De farmaceutische industrie is een van de meest relevante sectoren in de huidige economie. Al meer dan een eeuw is de farmaceutische productie afhankelijk van batchproductie, maar dit mist de wendbaarheid, flexibiliteit en robuustheid om te voldoen aan de uitdagingen van vandaag. Met een exponentieel groeiende bevolking en snel afnemende middelen, wordt de farmaceutische industrie geconfronteerd met bedreigingen voor de volksgezondheid, zoals medicijntekorten. Naast de beperkingen van batchtechnologie om de productie te verhogen, is de farmaceutische industrie verantwoordelijk voor grote hoeveelheden afval. Voor haar Ph.D. onderzoek, Olivia Morales Gonzalez keek naar nieuwe procesbenaderingen die deze beperkingen in de farmaceutische industrie kunnen overwinnen.

Alternatieve productieplatforms zijn nodig om de huidige en toekomstige ecologische en economische uitdagingen in de farmaceutische industrie het hoofd te bieden. Olivia Morales Gonzalez heeft nieuwe procesplatforms onderzocht, namelijk reactieve extractie met ionische vloeistoffen, polymere nanoreactoren en nieuwe procesvensters.

Morales Gonzalez voerde levenscyclusanalyses en techno-economische evaluaties uit om hotspots in deze procesconcepten te identificeren vóór hun industriële implementatie, en uit haar onderzoek suggereert Morales Gonzalez een aantal optimalisaties.

Continue verwerking

Ten eerste beoordeelde Morales Gonzalez nieuwe procesvensters door te kijken naar de levenscyclusbeoordeling van de productie van vitamine D3. Nieuwe procesvensters zijn een nieuwe manier van procesontwerp om microprocestechnologie te stimuleren voor de productie van fijne chemicaliën met een hoge toegevoegde waarde onder zware omstandigheden (bijv. hoge temperatuur en druk). Deze vitamine werd gekozen voor het onderzoek omdat het een veel voorkomende en noodzakelijke voedingsstof is die wereldwijd wordt geproduceerd en geconsumeerd.

Bovendien werden de nieuwe procesvensters vergeleken met meerdere batchprocessen. De vitamine D3 wordt continu geproduceerd in microreactoren (d.w.z. microflow) en combineert UV-fotobestraling en hoge druk en hoge temperatuur (fotobestraling-hoge druk en temperatuur) verwerking. Vervolgens zuivert continue kristallisatie het product.

De processen zijn gemodelleerd met ASPEN Plus-processimulatiesoftware met behulp van voorgrondgegevens van de experimentele continue opstelling en achtergrondgegevens van verschillende patenten. De milieu-impact van het continue proces is voornamelijk te wijten aan het gebruik van acetonitril en methyl-tertiair-butylether (t-BME), beide oplosmiddelen.

In vergelijking met de batchprocessen biedt het continue proces een aanzienlijke vermindering van de milieubelasting. Zelfs als we rekening houden met de hoge recyclingpercentages (95%) van oplosmiddelen in batchscenario's, is de impact minstens het dubbele. Bovendien is het noodzakelijk om ze te recyclen zonder extra zuiveringsstappen.

Techno-economische evaluatie

Vervolgens voerde Morales Gonzalez een techno-economische evaluatie uit van de productie van Cross-Linked Enzyme nano-Aggregates (c-CLEnA) op laboratoriumschaal. Dit zijn komvormige polymere blaasjes die als dragers werden gebruikt, met het voordeel van een hoge activiteitsretentie en gemakkelijke recycling.

De drager vertegenwoordigt een groot deel van de kosten in het geval van enzymatische processen. Daarom beoordeelde Morales Gonzalez de productie om hotspots te vinden die konden worden geoptimaliseerd. De geschatte kosten per 0,5 ml CalB-geladen c-CLEnA bedragen € 139, en dit wordt voornamelijk veroorzaakt door de kapitaaluitgaven (kosten in verband met de aankoop van vaste activa zoals apparatuur). Deze kosten werden vergeleken met traditionele verknoopte ondersteuningen, waarvan de productie eenvoudiger is in vergelijking met c-CLEnA, maar met meer lekkageresultaten. Morales Gonzalez ontdekte dat c-CLEnA ongeveer 20 keer moet worden gerecycled om enig economisch voordeel te behalen. Ten slotte werden procesveranderingen besproken met betrekking tot de impact op de productiekosten.

Functionele oplosmiddelfabriek

Ten slotte wordt het concept van de Functional Solvent Factory (FSF) geïntroduceerd, evenals de oplosbaarheid, de belangrijkste KPI. Een case study (voor de synthese van benzylazide) beoordeelde het gecombineerde gebruik van reactieve extractie met ionische vloeistoffen. Deze case study was gebaseerd op literatuur vanwege het lage technologiegereedheidsniveau (TRL) van dit concept. Met ASPEN Plus-software zijn twee modellen voor de FSF gemaakt. Vervolgens werd het concept vergeleken met twee andere procesalternatieven, state-of-the-art (batch) en oplosmiddelvrij (continu). Er is een levenscyclusanalyse uitgevoerd om hotspots te vergelijken en te identificeren. Hotspots zijn de processen en activiteiten in de levenscyclus die een grote bijdrage leveren aan de totale milieubelasting. Het identificeren ervan helpt bij het besluitvormingsproces voor het ontwerpen van optimale productieprocessen.

De resultaten laten zien dat de milieu-impact van beide FSF-gevallen groter is dan de benchmarkgevallen. Met name het oplosmiddelloze geval resulteerde in de laagste milieubelasting. Ondanks de resultaten lag de focus van het onderzoek op het verzamelen van de gegevens die nodig zijn voor verdere ontwikkelingsstadia en voor andere oplosmiddelenfabrieken.

Om dit platform op de markt te brengen, is het noodzakelijk om het gebruik van ionische vloeistoffen, lage hoeveelheden oplosmiddelen, lage verwerkingstemperaturen, hoge recycleerbaarheid te optimaliseren en contaminatie van de ionische vloeistoffen te voorkomen. Morales Gonzalez concludeert dat deze prestatie-indicatoren toekomstige ontwikkelingen van dit platform zullen beïnvloeden.

Morales Gonzalez ging ook in op de onzekerheden van de vorige casestudy, met name de FSF-scenario's. Het toepassen van een levenscyclusanalyse in vroege stadia van ontwikkeling is uitdagender in vergelijking met niet-gecommercialiseerde technologieën. Veel onzekerheden komen voort uit de ontbrekende of onnauwkeurige gegevens, temporele en ruimtelijke variabiliteit en onnauwkeurigheid van de modellen, naast andere factoren.

Om deze onzekerheden aan te pakken, werden stochastische parameters met kansverdelingen in plaats van vaste waarden en verspreiding van de steekproeven uitgevoerd met behulp van Monte Carlo-simulaties. Vervolgens werd de overlapgebiedbenadering gebruikt om de resultaten van deze vergelijkende LCA's te beoordelen. Dit leverde een ander resultaat op dan de deterministische LCA, omdat de overeenkomst in beide gevallen groter is in vergelijking met eerdere resultaten. Bovendien benadrukte het de noodzaak om het juiste gebruik van ionische vloeistoffen aan te pakken. + Verder verkennen

Nieuw materiaal dat water efficiënter ontzilt