Produzione industriale di biomolecole mediante tecnologie green e loro purificazione in continuo con solventi ecocompatibili e recupero degli scarti

Le biomolecole sono molecole biologicamente attive che possono quindi indurre particolari attività fisiologiche all’interno dell’organismo umano. Generalmente, si tratta di molecole di dimensioni rilevanti (proteine, DNA, RNA, oligonucleotidi) o anche di dimensioni più ridotte (soprattutto peptidi) che possiedono una serie di funzioni biologiche come, ad esempio, attività antiossidante, antiipertensiva, antimicrobica, antinfiammatoria, immunomodulatoria, ecc. A causa di queste caratteristiche, molte aziende farmaceutiche stanno investendo moltissimo nella produzione di biofarmaci in grado di mimare l’azione di alcuni meccanismi molecolari che avvengono all’interno del corpo umano.

I metodi industriali di produzione sono molteplici. Tuttavia, trattandosi di molecole chimicamente molto complesse, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, la loro produzione porta a miscele complesse contenenti oltre alla molecola di riferimento (target) numerose altre molecole, derivanti da reazioni collaterali a quella di produzione della molecola. Le impurezze devono essere necessariamente rimosse affinché il principio attivo risponda ai requisiti di purezza imposti dalle agenzie regolatorie del farmaco. La purificazione avviene durante la fase detta di downstream, che rappresenta la fase più critica dell’intero processo produttivo in termini di tempo, costi e process development. La tecnica maggiormente utilizzata per rimuovere le impurezze è la cromatografia liquida in modalità discontinua (batch). Essa prevede l’utilizzo di quantità ingenti di solventi organici, che risultano poco sostenibili e, spesso, altamente inquinanti.

La possibilità di sostituire i solventi tradizionalmente impiegati con altri a minor impatto ambientale (ecofriendly) in diversi settori dell’industria sta iniziando a suscitare un interesse sempre maggiore a livello accademico e industriale, nell’ottica di una conversione green dei processi industriali. Tuttavia, in campo cromatografico, questa linea di ricerca è solo agli inizi, anche a causa della difficoltà ad individuare solventi green che possiedano contemporaneamente caratteristiche chimico-fisiche che li rendano adatti alle strumentazioni e alle tecniche cromatografiche.

Lo scopo di questo progetto di ricerca da un lato è quello di vagliare possibili solventi green candidati a sostituire quelli tradizionali, al fine di contribuire all’avanzamento della conoscenza in questo campo mediante lo sviluppo di processi cromatografici sostenibili per la purificazione di biomolecole, che siano competitivi con quelli attualmente in uso in termini di performance ma che si basino sull’utilizzo di solventi ecofriendly. L’altro obiettivo è quello di trasferire i processi di produzione batch in sistemi in continuo che prevedano il riciclo del solvente e l’automazione dei vari step, permettendo al contempo la riduzione dei volumi dei solventi di scarto ed un miglioramento delle performance.

I risultati attesi riguardano, in primo luogo, l’individuazione di solventi ecocompatibili idonei ad applicazioni cromatografiche. Tra questi si potrebbero annoverare anche alcoli o biosolventi, derivanti eventualmente da risorse rinnovabili come le biomasse. Il progetto poi si pone l’obiettivo della messa a punto di metodi cromatografici, sia tradizionali ma soprattutto in continuo, che portino contemporaneamente sia a un miglioramento dei parametri produttivi che alla diminuzione nell’impatto ambientale, non solo grazie ai minori volumi di solventi di scarto prodotti, ma anche alla natura chimica del solvente stesso.

Alla fine delle attività di ricerca ci si aspetta di essere in grado di realizzare dei processi cromatografici in continuo per la purificazione di biofarmaci, facilmente trasferibili su scala industriale che permettano di impiegare solventi a basso impatto ambientale e, contemporaneamente, di ridurne i volumi rispetto ai processi tradizionali, e che consentano quindi benefici sia in termini economici che di ecosostenibilità del processo.

L’industria farmaceutica produce ogni anno volumi ingenti di solventi organici di scarto tossici e inquinanti, derivanti perlopiù dai processi di purificazione. Il fulcro di questo progetto è il rinnovamento, in un’ottica sostenibile, di processi industriali che interessano la produzione di biomolecole, al fine di fornire indicazioni utili e pratiche alle aziende farmaceutiche per una trasformazione green del loro sistema produttivo.

Combinando l’impiego di solventi più eco-compatibili con avanzate tecniche cromatografiche in continuo sarà possibile ottenere ricadute positive non solo dal punto di vista dell’impatto ambientale, ma anche da quello economico. Infatti, oltre a ridurre i volumi di rifiuti prodotti e la loro tossicità, queste nuove tecnologie permetteranno di migliorare le performance produttive dei processi di purificazione, anche e soprattutto grazie alla loro automatizzazione. L’automatizzazione dei processi contribuirà anche a renderli più veloci, produttivi e robusti, diminuendo il rischio di errori dovuti alle operazioni svolte manualmente dagli operatori. Tutte queste azioni si inseriscono nel quadro della attuale rivoluzione industriale che si concretizza nell’Industria 4.0 e che prevede di ottenere, tra le altre, l’automatizzazione dei processi, una migliore qualità del prodotto ed una contemporanea riduzione degli scarti.

Fresenius Kabi iPSUM - Villadose (RO)

Durata: 6 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

• Biopharmaceuticals
• Green chemistry
• Continuous chromatography
• Green solvents
• Green pharmaceutical industry