Napjainkban a folyamatos áramú, áramlásos kémiai (flow) szintézismódszerek egyre növekvő népszerűségre tesznek szert. Ezek a technológiák régóta ismertek a vegyiparban, de a szintetikus kémiában való megjelenésük csak az ezredforduló környékére tehető.
Az áramlásos kémia annyit tesz, hogy a hagyományosan gömblombikban, vagy más egyéb edényben mechanikusan kevertetve végrehajtott kémiai reakciók helyett, a kiindulási anyagok oldatát egy csőrendszeren folyamatosan áramoltatjuk, és az átalakulások az áramlás közben valósulnak meg. Ez az elrendezés számos előnnyel jár a hagyományos lombikos eljárásokhoz képest. A kiindulási anyagok folyamatos áramlása valamilyen szállítórendszer (nagypontosságú pumpák és gáz adagoló rendszerek) segítségével biztosított. Ebből adódóan a szakaszos (batch) szintézisekkel ellentétben folyamatos áramú módszerek esetén a reakcióidő nem értelmezhető, helyette tartózkodási időről beszélünk, ami a kiindulási anyagok aktív reaktorzónában, vagyis a reaktor azon térrészben töltött idejét jelenti, ahol a tényleges reakció történik.
Az áramlásos kémia fejlődését jól mutatja a Chemical Reviews folyóiratban megjelent összefoglaló cikk, melyben közel 800 irodalmi hivatkozáson keresztül mutatják be az áramlásos kémiát. Az áramlásos kémia helyzetét erősíti, hogy az Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügynöksége (S. L. Lee, Presented in part at the 3RD Food & Drug Administration/Product Quality Research Institute Conference on Advancing Product Washington, DC, March, 2017.) és az Európai Gyógyszerügynökség (European Pharmaceutical Review, August 2018.) is a közelmúltban jelentette be a folyamatos áramlásos kémiai szintézisek és technológiák bevezetésének és alkalmazásának a támogatását. Továbbá 2019-ben a Nemzetközi Elméleti és Alkalmazott Kémiai szövetség (IUPAC) az áramlásos kémiát a 10 leggyorsabban fejlődő, feltörekvő (emerging) technológiák közé sorolta.
Különböző gyártók áramlásos kémiai rendszerei, eszközei legtöbbször egymással nem kompatibilisek fluidikai, mechanikai és szoftver oldalról, ezáltal sok esetben lehetetlenné téve komplex rendszerek összeépítését, működtetését, így pedig a szakaszos technológiával szemben biztosított előnyök egy része elvész.
A jelenlegi rendszerek, berendezések nem illeszthetők be egy szélesebb, automatizált folytonos üzemű folyamatba, és nem vezérelhetők központilag, vagy a szabályozási funkcióikat nem lehet összehangolni a különböző hardver- és szoftverarchitektúra vagy jel- és utasításkészlet miatt, elveszik a szinergia lehetősége, s egyfajta félszakaszos-félfolyamatos működés alakul ki.
A cégünk sikeresen végezte el egy olyan moduláris szemléletű, de központilag vezérelhető, automatizált áramlásos kémiai technológia platform fejlesztését, amellyel megvalósítható különböző vegyipari relevanciájú intermedierek és termékek előállítása.
Egy olyan, modul rendszerű platformot fejlesztettünk, amely modern, kellően univerzális, felskálázható, párhuzamosítható, iparágra szabható, központilag vezérelhető és környezetvédelmi szempontokból is előnyös.
A rendszer adagoló egységeket (folyadék pumpák, gázadagolók), kémiai reakciók megvalósítására alkalmas modulokat (reaktorok, keverők, nyomásszabályzó egységek), a reakciók feldolgozására alkalmas részeket (folyamatos szűrő, extraktor, automatizált mintavevő egységek) és minőségbiztosítási szempontból elengedhetetlen, a részfolyamatok folyamatos követésére alkalmas modulokat (in-line szenzorok, központi vezérlő egységek) tartalmaz. A modulok tervezésénél alapvető szempont volt az azonos szoftver–, és kompatibilis hardver architektúra használata, így az egységek tetszőleges konfigurációban komplex rendszerré kapcsolhatók össze.
A modulok önálló egységként is teljes értékűen működnek, viszont központi vezérlésbe csatlakoztatva őket, a gyűjtött adatok minden modul számára elérhetőek lesznek folyamatszabályozási funkció biztosításához. A részegységek összekapcsolásával és azok kommunikációjának központosításával tetszőleges, autonóm rendszerek alakíthatók ki, a felmerült igények szerint.
Példaként: egy pumpa önállóan „autonóm” módon is használható, de tipikus alkalmazási rendszerként a pumpa után elhelyezett reaktorba adagolódnak a kiindulási anyagok, majd a reaktorban folyamatosan végbemenő kémiai reakciók után egy mintavevő és szenzor egység behelyezésével a reakció pontosan monitorozható „on demand real-time”.
Természetesen az áramlásos kémiai reakciók végrehajtása is számos előnnyel és hátránnyal is járhat.
Előnyök
- Áramlásos reaktorokra a rendszer geometriai tulajdonságaiból adódóan lényegesen nagyobb felület/térfogat arány jellemző, amely jóval kedvezőbb termikus- és koncentrációprofilt eredményez. Az endoterm és az exoterm reakciók is könnyen termosztálhatók.
- A reagensek keveredését másodpercek alatt el lehet érni az áramlásos rendszerekben alkalmazott kisebb méretekben. Így lehetővé válik az ún. flask kémia, mely rövid élet idejű (<milisec), nem túl stabil intermedierekkel végrehajtott kémiai reakciók kivitelezését jelenti.
- A reakció hőmérsékletet az oldószer forráspontja fölé is lehet emelni, a reaktor után elhelyezett nyomásszabályzó alkalmazása esetén. A kis méreteknek köszönhetően a hőmérséklet szabályozás hatékony és pontos.
- Gázbevezetéssel járó reakciók is könnyen elvégezhetők.
- Biztonságosabb működés:
- hőmérsékleti viszonyok jól kézben tarthatók
- kisebb reakció mennyiségek biztonságos munkavégzést tesznek lehetővé
- biztonságosabb munkavégzés veszélyes vegyszerekkel: többlépéses reakciók elvégezhetők egy rendszeren belül, így a lépések közötti feldolgozás és a vegyszerek levegővel vagy emberekkel való érintkezése elkerülhető (különösen fontos mérgező vagy instabil vegyületek esetében)
- Az áramlásos kémiai reakciók/technológiák/folyamatok könnyen automatizálhatók, ezzel teljesítve a 4. ipari forradalom készülékek hálózatba kapcsolására vonatkozó követelményét. Egy mostanában megjelent publikáció szerint a Pfizer kutatói egy naponta 1500-nál is több Suzuki reakciót vizsgáló folyamatos üzemű, automatizált HTPS (nagy áteresztőképességű szűrés módszer) rendszert mutattak be. Számos egyéb technológia, úgymint in-line analitikai eljárások, tisztítási, feldolgozási vagy akár formulálási lépések is könnyen és biztonságosan integrálhatók az áramlásos folyamatba. Az intelligens monitorozás és online elemzés integrálásával a teljes kémiai műveletek automatizálhatók. A könnyebb és jobb folyamatszabályozás hatékonyabbá teszi a reakciót és minimalizálja a melléktermék és hulladék keletkezését.
- Reaktorok méretnövelése egyszerűbben, térfogatnöveléssel (scale-up) vagy rendszer párhuzamosításával (scale-out) is elérhető, minimális folyamatfejlesztési és tervezési munkával.
- Ezen előnyöknek köszönhetően jobb termelések/szelektivitások érhetőek el, reakcióidők órákról percekre csökkenthetők. Ez ipari szempontból rendkívül fontos, ugyanis alacsonyabb energiafelhasználást, kevesebb hulladékot, kevesebb munkaóra ráfordítást, nagyobb biztonságot és csökkentett költségeket eredményezhet, azaz kisebb környezeti lábnyomot.
- Napi 24 órás működést tesz lehetővé heti 7 nap.
Hátrányok
- Egyedi/dedikált eszközökre van szükség: a pontos és folyamatos adagoláshoz (pumpák, gázadagolók) ezek csatlakoztatásához, stb.
- Indítási, leállítási, tisztítási eljárásokat kell meghatározni.
- Reaktív anyagokra vonatkozó tárolási előírások továbbra is fennállnak.
