Химия: элементы будущего

Ученые Менделеевского университета (РХТУ им. Д. И. Менделеева) определили несколько прорывных химических технологий и направлений, которые обладают важнейшим прикладным потенциалом. Особого внимания заслуживают разработки в областях малотоннажной химии, фармацевтики, сверхкритических технологий, новых материалов для микроэлектроники и биотехнологий. Исследователи уверены, что в условиях современных вызовов такие разработки могут иметь решающее значение для научно-технологического развития России.

Фото: Анатолий Жданов, Коммерсантъ

Химический комплекс России в последние несколько лет продолжал рост, который не прекращался и во время пандемии. Даже в столь непростой период производство химических веществ и продуктов в нашей стране выросло на 2,4%.

«Химия — поистине универсальная наука, обобщающая все отрасли промышленности и сферы жизни человека. Мы живем в мире, пропитанном химической наукой и сотканном из химических веществ. Она присутствует в любых технологических процессах, будь то книгопечатание или производство смартфонов, пищевая или автомобильная промышленность, медицина, космос, электроника, биотехнологии, фармацевтика. Все высокотехнологические отрасли базируются на химических процессах и материалах. Химия в настоящее время становится метанаукой, и, несмотря на то что приставка “мета” для химиков носит вполне определенный смысл, “метапредметность” химии важна и видна. И значение химии как науки в экономике страны будет только расти»,— считает и. о. ректора РХТУ им. Д. И. Менделеева, д. т. н., профессор Илья Воротынцев.

Сейчас отечественной индустрии особенно нужны новые драйверы роста и технологические решения. И они существуют, считают ученые Менделеевского университета. Эксперты рассказали о наиболее перспективных, устремленных в будущее химических технологиях.

Малотоннажная химия

К сектору малотоннажной химии в России принято относить предприятия по выпуску продукции до 10 тыс. тонн в год. Это производство товаров бытовой химии и растворителей, химических реактивов, катализаторов и многих других продуктов, требующихся в небольших количествах. Традиционно спрос на малотоннажную продукцию удовлетворяется в основном за счет поставок из-за границы.

В Менделеевском инжиниринговом центре РХТУ полагают, что малотоннажная химия может внести значительный вклад в рост российского ВВП в силу своей наукоемкости и глобальной конкурентоспособности. Для этого предлагается организационное структурно-технологическое решение: создание многоассортиментных гибких производственных площадок модульного типа, объединенных в технопарки.

«В отличие от заводов классического типа, каждая из таких площадок может производить в год сотни различных актуальных наименований продукции, наиболее востребованных на рынке. Многоассортиментные площадки предоставляют возможность оперативного включения в производственный план продукции, требуемой в соответствии как с рыночной потребностью, так и с госзаказом»,— комментирует директор Менделеевского инжинирингового центра РХТУ Ратмир Дашкин.

Особой эффективности такие модульные площадки могут достигать именно при объединении в химические технопарки, считает специалист. В качестве примера он приводит инновационный научно-технологический центр «Долина Менделеева» в Тушинском комплексе РХТУ, решение о создании которого было принято еще в конце 2019 года. Этот технопарк становится универсальной платформой, где на одной площадке соседствуют научно-технологический и производственный кластеры, объединяющие R&D-подразделения крупных компаний, средние и малые инновационные компании. Он же обеспечивает доступ к поддерживающей инфраструктуре для создания и вывода на рынок новых продуктов. Это адаптивные реакторные залы, центры испытаний и сертификации, центры коллективного пользования, инжиниринговые центры, склады прекурсоров, отделы проектирования, сервисно-инженерные службы и т. п.

Аналогичный проект, площадка «умной» химии и композитных материалов, обеспечивающих одновременно импортозамещение и формирование новых рынков, стартует и в Тульской области. Это инновационный научно-технологический центр «Композитная долина».

Фармацевтические химические технологии

Основная цель медицины и фармацевтики — лечить болезни, увеличивать продолжительность жизни и повышать ее качество. На сегодняшний день науке известно многое о человеческом организме, мы обладаем мощными инструментами для борьбы с разными болезнями. Результаты лечения станут еще лучше, когда ученые смогут минимизировать побочные эффекты лекарств, выявлять болезни раньше и точнее определять круг пациентов, которые с наибольшей вероятностью получат пользу от конкретной схемы лечения, отмечают в РХТУ.

К неотложным задачам фармацевтики относятся создание и производство высоко эффективных, селективно действующих и безопасных лекарств и диагностических препаратов. Персонализированная медицина, новые иммунотерапии рака, генная терапия, big data, удаленный мониторинг и искусственный интеллект (ИИ) — это технологические достижения, создающие благодатную почву для расцвета фармацевтических и медицинских технологий.

«Когда мы думаем о будущем медицины, то обычно представляем себе футуристические компьютеры с искусственным интеллектом, органы, напечатанные на 3D-принтерах и роботов-хирургов. Новые методы, применяемые для создания лекарств, не менее интересны и амбициозны»,— считает профессор кафедры химии и технологии биомедицинских препаратов РХТУ, д. х. н. Светлана Гельперина.

Цифровые технологии в фармацевтике

Для рационального создания лекарств необходимо использовать многочисленные источники научных и медицинских данных. Длительный и трудоемкий процесс дизайна и разработки лекарств можно ускорить и усовершенствовать с помощью суперкомпьютеров, которые позволяют обрабатывать огромные массивы данных. Искусственный интеллект моделирует взаимодействие мишени и потенциальных лекарственных веществ и способен быстро генерировать тысячи потенциально активных химических структур, многократно ускоряя процесс открытия эффективных лекарств. По мнению Светланы Гельпериной, для эффективного использования big data нужен мультимодальный ИИ, который выведет исследователей на новый рубеж в обнаружении путей развития заболеваний, а также персонализации лечения и прогноза для пациентов.

Квантовые вычисления в фармацевтике

Применение вычислительных методов для поиска лекарств само по себе не новость. Но использование сверхэффективных квантовых компьютеров для выявления ранее неизвестных соединений только недавно стало перспективной областью.

В то время как классические компьютеры используют биты, квантовые компьютеры используют кубиты, которые могут быть либо включены, либо выключены, либо и то, и другое, что известно как суперпозиция. Это свойство позволяет значительно ускорить и оптимизировать тестирование и прогнозирование, и это делает технологию особенно перспективной для поиска лекарств.

Нанофармацевтика

Актуальность создания принципиально новых препаратов, отличающихся более высокой селективностью, послужила стимулом для разработки подходов к созданию систем направленной доставки лекарственных веществ на основе разнообразных наноносителей. Использование наноносителей позволяет существенно изменять профиль распределения лекарства в организме и оптимизировать его действие — в частности, получить препараты с улучшенным профилем безопасности. Сейчас наночастицы используют также в производстве вакцин. Нанофармацевтика будет играть все более важную роль и в лечении онкологических заболеваний.

Биотехнологии

Особая роль в развитии химических технологий — у перспективных биотехнологических направлений, считают менделеевцы. Редактирование генов (вставка, удаление, модификация или замена ДНК в геноме) является многообещающим и относительно новым подходом к лечению генетических заболеваний. Огромный потенциал содержит изучение микробиома и его роли в здоровье человека. Это знание позволит разработать множество новых способов лечения или выявить новые мишени для малых молекул. В частности, речь идет об установлении связей между деятельностью мозга и кишечником, а также между сердечными заболеваниями и кишечником. Открытия в этой области могут привести к прорыву в лечении желудочно-кишечных заболеваний, неврологии и сердечно-сосудистой терапии.

«Однажды мы сможем использовать микробиом в профилактических целях. Например, модифицируя определенные бактерии для профилактики артрита или депрессии»,— уверена Светлана Гельперина.

Пробиотические функциональные напитки и ингредиенты на основе зернового сырья

Разработка предназначена для пищевой и фармацевтической биотехнологии и относится к способам получения пробиотиков на основе растительного сырья. Технология позволяет производить функциональные напитки на основе молочнокислых бактерий с содержанием живых пробиотических микроорганизмов не менее 100 млн живых клеток в 1 мл и лиофилизат бифидобактерий с содержанием не менее 10 млрд живых клеток в 1 г.

«В отличие от большинства известных технологий, здесь не используются продукты животного происхождения, а основную массу составляет зерновое сырье (зерно пшеницы, ржи, ячменя и других злаков). Это делает продукцию пригодной для групп со специфическими предпочтениями и алиментарными расстройствами (например, непереносимостью лактозы). Также мы проводим научно-исследовательскую работу по созданию технологии получения пептидов с антимикробным действием с помощью молочнокислых бактерий»,— рассказывает заведующий кафедрой биотехнологии РХТУ, д. т. н. Виктор Панфилов.

Перевязочные материалы, содержащие белковые лекарственные препараты

Для лечения гнойно-некротических и ожоговых ран различного происхождения менделеевцами разработана технология получения новых перевязочных материалов — ранозаживляющих биодеградируемых на основе модифицированных полисахаридов, различных полиферментных комплексов и терапевтических агентов.

Выпускаемые медицинские изделия — раневые покрытия нового типа. Они позволяют снизить лекарственную нагрузку до 10–30 раз, сокращают сроки заживления ран в 1,5–2 раза, не вызывая аллергических реакций. Виктор Панфилов отмечает, что прямых мировых аналогов такое изобретение не имеет.

Соевые изофлавоноиды

В числе прочих биотехнологий РХТУ ученые отмечают способ получения очищенной фракции соевых изофлавоноидов, предназначенных в качестве вспомогательного средства для увеличения костной прочности и профилактики остеопороза. При недостатке эстрогена изофлавоноиды оказывают заместительное действие, а при избытке, наоборот, могут ингибировать биологические эффекты эстрогена, снижая, таким образом, его уровень в тканях. Соевые изофлавоноиды снижают уровень холестерина в крови и препятствуют развитию атеросклеротических бляшек и образованию тромбов. Эта разработка предполагает получение очищенной фракции изофлавоноидов совместно с получением по той же технологической схеме изолята белка сои, тогда как существующие технологии предполагают раздельное получение данных целевых продуктов.

Комплексная переработка клубней топинамбура с получением фруктанов и пробиотического продукта для животных

Концепция функционального питания с каждым годом приобретает все большее распространение.

«Среди других к группе пребиотиков относят фруктаны — инулин и фруктоолигосахариды, которые входят в состав таких растений, как девясил, цикорий, топинамбур, чеснок, эхинацея и ряд других. Предлагаемая технология, в отличие от большинства известных ранее, является комплексной, причем позволяет получить сразу два функциональных продукта — пищевой пребиотик и кормовой пробиотик с лактобациллами. Рациональное использование вторичного растительного сырья (жома топинамбура и сточных вод после ультрафильтрации), а также отказ от органических растворителей существенно снижают экологический урон, наносимый окружающей среде. Мы создали новый метод для оценки эффективности комбинаций пробиотических микроорганизмов (таких как бифидобактерии) и пребиотических веществ. Такой метод может быть использован для создания новых синбиотических лекарственных препаратов, БАД и функциональных продуктов с усиленным действием»,— подытоживает Виктор Панфилов.

Основные тренды развития многих технологий будущего действительно связаны с биотехнологиями, подтверждает заведующий кафедрой химического и фармацевтического инжиниринга РХТУ им. Д. И. Менделеева, д. т. н. Наталья Меньшутина.

«Впереди нас ждет получение различных пептидов, моноклональных тел, бактериофагов, продуктов клеточных технологий»,— отмечает специалист.

Также Наталья Меньшутина относит к числу наиболее перспективных химических технологий микрофлюидные технологии, дающие возможность экономить энергию и ресурсы, а также экологически чистые технологии с замкнутым циклом и сверхкритические технологии, позволяющие создавать принципиально новые материалы.

Сверхкритические технологии

Сверхкритические технологии являются энерго- и ресурсосберегающими, соответствуют основным принципам зеленой химии и представляют собой экологически чистые технологии с замкнутым циклом. Вещества в сверхкритическом состоянии обладают управляемой растворяющей способностью, низкой вязкостью, высоким коэффициентом диффузии веществ в них, отсутствием поверхностного натяжения, высокой проникающей способностью, поясняет Наталья Меньшутина.

К таким технологиям относятся сверхкритическая флюидная экстракция (извлечение экологически чистых экстрактов без остаточного содержания органических растворителей), сверхкритическая сушка (получение аэрогелей), микронизация (получение аморфных нано- и микрочастиц) и импрегнация (получение веществ в аморфном состоянии, новых систем доставки активных веществ).

Научный коллектив РХТУ им. Д. И. Менделеева впервые в России разработал и внедрил технологию получения аэрогелей различного назначения. Аэрогели — это материалы с низкой плотностью (0,003–0,15 кг/м3), открытой пористой структурой (до 99%), высокой удельной площадью поверхности (500–1000 м2/г) и узким распределением пор по размерам (в диапазоне от 2 до 50 нм). Благодаря этим свойствам аэрогели представляют собой перспективную основу для тепло- и звукоизоляционных материалов, сорбентов, высокоэффективных способов доставки лекарственных средств, клеточных матриксов, накопителей энергии, катализаторов. Аэрогели могут быть получены на основе широкого спектра исходных материалов: оксида кремния, биополимеров, оксидов металлов и т. д. Особый интерес представляют гибридные аэрогели — комбинация различных исходных материалов.

Промышленная экология

Исследователи РХТУ принимают участие в прикладных работах по улучшению экологических показателей промышленных предприятий России и ряда зарубежных стран.

«Для завода по переработке отходов первого и второго классов опасности создана технология глубокой переработки высокоминерализованных сточных вод с нулевым сбросом на основе мембранных методов с получением технической воды, гидросульфата натрия и смеси сухих солей натрия»,— рассказывает декан факультета биотехнологии Менделеевского университета, д. т. н., профессор Наталия Кручинина.

Геленджик и другие регионы страны, испытывающие дефицит пресной воды, получают воду питьевого качества благодаря технологии обессоливания морской с использованием обратноосмотических мембран при относительно низких удельных затратах электрической энергии.

Для Кунградского содового завода (Узбекистан) разрабатывается технология глубокой переработки минерализованных сточных вод с близким к нулевому сбросом на основе обратноосмотических мембран с получением воды технического качества и возможным получением твердых субпродуктов.

Для металлургического завода имени Хосе Марти (Республика Куба) ученые использовали технологию замкнутых оборотных циклов водоснабжения с получением высококачественной подпиточной воды за счет методов ионного обмена и обратного осмоса.

По данным Наталии Кручининой, будут востребованы и другие разработки Менделеевского университета: получение активных углей из отходов сельского хозяйства (косточки плодовых деревьев, рисовая шелуха, костра льна и др.), древесно-стружечных материалов (мебельные отходы), полимерных отходов. Угольные фильтры, созданные на основе этих технологий, также найдут применение в деле очистки сточных вод различного происхождения. Также РХТУ работает над темами утилизации отвалов нефтедобычи (отработанные нефтеносные пески) с получением титан- и скандийсодержащих концентратов, синтеза комплексных алюминий/титансодержащих коагулянтов на основе титановых концентратов. Эти коагулянты работают гораздо эффективнее, чем привычные соли алюминия или железа, и предназначены для очистки сточных вод пищевой промышленности, гальваностоков и фильтратов полигонов твердых коммунальных отходов.

Материалы для микроэлектроники

Новое поколение материалов для микроэлектроники будет основано на моноизотопных соединениях, считает заведующий кафедрой химии и технологии кристаллов РХТУ, д. х. н., профессор Игорь Аветисов.

«Переход на моноизотопные соединения произойдет через много лет, но это направление является очень перспективным. В этом случае флуктуации кристаллической решетки будут меньше. Для моноизотопного кремния было показано, что он дает выигрыш в 30% по теплопроводности относительно обычного кремния. Это хороший показатель, так как в подобных технологиях имеет значение каждый процент. Еще можно использовать карбид кремния, теплопроводность которого на порядки выше, а также алмаз — минерал, форма углерода, которая может существовать неограниченно долго. Такие технологии можно уверенно назвать технологиями будущего»,— констатирует профессор Аветисов.

По данным ученого, к топовым технологиям в микроэлектронике относятся именно те решения, которые связаны с качественными изменениями характеристик материалов, с переходом от кремниевых к углеродным структурам. Углерод — источник неиссякаемый, а сам алмаз выигрышно отличается от кремния. При сохранении прежних размеров мощность вырастет на порядки, к тому же за счет качественного изменения характеристик материалов будет практически решена проблема перегрева электронных устройств.

В России есть очень неплохие научные коллективы с участием менделеевцев, которые занимаются подобными разработками, но пока остается другая проблема — соотношение качества и цены.