1912, Victor Grignard tilldelades Nobelpriset i kemi för sin upptäckt av vad som kom att kallas Grignard-reagenser. Sedan dess, dessa föreningar har kommit att spela en nyckelroll inom den kemiska och läkemedelsindustrin. Nu, i en utveckling av Fraunhofer-forskare, en ny typ av mikroreaktorer kommer inte bara att göra reaktioner med dessa reagens snabbare och säkrare utan också ge en renare produkt. Vad mer, den nya mikroreaktorn är skalbar och kan drivas flexibelt.

Många av dagens läkemedel, dofter och smakämnen framställs genom reaktioner med Grignard-reagenser. Upptäcktes för mer än 100 år sedan, dessa föreningar utgör ett av de mest effektiva sätten att skapa kemiska bindningar mellan kolatomer. Bland de 50 bästa aktiva farmaceutiska ingredienserna, en av tio har en syntesväg som inkluderar en eller flera Grignard-reaktioner. Det finns en nackdel, dock:beroende på typen av reaktion, det kan ta lite tid för reaktionen att komma igång ordentligt — och, när det väl gör det, reaktionen genererar mycket snabbt mycket värme, som sedan måste försvinna. För att begränsa genereringen av värme, reagenset tillsätts endast i begränsade portioner till reaktorn med kontinuerligt omrörd tank. Detta, dock, förlänger reaktionstiden, under vilken en mängd biprodukter kan bildas. Skall, till exempel, den önskade produkten råkar reagera med utgångsmaterialet, detta kan leda till kontaminering, därigenom sänker produktkvaliteten och/eller avkastningen.

Kontinuerlig processkontroll:snabbare, säkrare, rengöringsmedel

Forskare från Fraunhofer Institute for Microengineering and Microsystems IMM i Mainz har nu lyckats eliminera dessa problem. "Vi har ersatt den stora kontinuerliga omrörda tankreaktorn med en flödesreaktor, " förklarar Dr Gabriele Menges-Flanagan, forskarassistent vid Fraunhofer IMM. "Detta betyder att vi kan använda reaktionens fulla kraft och fortfarande kontrollera temperaturen underbart." Denna metod har ett antal fördelar. I den kontinuerliga omrörda tankreaktorn, reaktionen tar lång tid; i flödesreaktorn, hela reagenset omvandlas på några minuter. Vidare, produktens renhet är högre, och producerade mängder kan skräddarsys efter behov. Med andra ord, processen är inte bara snabbare och säkrare, men det ger också en renare produkt.

Dessa fördelar beror på reaktorkonstruktionen. Inuti flödesreaktorn, reaktanten – vanligtvis en organisk bromid eller klorid – pumpas upp genom en bädd av magnesiumspån. Ett överflöd av magnesiumspån i reaktorn säkerställer att reaktionen kommer igång ordentligt och sedan fortskrider på ett kontrollerat sätt. Avgörande här, för, är reaktorns geometri, som har en dubbelhuds cylinder, kyls på insidan och utsidan av huden genom ett kontinuerligt flöde av olja. Detta säkerställer att värmen från reaktionen avleds snabbt och effektivt, därigenom ökar inte bara säkerheten utan även inhiberar produktionen av oönskade biprodukter. Det faktum att både reaktant och produkt strömmar genom reaktorn med korta uppehållstider hämmar också sidoreaktioner. Det finns två anledningar till detta:å ena sidan, reaktanten omvandlas snabbt till produkt; på den andra, denna produkt strömmar kontinuerligt genom reaktorn – snarare än, som förr, simma tillsammans med reaktanten i en kontinuerlig omrörd tankreaktor. Med andra ord, det finns mycket färre möjligheter till sidreaktioner mellan de två. Mängden magnesium i flödesreaktorn hjälper också till att förhindra sidoreaktioner. Detta beror på att reaktanten är mer benägen att reagera med magnesiumspånen än med produkten, som snabbt tas bort.

En skalbar och flexibel pilotanläggning

Forskare har redan byggt en pilotanläggning, som kan omvandla upp till 20 liter reaktantlösning i timmen. Detta kan köras antingen under korta perioder eller kontinuerligt, beroende på mängden produkt som krävs. Om större volymer av produkt krävs, ett annat alternativ är att köra ett antal reaktormoduler tillsammans. Den nuvarande pilotanläggningen består av fyra sådana moduler och markerar ett viktigt etapp på vägen mot att öka genomströmningen och, i sista hand, uppnå industriell produktion. Forskare från Fraunhofer har redan slagit sig ihop med partners från industrin för att genomföra inledande förstudier. "Feedback från branschen har informerat hela utvecklingsprocessen, från labbskala till pilotanläggning, Menges-Flanagan bekräftar. Hon säger också att ett pilotprojekt med kunder från industrin på deras plats är genomförbart om cirka ett år.

Förutom att vara lämplig för bildandet av alla tänkbara typer av Grignard-reagens, växten bör också visa sig lämplig, i längden, för syntes av organometalliska föreningar av zink. Verkligen, forskare har redan genomfört sådana reaktioner på labbskalan. Med hjälp av den nya reaktorn, det borde vara möjligt för första gången någonsin att göra dessa reaktioner flexibelt skalbara.