Przyspieszenie technologiczne w produkcji leków

Pióra zawierają keratynę, nierozpuszczalny w wodzie białkowy składnik strukturalny, z którego można wyprodukować składniki klejów. © Getty Images / Feathers contain keratin, a water-insoluble structural protein from which components of adhesives can be produced. © Getty Images

W wspólnych projektach opracowano nową platformę technologiczną do produkcji chemikaliów specjalistycznych. © Fraunhofer IMM / The joint projects developed a new technology platform for production of fine chemicals. © Fraunhofer IMM

Katalizatory potrzebne do etapów syntezy są unieruchomione na przezroczystych foliach (góra) lub używane jako cząstki katalizatora (dół). Zdjęcie z mikroskopu elektronowego przedstawia fragment cząstki z nośnikami dla enzymów i fotokatalizatorów. Ich rozmiar mieści się w zakresie nanometrów. © Fraunhofer IGB (góra) / Fraunhofer ISC (dół)

Produkcja drobnych chemikaliów, na przykład do farmaceutyków, jest zazwyczaj skomplikowana i czasochłonna. Międzydziedzinowy zespół naukowców z Fraunhofer opracował wspólnie metodę na wzór kaskady, w której przeprowadza się kilka kolejnych etapów syntezy bez przerw. Umożliwia to zastosowanie nowatorskich katalizatorów w specjalnie dostosowanych reaktorach przepływowych. Dzięki temu produkcja leków staje się bardziej wydajna i oszczędna energicznie. W ten sposób modułowa platforma technologiczna wspiera produkcję leków w Niemczech.

W przemyśle chemicznym drobne chemikalia należą do produktów najwyższej jakości. Są poszukiwane wszędzie tam, gdzie liczy się precyzyjne działanie i wysokie stopnie czystości, na przykład przy produkcji leków. Produkcja drobnych chemikaliów jest skomplikowana i zazwyczaj wymaga kilku kolejnych etapów reakcji. Metody syntezy są od wielu lat ustalone, ale są też w dużej mierze wyczerpane technicznie.

Naukowcy z Fraunhofer opracowali w dwóch projektach innowacyjny proces syntezy do produkcji drobnych chemikaliów. Podczas gdy tradycyjne metody działają na zasadzie kolejnych reaktorów i kotłów, w których po każdej reakcji konieczne jest przygotowanie roztworu produktu do następnego kroku i przeniesienie go do innego pojemnika, nowa metoda pozwala na uzyskanie końcowego produktu w ciągłej kaskadzie syntezy, w najlepszym przypadku w jednym reaktorze. Metoda ta prowadzi do znacznie bardziej efektywnego przebiegu procesu i bardziej zrównoważonej produkcji dzięki skróceniu czasów przestoju i mniejszemu zużyciu energii. Te korzyści mają bezpośredni wpływ na emisję CO2 procesu syntezy i jego koszty.

W sumie do tego projektu przystąpiły cztery instytuty Fraunhofer: Instytut Molekularnej Biologii i Ekologii Stosowanej IME, Instytut Badań nad Krzemem ISC, Instytut Technologii Granic i Biotechnologii IGB oraz Instytut Mikrotechnologii i Mikrosystemów IMM.

Kataliza enzymatyczna i światłem

Naukowcy z Fraunhofer stosują w swoim procesie nowatorskie połączenie dwóch metod katalizy. Łączą fotokatalizatory, aktywujące się światłem, z enzymami, które również działają jako katalizatory. Enzymy są albo nanoszone na przezroczyste folie i w ten sposób unieruchomione, albo stosowane jako cząstki w medium reakcyjnym. Kierowniczka projektu Dr Michaela Müller z Fraunhofer IGB wyjaśnia zaletę tej metody: „Unikamy w ten sposób sytuacji, gdy katalizatory swobodnie unoszą się w roztworze i po każdym kroku trzeba je kosztownie filtracji lub usuwania. Unieruchomione enzymy lub katalizatory mogą pozostać w reaktorze, podczas gdy produkt reakcji jest ciągle wytwarzany. Gdy enzymy tracą aktywność, można je łatwo wymienić bez konieczności przerywania procesu.”

„Kataliza światłem dla reakcji kaskadowych nie wymaga szczególnie wysokich temperatur, co dobrze współgra z biokatalizą i oszczędza energię”, wyjaśnia Dr Thomas Rehm, kierownik projektu w Fraunhofer IMM i specjalista od zrównoważonych syntez w reaktorach przepływowych. Aby jak najskuteczniej kontaktować światło z fotokatalizatorem i roztworem reakcyjnym, używane reaktory przepływowe są wyposażone w cienkie, przezroczyste rurki z tworzywa sztucznego (kapilary) lub folie. Roztwór wyjściowy jest pompowany przez kapilary reaktora — wraz z cząstkami katalizatora i gazem poprawiającym transport ciał stałych — albo przepuszczany przez przezroczystą folię polimerową, która służy jako nośnik fotokatalizatorów i enzymów.

Dzięki zastosowaniu enzymów w reakcji kaskadowej, metoda ta jest szczególnie odpowiednia do produkcji tak zwanych chiralnych drobnych chemikaliów, które często stosuje się w lekach. Te związki chemiczne opierają się na cząsteczkach, które są dokładnie lustrzanymi odbiciami, ale nie można ich odwrócić przez obrót, podobnie jak ludzkie dłonie. Mówi się o stereochemii. W zależności od wersji, czyli izomeru cząsteczki chiralnej — lewa lub prawa ręka — mogą one działać zupełnie inaczej. Z tego powodu ważne jest celowe wytwarzanie tylko jednego izomeru w możliwie najwyższej czystości, aby osiągnąć maksymalnie pozytywny efekt.

Technologiczne wsparcie dla przemysłu chemicznego

Aby zrealizować nowatorską metodę katalizy, cztery instytuty Fraunhofer połączyły swoje bardzo różnorodne kompetencje badawcze i współpracowały interdyscyplinarnie. W efekcie powstało znacznie więcej niż tylko nowe rozwiązanie: eksperci Fraunhofer opracowali modułową platformę technologiczną do produkcji różnych klas drobnych chemikaliów. Dla klientów przemysłowych można na podstawie studium wykonalności indywidualnie dostosować procesy reakcyjne i kombinacje katalizatorów.

Przemysł farmaceutyczny może na tym szczególnie skorzystać, ponieważ technologie produkcji są często wyczerpane. Coraz więcej producentów przenosi swoje zakłady za granicę, aby tam taniej produkować, albo kupuje tam składniki aktywne. „Potrzebujemy w przemyśle chemicznym nowych metod produkcji na najwyższym poziomie technologicznym, które będą jednocześnie zrównoważone i opłacalne”, mówi Müller. „To zapewni technologiczny wyścig Niemiec w produkcji leków na globalnym rynku i uczyni Niemcy atrakcyjnym miejscem produkcji.” W ten sposób nowe rozwiązanie opracowane przez naukowców z Fraunhofer przyczynia się także do zapewnienia opieki zdrowotnej społeczeństwa w przyszłości.

W badaniach podstawowych konsorcjum wspierano zarówno środkami własnymi Fraunhofer-Gesellschaft, jak i finansowaniem z Federalnego Ministerstwa Edukacji i Badań Naukowych (BMBF) (projekt ILLUMINATE, numer wsparcia 031B1121).