Промышленность

Мал, да дорог. Как развивается новое направление в химпроме и фармацевтике — микрофлюидика

20 октября 2021

8 мин

Поделиться в соцсетях

В последние годы развитие технологий сформировало устойчивый тренд на миниатюризацию устройств и повышенный интерес к такому направлению, как микрофлюидика. Сейчас наиболее активно формат «лаборатории на чипе» применяется в биомедицине и фармацевтике, но некоторые участники рынка уверены в возможности её широкого использования и в малотоннажной химии. С этим согласны не все: эксперты указывают на ряд существенных препятствий, начиная от сомнительной экономики и заканчивая невозможностью производить достаточные объёмы.

Несмотря на усилия правительства, Россия до сих пор во многих секторах экономики имеет репутацию поставщика исключительно сырья. Но для ряда отраслей это утверждение вполне справедливо. Так, например, согласно государственной стратегии развития химической промышленности до 2030 года, её основой ещё долгие годы будет оставаться крупнотоннажная продукция. Уже сейчас в России строится сразу несколько нефте- и газохимических мегапроектов мощностью в несколько миллионов тонн. Среди них — Амурский газохимический комплекс «Сибура» на 2,7 млн тонн по этилену в год (ввод запланирован на 2024 год) и Балтийский химический комплекс «Русгаздобычи» мощностью более 3 млн тонн (запуск запланирован на 2023—2024 годы).

2,7 млн тонн

этилена в год будет производить «Сибур»

В Европе и других странах на фоне декарбонизации начался обратный процесс — перехода от крупнотоннажной химии к более тонким наукоёмким продуктам и миниатюризации химических процессов. Современные технологии в этой области позволяют манипулировать и изучать малые объёмы жидкостей, получая на выходе небольшое количество зачастую уникальных веществ.

В России принята дорожная карта по развитию производства малотоннажной химии до 2030 года. В рамках программы создан перечень из 61 «вытягивающего» проекта. Все они призваны обеспечить через 10 лет производство продукции на 240 млрд рублей.

Микрофлюидные чипы представляют собой стеклянную или полимерную пластину с расположенной на ней жидкостной системой каналов размером от десятков до сотен микрон, снабжённой микрореакторами, насосами и клапанами. Изготавливаться они могут методом фотолитографии, горячего тиснения, лазерной абляции и т. д. Учёные отмечают, что, хотя в большинстве случаев физические свойства потока идентичны в микро- и макромаштабах, в отдельных случаях его уменьшение делает возможным выполнение процессов, недоступных при большом объёме.

При этом использование малых доз реагентов снижает риски использования в случае их высокой токсичности и взрывоопасности. В качестве примера эксперты приводят процесс радикальной сополимеризации, который протекает быстро с выделением большого количества энергии, что в периодическом процессе при недостаточно эффективном отводе тепла может привести к выбросу реакционной массы из реактора. В случае микрофлюидных технологий такая вероятность сводится к нулю. Помимо этого микрореактор решает ещё одну проблему: масштабирования процессов от пробирки к крупному реактору, в ходе которого происходило снижение выхода целевого продукта до почти 40%. При применении микрофлюидных технологий этот процесс проводится простым увеличением числа микрочипов. К тому же выход продукта будет больше по сравнению с периодической схемой за счёт непрерывности процесса, а снижение расхода реагентов и уменьшение времени анализа обеспечивает экономию.

От большого к малому

Основы микрофлюидики были заложены более 40 лет назад, но реализация многих теорий в этой области стала возможна только благодаря технологическому прогрессу и общему тренду на миниатюризацию промышленных и бытовых устройств. Большой толчок в этой области произошёл в 1980-х после создания и быстрого совершенствования технологии микропроцессоров на базе кремниевой пластины. Уже в следующем десятилетии была разработана так называемая лаборатория на чипе, обеспечивающая полноценное прохождение большинства биомедицинских и химических процессов в миниатюрном формате. Ещё одной важной ступенью развития микрофлюидики стал переход в 2000-х с кремниевых и стеклянных пластин на полимеры в качестве основы чипа. Это существенно удешевило и ускорило изготовление устройств, повысив их доступность и открыв более широкие возможности их применения. Сейчас микрофлюидные технологии применяются в самых разных отраслях (например, для охлаждения высокопроизводительных микросхем в электронике или в качестве реакторов для лучшего смешивания реагентов), но пока наибольшее распространение они получили в биомедицинской и фармакологической сферах.

Одним из наиболее перспективных направлений микрофлюидики эксперты называют технологию «органов на чипе», позволяющую моделировать состояние клеток человека при патологии, изучать межклеточные взаимодействия, а также отслеживать влияние различных веществ и препаратов. Создание диагностических приборов на базе микрофлюидных технологий может ускорить проведение и повысить чувствительность лабораторных анализов.

Отдалённые перспективы

В дальнейшем, по мнению некоторых экспертов, микрофлюидика может занять заметное место и в секторе малотоннажной химии, хотя пока на её долю приходится только 1,5% общего объёма производства в мире. В России это направление только формируется. Так, по словам председателя совета директоров ГК «Титан» Михаила Сутягинского, компания прорабатывает вопрос использования микрофлюидных технологий в нефтехимии. Их планируется применять при производстве востребованной продукции малотоннажной химии в рамках импортозамещения, в том числе для получения средств защиты растений, фармацевтических субстанций и полимерных соединений. По словам топ-менеджера, преимуществом микрореакторных установок является то, что она легко масштабируется, в ней можно безопасно проводить химические процессы при практически любых температурах и давлении, а синтез идёт без образования побочных продуктов. «Такой компактный модуль занимает небольшую площадь, его строительство требует меньших вложений, чем организация полномасштабного производства. За счёт экономии энергоресурсов и автоматизации он менее затратен в эксплуатации, а на одной такой установке можно в зависимости от спроса получать несколько продуктов», — говорит он.

1,5%

мирового объема производства в малотоннажной химии занимает микрофлюидика

Кроме того, поясняет Сутягинский, есть предложение передать такое стратегическое направление, как микрофлюидика и проточные технологии, в ведение оборонно-промышленного комплекса (ОПК), в том числе разработку оборудования для данного направления, используя уже имеющиеся мощности. По его мнению, запуск такого проекта на предприятиях ОПК позволит достичь качественного результата, учитывая уже имеющийся опыт работы оборонных предприятий с композитными материалами.

В то же время эксперты указывают на ряд объективных ограничений в использовании микрофлюидных технологий. Как отмечает президент Российского союза химиков Виктор Иванов, это в первую очередь связано с незначительным количеством получаемого конечного высокочистого продукта, и приемлемо, например, в фармацевтике и получении конкретных веществ тонкого органического синтеза. По его словам, хотя такие технологии имеют право на жизнь, они не могут решить все задачи, стоящие перед российской экономикой. Иванов отмечает, что с учётом того, что с момента внедрения микрофлюидных технологий прошло не так много времени, пока невозможно в полной мере рассчитать экономику этих процессов, так как есть много неизученных проблем в их применении. К тому же в России развитие микрофлюидики тормозит недостаточная научная и технологическая база, говорит глава РСХ. По его мнению, такие сложные направления будут иметь перспективы только при поддержке государства или при ориентации на конкретных потребителей и решение конкретных задач.

Поделиться в соцсетях

Статья была вам полезна?

Да

Нет