Uanset om en virksomhed ønsker at udvikle en ny kræftvaccine eller finde opskriften på en ny unik duft til parfumeindustrien, handler det om at komme hurtigt og effektivt på markedet. Forskere på DTU har udviklet en kemisk modelleringssoftware, som hjælper virksomheder over hele verden med en mere effektiv jagt på de unikke kemiske formler.
I de seneste årtier er produktudvikling og tilrettelæggelse af produktionsprocesser i den kemiske industri gradvis rykket fra laboratorierne til computeren. Matematiske beregninger baseret på databaser over molekylers opførsel har her vist sig at være særdeles effektive og kan spare kemiske virksomheder både tid og penge. Modelleringssoftware anvendes i alle produktionsled – lige fra den tidligste udviklingsfase, til det færdige og gennemtestede produkt skal klargøres til masseproduktion. Succesfuld kemiteknisk udvikling stiller store krav til præcision og pålidelige modeller, og for at bevare forspringet anvender en lang række førende virksomheder det avancerede modelleringssoftware ICAS, som er udviklet af professor Rafiqul Gani og hans forskergruppe på DTU Kemiteknik. ICAS er en ‘schweizerkniv’ af et værktøj til molekylær-modellering og procesdesign. Softwaren består af en række specialiserede moduler eller værktøjskasser, der er skræddersyet til at løse en række kemitekniske udfordringer. Samtidig er softwaren forbundet med en omfattende database over molekylers egenskaber. En af de virksomheder, som ser store fordele i at anvende ICAS, er medicinalfirmaet AstraZeneca A/S. Virksomheden, som udvikler medikamenter til behandling af kræft, diabetes og hjerte-kar-sygdomme, er verdensførende inden for udvikling af biologiske lægemidler. Peter Crafts, som er ledende procesingeniør, forsker i og udvikler processer baseret på kemiske grundsubstanser. Han bruger ICAS eller et af programmets moduler mindst en gang om ugen: ”ICAS er helt i front, når det gælder om præcist at forudsige molekylers egenskaber, og softwaren indeholder en række banebrydende værktøjer til selektion af solventer (opløsningsmidler, red.), som ikke findes hos de kommercielle softwareprodukter. ICAS’ præcise forudsigelser er især værdifulde i begyndelsen af de udviklingsforløb, hvor vi ingen eksperimentelle data har på forhånd, og det gør det nemt at finde molekylære komponenter, som er mere miljøvenlige end dem, vi før har brugt,” fortæller Peter Crafts.
Computersimuleret reaktion
For en medicinalvirksomhed er det altafgørende, at man ved, præcist hvordan stofferne i lægemidlerne påvirker kroppen. En væsentlig del af arbejdet med at udvikle nye præparater er derfor at undersøge og beskrive lægemidlernes møde med organismen. Også til det arbejde anvender AstraZeneca ICAS-softwaren, fortæller Peter Crafts:”Vi er nødt til at forstå til bunds, hvordan et stof fordeler sig til hjerne, muskler, led, organer etc., og hvor hurtigt det udskilles fra kroppen igen. Næste led er at prøve at forudsige stoffers opførsel i hvert enkelt organ og vurdere, om vi kan bruge modellering til at styre medicinen i den rigtige retning, så vi får sorteret evt. giftige molekyler fra og beholder dem, vi mener har den bedste virkning. Vi ved, at 95 procent af al medicin i produktudvikling aldrig kommer på markedet, så jo hurtigere vi kan skære investeringer i fejlskuddene fra desto bedre.” I Newark, New Jersey, USA, ligger en afdeling af virksomheden Firmenich, som er verdensførende inden for produktion af parfume og aroma til fødevarer og kosmetik. Her anvender man også softwaren. Michael Pinsky, der er safety manager, sørger blandt andet for at forhindre, at processer løber løbsk med fare for eksplosioner i såvel laboratorier som fabriksanlæg. Pinsky udfører desuden opgaver inden for udvikling af kemiske produktionsprocesser. I begge scenarier er ICAS et af Pinskys foretrukne arbejdsredskaber: ”For at analysere reaktionerne er vi nødt til at kende sammensætning, tæthed og molekylevægt af de dampe, der udvikles. Kemikere bevæger sig sjældent ud over den ønskede reaktion, så vores job er at vise dem, hvor og hvordan tingene kan gå galt, og til det formål er en computermodel et uvurderligt værktøj,” fortæller Pinsky og fortsætter: ”I sikkerhedsberegninger modellerer vi kemien inde i reaktoren og tilfører data om tryk, temperatur etc. for at undersøge, hvordan processen vil udvikle sig. Vi kan definere molekylerne og foretage beregninger og forudsige egenskaber ud fra modellerne, og det speeder hele udviklingsprocessen gevaldigt op.”
Storproduktion reddet på ti minutter
Ud over at DTU-softwaren ICAS har sparet Firmenich for adskillige laboratorietimer, kan softwaren også udrette mirakler – det mener i hvert fald nogle af medarbejderne hos aroma- og parfume- giganten: ”Det var ca. et år efter, at vi blev medlem af the CAPEC Industrial Consortium (se faktaboks) og dermed fik adgang til at bruge ICAS. Dengang havde vi et produkt, som var fremstillet med toluen som solvent. Men problemet var, at solventen kunne lugtes i det færdige produkt,” fortæller Michael Pinsky. ”Vi inviterede professor Gani til Gèneve, og efter en kort introduktion til problemet tog det ham ti minutter med ICAS at finde et antal alternative solventer. Jeg kørte nogle af solventerne gennem en forsøgsopstilling, og i løbet af en dag vidste vi, at vi var på rette spor. Vi opskalerede processen og implementerede den i det fireetagers fabriksanlæg, hvor den mislykkede produktion havde fundet sted. Efter fire måneder var fabrikken oppe at køre igen. Der var nogen i virksomheden, der mente, at det var et mirakel, men jeg sagde ’nej, det er god videnskab!’” Michael Pinsky underviser på ICAS-kurser for Firmenichs ansatte og opfordrer generelt sine kolleger til at droppe gamle arbejdsmetoder og prøve ICAS i stedet: ”Det kræver en smule træning at få greb om ICAS, men den tid er godt brugt, og alle kemiske virksomheder, der ønsker at være i front inden for molekylært design, kan med fordel bruge ICAS. Ærligt talt tror jeg ikke, man inden for dette område finder et softwareprodukt i hele verden, der kan måle sig med ICAS,” slutter Michael Pinsky.
ICAS er et software til molekylær modellering udviklet af professor Rafiqul Gani i 90’erne og siden videreudviklet på CAPEC-centret på DTU Kemiteknik. ICAS anvendes til bl a. at forudsige molekylers egenskaber og simulere kemitekniske processer og kan via link til en database og specielt udviklede moduler bruges til beregninger og simuleringer, der rækker langt ud over, hvad kommercielle simuleringsværktøjer tilbyder.
Virksomheder får adgang til både software og opdateringer ved at melde sig ind i CAPEC’s industrielle konsortium. Antallet at tilknyttede danske og internationale virksomheder er steget støt gennem årene, og i 2011 tæller konsortiet 31 medlemmer, der kommer fra et bredt spektrum af kemiske virksomheder, som spænder over petro-, farma-, food- og biotech-virksomheder. CAPEC står for Computer Aided Process-Product Engineering Center.