Hai lĩnh vực hóa học quá trình và hóa học môi trường có cùng mục đích chung là tạo ra ít phề thải và phát thải hơn, giảm xuống tối thiểu tiêu thụ nguyên liệu và năng lượng, vận hành an toàn hơn trong các điều kiện ít độc hại hơn. 

Ngày nay, đứng trước những thách thức về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững các công ty sản xuất dược phẩm đang ngày càng quan tâm hơn đến việc lựa chọn các chất phản ứng, dung môi và các quá trình phản ứng để phát triển các quá trình sản xuất sạch hơn.

Lượng phế thải trong sản xuất dược phẩm tương đối lớn.  Tuy sản lượng các loại thuốc hàng năm chỉ bằng một phần nghìn sản lượng các hóa chất thông dụng, nhưng tỷ lệ phế thải sinh ra (một trong những thước đo hiệu quả quá trình) lại cao hơn nhiều, khoảng 25 - 100 kg phế thải/ kg sản phẩm. 

Mối quan tâm của ngành sản xuất dược phẩm đối với hóa học xanh đã tăng mạnh từ cuối thập niên 1990. Từ đó đến  nay các nguyên tắc của hóa học xanh đã được áp dụng rộng rãi và nhiều trường hợp thành công đã nổi lên.

Những nguyên tắc đó là: bền vững về môi trường, hiệu quả về kinh tế và trách nhiệm xã hội. Trong thời gian cuộc khủng hoảng tài chính toàn cầu vừa qua và bất chấp áp lực về năng suất cao, các công ty dược phẩm vẫn tiềp tục thực hiện các chương trình hóa học xanh của mình. Năm 2005, các hãng dược phẩm Pfizer, Merck, Lilly và Viện Hóa học xanh của Hội Hóa học Mỹ đã lập ra Hội nghị Bàn tròn dược phẩm với mục đích hỗ trợ việc kết hợp hóa học xanh với sản xuất dược phẩm. 

Cho đền nay đã có10 hãng dược phẩm lớn tham gia chương trình này. Các hãng thành viên đã phát triển các chương trình riêng của mình, đồng thời chia sẻ kinh nghiệm và phương pháp làm việc. 

Hội nghị bàn tròn này đã trợ cấp hơn 650.000 USD cho các nhà khoa học để tìm ra các giải pháp hóa học xanh trong sản xuất dược phẩm. Bản thân các công ty cũng tạo ra các công cụ riêng để các nhà khoa học của họ có thể sử dụng khi áp dụng các nguyên tắc hóa học xanh trong nghiên cứu và phát triển dược phẩm.

Năm 2006, Hội nghị bàn tròn dược phẩm nêu một nghiên cứu so sánh bằng cách sử dụng hệ số cường độ vật chất của quá trình do các thành viên cùng nhau thiềt lập. 

Kết quả của nghiên cứu đã xác nhận dung môi là nguồn phề thải chính trong sản xuất dược phẩm, chúng chiếm hơn 50% cường độ vật chất được sử dụng trong quá trình sản xuất các thành phần  có hoạt tính dược học. 

Từ đó, các nhà nghiên cứu đã xếp loại các dung môi dựa trên các tác động của chúng đối với sức khỏe, môi trường và an toàn nhằm mục đích định hướng việc sử dụng các dung môi thích hợp hơn. Đồng thời, các thành viên Hội nghị bàn tròn dược phẩm đã tìm cách gây ảnh hưởng đến các nhà sản xuất dung môi nhằm thúc đẩy họ đưa ra thị trường các loại dung môi “xanh” hơn. 

Mặt khác, các hãng dược phẩm cũng đã lập ra hướng dẫn lựa chọn các chất phản ứng xét về các mặt như độ an toàn, khả năng nâng cấp quy mô sản xuất, khả năng ứng dụng chung.

Khi áp dụng các phản ứng “xanh” hơn và hiệu quả hơn, các công ty sản xuất dược phẩm không những phải xem xét việc giảm lượng phế thải mà còn phải xem xét lượng nguyên liệu đựoc sử dụng và bản chất của những gì đựoc tạo ra. 

Trong quá trình sản xuất các hợp chất dược phẩm mới, nhiều công ty đã đặt ra các mục tiêu căn cứ theo những thước đo như hệ số hiệu quả quá trình, tỷ lệ phế thải và hiệu suất khối lượng quá trình. Ví dụ, Công ty GlaxoSmithKline đã lập ra bộ chỉ số sinh thái để lựa chọn các nguyên liệu cơ bản và dung môi theo các nguyên tắc hóa học xanh và công nghệ xanh cũng như các quy định pháp lý đối với hóa chất. 

Ngoài ra, Công ty còn đưa ra bộ công cụ đánh giá nhanh tác động, cho phép sàng lọc các phưong pháp tổng hợp căn cứ theo tác động đối với môi trường trong thời gian tuổi thọ của sản phẩm. GlaxoSmithKline đã sử dụng các công cụ trên để so sánh các quy trình hóa học với các quy trình sử dụng xúc tác enzym khi sản xuất axit 7-aminocephalosporic. 

Các ước tính ban đầu cho thấy quy trình hóa học có hiệu suất cao hơn, nhưng quy trình xúc tác sinh học có hiệu quả cao hơn về mặt tiêu thụ năng lượng, nguyên liệu, và mức phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính thấp hơn. 

Tương tự, tại GlaxoSmithKline một quy trình mới để sản xuất thuốc điều trị bệnh tiểu đường trong giai đoạn thử nghiệm II đã được áp dụng trên quy mô lớn, thay thế cho quy trình về sử dụng nhiều năng lượng và nguyên liệu. Hiệu suất thu được không chỉ cao hơn 37%, mà tiêu thụ năng lượng còn giảm hơn một nửa và tiêu thụ dung môi giảm 81%, đồng thời lượng nước thải giảm 30%. 

Quy trình mới này sẽ tiết kiệm cho Công ty hơn 175 triệu USD mỗi năm về mặt chi phí nguyên liệu và chi phí xử lí phế thải. Giảm sử dụng dung môi và tái sử dụng phế thải.

Các nhà nghiên cứu luôn tìm kiếm các cơ hội để thu hồi hoặc tái chế các dòng phế thải trong sản xuất dược phẩm. Với những công cụ sàng lọc và đánh giá mới, họ có thể hiểu rõ những gì mà các quá trình sản xuất sẽ tạo ra và tìm cách thu hồi một số phế thải để cung cấp cho các lĩnh vực sản xuất khác, ví dụ cung cấp dung môi cho sản xuất sơn. 

Tại Hãng dược phẩm Pfizer, lượng dung môi clorofom sử dụng trong năm 2008 đã giảm 98%, từ năm 2005 hãng cũng đã ngừng sử dụng dung môi disopropyl, giảm 60% lượng sử dụng dung môi diclometan. Những động lực chính đối với Pfizer trong nỗ lực giảm sử dụng dung môi này là giảm chi phí sản xuất, đặc biệt là chi phí xử lí phề thải, và giảm xuống tối thiểu tác động đối với môi trường trong quá trình sản xuất.

Trong quá trình sản xuất Lyrica (sản phẩm bán chạy thứ hai của hãng), tất cả các bước sản xuất đều được thực hiện trong môi trường nước. Đây là quy trình sử dụng enzym đã được trao giải thưởng về môi trường. Nhờ quy trình này mà từ 2007 đến 2020 Pfizer có thể tránh được hơn 200.000 tấn phế thải là hóa chất hữu cơ, áp dụng hóa học xanh từ nghiên cứu đến sản xuất. 

Từ năm 2001, các sáng kiến về hóa học xanh của Pfizer đã liên kết các chuyên gia và các nhà hóa học trong lĩnh vực sản xuất dược phẩm, họ đã tạo ra một mạng lưới toàn cầu các nhà hóa học xanh với những chương trình có mục đích ảnh hưởng và thay đổi quan điểm trong ngành, làm cho hóa học xanh trở thành một phần của công việc hàng ngày. 

Các nhóm nghiên cứu cũng đề ra các giải pháp tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường, đặc biệt đối với các quy trình sản xuất thế hệ hai, được phát triển sau khi các quy trình thế hệ đầu đã được chấp thuận và áp dụng trong sản xuất. 

Họ tìm cách cải thiện các sản phẩm và thực hiện các thay đổi cơ bản ngay trong thời gian được bảo hộ sáng chế ban đầu. Các công nghệ và phương pháp mới lần lượt được đưa ra để ứng dụng sản phẩm một cách hợp lí, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí. Phần lớn các công ty dược phẩm đi theo xu hướng hóa học xanh sẵn sàng thực hiện các quá trình thay đổi đối với sản phẩm trong quá trình phát triển lâm sàng giai đoạn II, tức là trước khi công bố các thành phần hóa học để xin phép lưu hành sản phẩm.

Nhìn chung, sản phẩm của họ trải qua quá trình nghiên cứu và triển khai cùng với những nguyên tắc hóa học xanh. Tính chất thân thiện môi trường của quá trình sản xuất được đánh giá ở các cấp khác nhau ngay trong quá trình phát triển loại thuốc mới. 

Đồng thời, các nhà sản xuất thuốc hết hạn bảo hộ sáng chế cũng đang tìm cách áp dụng các nguyên tắc hóa học xanh, đặc biệt là khi các phương pháp thân thiện môi trường cũng mang lại hiệu quả kinh tế do giảm chi phí nguyên liệu và chi phí xử lí môi trường.

Tại Ấn Độ (cùng với Trung Quốc là nơi có nhiều nhà sản xuất thuốc giá rẻ), chi nhánh của Viện hóa học xanh thuộc Hội hóa học Mỹ đã thành lập Trung tâm Hóa học xanh tại Niu Đêli với mục đích hỗ trợ phát triển hóa học xanh. Công ty Newreka của Ấn Độ mới đây đã được giải thưởng hóa học xanh của Trung tâm do cung cấp cho các nhà sản xuất dược phẩm các công nghệ thân môi trường và các giải pháp làm sạch để tái chế dung môi. 

Công ty cũng tập trung vào việc sử dụng các xúc tác sắt trong các điều kiện nhẹ nhàng để thay thề các xúc tác độc hơn trong các quá trình khử, nitrat hóa và axetylat hóa. Các quá trình của Công ty có tốc độ chuyển hóa và tính chọn lọc cao hơn, nhờ đề tạo ra ít phế thải hơn và các dung dịch thải cũng dễ xử lí hơn. Ví dụ, một quá trình khử của Công ty cho phép tái sử dụng 25 lần dung dịch phản ứng với thành phần chính là nước.

Newreka và các nhà cung ứng công nghệ khác đã tìm cách đáp ứng nhu cầu công nghệ mới bằng cách chuyển từ phòng thí nghiệm sang các ứng dụng thương mại trong sản xuất dược phẩm. Ban đầu, việc áp dụng công nghệ xanh có thể sẽ tốn kém do chi phí phát triển và mở rộng sản xuất. Nhưng sau khi đi vào sản xuất ổn định, công nghệ xanh cho phép phát triển sản xuất một cách bền vững với chi phí ngày càng giảm. Trong khi đó, những nhà sản xuất không đầu tư vào hóa học xanh thì lúc đầu có thể sản xuất với giá thành thấp nhưng chi phí khắc phục các hậu quả môi trường sẽ ngày càng cao, khiến cho chi phí sản xuất ngày càng tăng, quá trình sản xuất sẽ trở nên không bền vững. Một trong những xu hướng hóa học xanh hiện nay là việc sử dụng ngày càng tăng các xúc tác hóa sinh trong sản xuất dược phẩm quy mô lớn cũng như việc áp dụng các quá trình sản xuất liên tục và các thiềt bị phản ứng cỡ micro.

Ví dụ, Công ty Pháp Novasep đã phát triển các thiết bị phản ứng cỡ micro, cho phép thực hiện phản ứng an toàn hơn và dễ thao tác hơn, tính chọn lọc cao hơn, tạp chất ít hơn nên giảm các bước làm sạch cuối dòng. Công ty cũng phát triển quy trình sắc kí liên tục, cho phép giảm lượng dung môi làm sạch và có thể tái chế hầu như toàn bộ dung môi nếu kết hợp với các phương pháp cô dung môi có hiệu quả. Nhờ áp dụng quy trình UCB dùng để tách các chất đồng phân đối ảnh, Công ty có thể tái chế 99,97% dung môi trong khi sản xuất hàng trăm tấn thuốc mỗi năm. Đối với các quy trình tách quy mô nhỏ, Novasep sử dụng hỗn hợp CO2 tái chế và dung môi hữu cơ 2 - 20%. Công nghệ này rất phù hợp cho các phòng thí nghiệm điều chế nhỏ với sản lượng từ vài gam đến vài kg, phục vụ nhu cầu phát triển hóa chất.

Tuy ngành sản xuất dược phẩm đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong xu hướng hóa học xanh, nhưng vẫn còn nhiều cơ hội để đổi mới và còn nhiều lĩnh vực cần được cải tiến. Việc xử lí các dung môi cả về mặt chất lượng và khối lượng chỉ mới là những bước đi đầu tiên. Những yêu cầu ngày càng cao đang đòi hỏi các giải pháp sáng tạo hơn để đáp ứng mục tiêu phát triển bền vững của ngành. Mặt khác, cũng có thể đạt được nhiều tiến bộ chỉ đơn giản bằng cách làm cho mọi người nhận thức rõ hơn về hóa học xanh và thay đổi các thói quen cũ.