Forscher entwickeln Durchfluss-Reaktoren für die Herstellung von neuen Wirkstoffen
Minireaktoren optimieren die Produktion

Für Chemiker könnte bald eine Vision in Erfüllung gehen: die Automatisierung der organischen Synthese. Die Substanzen reagieren anstatt in großen Gefäßen in einer Glassäule miteinander. Beim Durchfließen des Minireaktors entstehen nach und nach die jeweiligen Zwischenprodukte und schließlich das Endprodukt.

HANNOVER. Die Automatisierung und Industrialisierung der organischen Synthese wäre vor allem für die Herstellung medizinisch wirksamer Naturstoffe und ihrer Abkömmlinge ein bedeutender Fortschritt. Denn gerade hier wird heute noch oft mühsam und mit Methoden wie vor hundert Jahren gearbeitet. Eine Technik, die Andreas Kirschning von der Universität Hannover und Ulrich Kunz von der TU Clausthal-Zellerfeld entwickelt haben, könnte das nun ändern. Anstatt in großen Gefäßen verlaufen die Reaktionen in miniaturisierten Glassäulen.

Die gelöste Ausgangssubstanz fließt auf ihrem Weg durch die Säule an speziellen Reaktionspartnern und Katalysatoren vorbei und wird in gewünschter Weise umgesetzt. Dies kann im Kreislauf so lange erfolgen, bis die Substanz vollständig umgewandelt ist. Nach Verlassen der Säule können die Produkte analysiert, auf ihre Wirksamkeit geprüft oder zu einem weiteren Reaktionsschritt auf einen zweiten Durchfluss-Reaktor gepumpt werden.

Angestrebt werden Synthesestationen, die aus mehreren hintereinander oder parallel geschalteten Mikroreaktoren zusammengesetzt sind und die Automatisierung mehrstufiger Synthesen ermöglichen. So können Wirkstoffe in einem Durchgang hergestellt werden.

Herzstück der neuen Technik mit dem Namen Passflow (für Polymer Assisted Solution Phase Synthesis by flowing through) ist der Mikroreaktor in Form einer Säule aus Glas. Diese ist porös wie ein Glasfilter. In den Hohlräumen sind winzige Kunststoffkügelchen eingearbeitet. Diese Materialkombination verleiht dem Kleinstreaktor einzigartige Eigenschaften: Das Polymer kann quellen und schrumpfen je nach Lösemittel, ohne ausgetragen zu werden.

Wie die Harzperlen in die Glasporen gelangen, wird nicht verraten und ist durch ein Patent gesichert. Im Durchmesser nur etwa ein Tausendstel Millimeter groß, füllen die Harzkügelchen den Porenraum nicht vollständig aus und müssen auch nicht aufwendig an die Glasoberfläche angebunden werden, da sie untereinander verbunden sind und sich in den Glasporen verkeilen.

"Da die Polymerkügelchen fast beliebig gestaltet und mit gewünschten Eigenschaften ausgestattet werden können, sind sie die ideale Festphase für chemische Reaktionen", erläutert Andreas Kirschning das Prinzip des Mikroreaktors. Sie lassen sich für jede Synthesestufe mit entsprechenden optimierten Katalysatoren und reaktiven Gruppen beladen. Diese wirken wie ein Überschuss an Reagenz und drängen die vorüberströmende Substanz, sich in der gewünschten Weise zu verbinden. Hohe Ausbeuten sind die Folge.

Im Vergleich zu chemischen Reaktionen an konventionellen Harzen der etablierten Festphasenchemie bietet der Durchflussreaktor entscheidende Vorteile. Es gibt keinen Abrieb, wie er in herkömmlichen Apparaturen durch Rühren oder Schütteln von Harzen unvermeidlich ist. Außerdem bleibt er immer durchgängig. Er lässt sich mit Reagenz höher beladen und besitzt wegen seiner besseren Kinetik ein größeres Anwendungsspektrum.

Poröses Glasmaterial mit vielen feinen Hohlräumen gibt es schon lange. In dem neuen Material werden die Hohlräume aber nicht sorgfältig geätzt und mit Laserstrahlen bearbeitet, sondern diese sind völlig ungeordnet entstanden. Dies erlaube eine kostengünstige Herstellung in großer Stückzahl, so Kirschning. Die Passflow-Technik stößt auf großes Interesse in der Industrie, besonders in den Wirkstofflabors der pharmazeutischen Chemie. Dadurch wurden die Wissenschaftler ermutigt, den Schritt aus der Hochschule in die Wirtschaft zu wagen. Anfang Juli gründeten sie eine eigene Firma, die Chelona GmbH in Potsdam. Das Unternehmen wird die Passflow-Technik vermarkten und weiterentwickeln. Bereits im nächsten Jahr sollen die ersten Mikroreaktoren auf dem Markt erhältlich sein.

Derweil arbeiten Spezialisten in Hannover und Clausthal-Zellerfeld mit Hochdruck an der Ausdehnung der Synthesemöglichkeiten und an der Entwicklung weiterer Varianten dieser Technologie. Ein interdisziplinäres Team aus Synthesechemikern, Verfahrenstechnikern, Biotechnologen und Molekularbiologen wurde gebildet, die nun Hand in Hand arbeiten, um die Synthesemöglichkeiten zu erweitern. Ein Ziel ist es, die Mikroreaktoren für die Biotechnologie weiter zu optimieren. Die Forscher wollen mit speziellen Glassäulen, in denen Enzyme verankert sind, die Synthese räumlich exakt gebauter Wirkstoffe optimieren und die Ausbeute erhöhen.

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