Complexe medicijnenfabrieken samenballen tot één kleine reactor, met de cel als inspiratie

Van veel medicijnen en chemicaliën is de productiewijze omslachtig, met een eigen reactor voor elke chemische reactie. Een onderzoeksconsortium onder leiding van TU/e-hoogleraar Volker Hessel wil het helemaal anders gaan doen. Binnen biologische cellen verlopen ketens van reacties feilloos naast en door elkaar. De onderzoekers willen dat proces imiteren zodat ze een keten van reacties tegelijkertijd in een enkele reactor kunnen laten plaatsvinden. Dit moet leiden tot gigantische besparingen in de productie- en ontwikkelingskosten van medicijnen, maar ook tot nieuwe kansen voor gepersonaliseerde medicijnen. Het onderzoek, met vier miljoen EU-subsidie, gaat in januari van start.

Het produceren van medicijnen en chemicaliën vergt meestal meerdere chemische reacties om tot het gewenste eindproduct te komen. De hedendaagse praktijk is dat die reacties allemaal afzonderlijk plaatsvinden in hun eigen reactor, waarin temperatuur, druk en oplosmiddel zijn aangepast aan de specifieke reactie. Bovendien is de reactor meestal een batchreactor, wat wil zeggen dat er een grote hoeveelheid grondstoffen in gaat, deze worden langzaam bewerkt, en verlaten de reactor meestal uren of dagen later. Dat is erg omslachtig en tijdrovend. Bij elke reactie moet het mengsel op temperatuur worden gebracht, en later wordt het weer afgekoeld. Ook moet tussen elke stap het gewenste tussenproduct worden gescheiden van ongewenste bijproducten.

Dat kan anders, denkt een collectief van onderzoekers van de TU Eindhoven, TU Delft en verschillende buitenlandse universiteiten. Hun inspiratie is de biologische cel. In deze piepkleine ruimte slaagt de natuur erin veel verschillende chemische reactieketens (cascades) te laten plaatsvinden, bij dezelfde druk en temperatuur en in hetzelfde oplosmiddel (water). En dat ook nog continu, dus snel. Cellen doen dat met hulp van enzymen, stoffen die de reacties een handje helpen. De onderzoekers willen op soortgelijke wijze medicijnen kunnen maken in kleine chemische reactors die continu werken.

Dat heeft vele potentiële voordelen. Het hele proces verloopt veel sneller, vergt veel minder energie en ruimte, er ontstaat veel minder afval en er zijn geen milieubelastende oplosmiddelen nodig. Ook kan er met veel kleinere hoeveelheden gewerkt worden, wat gunstig is voor bijvoorbeeld de productie van gepersonaliseerde medicijnen. En er is veel minder apparatuur nodig, die ook nog eens kleiner is. De onderzoekers schatten dat invoering van de technologie die ze gaan ontwikkelen wereldwijd tientallen miljarden aan besparing kan opleveren. Als testcases gaan ze op deze nieuwe manier vier veelgebruikte bestaande medicijnen maken (pijnstillende cannabinoïden, het galsteenmedicijn ursodiol, de bloeddrukverlager Valsartan en het kankermedicijn Capecitabine).

Om dit te bereiken moeten de wetenschappers een aantal flinke hordes nemen. Als de verschillende chemische reacties bij elkaar en gelijktijdig plaats moeten vinden, dan mogen ze elkaar niet beïnvloeden. De onderzoekers gaan verschillende technieken ontwikkelen om de verschillende reactiestappen de benodigde afzondering te bieden. Ook gaan ze bekijken of het mogelijk is om de gewenste medicijnen te produceren door alleen reacties te combineren die elkaar niet beïnvloeden – dan is er geen afzondering meer nodig. Speciale aandacht is er voor de beheersing van de processen, die veel complexer is dan bij de klassieke stap-voor-stapmethode. Uiteindelijk willen de onderzoekers met de nieuwe inzichten een kant-en-klare nieuwe productietechniek afleveren.
De TU Eindhoven is de grootste deelnemer aan het project met de titel One-Flow (Catalyst cascade reactions in One-Flow within a compartimentalized, green-solvent ‘digital synthesis machinery’ – end-to-end green process design for pharmaceuticals). Vanuit de TU/e zijn, naast Volker Hessel, onder meer hoogleraren Kitty Nijmeijer en Jan van Hest en Tim Noël betrokken, allen van de faculteit Scheikundige Technologie. Andere partijen zijn de TU Delft, TU Graz, Universität Bielefeld, Centre National de la Recherche Scientifique, Cambridge University, University of Hull en het Duitse bedrijf Microinnova Engineering. Samen krijgen ze bijna 4 miljoen euro subsidie uit het FET-Openprogramma van de EU voor ‘radicaal nieuwe technologieën’.