1 Procesy rozdzielania w biotechnologiiWykład nr 1 Inżynieria Chemiczna i Procesowa w przemyśle farmaceutycznym Zastrzeżenie Niektóre materiały graficzne zamieszczone w tym dokumencie oraz w łączach zewnętrznych mogą być chronione prawem autorskim i jako takie są przeznaczone jedynie do użytku wewnętrznego na WIChiP PW dla celów edukacyjnych Disclaimer Selected graphics in this document and external links can be copyright protected, and as such they are intended only for educational use at WIChiP PW Materiały wykładowe opracowane w ramach projektu „Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej” współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej

2 1. Wprowadzenie – Inżynieria Chemiczna a przemysł farmaceutyczny.2. Specyfika separacji dla procesów biologicznych w przemyśle farmaceutycznym. 3. Termodynamika procesów separacji. Kaskada rozdzielcza i układy hybrydowe. 4. Absorpcja i desorpcja w układach rozcieńczonych. 5. Ekstrakcja w układach trójskładnikowych. 6. Destylacja i ekstrakcja super-krytyczna. 7. Procesy membranowe. 8. Adsorpcja i wymiana jonowa. 9. Chromatografia. Elektroforeza. 10. Ługowanie i wymywanie. 11 Krystalizacja, desublimacja i odparowanie. 12. Suszenie. 13. Mechanika układów rozproszonych. 14. Filtracja aerozoli. 15. Sedymentacja. PRWB Wykład 1

3 W przemyśle farmaceutycznym powstają produkty zawierające substancje lecznicze oraz systemy podawania tych substancji do organizmu człowieka Lek zawiera substancję aktywną wywołującą w organizmie człowieka odpowiednią odpowiedź terapeutyczną. Active Pharmaceutical Ingredient API Istnieją akty prawne i instytucje kontrolujące produkcję i dystrybucję farmaceutyków: FDA – Food and Drug Administration USA EMEA – European Agency for the Evaluation of Medicinal Product Europa PRWB Wykład 1

4 Ponad 300 nowych lekarstw zostało dopuszczonych do obrotu w ostatnich10 latach Poprawa jakości i długości życia Od 1980 r. Spodziewana długość życia dla pacjentów z nowotworem wzrosła o 3 lata Liczba zgonów spowodowana chorobami układu krążenia spadła o 26.4 % pomiędzy rokiem 1999 a 2005 PRWB Wykład 1

5 Przemysł farmaceutyczny ma olbrzymi udział w rozwoju ekonomii i gospodarkiW USA w 2006 w przemyśle farmaceutycznym zatrudnionych było ludzi a każdy zatrudniony generował nie bezpośrednio 3.7 nowych miejsc pracy czyli w sumie ok. 3,2 miliona ludzi związanych było z przemysłem farmaceutycznym – 88.5 miliarda USD udziału w produkcie krajowym brutto !!!! Przemysł farmaceutyczny w USA w 2006  635 miliardów USD (total outputs) Wartość sprzedaży osiągnięta przez firmy Farmaceutyczne na świecie USD Średnio wzrost wartości sprzedaży o 4 – 7% rocznie. W 2013  975 miliardów USD PRWB Wykład 1

6 Największe firmy farmaceutyczne i ich udział w rynku:PRWB Wykład 1

7 PRWB Wykład 1

8 Koszty około 1-3 miliardów USD 15 lat oczekiwania na zysk… Z odkrytych substancji tylko jeden lek dopuszczony na rynek… PRWB Wykład 1

9 60 miliardów USD zainwestowano w R&DRozkład kosztów wprowadzenia nowego leku na rynek PRWB Wykład 1

10 Rozkład kosztów produktuCelem jest obniżenie udziału kosztów API w stosunku do całościowych kosztów produktu z jednoczesną optymalizacją niezawodności procesu. Wraz z pojawianiem się nowych bardziej skomplikowanych molekuł udział kosztów API będzie rósł PRWB Wykład 1

11 Jak widać przemysł farmaceutyczny jest potężnym działem globalnej gospodarki przed którym stają duże wyzwania: 1) Minimalizacja wzrost kosztów wprowadzania nowych i produkcji istniejących na rynku leków. Wprowadzenie nowego leku na rynek to długi i skomplikowany i bardzo kosztowny proces Koszt do 2 miliardów USD PRWB Wykład 1

12 Inżynieria Chemiczna dysponuje narzędziami pomagającymi Duże wyzwania przed inżynierami chemikami pracującymi w przemyśle farmaceutycznym Inżynieria Chemiczna dysponuje narzędziami pomagającymi w redukcji kosztów procesów Modelowanie operacji jednostkowych Wykorzystanie metod laboratoryjnych i doświadczalnych Połączenie wyników modelowych z doświadczalnymi Obniżenie kosztów całościowych procesu PRWB Wykład 1

13 Inżynieria Chemiczna może dopomóc w przemianie przemysłu faramcetycznego aby stał się sustainableSystemy lub procesy są sustainable gdy: Minimalizują wpływ na środowisko naturalne Są ekonomicznie opłacalne Minimalizują wpływ społeczeństwo PRWB Wykład 1

14 Proces który chce być lepszym, szybszym , czystszym zgodnie z zasadami„Zielonej inżynierii” musi : Być zoptymalizowany pod kontem zużycia materiałów i energii Nie wpływać lub mieć minimalny wpływ na środowisko naturalne, zdrowie i bezpieczeństwo ludzi PRWB Wykład 1

15 Podstawowy problem to maksymalizacja wykorzystania substratów i energiiŚrednio zużywa się 120 kg produktów na 1 kg API Miejsce na optymalizacje PRWB Wykład 1

16 Wiedza inżynierów chemików może również wpłynąć na poprawę jakości samego produktu medycznegoOptymalizacja inhalatorów Inżynieria cząstki i uwalniania leku. PRWB Wykład 1

17 Rola Inżynierii Chemicznej w procesie R&D nowych APIW latach 50 ubiegłego wieku działy R&D firm farmaceutycznych zarządzane były głównie przez chemików Zaczęło to się zmieniać, aczkolwiek rola inżynierów chemików nie jest aż tak uwydatniona jak chemików w działach R&D Kiedy proces można „powiększyć” i jak to zrobić szybko i tanio ? PRWB Wykład 1

18 Pencilina – Sukces Inżynierii ChemicznejW latach 30-tych ubiegłego wieku odkryto penicylinę. Jedyną metodą jej wytwarzania była hodowla powierzchniowa która pozwalała otrzymywać gramy substancji czynnej. Hodowla powierzchniowa została zastąpiona bioreaktorem w połowie lat 40 – tych dzięki współpracy firm Merck i Pfizer z R. Wilhelmem z Wydziału Inżynierii Chemicznej Uniwersytetu w Prinston. Fermentacja w reaktorze ekstrakcja Masowa produkcja Filtracja Ciąg operacji jednostkowych PRWB Wykład 1

19 Przykład 1 Reakcja alkilowania z ciągłą ekstrakcją i krystalizacją Reakcja : A + B  R R + B  S produkt Podczas realizacji w reakcji homogenicznej, produkcja S była nadmierna Zwiększono stężenie R , przez dodanie kryształów R na początku procesu, co dodatnio wpływa na krystalizację R podczas podawania B do reaktora pół-okresowego Separacja kryształów R poprawia selektywnosć reakcji o ponad 15% PRWB Wykład 1

20 Czyli z punktu widzenia inżynierii chemicznej mamy dwa etapy: tworzenie API i rozdzielanie API z roztworów po reakcyjnych W procesach chemicznych I biochemicznych prowadzonych na skalę przemysłową wyróżnić można: key operations auxiliary operations przemiana chemiczna lub biochemiczna separacja produktów procesy biochemiczne dominują w przemyśle farmaceutycznym niska temperatura , k. 37 C niskie ciśnienie 1 atm. pH ok. 7.4 PRWB Wykład 1

21 w bioreaktorach stosowane są enzymy katalityczne , czas przebywania sięgaod godzin do kilku dni. w rezultacie dostajemy roztwór wodny zawierający rozpuszczone produkty procesy oczyszczania bioprodukty mogą znajdować się wewnątrz mikroorganizmów (intercellular) lub w brzeczce pofermentacyjnej (extracellular) PRWB Wykład 1

22 Przykład 2 produkcja kwasu cytrynowego Aspergillus niger tlenowa fermantacja substancji zawierających glukozę hydroliza np. krochmalu w 28 C i 1 atm w roztworze wodnym,enzym  alfa-amylaza uwolnienie dextryny 2) Zaszczepienie reaktora inoculum grzyba. 3) W miarę wzrostu grzybni dextryna deyfunduje do powierzcni grzybów i Przedostaje się do ich cytoplazmy. 4) wewnątrz komórek zachodzi przemiana dextryny do kwasu cytrynowego (proces skomplikowany) który przedostaje się na zewnątzr komórki do brzeczki pofermentacyjnej. Całkowity czas procesu 6 – 7 dni filtracja próżniowa ultrafiltracja wymiana jonowa adsorbcja krystalizacja suszenie produkt PRWB Wykład 1

23 PODSTAWY TECHNIK ROZDZIELANIAAby rozdzielić mieszaninę produktów chemicznych trzeba dostarczyć do układu energię. Jeżeli układ jest wielofazowy to wpierw rozdzielamy fazy . Produkty mogą być gazowe, ciekłe lub stałe PRWB Wykład 1

24 Pięć podstawowych metod rozdzielaniaekstrakcja destylacja Procesy membranowe Procesy mechaniczne adsorpcja POGiRCPF Wykład 1

25 Procesy rozdzielania z tworzeniem lub dodaniem nowej fazyWytwarzamy nowa fazę – ESA energy separating agent Wymiana ciepła Wykonanie pracy ( odparowanie przez obniżenie ciśnienia) Dodajemy nową fazę – MSA mass separating agent Wady: 1) dodatkowy separator aby odzyskać MSA 2) Możliwość zanieczyszczenia produktu przez MSA 3) Komplikacja procesu PRWB Wykład 1

26 Procesy rozdzielania przez przegrodęPRWB Wykład 1

27 Procesy rozdzielania z udziałem fazy stałejPRWB Wykład 1

28 Procesy rozdzielania mechanicznePRWB Wykład 1