Капли российского производства

Российская химическая отрасль традиционно была «заточена» на выпуск крупнотоннажного продукта — базового сырья: полимеров и мономеров. Однако цель развития малотоннажной химии в России была четко обозначена еще в 2017 году с принятием дорожной карты по развитию этой отрасли на период до 2030 года. 

В сентябре 2023 года в развитие дорожной карты были подготовлены предложения по дополнительной государственной поддержке производства мало- и среднетоннажной химии. Они включают в себя 61 «вытягивающий» проект, их реализация позволит нарастить производство малотоннажной химии в стране на 240 млрд рублей к 2030 году. 

Малотоннажная химия — это продукты химотрасли, которые не занимают большой доли в ее общем объеме, но критически важны для производства любых продуктов. Присадки, ингибиторы, красители, стабилизаторы, ПАВы и другие «мелкие детали». Например, в производстве краски используются продукты крупнотоннажной химии — мономеры бутилакрилат и стирол, — но также и множество малотоннажных: консервантов, антиоксидантов и ингибиторов. Все эти продукты — а речь идет о без преувеличения о десятках тысяч наименований — до последнего времени в Россию в основном импортировались. Да и сегодня потребность в продуктах малотоннажной химии закрыта отечественным производством не более чем на 50%.

Российская отрасль малотоннажной химии в последние годы развивалась недостаточно быстро. Одна из причин — недостаток отечественных технологий (а скорее умения их применять на практике), исходного сырья и соответствующего оборудования. Производство современной малотоннажной химии — наукоемкий процесс, требующий исследований и применения дорогостоящих установок, а также проверки очень мелких объемов готового продукта. В каких-то случаях требуется два-три года только лабораторных исследований и еще пара лет для того, чтобы довести продукт малотоннажной химии до готовности в лабораторных установках.

Чтобы ускорить разработки и выпуск малотоннажных химических продуктов, в мировой химической отрасли активно применяются микрофлюидные технологии. В целом мировой рынок микрофлюидики, по данным Data Bridge Market Research, в 2022 году составил 23,17 млрд долларов, при этом среднегодовой темп его роста в перспективе до 2030 года будет составлять не менее 15%. Общий его объем к тому моменту достигнет 70,9 млрд. Впрочем, все-таки не малотоннажная химия сегодня драйвер этого рынка, а развитие биофармацевтики и научных исследований в области медицины. В мировой отрасли малотоннажной химии применение микрофлюидных технологий пока не столь значительно — с их применением производится не более 1,5% общего объема продукции. Но перспектива роста есть, и связана она с особенностями микрофлюидики.

Лабораторный образец для проведения химического синтеза метионина

ГК «Титан»

Лаборатория на чипе

Если нано- и квантовые технологии широко обсуждаются в связи с открытиями в науке и технологическими достижениями, то микрофлюидика отчасти остается в тени. В ряд с нанотехнологиями и квантовой физикой она поставлена не случайно. Это тоже способ познания микромира, позволяющий инициировать и наблюдать самые миниатюрные химические процессы. Микрофлюидика как область науки направлена на то, чтобы анализировать и описывать поведение микро- и нанообъемов жидкостей — мельчайших капелек, пузырьков и частиц. Для этого в микрофлюидных исследованиях задействуются малогабаритные устройства, где формируются изолированные капли вещества в непрерывном потоке.

На выходе ученые получают небольшое количество нередко абсолютно уникальных веществ.

Микрофлюидику еще называют микрогидродинамикой и «лабораторией на чипе». Микрофлюидный химический синтез осуществляется на миниатюрных чипах, которые представляют собой пластины с системой узких каналов для движения жидкостей. Такие микрофлюидные системы создают уникальные условия для изучения жидкостей, кристаллических и полимерных частиц, молекул и клеток, изолируемых в каплях малого объема. 

Биомедицина и фармакология — области, где микрофлюидные технологии на сегодняшний день наиболее распространены. Они также востребованы в нефтехимии, агрохимии и в научных исследованиях в области органического синтеза. В фармацевтике они особенно актуальны и полезны потому, что поиск новых биологически активных молекул требует множества синтетических экспериментов. Микрофлюидные устройства позволяют проводить такие эксперименты относительно быстро. Например, синтез GABA_в-стимуляторов, используемых для лечения рассеянного склероза, в объемном реакторе проводится в течение часа, а при использовании микрофлюидного оборудования — за пять минут. Это данные эксперимента, проведенного исследовательской группой под руководством Серджо Росси из Миланского университета. Другое важное преимущество применения микрофлюидных технологий при разработке фармакологических и косметических препаратов — возможность проведения экспериментов в точно контролируемых условиях. 

В производстве продуктов малотоннажной химии микрофлюидные установки позволяют проводить эксперименты безопасно на микроуровне при любых температурах и давлении без образования побочных продуктов синтеза. Микрофлюидные модули компактны и требуют меньших инвестиций, чем создание полномасштабной установки химического синтеза. Кроме того, важные достоинства микрофлюидики при реализации химического синтеза — безопасность, экологичность и энергоэффективность процесса.

Блок крепления и терморегуляции для стеклянных микрореакторов

ГК «Титан»

Поток в нужное русло

Однако в России пока нет достаточного количества отечественного оборудования для внедрения микрофлюидных технологий. Сегодня суммарная стоимость выпускаемого на этом оборудовании продукта в нашей стране не превышает 100 млн рублей в год. При этом мировой рынок оценивается в 28,4 млрд долларов.

На фоне сокращения возможностей импорта оборудования многие предприятия избегают внедрения микрофлюидных технологий принципиально. Одномоментно решить этот вопрос не получится, однако движение в нужном направлении началось. Группа компаний «Титан» и Передовая инженерная школа химического инжиниринга и машиностроения Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева разработали ключевые для любого микрофлюидного устройства модули. В них химические реагенты движутся по системе тончайших каналов, смешиваются в четко заданных условиях и удерживаются в зоне реакции точно контролируемое время. Производство модулей будет запущено на новой площадке ГК «Титан» в Москве в третьем квартале 2024 года. А их прототипы уже используются в ряде проектов.

В пример можно привести использование микрофлюидных модулей в процессе синтеза метионина — обязательного компонента кормов для птицы. Этот проект реализуется в Научно-исследовательском институте технологий органической, неорганической химии и биотехнологий.

Использование микрофлюидного оборудования в процессе синтеза метионина делает его более безопасным. Ведь в нем используются малые дозы реагентов, а значит, снижается общий уровень токсичности и возможной взрывоопасности веществ. В случае с синтезом метионина это имеет особое значение: два исходных соединения в нем — это вещества второго класса опасности. Если работать с ними в крупных промышленных реакторах, потребуется принимать существенные меры по обеспечению безопасности. В микрофлюидном устройстве такой синтез осуществить намного проще, ведь его объем лишь несколько миллилитров. Кроме того, одно из исходных соединений в синтезе метионина, а именно метилмеркаптан, является газом, что создает дополнительные технологические сложности. В микрофлюидном устройстве возможно создать давление такого уровня, при котором метилмеркаптан переходит в жидкое состояние.