Greening the downstream of biopharmaceuticals through process intensification in the research on innovative eco-compatible solvent

I biofarmaci stanno diventando sempre più importanti come trattamento terapeutico, grazie alle loro caratteristiche uniche che non possono essere replicate dai farmaci convenzionali. Sono utilizzati per trattare i sintomi associati a varie malattie, tra cui il cancro e le malattie metaboliche. La sintesi dei peptidi coinvolge l'uso di vari metodi, tutti i quali producono non solo il principio attivo farmaceutico (API) di destinazione ma anche diversi tipi di impurezze [1]. Poiché è necessario attenersi a rigorosi standard di purezza per commercializzare il peptide per scopi farmaceutici, è spesso necessario un processo di purificazione. Negli ultimi anni, c'è stata una crescente consapevolezza delle questioni ambientali, portando a un focus sulle pratiche sostenibili in vari settori, compresi quelli (bio)farmaceutici. I metodi analitici, in particolare la cromatografia liquida (LC), contribuiscono alla produzione di rifiuti chimici, e l'industria farmaceutica sta cercando attivamente alternative più ecologiche [2], [3], [4]. L'uso di solventi, un aspetto significativo dei processi chimici, è evidenziato nei 12 principi della Chimica Analitica Verde (GAC), sottolineando la necessità di alternative sicure ed eco-friendly. Le aziende farmaceutiche, come Pfizer, AstraZeneca e GlaxoSmithKline, hanno sviluppato guide alla selezione dei solventi basate su criteri come sicurezza, salute, impatto ambientale e costo. L'attenzione è rivolta alla minimizzazione dell'impatto ambientale oltre all'aumento dell'efficienza produttiva. I peptidi farmaceutici sono di solito purificati mediante cromatografia liquida preparativa a fase inversa (RP- HPLC) che comporta l'uso di una fase stazionaria apolare e di una fase mobile polare, di solito costituita da una miscela di acqua e un modificatore organico. L'acetonitrile (ACN) è sempre stato la scelta preferita per le sue caratteristiche (buona miscibilità in acqua, ottima eluizione di forza, ecc.) ma è tossico per l'ambiente e la salute umana. L'etanolo, l'isopropanolo, l'acetone, il lattato di etile e il carbonato di propilene sono identificati come alternative più ecologiche, ma hanno alcuni limiti. Altri solventi meno popolari stanno guadagnando attenzione in particolare guardando alla loro minor ecotossicità e biodegradabilità [5]. Nei processi di purificazione, la sostituzione di solventi tossici è cruciale, e alternative come l'acido formico e l'acido acetico sono considerate più sostenibili del trifluoroacetico (TFA). I sali di ammonio quaternario con contro ioni fosfato stanno emergendo come alternative nelle fasi mobili. Le tecniche cromatografiche continue sono esplorate come opzioni eco- friendly, con l'obiettivo di superare il compromesso tra purezza e prestazioni nella produzione di biofarmaci. Pertanto, l'impatto ambientale del processo di downstream potrebbe essere potenzialmente ridotto mediante diversi modi. In questa tesi se ne discuteranno due. Il primo è la sostituzione dell'acetonitrile con solventi più ecologici alternativi (ad esempio, alcoli) [2]. Un altro approccio è l'impiego della cromatografia continua multicolonna, basata sul riciclo interno di porzioni del cromatogramma, consentendo così una riduzione del consumo di solvente rispetto ai processi a colonna singola corrispondenti [6]. Questa tesi mostrerà, attraverso una serie di studi di caso, come sia possibile ridurre l'impatto ambientale degli approcci di purificazione utilizzando sia solventi alternativi all'ACN che approcci continui multicolonna.

Biopharmaceuticals are becoming increasingly important as therapeutic treatment, due to their unique characteristics that cannot be replicated by conventional drugs. They are used for treating symptoms associated with various diseases, including cancer and metabolic diseases. The synthesis of peptides involves the use of various methods, all of which produce not only the target active pharmaceutical ingredient (API) but also different types of impurities [1]. Since strict purity standards must be adhered to in order to commercialize the peptide for pharmaceutical scopes, a downstream process is very often necessary. In recent years, there has been a growing awareness of environmental issues, leading to a focus on sustainable practices in various industries, including (bio)pharmaceutical ones. Analytical methods, particularly liquid chromatography (LC), contribute to chemical waste production, and the pharmaceutical industry is actively seeking greener alternatives [2]–[4]. The use of solvents, a significant aspect of chemical processes, is highlighted in the 12 principles of Green Analytical Chemistry (GAC), emphasizing the need for safe and eco-friendly alternatives. Pharmaceutical companies, such as Pfizer, AstraZeneca, and GlaxoSmithKline, have developed solvent selection guides based on criteria like safety, health, environmental impact, and cost. The focus is on the minimization of environmental impact besides increasing production efficiency. Pharmaceutical peptides are usually purified in reversed-phase preparative liquid chromatography (RP-HPLC) that involves the use of an apolar stationary phase and a polar mobile phase, usually consisting of a mixture of water and an organic modifier. Acetonitrile (ACN) has always been the preferred choice for its characteristics (good miscibility in water, excellent strength elution, etc.) but it is toxic to environmental and human health. Ethanol, isopropanol, acetone, ethyl lactate, and propylene carbonate are identified as greener alternatives, but they have some limitations. Other less popular solvents are also gaining attention in particular by looking at their reduced eco-toxicity and biodegradability [5]. In downstream processes, the replacement of toxic solvents is crucial, and alternatives like formic acid and acetic acid are considered more sustainable than trifluoroacetic acid (TFA). Quaternary ammonium salts with phosphate counterions are emerging alternatives in mobile phases. Continuous chromatographic techniques are explored as eco-friendly options, with the aim of overcoming the purity-performance trade-off in biopharmaceutical production. Therefore, the environmental impact of downstream processing could be potentially reduced by means of different ways. In this thesis two of them will be discussed. The first one is the replacement of acetonitrile with alternative greener solvents (e.g., alcohols) [2]. Another approach is the employment of multi-column continuous chromatography, which is based on the internal recycling of portions of the chromatogram, thus allowing for a reduction in solvent consumption with respect to corresponding single-column processes [6]. This thesis will show, through a series of case studies, how it is possible to reduce the environmental impact of purification approaches by using both alternative solvents to ACN and multicolumn continuous approaches.