eng
Выпуск #1/2016
Б.Шульце
Тонкая органическая химия ORGANICA: вековые традиции современного производства
Тонкая органическая химия ORGANICA: вековые традиции современного производства
Просмотры: 3163
Получение веществ сложной структуры, таких как лекарственные препараты, синтетические красители, душистые вещества, химикаты для кинофотоматериалов, высокочистые химреактивы, всегда "проблемно". В нем много стадий, трудные реакции, невысокий выход, сложная очистка и особые требования к качеству продукта. Поэтому превращение тонкого органического синтеза в рентабельную технологию, по сути, сродни искусству и было до самого недавнего времени показателем уровня развития химической промышленности страны в целом. Однако за последнюю четверть века многое изменилось. Конкуренцию тонким химическим составили био- и нанотехнологии. Чтобы соответствовать требованиям современного рынка, химические предприятия вынуждены работать "по-новому" – осваивать гибкую перестройку производства и выпускать продукцию небольшими партиями "под заказ".
Теги: fine organic chemistry quality of target product reagents качество продукта тонкая органическая химия химикаты
Получение веществ сложной структуры, таких как лекарственные препараты, синтетические красители, душистые вещества, химикаты для кинофотоматериалов, высокочистые химреактивы, всегда "проблемно". В нем много стадий, трудные реакции, невысокий выход, сложная очистка и особые требования к качеству продукта. Поэтому превращение тонкого органического синтеза в рентабельную технологию, по сути, сродни искусству и было до самого недавнего времени показателем уровня развития химической промышленности страны в целом.
Однако за последнюю четверть века многое изменилось. Конкуренцию тонким химическим составили био- и нанотехнологии, а модернизационные изменения в материалах, реагентах, лекарствах стали производиться с все возрастающей частотой. И чтобы соответствовать актуальным требованиям современного рынка, традиционно консервативным химическим предприятиям приходится работать "по-новому" – осваивать гибкую перестройку производства и выпускать продукцию небольшими партиями "под заказ".
Рассказ о том, как это удается делать, редакция журнала "Аналитика" услышала на выставке "Химия-2015" от управляющего директора германской компании Organica Feinchemie Wolfen д-ра Бодо Шульце (Bodo Schulze):
"Компания Organica Feinchemie Wolfen имеет более чем 100-летний опыт работы в области тонкого органического синтеза. Можно считать, что ее история началась в 1910 году с того момента, как германское Акционерное общество по производству анилина, AGFA (Aktiengesellschaft für Anilinfabrikation), открыло производство фотографических пленок в г.Вольфен (Wolfen). С этого момента и практически до начала 90-х годов прошлого века фотохимия и химия гетероциклов – изощренно сложные по проводимым реакциям – становятся главной специализацией нашей компании. Из наиболее впечатляющих еще довоенных успехов химиков AGFA можно назвать разработку в 1935 году технологии для производства первой в мире многослойной цветной пленки, получившей в 1937 году "Гран-при" на Парижской всемирной выставке.
После войны акционерное общество AGFA стало, естественно, социалистическим, было передано ГДР и в 1953 году преобразовано в "Народное предприятие AGFA Wolfen по производству пленок и химических волокон" (VEB Film- und Chemiefaserwerkes AGFA Wolfen). И его дальнейшее развитие вплоть до последнего десятилетия прошлого века проходило уже в этом статусе. Однако общая направленность не изменилась: в лабораториях и цехах AGFA Wolfen разрабатывались и производились красители и фотосенсибилизаторы для разных областей спектра, включая рентгеновскую, которые находили применение в различных фото- и типографских материалах. Химический синтез и эффективность действия веществ непрерывно совершенствовались, и продукция компании в 1964 году получила собственный товарный знак – ORWO (ORiginal WOlfen – подлинный Wolfen) – и с тех пор уже выпускалась только под ним.
Политические процессы, начавшиеся после разрушения Берлинской стены, привели к серьезным изменениям в экономике, в формах собственности немецких компаний и в их рыночной ориентации. В 1990 году "Народное предприятие AGFA Wolfen" вновь стало акционерным обществом и было вынуждено переориентировать свои приоритеты в соответствии с потребностями глобального рынка. До этого момента нам вполне достаточным было просто придерживаться традиционного ассортимента, успешно освоенного за многие десятилетия специализации. Основная масса продукции в течение почти 40 лет реализовывалась в рамках так называемой "Ассофото" (Ассоциация фотохимических предприятий ГДР и СССР) и в рамках Ассофото так и поставлялась в CCCР.
Но для конкуренции на мировых рынках одних фотоматериалов и красителей, очевидно, оказалось мало. Чтобы расширить перечень предлагаемых продуктов, пришлось включить в их число так называемые "строительные блоки" и промежуточные вещества, использовавшиеся в синтезе основных материалов. Сюда вошли красители, стабилизаторы, антиоксиданты, спектральные сенсибилизаторы, компоненты для эмульсий, светофильтры, цветокорректирующие и противоореольные вещества, отвердители, ПАВы, полимеры и др. Все вместе они позволили увеличить ассортимент почти втрое и, фактически, положили начало новому направлению в деятельности компании – гибкому производству продукции тонкого органического синтеза.
В 1992 году из акционерного общества выделилась компания Filmfabrik Wolfen, а спустя три года была основана Organica Feinchemie Wolfen. Сегодня наша компания владеет собственными уникальными технологиями производства в промышленном, полупромышленном и укрупненно лабораторном масштабе более чем 2 500 веществ. При этом доля продукции непосредственно для фотоотрасли не превышает 20%, и ее выпуск сориентирован не на собственную марку ORWO, а на заказы, поступающие, главным образом, от корпораций AGFA, Fuji и Kodak.
Однако ошибкой было бы понимать, что все огромное количество веществ производится в Organica Feinchemie Wolfen одновременно. На самом деле мы располагаем весьма скромными производственными мощностями. Годовой выпуск продукции компании составляет примерно 400 т, включает приблизительно 350 наименований различных химикатов и состоит из партий от нескольких граммов до 100 т. Иначе говоря, наше производство является малотоннажным, как и большинство в современной отрасли тонкого органического синтеза.
В основе деятельности компании Organica Feinchemie Wolfen лежат огромный опыт, накопленный ею за столетие разработки и проведения сложных химических реакций, высокая квалификация кадров и гибкая модульность организации производства.
Фактически, все многообразие своей продукции компания выпускает на весьма небольших производственных площадях, на которых она разместила три полностью оборудованных НИОКР (R&D) лаборатории, аттестованные по классу ISO 9001,
и помещения для специализированных и особо опасных процессов. Кроме них, сравнительно недавно, в 2007 году, была создана cGMP препаративная лаборатория для парентеральных препаратов. Ее появление связано с тем, что в этот период мы начали выпуск в килограммовых количествах диагностического красителя, индоцианинового зеленого, предназначенного для продажи на европейском и американском рынках. Поэтому одно из существовавших ранее обычных производственных помещений пришлось сертифицировать в FDA (U.S. Food and Drug Administration) и получить соответствующий сертификат (ISO 7).
Не очень большая разница в масштабах процессов между химической лабораторией и теми, что используются на нашем производстве, позволяет существенно сократить сроки, требующиеся для подбора и оптимизации рабочих параметров разнообразных реакций. Их у нас освоено более чем 70 типов, в том числе множество именных, а также имеющих повышенную сложность и опасность. Общее время, которое нужно специалистам Organica Feinchemie Wolfen, чтобы пройти весь путь от получения заказа до начала выпуска продукта, включая предварительные эксперименты и масштабирование, составляет 40–45 дней.
Соответственно, как и в лаборатории, используемое оборудование привязано не к получаемому веществу или технологии, а к процессу, для которого оно предназначено. Так наши химики имеют в своем распоряжении целый набор из более чем шести десятков сменных установок из стекла и стали, которые в зависимости от требуемых условий позволяют проводить реакции в широких интервалах объемов (250–4000 л), температур (–20–250°С), при избыточном давлении (до 50 бар), в условиях агрессивных сред и взрывоопасности. Общий объем всех реакторов – 93 м3.
Аналогичным образом проводятся операции, связанные с разделением реакционных компонентов и очисткой целевого вещества методами кристаллизации – фильтрования / центрифугирования – высушивания и дистилляции. Для этого применяется соответствующие по мощности, высокоэффективные, автономные модули и агрегаты. В частности для ректификации используются колонны производительностью до 35 теоретических тарелок*.
Естественно, что высокие рыночные требования к качеству производимых продуктов должны обеспечиваться подтверждающими сертификатами. Для этого Organica Feinchemie Wolfen также имеет все необходимое. Должная степень чистоты веществ достигается применением разных методов для их очистки, а структура характеризуется стандартными в органической химии методами физико-химического анализа (абсорбционной спектроскопией в ультрафиолетовой и видимой областях, флуориметрией, фурье-ИКС, ГХ-МС, всеми видами ЯМР, атомно-абсорбционной спектроскопией, дифференциальной сканирующей калориметрией).
Такая оснащенность оборудованием и гибкий подход к производству как к унифицированному конструктору процессов, создали колоссальные возможности для химического и технологического маневрирования. Это позволило компании Organica Feinchemie Wolfen выполнять промышленный и полупромышленный синтез заказных высокочистых веществ, которые потом использовались в самых различных отраслях – в фармацевтической промышленности и органическом синтезе, в получении полимерных продуктов и фотоматериалов. Но, конечно, основной нашей специализацией все же остались красители, нашедшие применение, в частности, в электронике при изготовлении оптических носителей информации, в фотовольтаике, в лазерной технике в качестве сцинтилляторов, в медицинской диагностике.
Так в числе наших достижений в конце 1990–2000-х годах можно назвать то, что Organica Feinchemie Wolfen совместно с компанией FEW Chemicals первыми в Европе разработали и начали выпуск покрытий для записывающих оптических носителей информации высокой плотности – DVD +R и DVD -R. Среди них – Dye 1093, имеющий улучшенную световую и климатическую стабильность. А с 2009 года мы совместно с Федеральной политехнической школой Лозанны (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) участвуем в разработке и производстве так называемых DSC-красителей, фотосенсибилизаторов, используемых в солнечных элементах третьего поколения.
DSC (dye-sensitized solar cell), или элементы Гретцеля представляют собой слоистую структуру, заключенную между двумя прозрачными электродами. Она состоит из TiO2 (полупроводника с широкой запрещенной зоной), сенсибилизирующего красителя, электролита и катализатора. Под действием света сенсибилизатор теряет электрон, который захватывается полупроводниковым слоем, генерируя при этом электрический ток. За четверть века, прошедшего со времени их открытия, фотохимические солнечные батареи показали, что они обладают высокой (более 12%) эффективностью преобразования света. В сочетании с замечательной чувствительностью при использовании внутри помещений, низкой ценой и экологической чистотой элементы Гретцеля способны конкурировать с кремниевыми в некоторых специфических видах применения и являются привлекательной перспективой там, где кремниевая фотовольтаика уже не способна работать из-за низких уровней освещенности.
Инженеры EPFL усовершенствовали технологию изготовления DSC за счет использования перовскита, сделали ее более стабильной и дешевой. А Organica Feinchemie Wolfen, в свою очередь, предложила экономически эффективный промышленный синтез целого ряда DSC-красителей с заданными физико-химическими свойствами (светоотдача, спектр поглощения, гидрофобность). Наиболее эффективный из них, Dye 59780 K19, обеспечивает светоотдачу элемента питания на уровне 11,4%.
Сегодня компания Organica Feinchemie Wolfen активно работает над расширением своего рыночного присутствия, как с точки зрения увеличения ассортимента, так и с точки зрения освоения новых экономических пространств. С этой целью мы имеем более десятка представительств в странах Европы, Азии и Северной Америки. Есть они и в России, на рынке которой мы наблюдаем оживление и потому пытаемся выйти сюда со своей продукцией и предложениями. Здесь наши интересы представляют московское представительство компании WITEC и компания "Корхим" из подмосковного города Долгопрудный. Так что в будущее мы смотрим с оптимизмом и в перспективе планируем, что сможем от поставок тонких органических веществ, произведенных в Германии, перейти также к их производству на российской земле".
С д-ром Бодо Шульце беседовал К.Гордеев
* Теоретическая тарелка, или единица массопереноса, соответствует высоте аппарата, вдоль которой при однократном контакте взаимодействующих потоков несмешивающихся фаз достигается фазовое равновесие.
Однако за последнюю четверть века многое изменилось. Конкуренцию тонким химическим составили био- и нанотехнологии, а модернизационные изменения в материалах, реагентах, лекарствах стали производиться с все возрастающей частотой. И чтобы соответствовать актуальным требованиям современного рынка, традиционно консервативным химическим предприятиям приходится работать "по-новому" – осваивать гибкую перестройку производства и выпускать продукцию небольшими партиями "под заказ".
Рассказ о том, как это удается делать, редакция журнала "Аналитика" услышала на выставке "Химия-2015" от управляющего директора германской компании Organica Feinchemie Wolfen д-ра Бодо Шульце (Bodo Schulze):
"Компания Organica Feinchemie Wolfen имеет более чем 100-летний опыт работы в области тонкого органического синтеза. Можно считать, что ее история началась в 1910 году с того момента, как германское Акционерное общество по производству анилина, AGFA (Aktiengesellschaft für Anilinfabrikation), открыло производство фотографических пленок в г.Вольфен (Wolfen). С этого момента и практически до начала 90-х годов прошлого века фотохимия и химия гетероциклов – изощренно сложные по проводимым реакциям – становятся главной специализацией нашей компании. Из наиболее впечатляющих еще довоенных успехов химиков AGFA можно назвать разработку в 1935 году технологии для производства первой в мире многослойной цветной пленки, получившей в 1937 году "Гран-при" на Парижской всемирной выставке.
После войны акционерное общество AGFA стало, естественно, социалистическим, было передано ГДР и в 1953 году преобразовано в "Народное предприятие AGFA Wolfen по производству пленок и химических волокон" (VEB Film- und Chemiefaserwerkes AGFA Wolfen). И его дальнейшее развитие вплоть до последнего десятилетия прошлого века проходило уже в этом статусе. Однако общая направленность не изменилась: в лабораториях и цехах AGFA Wolfen разрабатывались и производились красители и фотосенсибилизаторы для разных областей спектра, включая рентгеновскую, которые находили применение в различных фото- и типографских материалах. Химический синтез и эффективность действия веществ непрерывно совершенствовались, и продукция компании в 1964 году получила собственный товарный знак – ORWO (ORiginal WOlfen – подлинный Wolfen) – и с тех пор уже выпускалась только под ним.
Политические процессы, начавшиеся после разрушения Берлинской стены, привели к серьезным изменениям в экономике, в формах собственности немецких компаний и в их рыночной ориентации. В 1990 году "Народное предприятие AGFA Wolfen" вновь стало акционерным обществом и было вынуждено переориентировать свои приоритеты в соответствии с потребностями глобального рынка. До этого момента нам вполне достаточным было просто придерживаться традиционного ассортимента, успешно освоенного за многие десятилетия специализации. Основная масса продукции в течение почти 40 лет реализовывалась в рамках так называемой "Ассофото" (Ассоциация фотохимических предприятий ГДР и СССР) и в рамках Ассофото так и поставлялась в CCCР.
Но для конкуренции на мировых рынках одних фотоматериалов и красителей, очевидно, оказалось мало. Чтобы расширить перечень предлагаемых продуктов, пришлось включить в их число так называемые "строительные блоки" и промежуточные вещества, использовавшиеся в синтезе основных материалов. Сюда вошли красители, стабилизаторы, антиоксиданты, спектральные сенсибилизаторы, компоненты для эмульсий, светофильтры, цветокорректирующие и противоореольные вещества, отвердители, ПАВы, полимеры и др. Все вместе они позволили увеличить ассортимент почти втрое и, фактически, положили начало новому направлению в деятельности компании – гибкому производству продукции тонкого органического синтеза.
В 1992 году из акционерного общества выделилась компания Filmfabrik Wolfen, а спустя три года была основана Organica Feinchemie Wolfen. Сегодня наша компания владеет собственными уникальными технологиями производства в промышленном, полупромышленном и укрупненно лабораторном масштабе более чем 2 500 веществ. При этом доля продукции непосредственно для фотоотрасли не превышает 20%, и ее выпуск сориентирован не на собственную марку ORWO, а на заказы, поступающие, главным образом, от корпораций AGFA, Fuji и Kodak.
Однако ошибкой было бы понимать, что все огромное количество веществ производится в Organica Feinchemie Wolfen одновременно. На самом деле мы располагаем весьма скромными производственными мощностями. Годовой выпуск продукции компании составляет примерно 400 т, включает приблизительно 350 наименований различных химикатов и состоит из партий от нескольких граммов до 100 т. Иначе говоря, наше производство является малотоннажным, как и большинство в современной отрасли тонкого органического синтеза.
В основе деятельности компании Organica Feinchemie Wolfen лежат огромный опыт, накопленный ею за столетие разработки и проведения сложных химических реакций, высокая квалификация кадров и гибкая модульность организации производства.
Фактически, все многообразие своей продукции компания выпускает на весьма небольших производственных площадях, на которых она разместила три полностью оборудованных НИОКР (R&D) лаборатории, аттестованные по классу ISO 9001,
и помещения для специализированных и особо опасных процессов. Кроме них, сравнительно недавно, в 2007 году, была создана cGMP препаративная лаборатория для парентеральных препаратов. Ее появление связано с тем, что в этот период мы начали выпуск в килограммовых количествах диагностического красителя, индоцианинового зеленого, предназначенного для продажи на европейском и американском рынках. Поэтому одно из существовавших ранее обычных производственных помещений пришлось сертифицировать в FDA (U.S. Food and Drug Administration) и получить соответствующий сертификат (ISO 7).
Не очень большая разница в масштабах процессов между химической лабораторией и теми, что используются на нашем производстве, позволяет существенно сократить сроки, требующиеся для подбора и оптимизации рабочих параметров разнообразных реакций. Их у нас освоено более чем 70 типов, в том числе множество именных, а также имеющих повышенную сложность и опасность. Общее время, которое нужно специалистам Organica Feinchemie Wolfen, чтобы пройти весь путь от получения заказа до начала выпуска продукта, включая предварительные эксперименты и масштабирование, составляет 40–45 дней.
Соответственно, как и в лаборатории, используемое оборудование привязано не к получаемому веществу или технологии, а к процессу, для которого оно предназначено. Так наши химики имеют в своем распоряжении целый набор из более чем шести десятков сменных установок из стекла и стали, которые в зависимости от требуемых условий позволяют проводить реакции в широких интервалах объемов (250–4000 л), температур (–20–250°С), при избыточном давлении (до 50 бар), в условиях агрессивных сред и взрывоопасности. Общий объем всех реакторов – 93 м3.
Аналогичным образом проводятся операции, связанные с разделением реакционных компонентов и очисткой целевого вещества методами кристаллизации – фильтрования / центрифугирования – высушивания и дистилляции. Для этого применяется соответствующие по мощности, высокоэффективные, автономные модули и агрегаты. В частности для ректификации используются колонны производительностью до 35 теоретических тарелок*.
Естественно, что высокие рыночные требования к качеству производимых продуктов должны обеспечиваться подтверждающими сертификатами. Для этого Organica Feinchemie Wolfen также имеет все необходимое. Должная степень чистоты веществ достигается применением разных методов для их очистки, а структура характеризуется стандартными в органической химии методами физико-химического анализа (абсорбционной спектроскопией в ультрафиолетовой и видимой областях, флуориметрией, фурье-ИКС, ГХ-МС, всеми видами ЯМР, атомно-абсорбционной спектроскопией, дифференциальной сканирующей калориметрией).
Такая оснащенность оборудованием и гибкий подход к производству как к унифицированному конструктору процессов, создали колоссальные возможности для химического и технологического маневрирования. Это позволило компании Organica Feinchemie Wolfen выполнять промышленный и полупромышленный синтез заказных высокочистых веществ, которые потом использовались в самых различных отраслях – в фармацевтической промышленности и органическом синтезе, в получении полимерных продуктов и фотоматериалов. Но, конечно, основной нашей специализацией все же остались красители, нашедшие применение, в частности, в электронике при изготовлении оптических носителей информации, в фотовольтаике, в лазерной технике в качестве сцинтилляторов, в медицинской диагностике.
Так в числе наших достижений в конце 1990–2000-х годах можно назвать то, что Organica Feinchemie Wolfen совместно с компанией FEW Chemicals первыми в Европе разработали и начали выпуск покрытий для записывающих оптических носителей информации высокой плотности – DVD +R и DVD -R. Среди них – Dye 1093, имеющий улучшенную световую и климатическую стабильность. А с 2009 года мы совместно с Федеральной политехнической школой Лозанны (Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, EPFL) участвуем в разработке и производстве так называемых DSC-красителей, фотосенсибилизаторов, используемых в солнечных элементах третьего поколения.
DSC (dye-sensitized solar cell), или элементы Гретцеля представляют собой слоистую структуру, заключенную между двумя прозрачными электродами. Она состоит из TiO2 (полупроводника с широкой запрещенной зоной), сенсибилизирующего красителя, электролита и катализатора. Под действием света сенсибилизатор теряет электрон, который захватывается полупроводниковым слоем, генерируя при этом электрический ток. За четверть века, прошедшего со времени их открытия, фотохимические солнечные батареи показали, что они обладают высокой (более 12%) эффективностью преобразования света. В сочетании с замечательной чувствительностью при использовании внутри помещений, низкой ценой и экологической чистотой элементы Гретцеля способны конкурировать с кремниевыми в некоторых специфических видах применения и являются привлекательной перспективой там, где кремниевая фотовольтаика уже не способна работать из-за низких уровней освещенности.
Инженеры EPFL усовершенствовали технологию изготовления DSC за счет использования перовскита, сделали ее более стабильной и дешевой. А Organica Feinchemie Wolfen, в свою очередь, предложила экономически эффективный промышленный синтез целого ряда DSC-красителей с заданными физико-химическими свойствами (светоотдача, спектр поглощения, гидрофобность). Наиболее эффективный из них, Dye 59780 K19, обеспечивает светоотдачу элемента питания на уровне 11,4%.
Сегодня компания Organica Feinchemie Wolfen активно работает над расширением своего рыночного присутствия, как с точки зрения увеличения ассортимента, так и с точки зрения освоения новых экономических пространств. С этой целью мы имеем более десятка представительств в странах Европы, Азии и Северной Америки. Есть они и в России, на рынке которой мы наблюдаем оживление и потому пытаемся выйти сюда со своей продукцией и предложениями. Здесь наши интересы представляют московское представительство компании WITEC и компания "Корхим" из подмосковного города Долгопрудный. Так что в будущее мы смотрим с оптимизмом и в перспективе планируем, что сможем от поставок тонких органических веществ, произведенных в Германии, перейти также к их производству на российской земле".
С д-ром Бодо Шульце беседовал К.Гордеев
* Теоретическая тарелка, или единица массопереноса, соответствует высоте аппарата, вдоль которой при однократном контакте взаимодействующих потоков несмешивающихся фаз достигается фазовое равновесие.
Отзывы читателей
