1. Cos’è la chimica in flusso?

Con la chimica in flusso le reazioni sono eseguite in un tubo, un capillare o un dispositivo microstrutturato (un reattore a flusso).

Rispetto a un reattore chimico tradizionale, in cui i reagenti vengono mescolati in un recipiente, i sistemi di chimica a flusso utilizzano una pompa per spingere i reagenti attraverso i tubi e in un reattore a flusso, dove vengono mescolati e istantaneamente riscaldati o raffreddati mediante un modulo di controllo della temperatura.

Sono disponibili diversi tipi di reattori a flusso, tra cui microreattori in vetro, reattori a tubo e reattori a colonna in fase solida o a letto impaccato.

2. Perché dovreste eseguire la vostra chimica a flusso continuo?

I chimici di tutti i settori stanno introducendo le tecniche a flusso continuo nei loro laboratori, ma siete consapevoli dei vantaggi principali che si ottengono?

• Reazioni più rapide
• Reazioni più sicure
• Ottimizzazione più rapida della reazione
• Sintesi rapida di librerie in serie
• Condizioni di reazione non possibili in batch
• Le reazioni sono solitamente più selettive
• Lo scale up è più facile in flusso che in batch
• Facile integrazione di sistemi analitici per l’analisi dei prodotti di reazione
• La purificazione dei prodotti è più facile in flusso

3. La polimerizzazione a flusso continuo è possibile!

Gli obiettivi principali dei metodi di produzione del polistirene sono l’alto peso molecolare, una stretta distribuzione del peso molecolare, la buona resa e gli alti tassi di conversione dello stirene monomero in polimero. Utilizzando un sistema Syrris Asia Flow Chemistry, il professor Ardson dos Santos Vianna di San Paolo ha messo a punto una nuova tecnica di produzione del polistirene che offre una buona conversione dello stirene monomero in polimero ad alto peso molecolare, una distribuzione del peso molecolare stretta e riproducibile e una maggiore produttività rispetto ai metodi tradizionali in batch. Questa tecnica produce polistirene di alta qualità in modo più efficiente e riproducibile rispetto ad altre tecniche.

4. La chimica a flusso rende facilmente accessibili l’elettrochimica e la fotochimica

Gli elevati livelli di controllo offerti dai sistemi di chimica a flusso continuo rendono i processi chimici senza reagenti, come l’elettrochimica e la fotochimica, facilmente accessibili.

In passato, le tecniche di elettrochimica si basavano sull’elettrolisi in reattori di vetro che portavano a uno scarso controllo della reazione, a una bassa selettività e riproducibilità e a reazione lente. Questi sistemi possono essere facilmente allestiti, ma per le ragioni sopra esposte, c’è stata una certa riluttanza ad adottarli.

L’elettrochimica è un fenomeno di superficie, il che significa che è necessario un ampio rapporto superficie/volume; ciò si presta ai sistemi di chimica a flusso continuo, poiché hanno un ampio rapporto superficie/volume rispetto ai reattori batch di volume equivalente.

5. La biocatalisi a flusso continuo è in crescita – per una buona ragione!

Il settore della biocatalisi a flusso continuo sta rapidamente diventando un’area di interesse fondamentale per i chimici, con applicazioni nella produzione di farmaci, bioterapici e biocarburanti, per citarne alcuni.

Il grafico seguente mostra il numero totale di brevetti e pubblicazioni sulla biocatalisi a flusso continuo dal 2000.

La chimica di flusso offre diversi vantaggi rispetto ai metodi tradizionali, tra cui:

• Aumento dei tassi di biotrasformazione. Grazie al maggiore trasferimento di massa, la chimica di flusso rende la biocatalisi più economica, riducendo i tempi di reazione e aumentando la produzione di materiale.
• L’immobilizzazione degli enzimi consente una migliore stabilità, riduce la purificazione del prodotto, permette un migliore controllo del tempo di contatto con il substrato e la sua riciclabilità riduce i costi ed estende la loro applicabilità alla produzione.

6. La sintesi di nanoparticelle a flusso continuo offre molteplici vantaggi rispetto ai metodi tradizionali

Le nanoparticelle sono utilizzate in svariati campi grazie alle loro proprietà fisiche e chimiche, con una conseguente domanda crescente che sfida i chimici a fornire una fornitura affidabile di grandi quantità di nanoparticelle di buona qualità.

Sono stati applicati diversi metodi per produrre nanoparticelle in batch, che presentano problemi, ad esempio la non omogeneità della miscelazione, la difficoltà di un controllo accurato della temperatura e la riproducibilità discutibile da un lotto all’altro. Spesso un processo in batch si basa tanto sull’abilità del chimico quanto sulla chimica stessa.

Tutti questi problemi diventano ancora più difficili da affrontare quando si aumenta la produzione. La chimica di flusso offre una serie di vantaggi che aiutano a superare queste sfide:

• Miscelazione rapida e riproducibile
• Controllo accurato della reazione
• Eccellente controllo della temperatura
• Capacità di effettuare reazioni in pressione
• Modularità del sistema
• Facilità di scale-up

7. Processi chimici tradizionali migliorano drasticamente grazie al flusso continuo

Gli esempi che si potrebbero fare sono molti, uno è il lavoro dei ricercatori del Kappe Lab che hanno sviluppato una procedura a flusso continuo per sintetizzare il Ciprofibrato – un farmaco usato per il trattamento di varie malattie del sangue – che ha sostituito ore di vigorosa agitazione in batch con un tempo di permanenza di 4 minuti. La conversione da batch a flusso ha migliorato la sicurezza, la velocità, la resa e la scalabilità di un processo esistente (https://doi.org/10.1007/s41981-018-0026-1).

8. La catalisi in fase solida è possibile in flusso continuo

Contrariamente a quanto pensano alcuni chimici, è possibile eseguire la catalisi in fase solida in flusso continuo grazie ai reattori che consentono di far fluire la fase liquida attraverso un reattore a colonna impaccato con catalizzatore in fase solida.

9. Convertire i processi batch in flusso o introdurre il flusso continuo nella configurazione esistente

A volte l’ostacolo più grande per i chimici che adottano la chimica a flusso è il tempo necessario per convertire un processo batch in un’impostazione a flusso continuo, ma non deve essere così! Sia che vogliate un’adozione graduale o immediata, questo post a cura della Syrris illustra le 7 cose principali che dovreste considerare quando volete convertire il vostro processo batch in flusso continuo.

10. Il flusso continuo crescerà continuamente

Con la recente approvazione da parte della FDA dei processi di produzione a flusso continuo, la necessità per i laboratori di studiare e introdurre questi processi è in continuo aumento per tenere il passo con la concorrenza grazie all’accelerazione della produzione, alla riduzione del fabbisogno energetico, alla riduzione degli scarti e al rischio minimo di errore umano che il flusso continuo offre.