Estas ventajas afectan directamente a las emisiones de carbono del proceso de síntesis, junto con sus costes.
Cuatro institutos Fraunhofer se unieron para lograrlo: los Institutos Fraunhofer de Biología Molecular y Ecología Aplicada IME, de Investigación de Silicatos ISC, de Ingeniería Interfacial y Biotecnología IGB, y de Microingeniería y Microsistemas IMM.
Catálisis mediante enzimas y luz
El proceso ideado por los investigadores del Instituto Fraunhofer se basa en una innovadora combinación de dos métodos de catálisis. Los fotocatalizadores, que se activan con la luz, se combinan con enzimas, que también actúan como catalizadores. Las enzimas se aplican a películas transparentes, que las inmovilizan, o se utilizan como partículas en el medio de reacción. La Dra. Michaela Müller, directora del proyecto en Fraunhofer IGB, explica las ventajas del nuevo método: "De este modo, evitamos que los catalizadores floten libremente en la solución, lo que obliga a filtrarlos o eliminarlos después de cada paso en un proceso laborioso y que requiere mucho tiempo". Las enzimas o catalizadores inmovilizados pueden permanecer en el reactor mientras se forma continuamente el producto de reacción. Si las enzimas se vuelven inactivas, son fáciles de sustituir sin tener que interrumpir el proceso".
"La catálisis impulsada por la luz para las reacciones en cascada no requiere temperaturas especialmente altas, por lo que es muy compatible con la biocatálisis y, como consecuencia, también ahorra energía", explica el Dr. Thomas Rehm, director del proyecto en Fraunhofer IMM y especializado en síntesis sostenible en reactores de flujo continuo. Para conseguir la máxima eficacia en el contacto de la luz con el fotocatalizador y la solución de reacción, los reactores de flujo continuo utilizados están equipados con películas o con tubos de plástico delgados y transparentes conocidos como capilares. La solución de entrada se bombea a través de los capilares del reactor -incluidas las partículas de catalizador y un gas para mejorar el transporte de sedimentos- o se introduce a través de la película de polímero transparente utilizada para transportar los fotocatalizadores y las enzimas.
Como la reacción en cascada utiliza enzimas, el nuevo método es especialmente adecuado para fabricar los productos químicos finos "quirales" que se emplean con frecuencia en la industria farmacéutica. Estos compuestos químicos se basan en moléculas que tienen una estructura especular exacta pero que no pueden superponerse entre sí por rotación, como las manos humanas. Esto se conoce como estereoisomerismo. La molécula quiral puede tener efectos completamente distintos según la versión, o isómero - la mano izquierda o derecha, en esta analogía. Por esta razón, producir deliberadamente un solo isómero con el mayor grado de pureza posible es importante para conseguir el máximo efecto positivo.
Avance tecnológico en la producción química
Para llevar a cabo el novedoso método catalítico, los cuatro Institutos Fraunhofer combinaron sus respectivos conocimientos de investigación y trabajaron juntos en un enfoque interdisciplinar. El resultado fue mucho más que un nuevo método: Los expertos de Fraunhofer han desarrollado una plataforma tecnológica modular para producir diversas clases de química fina. Esto significa que se pueden realizar estudios de viabilidad para que los clientes industriales adapten sus procesos deseados a las reacciones individuales y a las combinaciones catalíticas implicadas.
El sector farmacéutico se beneficiará especialmente de ello, ya que las tecnologías de producción utilizadas en esta industria han alcanzado a menudo sus límites. Cada vez más fabricantes deslocalizan sus centros de producción para reducir costes o compran principios activos en otros países. "En la industria química necesitamos un nuevo conjunto de métodos para una producción de vanguardia que también sea sostenible y rentable", afirma Müller. "Así se consolidará el liderazgo tecnológico de los fabricantes farmacéuticos alemanes en su competencia mundial y Alemania volverá a ser un lugar de producción atractivo". De este modo, el nuevo desarrollo de los investigadores del Fraunhofer también contribuirá a salvaguardar el suministro de medicamentos de Alemania en el futuro.
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