Technologický impuls pro výrobu léčiv

Peří obsahují keratin, voděodolný strukturální protein, ze kterého lze vyrábět složky lepidel. © Getty Images

V rámci společných projektů byla vyvinuta nová technologická platforma pro výrobu chemikálií s jemnými vlastnostmi. © Fraunhofer IMM / The joint projects developed a new technology platform for production of fine chemicals. © Fraunhofer IMM

Katalyzátory potřebné pro syntetické kroky jsou buď zafixovány na průhledných fóliích (nahoře), nebo používány jako katalytické částice (dole). Záběr z elektronového mikroskopu ukazuje výřez z částice s nosnými částicemi pro enzymy a fotokatalyzátory. Jejich velikost se pohybuje v nanometrovém rozsahu. © Fraunhofer IGB (nahoře) / Fraunhofer ISC (dole)

Výroba chemikálií s vysokou čistotou, například pro farmaceutický průmysl, je obvykle složitá a náročná. Interdisciplinární tým výzkumníků z Fraunhoferu vyvinul v rámci společných projektů postup podle vzoru kaskády, při kterém probíhá několik po sobě jdoucích syntetických kroků bez přerušení. To umožňuje použití inovativních katalyzátorů v speciálně upravených průtokových reaktorech. Díky tomu je výroba léků efektivnější a úspornější na energii. Modulární technologická platforma tak podporuje výrobu léčiv v Německu.

V chemickém průmyslu patří chemikálie s vysokou přidanou hodnotou k velmi kvalitním produktům. Jsou žádané všude tam, kde je důležitá přesná účinnost a vysoká čistota, například při výrobě léků. Výroba chemikálií s vysokou čistotou je složitá a obvykle vyžaduje několik po sobě jdoucích reakčních kroků. Syntetické postupy jsou zavedené již po mnoho let, ale jsou již technicky téměř vyčerpané.

Výzkumníci z Fraunhoferu nyní ve dvou projektech vyvinuli inovativní syntetický proces pro výrobu chemikálií s vysokou čistotou. Zatímco tradiční postupy pracují s řadou reaktorů a kalových kotlů, přičemž po každé reakci je nutné připravit vzniklou roztokovou směs pro další krok a přenést ji do jiného zařízení, nový postup umožňuje vznik finálního produktu v kontinuální syntetické kaskádě, nejlépe v jednom reaktoru. Tento postup vede k mnohem efektivnějšímu řízení procesu a udržitelnější výrobě díky zkrácení přestavbových časů a nižší spotřebě energie. Tyto výhody přímo ovlivňují emise CO2 z procesu syntézy a jeho náklady.

Celkem se na tomto projektu podílela čtyři Fraunhoferova ústavy: Fraunhoferův ústav pro molekulární biologii a aplikovanou ekologii IME, ISC pro výzkum skla, IGB pro výzkum mezifázových a bioprocesů a IMM pro mikrotechnologii a mikrosystémy.

Katalýza enzymy a světlem

Výzkumníci z Fraunhoferu ve svém postupu kombinují dvě inovativní katalytické metody. Fotokatalyzátory, které jsou aktivovány světlem, jsou kombinovány s enzymy, které rovněž působí jako katalyzátory. Enzymy jsou buď nanesené na průhledných fóliích a tím imobilizované, nebo jsou používány jako částice v reakčním médiu. Projektová vedoucí Dr. Michaela Müller z Fraunhoferu IGB vysvětluje výhodu tohoto postupu: „Tím se zabrání tomu, že katalyzátory volně plavou v roztoku a po každém kroku je třeba je složitě filtrovat nebo odstraňovat. Imobilizované enzymy či katalyzátory mohou zůstat v reaktoru, zatímco reakční produkt se kontinuálně vytváří. Pokud enzymy ztratí aktivitu, lze je snadno vyměnit, aniž by bylo nutné přerušit celý proces.“

„Fotokatalytická katalýza pro kaskádové reakce nevyžaduje zvlášť vysoké teploty, proto je dobře kompatibilní s biokatalýzou a zároveň šetří energii,“ vysvětluje Dr. Thomas Rehm, vedoucí projektu na Fraunhoferu IMM a specialista na udržitelné syntézy v průtokových reaktorech. Aby bylo možné co nejefektivněji kontaktovat světlo s fotokatalyzátorem a reakčním roztokem, jsou použité průtokové reaktory vybaveny tenkými průhlednými plastovými trubkami (kapilárami) nebo fóliemi. Výchozí roztok je buď pumpován přes kapiláry reaktoru – společně s katalyzátorovými částicemi a plynem pro zlepšení transportu pevných částic – nebo je veden přes průhlednou polymerní fólii, která slouží jako nosič fotokatalyzátorů a enzymů.

Díky použití enzymů v kaskádové reakci je tento postup zvláště vhodný pro výrobu takzvaných chirálních chemikálií, které se často používají v léčivech. Tyto chemické sloučeniny jsou založeny na molekulách, které jsou přesně zrcadlovým obrazem, ale nelze je otočením překrýt, například jako lidské ruce. O těchto molekulách se hovoří jako o stereoisomerii. Podle jejich verze, tedy izomeru chirální molekuly – levé nebo pravé ruky – mohou působit zcela odlišně. Proto je důležité cíleně vyrábět pouze jeden izomer v co nejvyšší čistotě, aby byla zajištěna maximální účinnost.

Technologický posun pro chemickou výrobu

Pro realizaci tohoto inovativního katalytického postupu spojily čtyři Fraunhoferovy ústavy své velmi odlišné výzkumné kompetence a spolupracovaly interdisciplinárně. Výsledkem je mnohem víc než jen nový postup: odborníci z Fraunhoferu vyvinuli modulární technologickou platformu pro výrobu různých tříd chemikálií s vysokou přidanou hodnotou. Pro průmyslové zákazníky lze v rámci studie proveditelnosti individuálně přizpůsobit požadované reakce a kombinace katalyzátorů.

Právě to může chemický a farmaceutický průmysl nejvíce využít, neboť výrobní technologie jsou často již na hraně svých možností. Čím dál více výrobců přesouvá své výrobní závody do zahraničí, aby zde mohli levněji vyrábět nebo nakupovat účinné látky. „Potřebujeme v chemickém průmyslu znovu zavést nové postupy pro výrobu na nejvyšší technologické úrovni, které jsou zároveň udržitelné a ekonomické,“ říká Müller. „To zajistí technologickou konkurenceschopnost německých výrobců léčiv na globálním trhu a učiní Německo jako výrobní místo opět atraktivní.“ Tato nová technologie tak přispívá i k zajištění zdravotní péče obyvatelstva v budoucnu.

Pro základní výzkum byla tato iniciativa podpořena jak vlastními prostředky společnosti Fraunhofer, tak financováním ze strany Spolkového ministerstva vzdělávání a výzkumu (BMBF) (projekt ILLUMINATE, identifikační číslo 031B1121).