Multifunctionele reactor voor onderzoek en productie

Knelpunten in de geneesmiddelenvoorziening kunnen in de toekomst gemakkelijker worden vermeden. Chemici van het Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung hebben een machine voor radiale synthese ontwikkeld. Deze maakt de flexibele productie van medisch werkzame stoffen en andere chemische producten mogelijk. Een team van de directie van het Max Planck Instituut heeft de nieuwe benadering van chemische synthese ontwikkeld.

Het apparaat kan snel opnieuw worden geprogrammeerd voor de synthese van zeer verschillende, zelfs complexe stoffen, zonder dat iemand het apparaat hoeft aan te passen.

Het kan synthesestappen combineren waarvoor vroeger verschillende apparaten nodig waren. Daarnaast kan het apparaat de stoffen ook op afstand produceren op afgelegen locaties. De nieuwe technologie vereenvoudigt ook op gegevens gebaseerde ontwikkelingen in de chemie. Dat kan het zoeken naar nieuwe chemische producten en reactieprocessen versnellen.

Voorzien in onverwachte tekorten

Enerzijds voorziet de synthesemachine mensen op moeilijk bereikbare plaatsen zonder chemische industrie van medische werkzame stoffen. Er zijn ook toepassingen voor andere stoffen, als deze niet lokaal kunnen worden opgeslagen of getransporteerd. Dit is nuttig bij onverwachte tekorten aan actieve medische stoffen en biedt mensen in ontwikkelingslanden een flexibele toegang tot stoffen. Dit is belangrijk wanneer de behoefte aan een stof niet te voorspellen is. ‘Het enige knelpunt is de beschikbaarheid van basischemicaliën,’ aldus Peter Seeberger, directeur Max Planck Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung. ‘Maar met de grondstoffen bij de hand, is dit een enorme kans.’

Aan de andere kant opent de multifunctionele synthesemachine nieuwe perspectieven voor chemisch onderzoek. Vooral medische hulpmiddelen kunnen een ingewikkelde samenstelling hebben en kleine verschillen kunnen grote gevolgen hebben. In de zoektocht naar de beste stof, synthetiseren chemici daarom veel verschillende moleculen met kleine variaties. Tot nu toe hebben ze hun apparatuur vaak moeten veranderen of minstens opnieuw moeten opbouwen – moeizaam en tijdrovend handwerk. Dit geldt ook voor de ontwikkeling van optimale reagens zodra het meest effectieve molecuul is gevonden.

Chemie als internetdienst

‘Met radiale synthese kunnen we het handwerk grotendeels elimineren uit de chemie’, zegt Seeberger. De chemie in de toekomst kan in zijn visie worden geëxploiteerd zoals internetdiensten. ‘Je zit voor je computer op kantoor. De server waarop een applicatie draait, bevindt zich ergens anders in de wereld. Chemici zullen in de toekomst hun experimenten op afstand controleren. Op deze manier kunnen veel meer stoffen en reacties worden getest. Ook kunnen we meer en betrouwbaardere gegevens verzamelen.’ Dit kan bijdragen aan de analyse van grote gegevens in de chemie. ‘Uiteindelijk zou zelfs kunstmatige intelligentie die door training met de enorme hoeveelheden gegevens chemische competentie heeft ontwikkeld, de zoektocht naar veelbelovende nieuwe stoffen voor een gewenste toepassing of naar efficiënte reactietrajecten kunnen overnemen’, aldus Seeberger. Scheikundigen zouden dan hun creativiteit volledig kunnen wijden aan taken waarvoor zij niet kunnen putten uit ervaringen met soortgelijke experimenten en die daarom niet kunnen worden opgelost met behulp van data gestuurde methoden.

Combinatie procestechnologieën

Radiale synthese biedt de experimentele mogelijkheden omdat het twee fundamenteel verschillende procestechnologieën combineert: cyclische en lineaire synthese. Cyclische synthese is de methode bij uitstek wanneer chemici biopolymeren zoals eiwitten, koolhydraten of DNA-strengen willen produceren. Hierbij passeren ze een molecuul in een cyclus door een reactievat waarin steeds hetzelfde chemische reactietype plaatsvindt, zodat het molecuul geleidelijk aan in een keten groeit. In de afzonderlijke cycli kunnen ook verschillende schakels aan de ketting worden bevestigd. Bij lineaire synthese daarentegen gaat een molecuul door meerdere stations waar verschillende reacties plaatsvinden, in verschillende apparaten of tenminste in verschillende delen van een apparaat.

Chemische productie is precisiewerk. Of het nu gaat om medische middelen of andere chemische producten, chemici moeten de productieprocessen altijd aanpassen. En ze ontwerpen ook de bijbehorende apparatuur specifiek voor elk product. Dit kan veel gemakkelijker met de automatische machine voor radiale synthese – tenminste als een stof niet in grote hoeveelheden nodig is. ‘Met radiale synthese creëren we een paradigmaverschuiving in de chemie,’ zegt Seeberger.

Belangstelling voor radiale synthese getoond

De Potsdam-onderzoekers combineren nu de twee technieken. Verschillende reactoren voor cyclische syntheses bevinden zich in een cirkel rond een soort draaitafel. Halfproducten worden op afstand van de ene naar de andere cyclische reactor getransporteerd en gecombineerd met lineaire processtappen. ‘We kunnen heel verschillende reacties flexibel combineren, zelfs snelle en langzame,’ zegt Seeberger. Chemische veranderingen die met verschillende snelheden plaatsvinden, kunnen in conventionele lineaire chemische installaties niet efficiënt worden uitgevoerd. Het reactiemengsel stroomt er met een constante snelheid doorheen.

De Potsdam-onderzoekers testen nu de veelzijdigheid van de radiale synthese verder. Zij hebben een octrooiaanvraag voor de technologie ingediend. De eerste industriële bedrijven hebben al belangstelling getoond. Dit komt omdat de nieuwe synthesemachine hen kan helpen bij het onderzoek naar nieuwe producten. Ook kan de toepassing hun ontwikkeling versnellen. Dit zal kosten besparen en kunnen leiden tot meer innovatie.