A gyógyszeriparnak napjainkban új kihívásokkal kell szembenéznie a gyógyszer hatóanyagok kutatása, fejlesztése és gyártása területén. Az éleződő piaci versenyben nagyon fontossá vált az, hogy az originális készítmények esetén a piacra kerülési idő a lehető legrövidebb legyen, generikus termékek esetében pedig lehetőleg első generikus szállítóként kell megjelenni a piacon a szabadalmi oltalom lejártának pillanatában. A hatóanyagok tisztaságára vonatkozó hatósági előírások jelentősen szigorodnak. A szigorítások egyik célja a szennyező komponensek mennyiségének csökkentése révén a gyógyszerek szedéséből eredő kockázatok mérséklése. A másik, nem kevésbé jelentős tényező az, hogy a minőségi szigorítások a piaci verseny igen fontos és hatékony eszközét jelentik, hiszen az előírásoknak nem megfelelő tisztaságú hatóanyag, illetve az ebből készült gyógyszerkészítmény eladhatatlanná válik. A környezetbe (levegőbe, vízbe, talajba) történő káros anyagok emisszió határértékeinek drasztikus csökkentése, a határértékek szigorú ellenőrzése és túllépésének szankcionálása napjainkban igen nehéz feladatokat ró a gyógyszergyártással foglalkozó cégekre, ezért a hulladékmentes illetve a hulladékszegény gyártási technológiák kidolgozása és bevezetése fokozott mértékben előtérbe került. A fenti szempontoknak a kutatásra, fejlesztésre és gyártásra vonatkozó szabályozási elveknek (cGLP – current Good Laboratory Practice, cGCP – current Good Clinical Practice, cGMP – current Good Manufactory Practice) megfelelve kell eleget tenni.
A Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt., az egyetlen független, magyar irányítás alatt álló gyógyszergyártó társaság számára létfontosságú, hogy ezeknek az új kihívásoknak meg tudjon felelni.
A gyógyszer hatóanyagok kutatásában, fejlesztésében és gyártásában egyre nagyobb szerepet játszik a korszerű elválasztástechnikai műveletek széleskörű alkalmazása. A hagyományos elválasztási műveletekkel (desztilláció, extrakció, kristályosítás, stb.) sok esetben csak nagy nehézségek árán, vagy egyáltalán nem oldhatók meg az új kihívások által támasztott elválasztási feladatok, ezért új, modern technikák bevezetése vált szükségessé.
Ezek közül legjelentősebb a nagyhatékonyságú preparatív folyadékkromatográfia, melyen belül két nagy csoport különböztethető meg:
• Szakaszos üzemű preparatív nagyhatékonyságú folyadékkromatográfia (Batch Preparative High Performance Liquid Chromatography)
• Folyamatos üzemű szimulált mozgóágyas folyadékkromatográfia (Continuous Simulated Moving Bed Liquid Chromatography − SMB)
A korszerű nagyhatékonyságú kromatográfiás műveleteket már igen elterjedten alkalmazzák a fejlett nyugat-európai, Egyesült Államok-beli és japán gyógyszergyárak. Bár a hazai gyógyszeripar, különösen a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt. jelentős kutatási-fejlesztési munkát végzett az elmúlt évtizedben a szakaszos üzemű preparatív folyadékkromatográfia, a kapcsolódó oldószer regeneráló, rektifikációs rendszer fejlesztése, kromatografáló oszlopok kifejlesztése, kivitelezése, és a kromatográfiás elválasztások számítógépes szimulációja területén, és számos esetben a kromatográfiás eljárás ipari realizálására is sor került, az előbbiekben említett fejlett ipari országokhoz viszonyítva azonban technológiai lemaradás tapasztalható. Ez a lemaradás különösen a folyamatos üzemű szimulált mozgóágyas folyadékkromatográfia területén áll fenn.
A kromatográfiás műveletek számítógépes szimulációjával kapcsolatos kutatás és fejlesztés, az akkori Műszaki Kémiai Kutatóintézet Rendszermérnöki Laboratóriumával (ma Kaposvári Egyetem Informatika Tanszék) együttműködve, kb. egy évtizedes múltra tekint vissza. A közös munka eredményeként kifejlesztettünk egy, a szakaszos elúciós folyadékkromatográfiás elválasztás különféle megvalósítási módjainak (egyszerű elúció, egyszeri vagy többszöri recirkuláció, recirkuláció “peak-shaving” technikával) szimulálására alkalmas szoftvert.
Míg a szakaszos elúciós elválasztások optimálása kísérletes úton is megvalósítható, igaz, jóval nagyobb idő, energia és nyersanyag ráfordítással, addig a nagyszámú paraméterrel rendelkező, kvázi-stacionárius, ellenáramú szimulált mozgóágyas kromatográfiás elválasztás folyamattervezését és optimálását hatékony számítógépes szimulációval lehet csak elvégezni.
A művelet számítógéppel segített tervezéséhez és optimálásához szükség van az adott kromatográfiás rendszerről és a vizsgált komponensekről rendelkezésre álló ismereteinkre, és előnyösen alkalmazhatók a már létező, elméleti megalapozottságú tervezési szabályok is.
Csoportunk a Kaposvári Egyetem Informatika Tanszékével együttműködve 2001-től kezdett intenzíven foglalkozni szimulált mozgóágyas kromatográfiás elválasztások vizsgálatával, a kezdetekben még csak számítógépes szimuláció eszközével.
Megvalósíthatósági tanulmányt készítettünk egy, a Richter Gedeon Vegyészeti Gyár Nyrt.
számára igen fontos királis molekula két enantimerjének SMB-vel történő elválaszthatóságára vonatkozóan. Ekkor dolgoztunk ki egy folyamattervezési, optimálási metodikát, amely magában foglalja:
• Az alapadatok (a komponensek adszorpciós egyensúlya a kiválasztott kromatográfiás fázisrendszerben, az anyagátadási kinetika és a hidrodinamikai jellemzők meghatározása az SMB egység oszlopaiban) részben kísérleti meghatározását,
• Morbidelli úgynevezett „háromszög elméletének” alkalmazását, egy megvalósítható kezdeti megoldás paraméter együttesének meghatározása céljából,
• A közel optimális műveleti paraméterek meghatározását számítógépes szimuláció alkalmazásával.
SMB elválasztások modellezésénél alapvető fontosságú, hogy a komponensek adszorpciós izotermáit korrekt módon határozzuk meg. A munka során feladatommá vált, hogy az irodalomban leírt módszerek közül gyors, könnyen kivitelezhető, általánosan alkalmazható és pontos eredményt szolgáltató módszert válasszak ki adszorpciós egyensúlyi izotermák meghatározására. Ez az előzmény talán elfogadhatóvá teszi, hogy a dolgozat irodalmi részében viszonylag nagy részletességgel foglalkozom az adszorpciós egyensúly és az izoterma meghatározás témakörével.
A Veszprémi Egyetem Vegyipari Műveleti Tanszékével illetve a Kaposvári Egyetem Informatika Tanszékével közösen pályázatot nyújtottunk be a Széchenyi Terv Nemzeti Kutatási és Fejlesztési Program 2002 keretében az Oktatási Minisztériumba
ÚJ, HULLADÉKSZEGÉNY KROMATOGRÁFIÁS ELJÁRÁSOK BEVEZETÉSE A GYÓGYSZERIPARBAN
címmel. A pályázat sikeres volt, így lehetőségünk volt – Magyarországon elsőként − SMB készüléket vásárolni, és a kidolgozott metodikát a gyakorlatban is kipróbálni és alkalmazni. A pályázati munka keretében nyílt módom e dolgozat elkészítésére is.
A vizsgált feladat egy kétkomponensű, nem izomer szteroid nyers keverék szimulált mozgóágyas kromatográfiás technikával való elválasztása volt. A keverék egy szteroid molekula (szubsztrát) biológiai úton történő átalakításából (úgynevezett szteroid biokonverzióból) származik. A konverzió eredményeként keletkező nyers keverékben a termék:szubsztrát arány 80:20 m/m%. Az előzetesen már kiválasztott kromatográfiás fázisrendszerben a kevésbé kötődő komponens az „A” szteroid, amely a termék, a jobban kötődő komponens pedig a „B” szteroid, amely a szubsztrát. Az elválasztási feladat ipari jelentőségű.
Az optimálás célkitűzései a következők voltak:
• A céltermékben szennyezésként jelenlévő „B” komponens maximális mennyisége 0,3 m/m% lehet,
• Az „A” komponens esetében a kihozatalnak legalább 95 m/m%-nak kell lennie,
• Növelni kell a termelékenységet,
• Lehetőség szerint kis fajlagos eluens-felhasználás mellett kell végrehajtani az elválasztást.
Munkám során a fentebb leírt metodika alkalmazásával végeztem el a két komponens elválasztásának folyamattervezését, és meghatároztam a közel optimális folyamatparamétereket.
Vizsgáltam az SMB egységben az oszlopszám változtatásának, valamint a zónánkénti oszlopelosztásnak, a betáplálási összkoncentrációnak, ezen felül a többi műveleti paraméternek (rotációs időlépés, folyadék recirkuláció, a betáplálás és a friss eluens térfogatárama, valamint a termék elvételek térfogatáram arányának változtatása) az elválasztásra gyakorolt hatását.
A számításokhoz a folyamatok generikus, kétrétegű háló modelljének közvetlen számítógépi leképezésén alapuló általános rendeltetésű dinamikus szimulátor preparatív SMB kromatográfiás folyamatok leírására készített speciális adaptációját, az ADCHROM 5.0 programcsomagot használtam fel, amelyet a Kaposvári Egyetem Informatika Tanszékén fejlesztettek ki. A szimuláció során az oszlopokat összetett Langmuir egyensúlytól való eltérést, mint hajtóerőt figyelembe vevő kinetikus átadást, és kismértékű keveredést is megengedő áramlást leíró elemi folyamatokkal (aktív elemekkel) modelleztem. A ciklikus oszlopcsere az állapotot leíró modellbeli elemek (passzív elemek) ciklikus cseréjével valósul meg, ami lényegében a parciális differenciálegyenlet-rendszerek rendszerének ciklikusan változó kezdeti és peremfeltételek mellett történő korrekt numerikus kezelését jelenti.
A számítógépes szimulációval kapott rotációs időlépésre átlagolt termék koncentráció profilokat összehasonlítottam az SMB kísérletek során kapott eredményekkel.
A raffinátumban elvezetett céltermékre meghatároztam a műveletre jellemző fajlagos paramétereket. Az SMB művelettel elért eredményeket a cégünknél már működő szakaszos elúciós elválasztás megfelelő adataival összevetve értékeltem.