Sintesi enzimatica in flow ed in batch di esteri chirali da materiale di recupero

Nella transizione verso l’implementazione di processi produttivi eco-compatibili ed eco-sostenibili l’industria chimica può avvalersi di una serie di strategie, tra queste è compresa la biocatalisi cioè la sostituzione dei tradizionali catalizzatori chimici con gli enzimi. Nella stessa ottica, anche la sostituzione di building block di origine fossile con molecole derivate da scarti della filiera agroalimentare rappresenta un’ulteriore strategia per l’abbattimento dell’impatto ambientale delle attività industriali chimiche.

Il glicerolo, ad esempio, è un polialcol non tossico coprodotto durante la conversione di grassi vegetali e animali in biodiesel. Nonostante le sue molteplici applicazioni, il mercato non è in grado di assorbire l'eccesso di glicerolo originato dalla bioraffineria per cui lo sviluppo di nuovi processi/prodotti basati sul suo impiego è di grande interesse. L'acido 3-idrosibutirrico (βHB) invece, è un idrossiacido chirale prodotto per fermentazione di biomasse zuccherine. Fa parte dei cosiddetti corpi chetonici utilizzati come fonte energetica dalle cellule cerebrali e muscolari nei casi di ipoglicemia prolungata ed è pertanto impiegato nella preparazione di integratori nutraceutici per diete chetogeniche. Recenti studi dimostrano inoltre effetti benefici dell’assunzione di βHB in pazienti affetti da malattie neurodegenerative. Il βHB viene somministrato sotto forma di estere per ridurre i fenomeni di acidosi ematica e accumulo di sodio provocati dall’assunzione dell’acido libero o salificato.

Questo progetto ha come obiettivo lo sviluppo di processi di sintesi efficienti e sostenibili per la produzione di esteri del βHB con glicerolo. Verranno disegnati e realizzati su scala di laboratorio processi batch e continui biocatalizzati da lipasi commerciali. I processi testati su scala di laboratorio seguiranno lo scale-up su impianto pilota che sarà accompagnato dall’ottimizzazione dei parametri di processo attraverso la metodologia di experimental desing (DOE). Verranno sviluppate anche le metodologie analitiche necessarie per seguire il decorso delle reazioni e determinare la purezza dei composti e questi ultimi verranno completamente caratterizzati attraverso tecniche spettroscopiche (NMR) e spettrometriche (MS).

Queste attività verranno svolte nell’Università di Ferrara in collaborazione con l’Università di Santa Catarina (Brasile). Lo scale-up su scala pilota e quello da impianto pilota a impianto industriale verranno svolti presso l’azienda Unichem Estense S.r.l.

Il progetto si svilupperà in 3 fasi: la fase I condotta su scala di laboratorio, la fase II su scala pilota e la fase III di trasferimento del processo su scala industriale.

I risultati attesi sono i seguenti:

Fase I – Le attività, svolte presso l’Università di Ferrara e l’Università di Santa Catarina (Brasile) porteranno all’isolamento e caratterizzare degli esteri del glicerolo e βHB. Gli standard puri ottenuti saranno utilizzati per sviluppare una metodica analitica quantitativa gas-cromatografica. Con la metodica analitica sarà possibile seguire il decorso delle reazioni ed impostare lo studio per l’ottimizzazione delle condizioni sia in modalità discontinua che continua su scala di laboratorio, mirando anche all’eliminazione o riduzione dell’impiego di solventi organici.

Fase II – Si svolgerà all’interno dell’azienda Unichem Estense S.r.l. e avrà come obiettivo lo scale-up del processo dalla scala di laboratorio alla scala pilota puntando al mantenimento o al miglioramento delle performance raggiunte nella Fase I.

Fase III – Si svolgerà all’interno dell’azienda Unichem Estense S.r.l. e sarà focalizzata sullo scale-up del processo selezionato nelle fasi precedenti su scala industriale. Verranno affrontati il perfezionamento dei parametri di processo e l’inserimento di eventuali modifiche tecnologiche rese necessarie dalla scala industriale.

L’attività proposta mira a sviluppare prodotti innovativi orientati al benessere dell'uomo, che potranno essere impiegati sia in ambito nutraceutico che farmaceutico. Gli esteri del glicerolo con l’acido 3-idrossibutirrico (βHB) la cui sintesi costituisce l’obiettivo del progetto, possono essere impiegati come alimenti funzionali (dieta chetogenica, supporti ergogenici) e come farmaci di supporto per la prevenzione e/o la terapia delle malattie neurodegenerative.

Le tecnologie di produzione basate sull'utilizzo di biocatalizzatori aderiscono perfettamente alle linee guida della chimica verde e contribuiscono alla realizzazione di processi a basso impatto ambientale. Pertanto, i prodotti sviluppati possiedono un elevato valore aggiunto anche in termini di neutralità climatica, in quanto le materie prime impiegate derivano da scarti del settore agroalimentare e da sottoprodotti della bioraffineria che vengono trasformate attraverso tecnologie altamente sostenibili. Il processo che verrà sviluppato contribuirà alla sostenibilità della filiera agroalimentare attraverso la valorizzazione integrata delle biorisorse rinnovabili non alimentari primarie e residuali di tale settore. È ragionevole prevedere che tali prodotti bio-based, ottenuti attraverso un processo eco-sostenibile ispirato al principio di transizione verde, rispondano alle esigenze di consumatori sempre più sensibili alle problematiche ambientali.

Unichem Estense S.r.l. - Ferrara

Durata: 6 mesi

Federal University of Santa Catarina (UFSC) - Department of Chemical Engineering and Food Engineering - Brasile

Durata: 8 mesi

Il progetto è coerente con l'Ambito di Ricerca e Innovazione 5.6 - "Prodotti alimentari, bioeconomia, risorse naturali, agricoltura, ambiente" del PNR 2021-2027

• Esteri glicerolici
• Corpi chetonici
• Acido 3-idrosibutirrico
• Lipase
• Bioindustria circolare