Industrie + Technik

Manche Wirkstoffe in alten Medikamenten sind zu wertvoll, um in der Müllverbrennung entsorgt zu werden. Eine Arbeitsgruppe der Universität Erlangen-Nürnberg extrahiert sie und macht sie als Chemikalien für Forschung und Lehre nutzbar.<p>Altarzneimittel aus Haushalten, Arztpraxen, Apotheken, Kliniken oder aus dem Großhandel landen in Deutschland im Rest- oder Sondermüll und so in der Müllverbrennung. Die oft wertvollen Inhaltsstoffe gehen so verloren. Vor diesem Hintergrund will die Altarzneimittel-Initiative der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg aus Altarzneimitteln zurückgewonnene Wirkstoffe als Chemikalien für Forschung und Lehre nutzbar machen.</p><h2 type="main">Wie es begann</h2><p>Werden pharmazeutische Wirkstoffe radioaktiv markiert oder mit einem Fluoreszenzfarbstoff verknüpft, werden sie so zu chemischen Sonden für medizinische, biologische oder pharmakologische Anwendungen. Für ein derartiges Forschungsprojekt brauchte die <link href="#nadc20234138226-fig-0001">Arbeitsgruppe Heinrich den Wirkstoff Naltrexon als Ausgangsverbindung, um ein 18-fluormarkiertes Derivat zu synthetisieren.<sup>1)</sup></p><figure xml:id="nadc20234138226-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/3lxd4N2BTLyBQRtZtHEJ"><figcaption><label>Abb.1: </label>Das Team der Altarzneimittel-Initiative vor dem Sammelcontainer am Chemikum der Universität Erlangen-Nürnberg. Foto: Jakob Kuhn, FAU</figcaption></figure></figure><p>Naltrexon ist ein Opioidrezeptor-Antagonist und wird zur Behandlung von Alkohol- und Opioidabhängigkeit eingesetzt. Das Arzneimittel, aus dem Naltrexon zurückgewonnen wurde, war Adepend. Es dient zur Behandlung der Alkoholabhängigkeit.</p><p>Statt Naltrexon zum Preis von etwa 1000 Euro pro Gramm über einen Chemikalienhändler zu beziehen, entschied die Gruppe, die Verbindung aus Tabletten mit dem Wirkstoff zu gewinnen. Diese hatte sie zuvor für andere Forschungszwecke in einer Apotheke gekauft. Ein solches Vorgehen senkte die Kosten pro Gramm Naltrexon auf weniger als ein Zehntel des Preises im Chemikalienhandel.</p><p>Zudem entstand aus der Rückgewinnung von Naltrexon der grundlegende Gedanke, Altarzneimittel in größerem Maßstab zu sammeln, um die darin enthaltenen Wirkstoffe in verschiedensten Forschungsprojekten oder auch in Praktika einzusetzen.</p><p>Die Gruppe sammelte alte Medikamente zunächst in vier Apotheken im Großraum Nürnberg und erweiterte das Sammlungsgebiet im Jahr 2018 auf die Stadt Erlangen sowie die angrenzenden Landkreise Erlangen-Höchstadt und Forchheim.</p><p>Die Sammlung läuft in Erlangen im Wesentlichen über die ortsansässigen Apotheken. In den Landkreisen ist sie dagegen über Schadstoffmobile, Deponien und Wertstoffhöfe organisiert (Foto links). Etliche überregionale Medien berichteten darüber, und so unterstützt seit dem Jahr 2021 eine wachsende Zahl von Partnern aus dem Bundesgebiet – darunter mehrere Klinikverbünde – die Initiative. Im Jahr 2022 kamen vier Tonnen Altarzneimittel zur Sortierung an die Uni Erlangen-Nürnberg, von denen sich etwa die Hälfte für die Forschungsinitiative eignete.</p><h2 type="main">Berichte über zurückgewonnene Wirkstoffe</h2><p>Zur Rückgewinnung von Wirkstoffen aus Arzneimitteln oder Altarzneimitteln existieren bisher nur wenige Berichte. Eine Pionierarbeit darunter ist der Beitrag zum Wettbewerb „Jugend forscht“ aus dem Jahr 2001 von Sarah Schott, damals am Kepler-Gymnasium in Tübingen; sie erreichte damit bundesweit den dritten Platz im Fachbereich Chemie.<sup>2)</sup></p><p>Beispiele für Publikationen in wissenschaftlichen Journalen sind die <link href="#nadc20234138226-fig-0002">Rückgewinnung eines in der Entwicklung befindlichen Wirkstoffkandidaten<sup>3)</sup> sowie die der drei etablierten Wirkstoffe Paracetamol, Tetracyclin und Ibuprofen im Maßstab von 10 bis 100 Gramm.<sup>4)</sup></p><figure xml:id="nadc20234138226-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/lMGGBFwZTiNnONEbDtcU"><figcaption><label>Abb.2: </label>Nach der Rückgewinnung abgefüllte Wirkstoffe. Foto: Luca Drees, FAU</figcaption></figure></figure><h2 type="main">Anwendungsbereiche</h2><p>Über die Sammlung von Altarzneimitteln stehen der Forschungsinitiative an der Uni Erlangen-Nürnberg inzwischen etwa 500 verschiedene Wirkstoffe zur Verfügung. Davon wurden bisher etwa 150 hinsichtlich ihrer Rückgewinnung betrachtet. Die Gruppe hat die Verfahren im Lauf der Zeit optimiert und für viele Hilfsstoffe Abtrennmethoden gefunden, darunter sind Stearinsäure, Macrogol (Polyethylenglykol), Zucker und Gelatine.</p><p>Außer in den Praktika des Pharmaziestudiums wurden die rückgewonnenen Wirkstoffe als Chemikalien in Forschungsprojekten eingesetzt, zum Beispiel in einem Projekt mit Antibiotika. Dabei knüpfte Fabian Graßl unpolare Fluoreszenzfarbstoffe des Cyanintyps an den Wirkstoff. So entstanden Farbstoffkonjugate mit verbesserten optischen und biologischen Eigenschaften.<sup>5)</sup></p><p>Die rückgewonnenen Wirkstoffe eignen sich zudem als Substanzbibliotheken für biologische oder chemische Versuchsreihen. Denn sie haben sehr unterschiedliche Strukturen. Susanne Gradl, eine Doktorandin der Arbeitsgruppe, halogenierte diese Wirkstoffe mit Selectfluor und entdeckte so eine Methode für die Late-Stage-Funktionalisierung.<sup>6)</sup> Dabei handelt es sich um eine Modifizierung im letzten Schritt einer Syntheseroute.</p><h2 type="main">Forschung, Lehre und Industrie</h2><p>Die steigenden Mengen verfügbarer Wirkstoffe und verbesserte Rückgewinnungsverfahren machen es möglich, die erhaltenen Chemikalien nun anderen Universitäten für Forschungszwecke oder für Praktika zur Verfügung zu stellen (Foto oben). Damit möchte die Forschungsgruppe um Apothekerin und Doktorandin Meret Kuschow und Arbeitsgruppenleiter Markus Heinrich Forschung und Lehre in nachhaltiger Weise fördern.</p><p>Optimierte Rückgewinnungsmethoden könnten zudem Fehlchargen und Einstellreste aus der industriellen Produktion nutzbar machen. Pilotprojekte zeigen, dass sich selbst durch ein- oder maximal zweistufige Rückgewinnungsverfahren Reinheitsgrade erreichen lassen, wie sie auf dem Weltmarkt bei Zulieferung durch die Originalhersteller üblich sind.</p><h2 type="main">Der Autor</h2><p>Markus R. Heinrich ist Professor für pharmazeutische Chemie an der Universität Erlangen-Nürnberg. <a href="mailto:markus.heinrich@fau.de">markus.heinrich@fau.de</a> Wer die Altarzneimttel dieser Uni nutzen möchte, informiert sich über die Homepage (<a href="https://chemie.nat.fau.de/forschung/altarzneimittelinitiative/" target="_blank">chemie.nat.fau.de/forschung/altarzneimittelinitiative/</a>) oder kontaktiert die Initiative per E-Mail (<a href="mailto:altarzneimittel@fau.de">altarzneimittel@fau.de</a>).<img alt="image" src="https://media.graphassets.com/ecIlaXZMRcGTclQxXxoT"></p><p>Foto: Simone Heinrich</p><ul class="references" cited="no" xml:id="nadc20234138226-bibl-0001" style="numbered"><li xml:id="nadc20234138226-bib-0001"><sup>1 </sup> J. Krüll, A. Hubert, N. Nebel, O. Prante, M. R. Heinrich, Chem. Eur. J. 2017, 23, 16174</li><li xml:id="nadc20234138226-bib-0002"><sup>2 </sup> <a href="https://pharmazeutische-zeitung.de/pharm3–42–2001/" target="_blank">pharmazeutische-zeitung.de/pharm3–42–2001/</a> (Stand 16.8.2023)</li><li xml:id="nadc20234138226-bib-0003"><sup>3 </sup> D. S. Hsieh, M. Lindrud, X. Lu et al., Org. Process Res. Dev. 2017, 21, 1272</li><li xml:id="nadc20234138226-bib-0004"><sup>4 </sup> D. E. Pratama, W.-C. Hsieh, A. Elmaamoun, H. L. Lee, T. Lee, ACS Omega 2020, 5, 29147</li><li xml:id="nadc20234138226-bib-0005"><sup>5 </sup> F. Graßl, M. B. Konrad, J. Krüll et al., Chem. Eur. J. 2023, e202301208</li><li xml:id="nadc20234138226-bib-0006"><sup>6 </sup> S. Gradl, V. Zantop, P. Gmeiner, H. Hübner, M. R. Heinrich, ChemMedChem 2023, 18, e202300144</li></ul>

Recycling

Labor statt Müllcontainer

Manche Wirkstoffe in alten Medikamenten sind zu wertvoll, um in der Müllverbrennung entsorgt zu werden. Eine Arbeitsgruppe der Universität Erlangen-Nürnberg extrahiert sie und macht sie als Chemikalien für Forschung und Lehre nutzbar.Altarzneimittel aus Haushalten, Arztpraxen, Apotheken, Kliniken...

Fluidikkomponenten und -systeme sowie Sensoren und Regelsysteme helfen, Prozesse effizienter zu gestalten. Beispiele aus Chromatographie, Bio- und Pharmatechnik zeigen, dass dies für neue Anlagen ebenso gilt wie beim Modernisieren bestehender Prozesse.<p>Digitalisierung, Vernetzung und der Wunsch nach Energieeffizienz treiben Entwicklungen in der Fluidik voran. Dabei hat die Digitalisierung den größten Einfluss. Komponenten und Systeme sollen nicht nur immer intelligenter und vernetzbarer werden, sondern auch effizienter arbeiten.</p><h2 type="main">Magnetventile mit Spulensystem</h2><p>Ventile mit elektromagnetischen Aktoren schalten Fluide automatisiert. Damit die Spulen der Magnete hohe Anzugskräfte entwickeln und trotzdem wenig Energie benötigen, werden sie zumeist über eine Elektronik angesteuert. Bürkert Fluid Control Systems, Hersteller von Mess-, Steuer- und Regelungssystemen für Flüssigkeiten und Gase, bietet im Magnetventilprogramm energiesparende Lösungen mit Doppelspule und Kick-and-Drop-Elektronik (<link href="#nadc20234138625-fig-0001">Abbildung oben).</p><figure xml:id="nadc20234138625-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/BOFFEWRcaegFl9ApRWRA"><figcaption><label>Abb.1: </label>Ventil mit Doppelspule und Kick-and-Drop-Elektronik. Alle Abbildungen: Bürkert Fluid Control Systems</figcaption></figure></figure><p>Dabei wird die Spule zunächst durch einen hohen Spannungsimpuls übererregt, um die zum Öffnen des Ventils benötigte hohe Anzugskraft zu erzeugen. Nach wenigen Millisekunden schaltet die in der umpressten Spule integrierte Elektronik auf energiesparenden Haltebetrieb. Dies reduziert die Leistungsaufnahme. Die Technik eignet sich besonders für dauergeöffnete Ventile, darunter Gas- und Leitungswassersicherungsventile, sowie für batteriegepufferte Entleerungssysteme. Die Ventile verbrauchen bis zu 80 Prozent weniger Energie als konventionelle Ventile (Kasten).</p><p>Die geringe Leistungsaufnahme verringert die Eigenerwärmung des Ventils. Dies reduziert Ablagerungen und Verkalkung, erhöht die Lebensdauer und vermeidet Verbrennungen. Zudem arbeiten die Ventile geräuschlos und sind elektromagnetisch verträglich, stören also andere Geräte und Einrichtungen nicht.</p><h2 type="main">Rohrumformgehäuse</h2><p>Ventilgehäuse können zum Energiesparen beitragen. Die vor allem in sterilen Prozessen und hygienischen Anwendungen meist üblichen Membranventile mit herkömmlichem Schmiede- oder Gussgehäuse verbrauchen nicht nur bei der Herstellung relativ viel Energie, sondern auch im Betrieb: Die Sterilisation der Ventile (sterilization in place, SIP) etwa benötigt große Mengen Reinstdampf, um die massereichen Ventilkörper auf Sterilisationstemperatur zu bringen. Da sich die Gehäuse nur langsam erhitzen und abkühlen, verkürzt dies die Zeit, die bleibt, um zu produzieren.</p><p>Leichtere Rohrumformgehäuse (tube valve body) sind eine Alternative. Ein 2-Zoll-Ventil beispielsweise kann damit bis zu 75 Prozent leichter sein. Die Gehäuse heizen sich schneller auf und kühlen schneller ab. Bei einer Temperaturdifferenz von 100 K lassen sich pro SIP-Zyklus mehr als 50 Prozent Energie sparen.</p><p>Die Produktion wird nachhaltiger; der CO<sub>2</sub>-Fußabdruck des Herstellungsprozesses verringert sich. Gleichzeitig steigt die Produktivität der Anlage, da sich durch den schnellen Aufheiz- und Abkühlprozess die Nebenzeiten für die Reinigung verkürzen. Zudem haben temperaturempfindliche Membranen weniger thermischen Stress. Je nach Anwendung kann sich ihre Lebensdauer dadurch mehr als verdoppeln, was die Servicezyklen verlängert und zudem kohlenwasserstoffreichen Elastomermüll reduziert.</p><h2 type="main">Regelventile</h2><p>Überall dort, wo sich nicht oder noch nicht auf Druckluft verzichten lässt, gilt es, den Verbrauch zu reduzieren und Verluste zu vermeiden. Bei Bürkert-Regelventilen in Medienleitungen lässt sich beispielsweise der Energieverbrauch durch einen Wechsel des Ventilsitzes beeinflussen (<link href="#nadc20234138625-fig-0002">Abbildung oben). Zudem ist die Wartung einer Armatur im Verschleißfall dadurch materialschonend.</p><figure xml:id="nadc20234138625-fig-0002"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/E0WngBZ9ReKXmcz0VccI"><figcaption><label>Abb.2: </label>Ein Wechsel des Ventilsitzes beeinflusst bei Bürkert-Regelventilen in Medienleitungen etwa den Energieverbrauch.</figcaption></figure></figure><p>Beim Air-Recycling ist die Federkammer durch die ohnehin zu verbrauchende Steuerluft vor feuchter und schmutziger Umgebung geschützt. Daher sind die Antriebe langlebig und lassen sich etwa nach einem Tausch des Ventilsitzes weiter nutzen.</p><p>Um das Energiesparen zu optimieren – etwa bei Heizanlagen – lassen sich die Ventile mit einer Dichtschließfunktion ausstatten; dann ist kein zusätzliches Absperrventil nötig. Für die dezentrale Automation sorgen direkt am Ventil angebrachte Ansteuerungen der Element-Baureihe. Sie sind modular aufgebaut und für den Funktionsbedarf des Anwenders zusammenzustellen. Die Steuerköpfe der Typen 8690, 8691 und 8695 haben eine Ventilrückmeldung, Pilotventile oder beides. Die Stellungsregler der Typen 8692, 8694 und 8696 übernehmen Regelaufgaben. Der Prozessregler Typ 8693 für Hubbewegungen kann hingegen ohne eine übergeordnete Steuerung Temperatur, Durchfluss und Druck regeln, etwa um in Brauereien die Würze zu kühlen oder das Kühlwasser einer Kälteanlage zu steuern.</p><p>Wo ältere Stellungsregler mit permanentem Druckluftverbrauch verbaut sind, bieten sich die Stellungs- und Prozessregler Sidecontrol Typ 8792/8793 als Alternative an. Mit den standardisierten Schnittstellen regeln sie auch Ventile und Klappenstellungen anderer Hersteller.</p><h2 type="main">Weniger Totraum</h2><p>In pharmazeutischen und biotechnischen Produktionsanlagen sind Ringsysteme für zirka vier bis zehn Medien Stand der Technik. Klassisch sind dafür Y- und T-Membranventile zu nutzen. Da das Innenvolumen der Rohrleitungen groß ist, beanspruchen solche Systeme viel Platz. Außerdem ist abhängig von der Einbaulage der Ventile eine hundertprozentige Restentleerung nicht immer möglich.</p><p>Der Reinigungsaufwand richtet sich nach der Ventilposition im Ring und kann material-, energie- und zeitintensiv sein. Dabei dauern bei dieser Bauweise die Sterilisationsprozesse lange, weil sich das System nur langsam aufheizt. Mit Robolux-Multiportventilmodulen entstehen Knotenpunkte mit vielen Teilnehmern und Funktionen, die vergleichsweise wenig Platz benötigen und bessere fluidische Eigenschaften haben.</p><p>Basierend auf der Membranventiltechnik verbinden die Ventile unabhängige Umschaltfunktionen für zwei Prozesse in einem Gehäuse mit nur einer Membran und nur einem Doppelantrieb. Ein solches Multiportventil benötigt zirka 40 Prozent weniger Platz. Das geringe Innenvolumen und die Totraumreduzierung beschleunigen zudem die Reinigung, verringern den Energieeinsatz und erhöhen so die Prozesseffizienz. Die Mehrwege-Membranventile eignen sich zudem etwa für die Medientrennung bei Chromatographieverfahren.</p><h2 type="main">Durchflussmessung</h2><p>In vielen Produktionsprozessen sind Durchflussmessungen unabdingbar. Die Flowave-Technik nutzt akustische Oberflächenwellen (surface acoustic waves, SAW) und misst damit inline den Durchfluss von Flüssigkeiten (<link href="#nadc20234138625-fig-0003">Abbildung). Die Technik kommt ohne messstoffberührende Sensorelemente im Messrohr aus.</p><figure xml:id="nadc20234138625-fig-0003"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/V0wmqnBfRK2zdwDiEXmF"><figcaption><label>Abb.3: </label>Der Flowave-Sensor hat glatte Messrohre ohne Einbauten und misst somit unter hygienischen Bedingungen. Grundlage ist das Messprinzip Surface Acoustic Waves (SAW).</figcaption></figure></figure><p>Der Sensor liefert Durchfluss- und Temperaturwerte sowie Messwerte wie Massendurchfluss und Dichte. Über den Dichtefaktor erkennt er Gasblasen und Partikel. So unterscheidet der Sensor zwischen Spülmedium und Produkt, was Ausschuss und Abwasserbelastung reduziert. In den geraden Messrohren kann sich zudem nichts festsetzen. Beim Reinigen wird der Sensor genauso durchspült wie die Rohrleitung.</p><h2 type="main">Gasdruckregelungssysteme</h2><p>Da kaum ein Prozess dem anderen gleicht, sind meist auf die Applikation angepasste Lösungen notwendig, um Energie zu sparen und die Effizienz zu steigern. Bürkert-Beschäftigte beraten Anwender bei Standardlösungen und bei individuellen Entwicklungen. Systeme zur Gasdruckregelung liefern dafür ein Beispiel:</p><p>Gleichgültig ob bei Wasser mit Kohlensäure, Bier oder bei Impfstoffen – die Gasatmosphäre in den Tanks erfordert eine Überwachung. Systeme zur Druckregelung reagieren auf Änderungen von Temperatur und Füllmenge sowie auf chemische Reaktionen im Tank. Bei der Reinigung und Sterilisation müssen die Systeme mit Reinigungsflüssigkeit (cleaning in place, CIP) und hohen Temperaturen zurechtkommen.</p><p>Die Druckregelsysteme erfüllen hygienische Anforderungen und regeln den Gasdruck nicht nur bei Schutzgas-, sondern auch bei allen Druck- und Abfüllanwendungen. So lässt sich etwa der Inertgasverbrauch minimieren. Da die Systeme abgesehen von der Sollwertvorgabe autark arbeiten, lassen sich damit bisherige Systeme automatisieren. Einbinden in ein Monitoringsystem kann den Prozess weiter optimieren.</p><h2 type="main">INFO: Sparventile</h2><p>Ein Magnetventil mit Kick-and-Drop-Elektronik kostet nach europäischem Listenpreis zirka 60 Euro mehr als ein konventionelles Ventil. Diese Mehrkosten amortisieren sich je nach Einsatzbereich innerhalb von zwei bis viereinhalb Jahren.</p><p>So lassen sich 93,75 Prozent Energie sparen, wenn man 80 Magnetventile mit Kick-and-Drop-Spule und 0,6 W elektrischer Leistung verwendet statt 80 herkömmlicher Ventile (10 W). Bei einer jährlichen Laufzeit von 240 Tagen, zehn Stunden täglichem Betrieb und 100 Prozent Einschaltdauer sind dies pro Jahr 1,8 MWh. Bei einem Bruttostrompreis von 30 Cent pro Kilowattstunde amortisieren sich die Magnetventile nach zirka drei Jahren.</p><p>Während der Lebensdauer einer Spule von zehn Jahren sinkt der CO<sub>2</sub>-Ausstoß um 8,73 t CO<sub>2</sub> (485 g pro Kilowattstunde). Dies entspricht etwa dem, was 700 Bäume im Jahr aufnehmen (12,5 kg CO<sub>2</sub> pro Baum).</p><h2 type="main">Die Autorin und der Autor</h2><p>Den Beitrag haben Ellen-Christine Reiff und Alexander Homburg verfasst. Beide arbeiten im Redaktionsbüro Stutensee. <a href="https://rbsonline.de" target="_blank">rbsonline.de</a></p>

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