chem. Prozessentwicklung - Syntheseoptimierung

Wir optimieren Ihre Synthesewege

ReDesignFactory

Chemische Prozessentwicklung - Synthese Route Scouting - Synthese Re-Design und Optimierungen

ChiroBlocks langjährige Erfahrung in der chemischen Prozessentwicklung und die Vielzahl der erfolgreich abgeschlossenen Erst-Synthesen zu neuen, komplexen Molekülen bilden die Basis für unsere Fähigkeit, neue Synthesen zu entwickeln bzw. bestehende grundlegend zu optimieren.

Ganz gleich, ob Sie einen patentfreien Weg zum Zielmolekül suchen oder ob eine Syntheseroute in Bezug auf die Raum-Zeit-Ausbeute oder hinsichtlich der Vermeidung von Nebenprodukten, der Verbesserung der Umweltbilanz oder effizienterer Reinigungsoperationen verbessert werden soll: ChiroBlocks ReDesignFactory ist der passende Service, um diese Aufgaben zu lösen.

ChiroBlock bietet eine kostenfreie Einschätzung des Verbesserungspotentials an. Sollten wir hier keine realistische Möglichkeit sehen, teilen wir das dem Kunden innerhalb weniger Tage mit. In jedem Fall berücksichtigen wir ALLE möglichen bekannten Synthese- und Reinigungstechnologien.

Wir sind davon überzeugt, dass die optimale Lösung von Syntheseproblemen immer aus einer problemspezifischen Kombination bekannter und neuer Techniken besteht. Selten wird dieses Ergebnis mit der nicht hinterfragten Anwendung gerade der neuesten Technologie erzielt. Insofern sind ausgewiesene Technologiespezialisten (z.B. Enzymhersteller, "Flow-Chemistry"-Anbieter, Katalysespezialisten usw.) auch nicht die geeigneten Partner für komplexe Syntheseentwicklungen.

Unsere Dienstleistung beginnt damit, dem Kunden zu helfen, "die richtigen Fragen" zu stellen. Viele Projekte scheitern, weil manche Kunden nicht mit allen Aspekten der Syntheseentwicklung vertraut sind. So wird dann beispielsweise nach einer Technologie gefragt, statt nach einem Ergebnis. Oder ein Ergebnis wird bei einem Technologieanbieter gesucht - mit der Folge, dass dann das Resultat nicht dem Optimum entspricht. Bei ChiroBlock werden die Kunden umfassend über diverse Lösungsmöglichkeiten inklusive deren Vor- und Nachteile beraten. Diese wichtige Stufe der Projektvorbereitung und Beratung erfolgt für Sie kostenfrei.

➤ Wann lohnt sich chemische Prozessentwicklung bzw. das "ReDesign" einer Syntheseroute mittels umfangreichen Route Scoutings?

Die Entwicklung neuer Verbindungen, neuer Synthesetechnologien und neuer Methoden zur Herstellung und Reinigung von definierten Substanzen verläuft in einem immer schnelleren Tempo. Das erschwert es den Beteiligten, permanent auf allen Gebieten auf dem neuesten Stand von Wissenschaft und Technik zu sein und zu bleiben. Heutige Lösungsansätze sind schnell veraltet.

Das bedeutet zwar nicht, dass sie wertlos werden, aber sie müssen ständig im Kontext der sich weiterentwickelnden Technologien neu betrachtet und bewertet werden. Es ist schwierig einzuschätzen, welche Neuentwicklung für ein konkretes Problem relevant sein könnte und welche nicht. Neben neuen Technologien sind außerdem Entwicklungen auf den Gebieten der Sicherheitsbestimmungen, von "Intellectual Property" sowie die Verfügbarkeit neuer Ausgangsstoffe, Katalysatoren und Geräte zu berücksichtigen.

ChiroBlock hilft den Kunden, geeignete Synthese-Technologien und Herangehensweisen auszuwählen. Für Spezialfälle, in denen uns selbst die entsprechende Expertise fehlt, greifen wir nach Rücksprache mit dem Kunden gern auf unser horizontales Netzwerk "4chiral" zurück. Hier stehen auch für seltener auftretende Fragestellungen ausgewiesene Fachleute zur Verfügung.

Mit unserer 100%igen Fokussierung auf angewandte Syntheseentwicklung und auf die entsprechenden Synthesen von neuen, kundenexklusiven Substanzen im Maßstab von wenigen Milligramm bis zu max. 50-80 kg besteht unser tägliches Geschäft darin, innovative und nachhaltige Syntheserouten aufzustellen, zu optimieren und umzusetzen. Die "Wertschöpfung" erfolgt bei ChiroBlock zum Großteil durch Generierung von Wissen und weniger durch Skaleneffekte oder den Verkauf von Mengen an Produkten.

Diese langjährige Erfahrung in der Forschung und Entwicklung sowie in der Auftragssynthese von neuen und komplexen Molekülen bildet die Grundlage für unsere Fähigkeit, neue, bessere Syntheseprozeduren - auch für bekannte Substanzen - zu finden.
Diese "Fähigkeit" ist nicht nur eine Idee oder Option, sondern sie resultiert nachweislich aus unseren über die Jahre entwickelten "Tools" zur Kombination von externem mit intern generiertem Wissen. Unterstützt wird dies von speziellen Prozessen zum Management von Syntheserisiken, von Projekten und von Qualität. Diese Basis ermöglicht es uns, die erste belastbare Machbarkeitsprüfung für den Kunden kostenfrei anzubieten.

➤ Chemische Prozessentwicklung: Neue effektive und effiziente Syntheserouten zu Ihren Molekülen 

Eine effektive, effiziente und optimale Syntheseroute im Labormaßstab bildet die Grundlage für die späteren Produktionskosten und den Wettbewerbsvorteil in der Produktion. Eine prinzipiell gewählte Route kann später meist überhaupt nicht - oder nur mit sehr hohem Aufwand - geändert werden.Folglich weisen Investitionen in diese frühe Phase der Syntheseentwicklung einen überproportional hohen "Return" auf. ChiroBlock unterstützt Kunden dabei, alle gewünschten Parameter einer Synthese zu optimieren, indem die Route (nochmals / erstmals) ganz grundsätzlich hinterfragt wird.

Dabei erfolgt ein technologieoffener Ansatz mit einem unvoreingenommenen Blickwinkel. Diese Unvoreingenommenheit einerseits und unser ausschließlicher Fokus auf Synthese andererseits, ermöglichen optimale Ergebnisse zur Lösung des Syntheseproblems.
Weder reine "Technologieanbieter" noch klassische "Produzenten", aber auch keine öffentlichen Forschungseinrichtungen, können diese Leistung vergleichbar marktgerecht und industrietauglich erbringen. Wenn Sie an unserem innovativen "ReDesignFactory"-Prozess interessiert sind und falls Sie erfahren möchten, wie wir auf Basis unserer "F&E-SynthesePlattform" Syntheserouten entwerfen und optimieren, kontaktieren Sie uns bitte!

➤ Wie werden die neuen Ansätze zur chemischen Prozessoptimierung bei ChiroBlock entwickelt?

Analog zu unseren ergänzenden Geschäftsfeldern "MoleculeFactory" und "IP-Factory", basiert die "ReDesignFactory" auf ChiroBlocks "Synthese F&E-Plattform". Diese besteht vor allem aus eigenen Tools und Prozessen zum Management von (Synthese-)Wissen, Qualität und synthesespezifischen Projektrisiken. Auf dieser Basis sind wir in der Lage, selbst riskante, sehr forschungsintensive Projekte ergebnisbasiert anzubieten.

Jedes Jahr werden bei ChiroBlock etwa 5000 einzelne - und voneinander verschiedene - Synthesestufen durchgeführt. Dieser, seit 1999 ständig wachsende, Erfahrungsschatz bildet das Fundament für die effiziente Lösung auch schwieriger Syntheseprobleme. Dabei können wir natürlich nicht Naturgesetze überwinden, aber wir können diese zielgerichtet für die konkrete Aufgabe nutzen.

Wir schließen die "Lücke" zwischen der Grundlagenforschung an öffentlichen F&E-Instituten einerseits und der produzierenden, "stoffbasierten" Industrie andererseits. Wir sprechen beide Sprachen und kennen beide dieser doch so verschiedenen "Welten".

In der Konsequenz bieten wir Lösungen, die darin bestehen, Ergebnisse der Grundlagenforschung für die Lösung von Problemen der Industrie zu nutzen. Eine Vielzahl größerer und kleinerer solcher Lösungen konnten wir erfolgreich für eine Vielzahl unterschiedlichster Kunden realisieren. Das betrifft insbesondere Auftraggeber, die entweder über keine eigene starke chemische Synthese-F&E-Abteilung verfügen, oder solche, die ihre eigenen Ergebnisse nochmals überprüft haben wollen.

Wir behaupten nicht, DIE Experten auf jedem denkbaren Gebiet der Synthese, Reinigung und Analytik zu sein. Allerdings sind wir in der Lage, die jeweils passende Technologie für ein definiertes Problem auszuwählen und zu evaluieren. So kann manchmal ein Enzym einem niedermolekularen, homogenen Katalysator überlegen sein, in anderen Fällen trifft das Gegenteil zu. Es gibt Probleme, die mit "flow-chemistry" gut lösbar sind und solche, bei denen die klassische "batch"Synthese Vorteile bringt. In Einzelfällen haben quantenchemische Berechnungen und Modellierungen Sinn, bei anderen Konstellationen wäre das eine reine Vergeudung von Ressourcen. Es gibt Reinigungsprobleme, die eine SMB-Chromatografie rechtfertigen und solche, wo andere Trenn-Operationen vorzuziehen sind.
So wird bei zahllosen Beispielen deutlich, dass in der qualifizierten Auswahl von Technologien VOR deren eigentlichen Optimierung der Schlüssel für den Gesamterfolg liegt.

Es ist wichtig zu wissen, dass ChiroBlock nicht nur Methoden und Routen vorschlägt, sondern natürlich in der Lage ist, diese dann experimentell zu testen und schließlich, bei Bedarf, in einen wirklich nutzbaren und validierten Prozess zu überführen.

➤ Geeignete Anbieter für Prozessoptimierung durch Synthese-Route-Scouting und Synthese-ReDesign

Warum sollten Kunden ChiroBlock mit diesen Aufgaben betrauen? Warum nicht einen klassischen Chemieproduzenten?
Es ist klar belegt: Sowohl die Auswahl einer Syntheseroute zu einem Zielmolekül als auch deren Anpassung an die Produktion in großem Maßstab sind die Schlüsselfaktoren für Effizienz, Umweltverträglichkeit und nachhaltigen Wettbewerbsvorteil. Fast alle produzierenden Chemieunternehmen sind für die Fragen der industriellen, technischen "Prozessentwicklung" gut aufgestellt - also für die letzte Stufe der Skalierung und für den eigentlichen Produktionsprozess.

Dutzende von erfahrenen Prozessingenieuren und -chemikern sind dort verfügbar, um diese herausfordernden Aufgaben zu lösen. Skaleneffekte, regulatorische Fragen, das Management von Abproduktströmen, von Qualitätsabweichungen, von Anlagenauslastung, von Energierückgewinnung sowie das "Sourcing" von Großmengen an Ausgangsstoffen - all diese Themen sind das Tagesgeschäft von Chemieproduzenten.
Für den Fall, dass Unternehmen bei diesen Aufgaben Unterstützung benötigen, gibt es auch hier für das "fine-tuning" etablierter Prozesse eine Vielzahl spezialisierter Dienstleister. ChiroBlock dagegen ist in diesem Bereich der Dienstleistungen nicht aktiv.

Mit unserem Fokus auf angewandte F&E zu (bio)chemischen Synthesen und mit einer Belegschaft, die zu über 50% aus Akademikern besteht, sind wir nicht dafür aufgestellt, Großproduzenten bei derartigen technischen Problemen zu unterstützen. Umgekehrt ist es sicher keine gute Idee, solche Produzenten zu beauftragen, erste Syntheserouten vorzuschlagen und zu testen oder bestehende von Grund auf neu zu entwickeln. Anspruch und Wirklichkeit, Geschäftsziel und Aufstellung müssen passgenau aufeinander abgestimmt sein.

➤ Was konkret bedeutet "route scouting/selection" und Syntheseentwicklung?

Natürlich haben auch viele "klassische" Chemieproduzenten eigene Ressourcen, um zunächst Syntheseentwicklungen in kleinerem Maßstab als Vorstufe für das Up-scaling und die spätere Produktion durchzuführen. Allerdings sind diese Ressourcen aus verschiedenen Gründen in den meisten Fällen nicht besonders ausgeprägt und gerade für völlige Neuentwicklungen suboptimal.
"De-novo" Entwicklungen, "route scouting" und initiale Laborversuche bergen ein hohes Entwicklungsrisiko und sind damit aufwendig, schwierig zu planen und teuer. Ohne die Garantie, die Entwicklungsergebnisse später in der eigenen Produktion umsetzen zu können, werden solche Arbeiten bei Produzenten nicht durchgeführt. Die hierfür benötigten Mitarbeiterqualifikationen und die nötige Infrastruktur unterscheiden sich substanziell von den Anforderungen einer Produktion.

Die Mehrheit der Produzenten ist daher fokussiert auf "Produktion" ausgerichtet. Eine technologieoffene, unvoreingenommene Synthese-Entwicklung erfordert viele Experten unterschiedlicher Spezialisierung, die üblicherweise von einem Produzenten nicht permanent ausgelastet, benötigt und damit nicht vorgehalten werden. Entwicklungsabteilungen bei Produzenten sind naturgemäß "voreingenommen".

Ihre Arbeitsweise ist an den Bestands-Produkten, den Technologien, den Synthesemöglichkeiten des Unternehmens ausgerichtet. So werden eventuell bessere Optionen bei Entwicklungen nicht berücksichtigt. Interne Entwicklungsabteilungen von produzierenden Unternehmen sind für sich betrachtet selten profitabel (und damit in sich nicht effizient!). Diese Abteilungen sind so angelegt, dass deren Kosten durch die spätere eigene Produktion getragen werden (müssen). Damit sind "produktionsunabhängige" Entwicklungen kaum möglich.

In geeigneten Synthese-F&E-Einheiten müssen zwei "Welten" vereint werden. Einerseits die Effizienz und die wirtschaftlichen sowie regulatorischen Aspekte der Industrie und andererseits die Innovationskraft, die Kreativität der Grundlagenforschung öffentlicher Forschungsinstitute.
Nur die geeignete Kombination erlaubt den schnellen Transfer von Innovationen hin zu einer industriellen Anwendung. Eine solche Kombination ist selbst bei größeren Chemieproduzenten selten zu finden. Die dortigen Entwicklungsabteilungen dienen einerseits dem "trouble shooting" laufender Prozesse und andererseits der Anpassung neuer, aber bereits entwickelter Prozesse an den gegebenen Maßstab und an die geplante Produktionsaufnahme. In der Konsequenz können Chemieproduzenten die von ChiroBlock angebotenen Leistungen nicht oder nur teilweise erbringen.

Es bleibt eine "Lücke", die ein Betätigungsfeld für spezialisierte F&E-Dienstleister eröffnet. Diese ist gekennzeichnet durch:

  • den Brückenschlag zwischen der akademischen Welt und der Industrie
  • die technologieoffene, unvoreingenommene Betrachtung von Syntheseaufgaben
  • die Übernahme von wesentlichen Teilen der technischen Entwicklungsrisiken
  • das Angebot wirklich validierter, geprüfter und reproduzierbarer Syntheseprotokolle für den direkten Einsatz beim Up-scaling bzw. in der Produktion
  • spezifisch auf F&E ausgerichtete Ausstattung und entsprechendes Personal
  • das Fehlen eigener Ressourcen für Großproduktionen beim F&E-Dienstleister als Voraussetzung für den Ausschluss von Interessenskonflikten bzw. den Missbrauch von exklusiv verkauftem IP - bei aber gleichzeitig
  • vorhandener Infrastruktur, um die Skalierbarkeit und Eignung der neuen Syntheseroute beweisen zu können (erste kg als "Proof of Concept") und damit direkter Verbindung zur produzierenden Industrie.

 

Genau diesen Service bietet ChiroBlock mit der “ReDesignFactory” an. Dieser Geschäftsbereich beinhaltet einen klar strukturierten, transparenten Ansatz, um sowohl existierende Synthesen zu optimieren - als auch, um vollkommen neue Syntheseprozesse zu entwickeln. Wir laden Kunden aus ganz unterschiedlichen Industriebranchen ein, ihre entsprechenden Entwicklungsaufgaben an unsere Fachleute delegieren. Ganz gleich, ob Sie nach einem patentfreien oder umweltfreundlicheren Weg suchen, um eine Zielverbindung herzustellen oder, ob einfach die Überprüfung von Katalysatoralternativen für einen Schlüsselschritt geplant ist. ChiroBlock bietet Ihnen kostengünstige und belastbare Lösungen an.

➤ Beispiele für erfolgreiche Prozessoptimierung - Synthese-Redesign durch ChiroBlock

 

► Aufgrund neuer regulatorischer Regelungen bestand die Aufgabe, Zinnorganyle durch weniger giftige Reaktanten in einem Prozess zu ersetzen. synthesis route scouting chiroblock

Wir fanden eine Lösung, indem die Zinnreagenzien durch Boronsäuren ersetzt wurden - an sich keine wirklich neue Entdeckung. Allerdings bestand die Herausforderung darin zu zeigen, dass diese Alternative zudem weniger kostet und, dass das Zielprodukt in gleicher Qualität entsteht. Wir erreichten dieses Ziel, indem wir andere Intermediate vorsahen und einen neuen, sehr effizienten Katalysator einsetzten.

 

► Ein Produzent von Konsumgütern suchte einen Zweitlieferanten für eine komplexe, hochwertige Verbindung mit einem geringen Mengenbedarf (~ 10 kg p.a.). Die Herausforderung bestand darin, dass die Kosten des bekannten Synthesewegs für diese Mengen den Zielpreis der Substanz überstiegen. synthesis route scouting example chiroblock

Trotzdem verpflichteten wir uns, einen ersten 5 kg-batch zu liefern, weil wir in der Syntheseroute erhebliches Optimierungs-potential erkannt hatten. Der Kunde war nicht bereit, in Syntheseoptimierungen zu investieren - einzig die Produktlieferung war gewünscht. Wir nutzten unsere "ReDesignFactory" für dieses Projekt auf eigene Kosten und erzielten ein überzeugendes Ergebnis: ~30% Kostenreduktion und die Vermeidung von giftigem DMF als Lösungsmittel. Die Ergebnisse überzeugten den Kunden, so dass er den neuen Prozess kaufte und seitdem bei jeder Charge von erheblich niedrigeren Preisen für dieses Material profitiert.

 

► Ein Start-up-Unternehmen beabsichtigte die Entwicklung eines neuen Wirkstoffs, der auf einem "Montanin"-Derivat basiert - einem komplexen Naturstoff, welcher in tropischen Pflanzen gefunden wird. Allerdings erwies sich die notwendige Extraktion des Pflanzenmaterials als sehr teuer und kaum skalierbar. Hier galt es, (semi)synthetische Alternativen zu suchen und mit den Kosten sowie Ausbeuten der Extraktion zu vergleichen.

Bekannt war eine akademische, nicht skalierbare 21-Stufen-Synthese mit extrem geringer Ausbeute. Gemeinsam mit dem Kunden entwickelten wir einen semisynthetischen Ansatz mit einem enzymatischen Schritt und bewiesen dessen Kosten- und Ausbeutevorteile - sowohl in Bezug auf die Extraktion als auch hinsichtlich der Totalsynthese.

Weitere Beispiele für von ChiroBlock optimierte Synthesen

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Weitere Beispiele für erfolgreiche Prozessentwicklung und Synthese-Redesign

Ersatz von Chromatographie

Ein Pharmaunternehmen suchte Unterstützung bei der Aufreinigung eines aminischen Produkts einer intern neu entwickelten Syntheseroute. Die Verunreinigungen erwiesen sich als schwer abtrennbare Amine und erforderten umfängliche und teure Chromatographie. Klicken Sie auf das kleine grüne Hexagon um unseren Lösungsansatz zu sehen. 

Änderung der Reaktionssequenz

Wir versuchten nicht, die Reinigungsmethode zu verbessern, da uns dies hier bei dem produktähnlichen Verunreinigungsprofil als nicht aussichtsreich erschien. Stattdessen wurde die Reaktionssequenz geändert. Im Ergebnis konnten die Amine durch die nun nachfolgenden Syntheseschritte abgereichert werden, so dass die Notwendigkeit der Chromatographie entfiel.

Reduktion von Katalysatorkosten

Ein Produzent für Feinchemikalien wünschte eine Reduktion von Katalysatorkosten bei der Herstellung eines chiralen "Building Blocks" durch enantioselektive Katalyse. Klicken Sie auf das kleine grüne Hexagon um unseren Lösungsansatz zu sehen. reducing cat synthesis optimierung

Recycling Katalysator

Wir nahmen diese Herausforderung an und etablierten eine Methode zur Abtrennung und zum Recyceln des wertvollen Katalysators durch entsprechende Lösungsmittel- und pH-Wert-Wechsel. Eine grundlegend andere Synthese konnte nicht gefunden werden, doch ist nun der Gesamtprozess deutlich kostengünstiger, das Produkt wettbewerbsfähiger.

Vermeidung von Sicherheitsrisiken

Ein Kunde suchte eine Lösung zur Verbesserung einer sogenannten Rubottom-Oxidation. Die bisherige Verwendung von Peroxiden in einem Batch-Prozess stellte ein erhebliches Sicherheitsrisiko dar und verhinderte die Ausweitung der Produktion. Klicken Sie auf das kleine grüne Hexagon um unseren Lösungsansatz zu sehen. synthesis route acouting example 2 chiroblock

Senkung des Gefährdungspotentials

Uns gelang es, die Peroxide durch Ozon zu ersetzen und, darauf basierend, einen kontinuierlichen Prozess zu entwickeln. Das Gefährdungspotential wurde deutlich gesenkt und dieser neue Prozess gestattet die Produktion deutlich größerer Produktmengen.

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