流程反应器

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70年前的1953年4月，沃森（J.D. Watson）和克里克（F.H.C. Crick）提出遗传物质DNA的双螺旋结构，揭开神秘的生命面纱。经过70年发展，人类对生物技术的认知，从解构（re-solve）走向了重建(re-bulid)。借助合成生物学技术，我们可以对微生物进行编程以制造特定化合物，这一过程称为“生物制造（bio-made）”。此类技术的产业化可以促使生物基原料替代石化原料来制造塑料、燃料、材料和药品等产品。在技术进步推动产业变革时，新一轮的技术竞争也在全球范围内悄然展开。2022 年 9 月 12 日，美国总统拜登已经正式签署了一项行政命令，以启动“ 国家生物技术和生物制造计划” （National Biotechnology and Biomanufacturing Initiative）。预测在本世纪末之前，生物工程可能占全球制造业产出的三分之一以上，价值接近30万亿美元。同年，中国发改委也明确将合成生物学列入《“十四五”生物经济发展规划》，生物基材料、新型发酵产品、生物质能、生物制造成为备受重视的前沿领域。在此发展背景下，2022 年 6 月，由美国国防部支持美国生物制造的公私合作项目 BioMADE，发布了一份关于推进生物反应器设计和开发的特别项目呼吁。作为回应，2023 年 4 月 19 日，BIoMADE 宣布五个新项目，这些项目专注于开发更高效、成本更低廉、更灵活且可重新部署的生物反应器，以推进美国生物经济和生物制造目标的实现。BioMADE 是在美国国防部授意下于 2021 年 4 月启动的工业生物制造创新研究所，旨在打造一个可持续的、美国国内的端对端的工业生物制造生态系统。由 BioMADE 成员 Capra Biosciences 公司、Amyris 公司、Geno 公司和来自爱荷华州立大学的两个团队领导的项目团队提出了生物反应器硬件、软件、传感器、建模和自动化方面的技术创新，以在商业规模上更高效地生产生物基产品。项目包括：（1）开发连续式 Taylor Vortex 发酵-提取-分离器：通过将产品提取和分离集成到生物反应器本身，研究人员将提供灵活、模块化和可重新部署的生物反应器设计。成员：爱荷华州立大学（2）生物反应器梯度的建模和模拟以预测放大性能：该项目侧重于开发和验证工作流程，以根据实验室实验预测演示规模的产油发酵性能。成员：Geno 公司（3）将基于废物的原料转化为维生素 A 的模块化生物膜反应器：项目合作伙伴将推进关键生物反应器自动化、下一代传感和新型连续流分离方法，以将Capra Biosciences 公司的生物膜反应器扩大为自动化试验工厂。成员团队：Capra Biosciences 公司、波士顿大学、Next Rung Technology 公司（4）用于机器学习（ML）的产品质量传感器-模块化生产工厂的流程优化和控制：这个由学术和行业研究人员组成的团队将创建一个通用的机器学习框架，用于优化和控制生物反应器，以减少设计新流程和改进所需的资源产品质量贯穿整个生产过程。成员团队：爱荷华州立大学、诺维信公司（5）MONDE 项目：为了尽量减少或消除某些重组产品的抑制作用，该项目将评估对无菌生产发酵罐的设计和操作的修改。成员团队：Amyris 公司、Sudhin Biopharma 公司曼森生物平行生物反应器JOY1-500优异的平行性 同一实验在不同的反应器上获得相同的实验结果，极低的系统误差，保证了设备间重现性补料的精确性 补料控制精度高，正常＜2%，不超过5%；速度可以控制到100ul/小时操作的易用性 一个人可以操作16个发酵罐，一个100㎡的实验室可以放置200多个JOY4型反应器控制的先进性 领先的AFDP主板芯片控制技术，控制精度高、故障低、易维护检测可扩展性 可接40多个外设传感器，如拉曼、红外、活细胞等新型传感器，并实现自由通讯文章来源：本文由中科院上海生命科学信息中心与曼森生物合作

个前言在化学合成中，每一步反应都有其独特性。对应于其独特性，化学化工研究者需要寻找合适的反应器来研究其工艺参数，实现放大生产。今天给大家介绍一篇多步反应全连续的文章。作者应用微反应器、固定床反应器以及釜式反应器杂化，实现硝化、加氢、环化、还原全连续操作，实现了Afizagabar (S44819)关键中间体的连续生产。研究背景Afizagabar (S44819) 是一种首创的、有竞争性和选择性的 α5-GABAAR 拮抗剂。由于临床研究需要相对较高的剂量，在产品的开发阶段需要生产约150kg的Afizagabar。然而，在釜式工艺放大的过程中，特别是在硝化和氢化的步骤中，安全及放大问题阻碍了产品生产的进程。图1. Afizagabar方程式研究过程Afizagabar(S44819)的合成，涉及了两个关键中间体INT15和INT23 ，如图2所示，两者经过一系列反应最终合成产品S44819。图2. Afizagabar(S44819)合成路线INT15的合成过程：原料STM1先硝化后得到中间体11，中间体11经过Dakin−West反应、还原得到中间体13，中间体13关环、再经过硼氢化钠还原得到关键中间体INT15。本文主要介绍INT15的多步串联合成研究过程。一. 硝化工艺过程研究1. 釜式硝化工艺研究合成INT15的第一步硝化，釜式工艺是以硝酸-硫酸混酸为硝化剂，反应时间50−90分钟。但当温度升高，会生成危险的二硝基衍生物而安全风险大。硝化反应放热量大，步骤本身的反应热存在安全风险。而且后续步骤的反应热也存在安全风险。从DSC数据可知(图3)，中间体11和中间体12的分解能量非常的高， (ΔHINT11 = −745 J/g, onset: 205 °C ΔHINT12 = −1394 J/g, onset: 187 °C)，如果发生分解那么后果将会变得非常严重。图3. 中间体11和中间体12的DSC谱图2. 微反应连续硝化工艺研究作者对传统的硝化工艺进行了重新设计，使用微反应器代替间歇釜来实现硝化过程。图4.连续流硝化反应作者选用硝酸（HNO3）和冰醋酸（AcOH）作为硝化剂，对连续反应条件做了优化。通过实验得到硝化步骤的操作参数范围为：温度为35~45℃，停留时间30S，流速范围为1-6mL/min，反应转化率接近100%。该连续流工艺与传统釜式工艺相比：连续流微反应反应时间大大缩短（由釜式50−90分钟缩短到30秒）；连续流无低温操作，节省能耗（微反应可以在35~45℃下进行，釜式在-65°C下进行）；反应可控性好，易于放大；消除了二硝的产生，生产的安全性大大提升。二. 固定床加氢过程研究图5. 氢化步骤反应方程式针对INT12加氢的过程，作者采用了固定床工艺。作者选用Pd/Al2O3做为催化剂，在固定化床式加氢反应器中进行反应，通过加入HCL将INT13分批成盐的方式解决其不稳定的问题。并且，作者打通了微反应器硝化和固定床反应器氢化的两步连续过程。同时，为了减少单元操作和溶剂置换工序，作者对氢化、关环以及还原步骤的溶剂进行了优化。表1.不同溶剂对氢化和环化反应的影响研究发现，使用四氢呋喃/二氯甲烷/乙腈体系不仅有很高的氢化以及环化的转化率，而且可以将硝化、氢化、环合以及还原工序串联，实现连续化生产。多步反应全连续，溶剂的选择往往是成败的关键。三. 多步串联合成中间体INT15图6. 连续串联合成中间体INT5工艺流程图作者选用微通道反应器、固定化床加氢反应器、釜式反应器杂化的方式，经过溶剂筛选、工艺条件优化，将硝化、氢化、环化、还原反应步骤串联，中间不经过分离，实现了多步反应的全连续（图6）。多步全连续工艺不仅可以减少操作步骤，而且生产效率大幅度提高。串联后，实验室规模稳定运行5小时，并以11.95g/h的通量得到97.1%纯度的INT15。实验小结连续流技术改变了药物研究的时空产率，有了更广的参数窗口。与在线分析仪器的良好的兼容性，可以更好地实现自动化和智能化，有助于提高研发效率和快速转化，从而获得更好的技术优势；微通道连续流技术，由于其较低的持液量、强大的传质和换热能力，对于在传统间歇生产模式下具有安全风险的反应，例如涉及剧毒试剂、不稳定中间体的反应，具有较好的优势；此外，连续流生产是降低API合成工艺放大的有效工具，可以更快地应对市场变化，节省中试放大成本，提升企业的竞争力。参考文献：Org. Process Res. Dev. 2022, 26, 1223−1235编者语康宁反应器模块化的组装方式和开放的接口，非常适合与其他类型的反应器、在线检测设备以及后处理装置联用。康宁反应器无缝放大的技术，可以帮助客户实现更高效的工业化生产，尤其是硝化、加氢、重氮化、卤化等危险反应工艺。在过去的几年中，康宁已实施了多套杂化的多步连续工艺，帮助客户实现了传统间歇反应釜工艺向连续流技术的升级和改造，取得了非常好的社会效应和经济效应。