Technológiai ugrás a gyógyszergyártásban

A tollak keratint tartalmaznak, egy vízben nem oldódó szerkezeti fehérjét, amelyből ragasztók alkotóelemei készíthetők. © Getty Images

A közös projektekben egy új technológiai platformot fejlesztettek ki finomkémiai termékek gyártására. © Fraunhofer IMM / The joint projects developed a new technology platform for production of fine chemicals. © Fraunhofer IMM

A szintézishez szükséges katalizátorokat átlátszó fóliákra rögzítik (felső), vagy katalizátor-részecskék formájában alkalmazzák (alsó). Az elektronmikroszkóp egy részt mutat egy részecskéből, amelyen az enzimek és fotokatalizátorok hordozórészecskéi láthatók. Méretük nanométeres tartományban van. © Fraunhofer IGB (felső) / Fraunhofer ISC (alsó)

A finomkémiai termelés, például gyógyszerek esetében, általában összetett és időigényes. A Fraunhofer kutatóinak interdiszciplináris csapata közös projektekben egy olyan eljárást fejlesztett ki, amely egy kaszkád mintájára működik, és amely során több egymást követő szintézis lépés zavarás nélkül zajlik le. Ez az új eljárás az innovatív katalizátorok alkalmazásának köszönhetően valósul meg, speciálisan kialakított áramlási reaktorokban. Ezáltal a gyógyszerek gyártása hatékonyabbá és energiatakarékosabbá válik. A moduláris technológiai platform támogatja a gyógyszergyártást Németországban.

A kémiai iparban a finomkémiai termékek a rendkívül értékes termékek közé tartoznak. Ezek mindenhol keresettek, ahol nem a nagy mennyiség, hanem a precíz hatás és a magas tisztasági szintek számítanak, például gyógyszergyártásban. A finomkémiai termékek gyártása összetett, és általában több egymást követő reakciólépést igényel. A szintézis eljárások már régóta beváltak, de technikailag már szinte kihasználtak.

A Fraunhofer kutatói két projekt keretében egy innovatív szintézisfolyamatot fejlesztettek ki a finomkémiai termékek előállítására. Míg a hagyományos eljárások különböző reaktorokat és keverőedényeket alkalmaznak, és minden reakció után a keletkezett oldatot elő kell készíteni a következő lépéshez, az új eljárás során a végtermék egy folyamatos szintéziskaskád során keletkezik, legjobb esetben egy reaktorban. Ez az eljárás lényegesen hatékonyabb folyamatirányítást és fenntarthatóbb gyártást tesz lehetővé, rövidebb átalakítási időkkel és alacsonyabb energiaigénnyel. Ezek az előnyök közvetlenül befolyásolják a szintézis folyamatának CO2-kibocsátását és költségeit.

Összesen négy Fraunhofer intézet csatlakozott ehhez a projekthez: az IME – Molekuláris Biológia és Alkalmazott Ökológia Intézet, az ISC – Szilíciumkutató Intézet, az IGB – Határfelületi és Biotechnológiai Intézet, valamint az IMM – Mikrotechnológia és Mikrorendszerek Intézet.

Enzim- és fényalapú katalízis

A Fraunhofer kutatói egy új kombinációt alkalmaznak eljárásukban, amely két katalitikus módszert ötvöz. A fényaktivált fotokatalizátorokat olyan enzimekkel kombinálják, amelyek szintén katalitikus hatással bírnak. Az enzimeket vagy átlátszó fóliára viszik fel és immobilizálják, vagy részecskeként alkalmazzák a reakcióközegben. Dr. Michaela Müller, az IGB projektvezetője elmagyarázza az előnyt: „Ezzel elkerüljük, hogy a katalizátorok szabadon úszkáljanak a megoldásban, és minden lépés után bonyolult szűréssel vagy eltávolítással kellene foglalkozni. Az immobilizált enzimek vagy katalizátorok a reaktorban maradhatnak, miközben a reakciótermék folyamatosan keletkezik. Ha az enzimek aktivitása csökken, könnyen cserélhetők anélkül, hogy a folyamatot meg kellene szakítani.”

„A fényalapú katalízis a kaszkádreakciókhoz nem igényel különösen magas hőmérsékletet, így jól összeegyeztethető a biokatalízissel, és energiát takarít meg” – magyarázza Dr. Thomas Rehm, az IMM projektvezetője és fenntartható szintézisek szakértője az áramlási reaktorokban. Az áramlási reaktorokat vékony, átlátszó műanyagcsövekkel (kapillárisokkal) vagy fóliákkal szerelik fel, hogy a fényt a lehető leghatékonyabban juttassák el a fotokatalizátorhoz és a reakcióoldathoz. A kiindulási oldatot vagy a reaktor kapillárisain keresztül pumpálják – katalitorrészecskékkel és egy gáz hozzáadásával a szilárd anyag szállításának javítására –, vagy átlátszó polimer fólián keresztül vezetve, amely a fotokatalizátorok és enzimek hordozójaként szolgál.

A reakció kaszkádjában enzimek alkalmazásával ez az eljárás különösen alkalmas az úgynevezett chirális finomkémiai anyagok gyártására, amelyeket gyakran használnak gyógyszerekben. Ezek a kémiai vegyületek olyan molekulákon alapulnak, amelyek pontosan tükörképek egymásnak, de nem fordíthatók el egymásba forgatással, például az emberi kézhez hasonlóan. Ezt stereoisomerizációnak nevezik. A chirális molekula – bal vagy jobb kéz – különböző hatással lehet. Ezért fontos a csak egy isomer, lehetőleg magas tisztaságban történő célzott előállítása a maximális hatás elérése érdekében.

Technológiai előrelépés a kémiai gyártásban

Az új katalízis eljárás megvalósításához a négy Fraunhofer intézet összehangolta kutatási kompetenciáit, és interdiszciplináris együttműködést folytatott. Ennek eredményeként nem csupán egy új eljárás született: a Fraunhofer szakértői moduláris technológiai platformot fejlesztettek ki különböző finomkémiai osztályok gyártására. Ez lehetővé teszi ipari ügyfelek számára, hogy egy megvalósíthatósági tanulmányban személyre szabott folyamatokat és katalitikus kombinációkat alakítsanak ki.

Ez különösen az gyógyszeripar számára jelenthet előnyt, mivel a gyártástechnológiák gyakran kihasználtak. Egyre több gyártó telepít külföldre, olcsóbb gyártás érdekében, vagy ott vásárolja meg az aktív összetevőket. „Új technológiákra van szükség a kémiai iparban, amelyek a legmagasabb szintű technológiai színvonalon működnek, ugyanakkor fenntarthatóak és gazdaságosak” – mondja Müller. „Ez biztosítja a német gyógyszergyártók technológiai versenyelőnyét a globális piacon, és ismét vonzóvá teszi Németországot gyártási helyszínként.” Az új fejlesztés hozzájárul ahhoz is, hogy a jövőben biztosítsa a lakosság egészségügyi ellátását.

A kutatás alapjainak feltárását a Fraunhofer társaság saját forrásaiból és a Szövetségi Oktatási és Kutatási Minisztérium támogatásával (BMBF) finanszírozták (ILLUMINATE projekt, támogatási szám: 031B1121).