Развитие сверхкритических технологий связано с мультимасштабным моделированием, экспериментальными исследованиями в области сушки, микронизации (быстрое расширение сверхкритических растворов – RESS), экстракции, адсорбции, хроматографии, с получением новых композиционных и функциональных материалов.

Аэрогели отличаются рекордными теплоизоляционными (коэффициент теплопроводности 0.015 Вт/(м∙К)) и звукоизоляционными характеристиками (коэффициент звукопоглощения 0.3 – 0.5), имеют низкую плотностью (0.005 – 0.1 кг/м3), развитую внутреннюю поверхность (до 1500 м2/г) и высокую пористость (>90%). Применение аэрогелей для теплоизоляции позволяет значительно снизить требуемую толщину теплоизоляции или значительно уменьшить тепловые потери. Такие материалы востребованы при хранении сжиженного природного газа, в химической, авиакосмической, нефтеперерабатывающей промышленности, в оборонно-промышленном комплексе для гражданского строительства в районах Крайнего Севера и Арктики.

Технология получения высокоэффективных теплоизоляционных материалов на основе аэрогелей разработана в РХТУ им. Д.И. Менделеева. Предприятие, на котором в настоящее время реализуется новая технология и производство аэрогелей – ООО «Ниагара». Данное предприятие занимает ведущую позицию на российском рынке теплоизоляционных материалов для ракетостроения, авиастроения и химической промышленности. Форма выпуска высокоэффективного теплоизоляционного материала на основе аэрогеля – маты толщиной 5 – 10 мм и шириной 1000 мм, свернутые в рулон. Производительность промышленной установки 10 000 м2/год.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Минпромторг России № в рамках соглашения от «22» декабря 2017 г. № 020-11-874.

Результатом многолетней работы коллектива кафедры стала первая в Российской Федерации опытно-промышленная установка для получения аэрогелей. Основная и технологически наиболее важная часть установки – сверхкритическая сушка в среде диоксида углерода. Она состоит из трех аппаратов объемом 70 литров каждый, включает систему рекуперации диоксида углерода. Установка снабжена системой автоматизированного управления.

Установка активно используется при получении промышленных партий аэрогелей различного назначения, для отработки технологий и проведения промышленных испытаний.

Одним из приоритетных направлений развития науки и технологий Российской Федерации является разработка и создание новых функциональных материалов, которые могут быть использованы для решения проблем современной фармацевтической промышленности, а именно для создания современных, эффективных и безопасных систем доставки лекарственных средств. Принципиально новым и современным направлением является внедрение активных фармацевтических ингредиентов (АФИ) в уникальные материалы – аэрогели, которые имеют такие характеристики как высокая удельная площадь поверхности (от 200 до 1500 м2/г), рекордная пористость (более 99%), размер пор в диапазоне от 2 до 50 нм.

Научным коллективом кафедры получены аэрогели на основе различных исходных веществ (диоксид кремния, альгинат, крахмал, белки). В качестве активных веществ были исследованы кетопрофен, нимесулид, лоратадин, рифабутин, ибупрофен и многие другие. Проведены исследования полученных фармацевтических композиций in-vitro (на лабораторном оборудовании) и in-vivo (на лабораторных крысах), подтверждающие эффективность разработанных систем доставки. Проведены испытания на стабильность полученных систем доставки (в течение 6 мес.).

Аэрогель на основе альгината натрия (внешний вид и снимки при высоком приближении)

Научный коллектив впервые в мире провел доклинические исследования фармацевтических композиций на основе аэрогеля на лабораторных животных, а именно на крысах. Результаты доклинических исследований показали увеличение биодоступности более чем 2,5 раза по сравнению с чистыми субстанциями.

Следующее актуальное направление – разработка и внедрение инновационных отечественных материалов для медицины, которые смогли бы способствовать импортозамещению и обеспечить значительный экономический эффект. Функциональный высокопористый материал на основе модифицированного хитозана в форме сферических частиц – это новое решение в области медицинских изделий. Перспективно использование данных материалов для создания современных гемостатических средств, которые позволят обеспечить эффективное, быстрое и безопасное лечение различных повреждений кожи за счет сорбции избытка раневого экссудата и его токсических компонентов и предотвращения вторичного инфицирования раны, защиты от внешних травмирующих воздействий. Использование данных материалов исключает возникновение ожогов в месте применения и образование тромбов.

Научным коллективом кафедры разработана технология получения высокопористых биосовместимых материалов (аэрогелей) на основе модифицированного хитозана в форме сферических частиц (размер от 50 до 5000 мкм). Удельная площадь внутренней поверхности получаемых материалов лежит в пределах от 200 до 500 м2/г. Сорбционная емкость до 60 г/г. Особенностями данных материалов являются биосовместимость с тканями человека, отсутствие цитотоксичности. Дополнительным преимуществом является возможность легкого удаления материала с поверхности раны, не вызывая дополнительных повреждений. В состав также могут быть включены активные вещества из группы анестетиков, антисептиков и антибиотиков.

Сферические частицы для прямого нанесения на раневую поверхность

Коллектив кафедры занимается перспективными разработками в области получения люминофорных материалов на основе аэрогелей. Эти материалы могут быть использованы для создания новых белых светодиодов со спектром излучения наиболее близким к естественному, при производстве дисплеев по OLED-технологии, для формирования псевдоголографического изображения. Для получения указанного материала используются комплексы 8-оксихинолина с различными металлами, которые внедряются в пористую матрицу прозрачного аэрогеля и равномерно распределяются в его объеме. Выбор металла определяет цвет излучения, а аэрогель защищает его от воздействия внешней среды и позволяет увеличивать эффективность люминесценции.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России, FSSM-2020-0003.

На кафедре ведутся работы по разработке компонентов накопителей энергии на основе углеродных аэрогелей. Аэрогели, как материалы, обладающие высокой удельной площадью поверхности, перспективны для увеличения электрической емкости существующих и могут лечь в основу новых накопителей энергии. Дополнительное использование наноматериалов способствует увеличению количества циклов «заряда-разряда» и уменьшению потерь накапливаемой энергии. Сотрудники кафедры ведут разработку композиционных материалов на основе аэрогелей с использованием современных процессов и аппаратов.

В химической промышленности широко используются токсичные вещества, утечка которых может привести к человеческим жертвам. Разработка современных газовых датчиков для детектирования токсичных веществ и сорбентов является актуальной задачей как с точки зрения применения на химических предприятиях, так и для предотвращения террористической угрозы. На кафедре разработаны методы получения функциональных материалов на основе аэрогелей и углеродных нанотрубок в форме монолитов, частиц и микрочастиц для применения в качестве чувствительных элементы газовых датчиков и высокоэффективных сорбентов. Функциональные материалы на основе аэрогелей и углеродных нанотрубок демонстрируют высокую сорбционную емкость и изменение физико-химических свойств под действием определяемых газов и паров. Кроме того, разработанные материалы проявляют высокую селективность при адсорбции компонентов воздуха, что является перспективным при получении кислорода высокой чистоты.

Монолиты, частицы, микрочастицы

Сверхкритическая экстракция применяется в фармацевтической, химической, пищевой отраслях промышленности для выделения биологически активных лекарственных компонентов из растительного сырья, выделения ароматических, вкусовых и красящих веществ, удаления остаточного растворителя из фармацевтических веществ, извлечения эфирных масел и пр.

Экстракция с использованием сверхкритического диоксида углерода признана экологически чистой, энерго- и ресурсосберегающей технологией, способной обеспечивать возможность создания замкнутого экстракционного цикла. Отличительным преимуществом сверхкритической экстракции является высокая чистота целевого продукта. Применение сверхкритических флюидов в качестве экстрагента позволяет извлекать целевые компоненты без их разрушения и упрощает процесс сепарации.

Ведутся работы по разработке технологии извлечения ценных компонентов из якорцев стелющихся, амаранта и др. культур. Ценные компоненты применяются для лечения социально значимых заболеваний.

Сотрудники кафедры совместно с лабораторией иммунофармакологии Национального медицинского исследовательского центра онкологии им. Н. Н. Блохина (НМИЦ онкологии им. Н. Н. Блохина) под руководством профессора, д. б. н., академика РАМТН Бочаровой Ольги Алексеевны ведут работы по разработке промышленной технологии получения фитоадаптогенов с противоопухолевой активностью с применением процесса сверхкритической экстракции.

Сушка – один из самых распространенных технологических процессов, используемый в фармацевтической, химической, и пищевой промышленности. Благодаря удалению растворителя обеспечивается стабильность материала для длительного хранения, снижаются транспортные расходы. Совокупность работ по подготовке материала к сушке и способ сушки позволяют получать конечные продукты, значительно отличающиеся по форме и свойствам, например, мелкодисперсные порошки, в том числе содержащие инкапсулированные активные вещества, ароматизаторы; гранулы; частицы, покрытые пленочной оболочкой, обеспечивающей модифицированное высвобождение веществ; пористые материалы и др.

Кафедра химического и фармацевтического инжиниринга проводит прикладные исследовательские работы, а также осуществляет отработку режимов на материалах сторонних заказчиков по следующим направлениям:

• вакуумная сублимационная сушка – ВСС (сублимационно высушенные губки, орально-диспергируемые таблетки (ОДТ) и лиофилизат, пленки и матриксы для клеточной инженерии и т.д.);
• распылительная сушка растворов / суспензий / эмульсий;
• влажная грануляция и грануляция расплавом в аппаратах псевдоожиженного слоя;
• нанесение пленочных покрытий на гранулы, пеллеты, частицы с целью модификации кинетики высвобождения активных веществ или их защиты от воздействия окружающей среды.



Лиофильная сушилка CoolSafe (слева), установка распылительной сушки Buchi Mini Spray Dryer B-290 (справа)





Лабораторная установка для грануляции и нанесения покрытий Hüttlin Mycrolab (слева), Лабораторная установка псевдоожиженного слоя Mini-Glatt (справа)

Научным коллективом в кооперации с кафедрой биотехнологии разработана технология получения сублимационно-высушенной гемостатической губки с антимикробным (бактерицидным) эффектом, формирование пористой структуры которой обеспечивается совмещением технологических приемов, включающих криоструктурирование, ионотропное гелирование и сшивку методом ионного замещения с последующим щадящим удалением растворителя ВСС (RU 2018146140). Антимикробный (бактерицидный) эффект обеспечивается введением в состав губки хитозана и наночастиц серебра, полученных микробиологическим синтезом.

В кооперации с кафедрой нанотехнологий разработан способ получения биосовместимого биоразлагаемого скаффолда на основе полимерного композита, содержащего наночастицы гидроксиаппатита (RU 2019145019). Для стабилизации скаффолда и удаления растворителя используется вакуумная сублимационная сушка.

Сотрудники кафедры также имеют патенты на собственные разработки: установка для получения ультрадисперсных порошков (RU 2513623), установка для сублимационной сушки биологически активных веществ (RU 98672).

Коллектив кафедры проводил исследования для АО «НГ КЕМИКАЛЗ» (нефтедобыча), Фонда «НИР» (ликвидация нефтяных разливов), ООО «А-1 Первая генетическая компания», ФИЦ КНЦ РАН, ООО «ИМТ-Групп», АО «НИУИФ», ООО «АПТОС ГРУПП».

На кафедре ведутся работы, связанные с изучением процессов, протекающих в биореакторах различных конструкций. Исследуются кинетические закономерности роста разнообразных микроорганизмов и клеток млекопитающих, образования продуктов метаболизма. Рассматриваются вопросы выделения продуктов с использованием мембранных аппаратов. Большое внимание уделяется разработке и использованию математических моделей и пакетов программ для расчета основных параметров работы биореакторов как периодического, так и непрерывного действия, а также мембранных биореакторов. Исследуются процессы, протекающие в микрофлюидных устройствах, которые в последнее время стали широко применяться для инкапсуляции лекарственных веществ, для изучения влияния лекарственных препаратов на ткани органов человека, так называемые «орган-на-чипе», на стадии доклинических исследований.

Аддитивные технологии являются одними из новых направлений кафедры. Это перспективные технологии для решения широкого круга задач регенеративной медицины, тканевой инженерии, химии и других. Технология 3D-печати является одним из подходов, способным уменьшить расход материала и увеличить скорость получения готовых изделий. Сотрудники кафедры ведут исследования по получению материалов с заданной структурой на макро- и наноуровне для разработки матриксов для роста клеток, костных имплантов, высокоэффективных сорбентов, газовых датчиков.

Модель сердца, полученная с использованием технологии цифровой обработки света (DLP) (слева), объемная гелевая структура, полученная с использованием технологии гелевой печати (справа)

На кафедре проводятся работы со следующими установками 3D-печати:

• 3D-принтер Phrozen Shuffle XL Lite, использующий фотополимерные смолы для получения изделий высокого разрешения (технология цифровой обработки света (DLP))
• 3D-принтер Wanhao Duplicator 6 Plus – реализация технологии экструзии термопластичных полимеров (технология послойного наплавления (FDM))
• 3D-принтер собственной конструкции, реализующей процесс трехмерной печати с использованием вязких материалов, обладающих текучестью, позволяет получать гидрогели со сложной геометрией (технология гелевой печати).

Методы математического моделирования успешно применяются во всем мире в научных разработках, поскольку позволяют прогнозировать протекания различных процессов без проведения полномасштабного эксперимента, тем самым сокращая материальные и временные затраты на разработку.

Кремниевый аэрогель и его виртуальная структура

Сотрудники кафедры химического и фармацевтического инжиниринга не только успешно владеют современными программными пакетами крупнейших мировых лидеров в области моделирования, но и создают собственные программные модули и отдельные программные комплексы для решения узкоспециализированных задач, например моделирование структуры и свойств нанообъектов с использованием теории клеточных автоматов, а также для проведения многоуровневого моделирования сложных процессов. Для ускорения вычислений развиваются такие современные технологии параллельных вычислений как Open MP, MPI, Nvidia Cuda. Сотрудниками кафедры за годы его работы зарегистрированы десятки программ для ЭВМ и баз данных.

На кафедре успешно разрабатываются новые процессы и технологии, что позволяет снижать энергетические затраты на производство, повышать качество продукции, выявлять технологические риски и проверять предельные режимы работы оборудования, строить реалистичные цифровые двойники технологического оборудования и производственных линий, создавать автоматизированные системы управления. С помощью теории и математического моделирования могут быть предсказаны как стационарные, так и изменяющиеся во времени процессы; потоки жидкостей, газов и сверхкритических флюидов в широком диапазоне температур и давлений; турбулентные явления различных масштабов; тепловые явления и процессы, включая теплоперенос в твёрдых телах; многофазные и многокомпонентные системы с конвекционным и диффузионным массопереносом; процессы с химическими превращениями; оборудование с движущимися механическими элементами (лопатки, импеллеры, поршни и т.д.); распространение акустических и ударных волн. Результаты моделирования могут быть проанализированы с использованием графических и числовых инструментов, путём построения профилей, полей векторов, линий тока, графиков, расчёта усреднённых и локальных значений физических величин, определения их максимальных и минимальных значений и т.д. Сотрудники кафедры обладают опытом, необходимым для реальных задач химической и фармацевтической промышленности.

Инновационные разработки требуют в большинстве случаев специального аппаратурного оформления, которое отсутствует у производителей стандартных аппаратов. Иногда для организации требуемых условий возможно провести модификацию стандартных установок, в других случаях – требуется поиск индивидуальных решений. Модификация стандартного и проектирование нетипового оборудования под конкретные научные исследования – еще одно направление деятельности кафедры.

Реактор высокого давления, разработанный сотрудниками кафедры

При разработке сотрудниками определяются основные габаритные размеры проектируемого оборудования, осуществляется выбор конструкции из нескольких потенциально возможных, проводятся прочностные расчеты и осуществляется поиск решений для выявленных проблемных участков, прорабатываются соответствующие нормативные документы, регулирующие безопасность работы разрабатываемого оборудования, разрабатываются системы автоматизации. Кафедра имеет контакты с различными организациями, которые в рамках договорных отношений могут изготовить, провести испытания отдельных элементов оборудования и разработать конструкторскую документацию.