值得关注的绿色化学趋势：CAS Insights 网络研讨会要点
全球各国政府正为达成环境与健康目标，限制或禁用某些特定物质。科学家们在应对日益复杂的可持续性挑战的同时，也面临着需更快产出成果的巨大压力。近期举办的 CAS Insights 网络研讨会汇聚了行业领袖与教育工作者，共同探讨绿色科学趋势如何重塑各科学领域的研究与开发。
在此次题为《值得关注的绿色化学趋势：CAS Insights 网络研讨会要点》的网络研讨会中，Amy Cannon 博士（Beyond Benign 联合创始人兼执行董事）、Dan Bailey（武田制药副研究员）以及 Leighton Jones（CAS 材料领域首席信息科学家）探讨了机械化学、水基反应及人工智能如何变革传统化学工艺，并应对关键的可持续性指标。
教育推动绿色化学领域的创新
该机构由 Cannon 博士与绿色化学领域创始人之一 John Warner 博士共同创立，致力于弥合化学家所受培训与开发可持续化学品所需技能之间的差距。Cannon 指出，约 85% 的化学专业毕业生进入化学行业，但许多人缺乏关键的核心能力。
根据 Beyond Benign 的调查，受访行业专业人士反映难以招聘到具备绿色化学技能的科学家。所需的核心能力清单日益扩展，包括生命周期评估、技术经济评估、毒理学以及在研究环境中如何应用绿色化学原则。
该组织的“绿色化学承诺”项目已扩展至全球超过 260 所大学。该项目近期荣获英国皇家化学会颁发的“地平线教育奖”，以表彰所有参与机构的集体工作。此外，Beyond Benign 通过与 ACS 绿色化学研究所共建的“绿色化学教学社区”平台，提供开放式的教育资源。
Cannon 强调，绿色化学代表的是一种范式的转变，而非一个独立的学科。这被证明具有挑战性，因为变革需要专业发展、时间和资源，而教育工作者们已然面临着繁重的工作负担。
通过设计实现可持续性，以最大程度降低制药业的环境影响
Bailey 毕业于布朗大学，拥有化学与人类学双学士学位，他领导着武田的“设计实现可持续性”项目。该项目专注于在产品设计阶段就将环境影响最小化，因为产品约 80% 的终身环境影响在此阶段就已确定。
Bailey 解释道：“我认为这在制药行业尤为明显，因为这是一个受到高度监管的行业。一旦新药或新产品获得卫生监管机构的批准，再想对产品本身或其生产方式做出改动就变得极其困难。”一旦药品获批，任何改动都需要在多个国家进行资源密集型的监管审批，这使得药品在其 15 至 20 年的生命周期内所产生的环境影响也被随之锁定。
武田公司已承诺实现宏大的环境目标，包括在 2035 年前实现运营及设施的净零排放，并在 2040 年前实现整个价值链的净零排放。“设计实现可持续性”项目通过整体审视活性成分、制剂、包装及医疗器械，将这些企业目标转化为针对具体药品的可执行策略。
生命周期评估帮助团队理解从资源开采到生产、分销、患者使用直至废弃处理的全程环境影响。Bailey 的团队发现，不同类型的药品具有显著不同的环境影响因素。对于合成分子药物，其制造过程中使用的材料构成了最大的环境足迹。行业基准数据显示，生产一公斤活性成分平均需要 182 公斤材料，这意味着投入物中仅有不足 1% 成为产品，而 99% 则转化为废弃物。在合成分子药物的生产过程中，溶剂约占废弃物总质量的 60%。
通过细胞培养生物工艺生产的生物制剂则呈现出不同的模式。维持洁净室环境的生产设施能耗是其环境影响的主要来源。尽管生物制剂每公斤产品需要约 7,500 公斤的物料投入，但其中大约 95% 是水。
机械化学与水化学正在挑战既有的行业实践
两位讨论嘉宾均认为，机械化学及以水为介质/载体的化学反应是令人振奋的绿色科学趋势，因为它们挑战了关于化学反应如何发生的基本假设。Cannon 强调道：“我认为多年来我注意到的一个最大误解是，许多人没有看到绿色化学如何与他们的工作相关联，或者他们认为这与自己的工作无关”，并指出绿色化学适用于所有化学子学科。
Bailey 指出，武田已在“水化学”领域探索了约八年，并在实施这些方法方面取得了重大进展。“有机溶剂是我们生产产品过程中观察到的最大热点问题之一。因此，任何能减少有机溶剂使用的举措都能产生非常、非常大的影响，”他解释道。水化学能轻松适配现有设备，因为它主要是在保持相似工艺的基础上，用水替代有机溶剂。
机械化学则需要使用不同类型的设备，而制药公司可能缺乏操作这类设备的经验。尽管使用挤出机和连续珠磨机的研究已显示出潜力，但如何安全地放大机械化学工艺规模仍是待解之题。尽管面临这些挑战，武田公司仍维持着在机械化学领域的合作伙伴关系，因为这项技术为减少有机溶剂消耗提供了巨大潜力。
Cannon 反思了这些趋势如何代表对既有实践的根本性质疑。她提到了辛辛那提大学 James Mack 的研究，后者阐述了化学家如何在特定的框架内接受训练，主要是学习将原料溶解在溶剂中。“这一领域的所有科学家都在审视这一点并发出疑问：‘我们真的需要溶剂吗？我们还能如何让这些材料发生反应？还存在哪些其他形式的能量？’”她说，“我认为，这正是创新诞生的时刻。”
人工智能加速可持续发展
武田已在可持续工艺开发的多个维度成功应用人工智能。Bailey 描述了贝叶斯优化器如何与中通量或高通量筛选相结合，帮助团队快速确定最优反应条件。基于人工智能的分析方法已取得有趣成果，其中包括一个与麻省理工学院团队合作开发的机器学习模型，该模型仅使用相机和激光便能测量粉末的粒度分布。
Bailey 与 Cannon 均强调，预测毒理学是人工智能在绿色化学界日益受到重视的领域。化学家通常缺乏毒理学培训，而相关知识对分子设计至关重要。他们强调了这一知识对材料选择决策的重要性，因为该决策最终可能影响大规模生产。
采取行动，迈向可持续的化学行业
两位讨论嘉宾在总结时，均鼓励化学行业的每一位从业者思考其工作如何影响环境可持续性。Bailey 承认当前面临的环境挑战，同时也强调了其中蕴含的创新机遇。Cannon 表达了同样的观点：“我认为关键在于找到自己可以付诸行动的那一步。我们这一领域需要这样的挑战，也离不开每个人的参与。”
此次网络研讨会展示了绿色科学趋势如何从实验室技术延伸至企业战略，从课堂教育覆盖到法规遵从。正如 Cannon 所言，化学作为一门中心科学，拥有影响众多其他领域的巨大潜力；更全面地承担起这份责任，将极大地推动可持续性运动的发展。
观看完整的网络研讨会
如要了解讨论嘉宾的更多见解，观看完整的网络研讨会录像。您将更深入地了解绿色科学趋势如何塑造各科学领域的研究与开发。
