Kredit:Olivia Morales Gonzales
Läkemedelsindustrin är en av de mest relevanta sektorerna i dagens ekonomi. I mer än ett sekel har läkemedelsproduktion förlitat sig på batchproduktion, men denna saknar smidighet, flexibilitet och robusthet för att möta dagens utmaningar. Med en exponentiellt växande befolkning och snabbt minskande resurser konfronteras läkemedelsindustrin med hot mot folkhälsan som läkemedelsbrist. Förutom batchteknologins begränsningar för att öka produktionen, står läkemedelsindustrin för stora mängder avfall. För hennes Ph.D. forskning, tittade Olivia Morales Gonzalez på nya processmetoder som kan övervinna dessa begränsningar inom läkemedelsindustrin.
Alternativa tillverkningsplattformar behövs för att övervinna nuvarande och framtida miljömässiga och ekonomiska utmaningar inom läkemedelsindustrin. Olivia Morales Gonzalez har undersökt nya processplattformar, nämligen reaktiv extraktion med joniska vätskor, polymera nanoreaktorer och nya processfönster.
Morales Gonzalez genomförde livscykelbedömningar och teknoekonomiska utvärderingar för att identifiera hot spots i dessa processkoncept innan de implementerades industriellt, och från hennes forskning föreslår Morales Gonzalez ett antal optimeringar.
Kontinuerlig bearbetning
För det första utvärderade Morales Gonzalez nya processfönster genom att titta på livscykelbedömningen av produktionen av vitamin D3. Nya processfönster är ett nytt sätt att designa processer för att stärka mikroprocessteknologin för produktion av finkemikalier med högt mervärde under tuffa förhållanden (t.ex. hög temperatur och högt tryck). Detta vitamin valdes för forskningen eftersom det är ett mycket vanligt och nödvändigt näringsämne som produceras och konsumeras över hela världen.
Dessutom benchmarkades de nya processfönstren mot flera batchprocesser. Vitamin D3 produceras kontinuerligt i mikroreaktorer (d.v.s. mikroflöde) och kombinerar UV-fotobestrålning och högtrycks- och högtemperaturbearbetning (fotobestrålning - högt tryck och temperatur). Sedan renar kontinuerlig kristallisation produkten.
Processerna modellerades med ASPEN Plus processsimuleringsprogram med förgrundsdata från den experimentella kontinuerliga installationen och bakgrundsdata från olika patent. Miljöpåverkan från den kontinuerliga processen beror främst på användningen av acetonitril och metyl-tertiär-butyleter (t-BME), som båda är lösningsmedel.
I jämförelse med batchprocesserna ger den kontinuerliga processen en betydande minskning av miljöpåverkan. Även med tanke på den höga återvinningsgraden (95 %) av lösningsmedel i batch-scenarier är effekten minst dubbel. Dessutom är det nödvändigt att återvinna dem utan några ytterligare reningssteg.
Teknisk-ekonomisk utvärdering
Därefter genomförde Morales Gonzalez en teknisk-ekonomisk utvärdering av produktionen av Cross-Linked Enzyme nano-Aggregates (c-CLEnA) i laboratorieskala. Dessa är skålformade polymervesiklar som användes som stöd, med fördelen av hög aktivitetsretention och enkel återvinning.
Stödet står för en stor del av kostnaden vid enzymatiska processer. Således bedömde Morales Gonzalez produktionen för att hitta hot spots som kunde optimeras. Den uppskattade kostnaden per 0,5 ml CalB-laddad c-CLEnA är 139 €, och detta drivs huvudsakligen av kapitalutgifterna (kostnader relaterade till inköp av anläggningstillgångar såsom utrustning). Denna kostnad jämfördes med traditionella tvärbundna stöd, vars tillverkning är enklare jämfört med c-CLEnA, men mer läckage resulterar. Morales Gonzalez fann att c-CLEnA måste återvinnas cirka 20 gånger för att få någon form av ekonomisk fördel. Slutligen diskuterades processförändringar angående påverkan på produktionskostnaden.
Funktionell lösningsmedelsfabrik
Slutligen introduceras konceptet Functional Solvent Factory (FSF) samt löslighet, som är dess huvudsakliga KPI. En fallstudie (för syntes av bensylazid) utvärderade den kombinerade användningen av reaktiv extraktion med joniska vätskor. Denna fallstudie baserades på litteratur på grund av den låga tekniska beredskapsnivån (TRL) för detta koncept. Två modeller för FSF skapades med programvaran ASPEN Plus. Sedan jämfördes konceptet med två andra processalternativ, state-of-the-art (batch) och lösningsmedelsfritt (kontinuerligt). En livscykelanalys genomfördes för att jämföra och identifiera hot spots. Hot spots är de processer och aktiviteter i livscykeln som har ett stort bidrag till den totala miljöpåverkan. Att identifiera dem hjälper till i beslutsprocessen för att utforma optimala produktionsprocesser.
Resultaten visar att miljöpåverkan från båda FSF-ärendena är större än riktmärkesfallen. Framför allt resulterade det lösningsmedelsfria fallet i den lägsta miljöpåverkan. Trots resultaten låg forskningsfokus på att samla in data som behövs för ytterligare utvecklingsstadier och för andra lösningsmedelsfabriker.
För att få ut denna plattform på marknaden är det nödvändigt att optimera användningen av joniska vätskor, låga mängder lösningsmedelsanvändning, låga bearbetningstemperaturer, hög återvinningsbarhet och undvika kontaminering av joniska vätskor. Morales Gonzalez drar slutsatsen att dessa resultatindikatorer kommer att påverka den framtida utvecklingen av denna plattform.
Morales Gonzalez tog också upp osäkerheterna i den tidigare fallstudien, särskilt FSF-scenarierna. Att tillämpa en livscykelbedömning i tidiga utvecklingsstadier är mer utmanande jämfört med icke-kommersialiserad teknik. Många osäkerheter uppstår bland annat på grund av saknade eller felaktiga data, tidsmässiga och rumsliga variationer och felaktigheter i modellerna.
För att komma till rätta med dessa osäkerheter genomfördes stokastiska parametrar med sannolikhetsfördelningar istället för fasta värden och spridning av provtagningen med hjälp av Monte Carlo-simuleringar. Sedan användes metoden för överlappningsområde för att bedöma resultaten av dessa jämförande LCA:er. Detta skapade ett annat resultat jämfört med den deterministiska LCA, eftersom likheten i båda fallen är högre i jämförelse med tidigare resultat. Dessutom betonade det behovet av att ta itu med korrekt användning av joniska vätskor. + Utforska vidare
