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Un microreattore grande come uno smartphone rende la chimica circolare

Minori quantità di solventi, riutilizzo degli scarti delle reazioni per crearne di nuove: lo studio del ricercatore del PoliMi Gianvito Vilè, dalla Svizzera in Italia con il sostegno del gruppo italiano Bracco

Gianvito Vilè ha 32 anni, è ricercatore in Ingegneria Chimica presso il Politecnico di Milano e si occupa di chimica sostenibile: studia quei metodi che permettono di convertire processi obsoleti in meccanismi nuovi e puliti, capaci di ridurre l’impatto ambientale e l’inquinamento causato dalle reazioni. La tecnologia sulla quale si basa il lavoro di Vilè comprende l’utilizzo di microreattori catalitici in flusso. Le sue ricerche lo hanno portato in Svizzera per cinque anni, dove ha condotto un dottorato di ricerca sul tema all’ETH di Zurigo, poi a lavorare all’interno di un’industria farmaceutica e oggi a rientrare in Italia grazie al finanziamento del gruppo italiano Bracco, in quanto vincitore del Premio Felder, che sostiene progetti di ricerca innovativi (promosso dalla Fondazione Bracco in collaborazione con Bracco Imaging, Fondazione Politecnico di Milano e Politecnico di Milano, ndr.). 

La prima volta che si pubblicava in un articolo scientifico il termine ‘chimica in flusso’, come riportato da un articolo scritto dallo stesso Gianvito Vilè sulla rivista online Scienza in rete, era l’estate del 2002. Una tecnica in grado di accelerare la produzione di farmaci in impianti di piccola e media grandezza e di renderli al contempo sostenibili dal punto di vista ambientale. Nella chimica in flusso, due o più reattivi vengono pompati in un capillare di dimensioni piccolissime – scrive Vilè all’interno del suo articolo. In questo microreattore si verifica la reazione chimica e il prodotto finale è raccolto all’uscita, in una sorta di flusso continuo dove i reagenti entrano nel capillare, si combinano tra loro, e formano prodotti che lasciano la camera di reazione. Questo tipo di chimica ‘continua’ è utilizzato da decenni nell’industria petrolifera, ma solo di recente è entrata nel farmaceutico e nell’industria della chimica fine. Settori, quest’ultimi, che sono stati storicamente sospettati di generare alte quantità di rifiuti sotto forma di solventi organici.

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Un catalizzatore di palladio a singolo atomo.

La tecnica utilizzata da Vilè prevede l’utilizzo di micro reattori, delle dimensioni di un cellulare o di un mouse per pc. In questo modo, si riducono i quantitativi di solventi utilizzati per le reazioni, che rappresentano uno degli elementi maggiormente inquinanti del settore chimico e farmaceutico, e si riduce la pericolosità dell’esplosione, nel caso in cui questa avvenisse. Gli scarti di una reazione sono impiegati come reagenti per una reazione successiva, in modo circolare. «Si producono quantità di rifiuti sotto forma di solventi per quanto riguarda l’industria farmaceutica; sotto forma di gas di scarico se ci riferiamo all’industria chimica. Io e il mio team sviluppiamo dei processi che minimizzino le quantità degli scarti. In ottica circolare, riutilizziamo parte dei rifiuti prodotti». Ciò è reso possibile dall’applicazione di due tecnologie: la catalisi e la chimica in flusso. «La catalisi si occupa di trasformare le sostanze velocizzando la reazione, rendendola allo stesso tempo più efficace e, andando a riutilizzare gli scarti di altre reazioni, più sostenibile. Questo avviene perché la trasformazione diventa più selettiva, più pulita ed efficiente Continuiamo a produrre rifiuti, ma in quantità inferiore. Per quanto riguarda la chimica in flusso, l’utilizzo stesso del microreattore permette di ridurre gli sprechi. Questi reattori hanno delle strutture particolari che dal punto di vista ingegneristico migliorano alcune proprietà interne dei materiali, agevolando la reazione e rendendola più pulita grazie a un inferiore utilizzo di reagenti. Un approccio che ci assicura più sostenibilità, una sensibile riduzione dei costi del processo e, di conseguenza, costi minori del farmaco finale».

Più sono ridotte le dimensioni del reattore, meno solvente sarà necessario per realizzare la reazione. A dimensioni inferiore non corrisponde una minor probabilità di riuscita della reazione o a tempi dilatati. «Anche riducendo le quantità della reazione, la scalabilità finale del progetto è garantita. – continua – Posso utilizzare ad esempio più reattori miniaturizzati uno accanto all’altro per produrre tonnellate di prodotto o posso utilizzare il microreattore in maniera continuativa per tutto l’anno, arrivando a creare grandi quantità delle sostanze desiderate». Una tecnica che, proprio per via dei costi più contenuti e di un rischio minore potrebbe avere anche un impatto anche sulla ricerca sul Covid-19: riducendo i tempi e garantendo la scalabilità può essere utilizzata su quelle molecole che è dimostrato abbiano un effetto di contrasto all’evoluzione della malattia.

Benché sia dimostrata la sua efficacia nel ridurre sprechi e costi, la tecnica che implica l’utilizzo di un microreattore non può essere applicata in tutte le reazioni. «Non è una tecnica che si adatta a tutti i tipi di reazione. C’è un 50% che non si adatta bene a questo tipo di tecnica, che quindi non sostituirà completamente in modo di fare chimica nell’industria di oggi. Offrirà comunque un nuovo approccio alla chimica e, laddove sarà vantaggioso, ridurrà la quantità di rifiuti che sono prodotti». Quali sono i problemi del restante 50%? «Solitamente questa classe di reazioni è caratterizzata da cinetiche molto lente, che a volte impiegano diversi giorni per compiersi. In questo caso, l’uso di microreattori non è adatto perché questi funzionano bene con reazioni veloci o che, pur essendo lente, comportino una certa problematica di sicurezza intrinseca, come reazioni altamente esplosive o energetiche. In questo caso si ha un beneficio pratico. Il suo utilizzo è consigliato per: idrogenazioni, carbonilazioni, reazioni organometalliche. Reazioni classiche che si incontrano nell’industria farmaceutica».

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La centrale nucleare di Garigliano. In foto il reattore nucleare.

La tecnica usata da Vilè ha preso piede in soprattutto in Austria, in Svizzera e negli Stati Uniti, ma in Italia è utilizzata più raramente. «L’approccio è nato in parallelo in diversi Paesi – continua – È nato all’inizio degli anni 2010, io ho iniziato ad approcciarlo nel 2012, qualche anno dopo. Sono 10 anni che questa tecnica ha iniziato a diffondersi velocemente proprio per ridurre l’utilizzo di materiali inquinanti e per velocizzare le reazioni chimiche o anche per fare nuovi tipi di reazioni che prima non erano concepibili. I primi gruppi sono nati all’estero: in Austria, all’MIT- Massachusetts Institute of Technology, o in Svizzera. L’ Italia è rimasta un po’ indietro nonostante abbia una grande tradizione nell’ambito farmaceutico e in quello chimico. In parte probabilmente per un approccio più tradizionale e in parte per ridurre i rischi».

L’industria chimica – secondo quanto dichiarato dalla Commissione Europea nell’High Level Group per la competitività dell’industria chimica europea del 2009 – non è un problema per la sostenibilità, ma un ‘solution provider’, per il suo ruolo nella ricerca di nuovi materiali per packaging, risorse energetiche alternative, sicurezza alimentare e riduzione degli sprechi. Secondo l’ultimo rapporto di Federchimica 2020, le spese in SSA (sicurezza, salute e ambiente) da parte delle imprese chimiche in Italia, sfiorano 1,2 miliardi di euro (pari al 2,1% del fatturato), ripartite tra investimenti (28%) e costi operativi (72%). Gli obiettivi dello sviluppo sostenibile richiedono un coinvolgimento attivo delle imprese nella formalizzazione di sistemi di gestione e nell’adeguata formazione del personale. L’economia circolare ricoprirebbe un ruolo sempre più rilevante per l’industria: «Nel perseguire sempre più i modelli di economia circolare, l’industria chimica vede sempre di più i rifiuti una risorsa per recuperare materiali o energia, riducendo l’utilizzo di materie prime primarie e preservando le risorse. Nell’industria chimica, circa un quarto dei rifiuti prodotti (24%) è riciclato e il 37% è destinato al ripristino ambientale.

L’industria farmaceutica inquinerebbe il 55% in più del settore automobilistico. Per la maggior parte dei rifiuti prodotti, il problema consiste nello scorretto smaltimento e successiva re-immissione nelle falde acquifere in seguito all’assunzione da parte di uomini e animali. Lo sostiene lo studio Carbon footprint of the global pharmaceutical industry and relative impact of its major players, riportato nel 2019 dalla rivista Journal of cleaner productions. Quello farmaceutico italiano è il settore con la più alta crescita dal 2008 al 2018 in Europa. Il 90% delle imprese sta adottando l’innovazione 4.0 nella produzione e in dieci anni sono diminuiti sia i consumi energetici (-54% vs -26% della media manifatturiera) sia le emissioni di gas climalteranti (-74% vs -13%), secondo quanto riporta l’ultimo report di Farmindustria del 2019.

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Fondazione Bracco si propone di creare e diffondere espressioni della cultura, dell’arte e della scienza quali mezzi per migliorare la qualità della vita e la coesione sociale, con una attenzione specifica all’universo femminile e al mondo giovanile. Fondazione Bracco è guidata dalla Presidente, Diana Bracco, affiancata da un Consiglio di Indirizzo, da un Comitato di Gestione e da un Collegio dei Revisori. La Fondazione ha sede a Milano, nello storico Palazzo Visconti. L’edificio ospita anche il Teatrino, laboratorio di idee in ambito scientifico e culturale della fondazione, che qui organizza i cicli aperti alla Città Fondazione Bracco incontra.

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