Biotechnologia.pl: Czy mógłby pan opowiedzieć jakimi badaniami zajmuje się Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN w Łodzi?

prof. Stanisław Słomkowski: Podstawą działania naszego Centrum są badania prowadzone w obrębie lub na pograniczu chemii, biologii i fizyki. Są to głównie badania podstawowe. Zajmujemy się poznawaniem praw natury, które działają w tych obszarach. Chodzi o prawa, które rządzą przebiegiem syntez, wytwarzaniem i przekształcaniem różnych cząsteczek, poznawaniem ich właściwości. Jednym z ważnych obszarów naszego zainteresowania jest chemia organiczna.  Ta dziedzina chemii dotyczy związków, które zawierają głównie atomy węgla i wodoru. Wiele związków organicznych zawiera również atomy innych pierwiastków, najczęściej azotu, fosforu i siarki. Chemia bioorganiczna, w zakresie której również prowadzimy badania, stanowi specjalną część chemii organicznej. Dotyczy związków chemicznych występujących w układach ożywionych, modeli takich związków lub też związków, które ze związkami i komórkami obecnymi w układach ożywionych mogą w specyficzny sposób oddziaływać.

Kolejny obszar naszych badań dotyczy polimerów, specjalnej grupy materiałów zbudowanych z wielkich cząsteczek (makrocząsteczek). Dzisiaj polimery obecne są wszędzie w naszym otoczeniu. Wykorzystywane są do wytwarzania odzieży, pojemników, opakowań, elementów urządzeń elektronicznych, sprzętu AGD, samochodów, samolotów i wielu innych. Są użyteczne, potrzebne, a jednocześnie sprawiają różne kłopoty ze względu na swoje specyficzne właściwości. Ich zaletą jest znaczna trwałość. Niestety, po wypełnieniu swoich funkcji latami zalegają na wysypiskach. Poszukiwane są sposoby efektywnego odzyskiwania i przetwarzania polimerów ze zużytych urządzeń. Potrzebne są również różnorodne polimery, które po wykorzystaniu mogą ulegać biodegradacji. W Centrum zajmujemy się metodami ich otrzymywania, w szczególności jednostkowymi reakcjami jakie się składają na procesy syntezy. Prowadzimy badania różnych właściwości polimerów, w tym mechanicznych, termicznych, dielektrycznych i innych oraz ich zależności od struktury polimerów. Ważne są również sposoby przetwarzania. W zależności od sposobu przetwarzania z polimerów o tej samej budowie chemicznej można otrzymywać materiały znacznie różniące się pod względem właściwości – polimery przydatne do różnych zastosowań. Wiele zależy od sposobu wzajemnego „ułożenia” makrocząsteczek w materiale. Badania sposobów przetwarzania polimerów znajdują sie więc również w polu naszego zainteresowania. Prowadzimy przede wszystkim badania podstawowe, lecz ich wyniki mają również znaczenie praktyczne. Prowadząc badania podstawowe poznajemy przecież prawa użyteczne do projektowania sposobów wytwarzania nowych związków chemicznych i nowych użytecznych materiałów.

Czy macie państwo kontakt z przemysłem?

Tak, mamy. Sami rzadko kiedy zajmujemy się całym zamkniętym procesem, ponieważ opracowanie pełnych procesów technologicznych wymaga innego przygotowania oraz wiedzy w zakresie innych specjalności. Czyniąc pewne porównanie, można stwierdzić, że jeśli ktoś bada i zna prawa, które rządzą przepływem sygnałów elektrycznych w układach scalonych i w różnych innych elementach układów elektronicznych, to wcale nie znaczy, że będzie umiał zbudować efektywnie działający i odpowiednio niedrogi komputer. Również poznanie praw dotyczących reakcji chemicznych prowadzących do powstania polimeru nie wystarcza do zbudowania instalacji do syntezy. Poznanie praw podstawowych jest jednak konieczne. Pozwala bowiem na dostarczenie danych wyjściowych specjalistom w zakresie już nie nauki w ścisłym „anglosaskim” znaczeniu tego słowa (science), a w zakresie inżynierii. To oni dysponują wiedzą potrzebną do tego, aby zbudować instalacje przemysłowe i zaprojektować procesy technologiczne.

Jak daleka jest droga od badań podstawowych do prac związanych już z przemysłowym wytwarzaniem?

Często bardzo daleka. Jest to związane przede wszystkim ze skalą produkcji. Podczas badań podstawowych możemy zazwyczaj otrzymywać związki w ilościach od kilkudziesięciu mililgramów do kilku gramów. Na przykład w przypadku niektórych mikrosfer polimerowych do wytworzenia tylu cząstek konieczne jest użycie znacznych ilości rozpuszczalników (np. 10 l). Do wstępnych badań  prowadzących do zastosowań przemysłowych często potrzebne są znacznie większe ilości (np. kilkukilogramowe). Powstają wówczas istotne trudności z powiększeniem skali. Jeśli do syntezy 1 grama produktu konieczne jest użycie 10 l rozpuszczalnika, to do wytworzenia 1 kg potrzeba 1000 l. Niezbędny jest wtedy zakup dużego reaktora. Trzeba przygotować miejsce na jego zainstalowanie, rozwiązać problem regeneracji rozpuszczalnika. W takich pracach muszą uczestniczyć specjaliści w zakresie inżynierii procesowej. Powstają pytania z zakresu ekonomii. Po jakim czasie zwróci się koszt tej instalacji? Czy firma/instytucja prowadząca badania zdobędzie na nie środki? Czy starczy ich na doprowadzenie prac do momentu uzyskania pierwszych zysków?

Możliwe są również inne sytuacje. W niektórych wypadkach powstają produkty, które są niezwykle drogie i wytwarzane nawet w niewielkiej skali mogą przynosić znaczne korzyści. Na świecie znane są firmy, które w takiej produkcji się specjalizują. Bardzo namawiam kolegów, aby taką działalnością się zajęli. W instytucie mamy opracowane metody wytwarzania takich produktów. Młodzi ludzie często się takiej pracy boją. Boją się ryzyka. Nawet mając oferty pomocy, wskazówki i wsparcie, wolą stanowiska nawet nienajlepiej płatne, ale takie, gdzie sprawy administracyjne załatwia ktoś inny i nie muszą się czuć odpowiedzialni za ekonomiczny wynik całego przedsięwzięcia.

W jaki sposób dochodzi najczęściej do kontaktu z firmami zewnętrznymi lub przemysłem?

Często zajmujemy się doradztwem dotyczącym szczegółowych rozwiązań. Pracowaliśmy przez wiele lat na zlecenia dużych firm nie tylko z Polski, w tym tak ogromnych jak General Electric z USA. Warto pamiętać jednak, że w takiej współpracy firmy stawiają swoje warunki. Na przykład, General Electric jest zawsze właścicielem praw do wynalazków dokonanych podczas badań przeprowadzanych przez pracowników koncernu lub na jego zlecenie. Bezpośrednie korzyści wynalazców są symboliczne. W ostatnich latach, w przypadku General Electric to 1 dolar za udział w patencie.

Jak na świecie wygląda sprawa badań rozwojowych?

Jest problem skali i czasu. Kilkanaście lat temu nawet ogromne firmy, były firmami rodzinnymi. Działalność planowano w długiej perspektywie. Ojciec myślał o tym, co zostawi synowi, wnukom i dbał o długofalowe prace rozwojowe. Dzisiaj większość firm to spółki akcyjne, których zarządy zależne są od akcjonariuszy dbających o zyski w perspektywie miesięcy, a najdłużej roku lub dwóch. O wszystkim decyduje cena akcji. W rezultacie wiele dużych firm przestało inwestować w długofalowe badania wyprzedzające. Pieniądze są kierowane na badania krótkoterminowe umożliwiające wprowadzanie drobnych zmian przynoszących szybkie zyski, ale rzadko na prace prowadzące do nowatorskich rozwiązań, lecz takich, gdy na zyski (nawet bardzo duże) trzeba czekać. Świetnie to widać w przemyśle farmaceutycznym. Zupełnie nowe leki pojawiają się rzadko, bardzo często natomiast wprowadzane są drobne zmiany składu.

Realizujecie państwo między innymi projekt BIOPOL. Czego on dotyczy?

Koordynujemy badaniami w tym projekcie. Uczestniczą w nich również jeszcze koledzy z Instytutu Biopolimerów i Włókien Chemicznych, gdzie dyrektorem jest dr hab. Danuta Ciechańska oraz koledzy z Wydziału Chemii Politechniki Warszawskiej, gdzie pracami kierują panowie profesorowie Zbigniew Floriańczyk i  Ludwik Synoradzki. Zajmujemy się dwoma klasami polimerów – polilaktydem i poliestrami aromatyczno-alifatycznymi. Badania podstawowe polimeryzacji laktydu prowadziliśmy od blisko 40 lat. Poznaliśmy i zrozumieliśmy wiele aspektów tego procesu. Powstały więc podstawy do powiększenia skali. Projekt BIOPOL nam to umożliwił, ale tylko do wielkości, która nazywa się ćwierćtechniką. W zbudowanych urządzeniach, podczas jednej syntezy możemy wytwarzać do kilkudziesięciu kilogramów produktu. Do produkcji na skalę przemysłową droga jeszcze bardzo daleka. Roczna produkcja największej firmy amerykańskiej NatureWorks to 180 tys. ton.

Gdzie są prowadzone prace dotyczące syntezy polilaktydu i poliestrów aromatyczno-alifatycznych?

W ramach  projektu BIOPOL otrzymaliśmy środki na budowę dwóch ciągów instalacji. Jedna przeznaczona do wytwarzania polilaktydu jest zbudowana w Politechnice Warszawskiej. Druga zaś, dedykowana syntezie poliestrów aromatyczno-alifatycznych znajduje się w Instytucie Biopolimerów i Włókien Chemicznych (IBWCh – przyp. red.) w Łodzi. Można zapytać − dlaczego nie w łódzkim Centrum? Odpowiedź jest prosta −  nie jesteśmy inżynierami, którzy potrafią budować duże instalacje. W projekcie BIOPOL naszym zadaniem jest dostarczanie podstawowych informacji i wiedzy o reakcjach przebiegających podczas syntezy. Natomiast koledzy z Politechniki i z IBWCh na ich podstawie rozwiązują problemy dotyczące powiększenia skali syntez. Cały projekt trwał 4 lata, a suma jaką otrzymaliśmy w wyniku jego finansowania wynosiła 43 mln złotych. 

Jakie problemy można napotkać w trakcie produkcji polimerów?

W chemii polimerów głównym problem, któremu należy stawić czoła jest zmiana skali. Na przykład przejście z syntezy w małym reaktorze do syntez prowadzonych w urządzeniach o pojemności 30 l lub 100 l. W takim przypadku mamy do czynienia z dużą ilością powstającego polimeru. Trzeba wówczas rozwiązać problemy związane z czasem opróżniania reaktora z lepkiej substancji. W przypadku długich czasów, produkty wypływające na początku i na końcu opróżniania mogą mieć inny skład. Należy pamiętać o tym, że niezbędne jest prowadzenie procesu w sposób umożliwiający otrzymywanie identycznego produktu z całej syntezy.

Do czego można wykorzystać polilaktyd?

Znajduje on wiele zastosowań zastępując polimery wytwarzane z ropy naftowej. Mogą być z niego produkowane tkaniny, drobny sprzęt gospodarstwa domowego (np. butelki, różnego rodzaju pojemniki, noże i widelce  jednorazowego użytku), elementy samochodów, obudowy komputerów i smartfonów oraz wiele innych. Polilaktyd stosowany jest również do celów medycznych. O tym powiem za chwilę.

Jakie są jego zalety?

Główną jego zaletą jest możliwość kompostowania. Po bardzo niedługim czasie, mianowicie po około kilku miesiącach, ulega on całkowitej degradacji w kompoście. Poddawany jest przemianom biodegradacji, a jego rozkład zaczyna się wskutek reakcji z wodą. Mikrobiom występujący w środowisku jest w stanie przekształcić taki substrat na dwutlenek węgla i wodę. W innych przypadkach, gdy nie znajduje się w kompoście, jest bardzo trwałym produktem.

Dlaczego postanowili państwo się nim zajmować?

Odpowiedź jest prosta. Dzisiaj większość polimerów, z których wytwarzane są plastikowe torby i inne opakowania – polietylen, polistyren, polipropylen – jest produkowana z ropy naftowej. W jej przypadku nie mamy jeszcze do czynienia z wyczerpywaniem się źródeł. Problemem jest to, że ropa naftowa jest jednocześnie surowcem energetycznym. Napędza samochody oraz wykorzystuje się ją w elektrowniach. Kolejną specyficzną jej cechą jest to, że jest ona rozmieszczona bardzo nierównomiernie na świecie. Jeżeli więc na swoim terenie ropę naftową ma kraj bogaty i silny, to może wywierać wpływ na swoich sąsiadów decydując o tym, czy będzie ją sprzedawał i po jakiej cenie. Gdy występuje ona w krajach małych i słabych, to dostęp do tych źródeł próbują uzyskać kraje silne. Zauważmy, że gdy coś złego dzieje się w krajach, które nie mają ropy, nikt nie interweniuje, a w przypadku Bliskiego Wschodu jest odwrotnie. Do syntezy polimerów jest wykorzystywanych około 5% wydobywanej ropy naftowej, co nie jest dużą ilością. Ponieważ jej cena ze względu na podaż, popyt oraz ze względów politycznych rośnie, rosną także ceny w obszarze polimerów. Równie szkodliwe są szybkie fluktuacje cen. W ciągu roku kilkukrotnie ulegają one zmianom. Jak można zaplanować efekt gospodarczy, jeżeli się nie wie, jaka będzie cena surowca za kilka miesięcy? Często przy wytwarzaniu polimerów mamy do czynienia z takimi przedsięwzięciami, które planuje się z kilkuletnim wyprzedzeniem ze względu na, chociażby, budowę instalacji. Jak obliczyć koszt, jak obliczyć cenę, jak przewidzieć to, czy ten produkt znajdzie się na rynku i może być sprzedany?

A więc jaka jest przewaga polilaktydu pod tym względem?

Przewaga polilaktydu polega na tym, że można go wytwarzać z odpadów przemysłu spożywczego lub rolnego. Wynika to ze sposobu jego otrzymywania. Laktyd powstaje z dwóch połączonych w pierścień cząsteczek kwasu mlekowego. Kwas mlekowy jest otrzymywany ze skrobi, poprzez fermentację. Jest to podobny proces do fermentacji alkoholowej. Surowce są wszędzie tam, gdzie istnieje rolnictwo. W celu produkcji polilaktydu można również stosować materiały powszechnie używane do celów spożywczych, na przykład cukier. Na cukier „spożywczy” Unia Europejska nałożyła w Polsce kwoty, lecz nie na jego wykorzystanie przemysłowe. Pod względem możliwości fermentacji cukier i odpady buraczane są wspaniałym surowcem. Państwa nakładają także ograniczenia na produkcję materiałów niedegradowalnych. Obecnie można zaobserwować tendencje, aby dodawać do nich elementy powodujące ich utlenianie i rozkład. W tym celu stosuje się katalizatory utleniania zawierające metale, w tym metale ciężkie. Jeżeli na składowiskach będą się gromadziły coraz większe ilości takich polimerów, w konsekwencji nastąpi skażenie środowiska. Podsumowując, w każdym kraju można pozyskać surowce, syntetyzować polilaktyd i wytwarzać z niego produkty biodegradowalne.
W Polsce są obecnie prowadzone 3 cykle badań w tym zakresie. W Łodzi realizowany jest projekt o nazwie BIOMASA (koordynowany przez Politechnikę Łódzką), którego elementem jest opracowanie dogodnych sposobów wytwarzania kwasu mlekowego na drodze odpowiedniej fermentacji. Kończą się prace w zakresie projektu BIOPOL, a rozpoczynają się prace w ramach projektu LACMAN (Politechnika Warszawska i Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN).

Czy polilaktyd można wykorzystać w medycynie?

Tak, ponieważ jest biokompatybilny i degraduje w organizmach. Należy jednak mieć na uwadze fakt, że do zastosowań w medycynie potrzebny jest polilaktyd o odpowiednich właściwościach. Ponadto musi być on wytwarzany w warunkach zapewniających odpowiednią czystość. Należy również uzyskać certyfikaty pozwalające na użycie polimeru do konkretnych zastosowań medycznych. Różnica ceny polimeru używanego do celów medycznych od tego, który może zostać wykorzystany w przemyśle jest około 1000 razy większa.
Mamy warunki do produkcji polilaktydu w skali ćwierćtechnicznej. Planujemy zająć się jego certyfikacją. Jesteśmy w kontakcie z instytucjami przemysłowymi zainteresowanymi wykorzystaniem naszych pomysłów i wiedzy.

Polimery, o których wspominałem można stosować do produkowania nośników leków lub czasowych implantów oraz nici chirurgicznych. W ortopedii polimery są stosowane jako śruby i płytki wykorzystywane przy pewnego rodzaju uszkodzeniach kości. W momencie, gdy są wytwarzane z odpowiednio zaprojektowanych materiałów,  po czasie kilku do kilkunastu miesięcy znikają i nie muszą być usuwane, w przeciwieństwie do materiałów metalowych. Inny obszar zastosowań polilaktydu to produkcja degradowalnych stentów kardiologicznych zawierających uwalniane leki ograniczające komplikacje po zabiegach.

(prof. Stanosław Słomkowski, w tle: instalacja przeznaczona do produkcji poliestrów aromatyczno-alifatycznych znajdująca się w IBWCh)

Prof. dr hab. Stanisław Słomkowski jest dyrektorem Centrum Badań Molekularnych i Makromolekularnych PAN w Łodzi oraz kierownikiem Zakładu Inżynierii Materiałów Polimerowych CBMiM PAN.
Obecnie prowadzone przez prof. Słomkowskiego prace dotyczą badań podstawowych i stosowanych nano- i mikrocząstek polimerowych oraz związanych z nimi materiałów, które można wykorzystać w medycynie (szczególnie w diagnostyce medycznej, dostarczaniu leków i inżynierii tkankowej).