工厂与环境

日常生活中使用的衣物、 玩具、 药品乃至食品大多产自工厂。 科学家用“产业”统称工厂,并根据产品类型区分产业:例如化工产业生产几乎所有日用物品的材料,而作为化工分支的制药行业则专攻药物生产。 某些化工产业的运作方式酷似厨房:通过不同食材、 配方和设备制作特定食物,比如蛋糕 （图 1A）。 当食品需要长时间或高温烹制时,将消耗更多电力、 燃气或木材,增加二氧化碳排放量,加剧我们所熟知的全球变暖。

某些化工行业的生产方法也会消耗大量能源与材料 （图 1B）。 由于没有完美工艺,部分元素未能转化为有价值产品,并且经常产生废弃物。 以这种方式生产的产品缺乏可持续性, 会破坏地球环境。 在药品和疫苗生产中,重点往往在于拯救生命,通常会忽视废弃物数量和二氧化碳排放问题。 然而,随着地球气候逼近临界点,我们必须减少所有产品（包括必需品）生产过程中的材料消耗与排放。

第九项可持续发展目标 （产业、 创新和基础设施,简称 SDG 9） 是联合国为守护地球健康制定的 17 项目标之一 [1]。 该目标要求产业采用可持续经营方式,各国应投资改善道路、 桥梁等基础设施并提供清洁水、 高速网络等基础服务,以增强社区。 满足这些要求需要众多科技创新,并且鉴于气候变化的全球性,应确保所有国家都能从高效新技术中受益。 通过完善基础设施和支持创新,我们能创造更多就业岗位,支持企业发展,提升全民生活质量。 该领域的进步也会推动实现其他 SDG 目标,例如平价药物有助于实现 SDG 3 （确保健康生活）, 改进药物生产方法有助于实现 SDG 12 （确保可持续消费与生产）。

为支持 SDG 9, 产业应采取与家庭环保相似的行动:减量、 复用、 循环。 产业应减少产品制造中的能源与材料消耗, 产品使用后应可回收。 开发减量、 复用、 循环的新方法需要投入资金, 但如果什么也不做, 气候变化和环境破坏的恶果将使我们付出更高昂的代价。

制造技术的发展

科学技术在过去几年飞速发展。 如今常见的手机和互联网, 在你们祖辈和父辈的童年时期根本不存在。 工业设备造价昂贵, 使用寿命长达数十年。 如果机器的效率低而寿命长, 将会拖慢更新换代的节奏。 例如, 某些化肥生产设备通常会正常运转 40-50 年。 虽然各行业的机器和工艺升级速度不同, 但未来几年都需转向更可持续的方式。

以拥有数百万从业者的制药行业为例: 其产品让社会更健康、 人类寿命更长。 制药业生产我们生病时服用的药物, 其生产过程类似烹饪 （ 图 1）。 工厂使用名为“反应器”的容器 （相当于锅具）, 将各种化学品转化为药物。 这种转化需要时间, 通常会产生含有无益或无用化合物的混合物。 生产与提纯过程会消耗大量材料和资金, 还会产生大量废弃物:平均每售出1公斤药物, 就会产生超过 25 公斤废弃物 [2]。 特定疾病药物的生产环节更多, 通常会产生更多废弃物, 这也是药价昂贵的原因之一。 有没有更好的方法来生产人人所需的药物呢？

改进制造方式

要想让全球更多人获得药物, 就需要成本更低的可持续生产方式, 但我们不能牺牲质量:必须在降低制药成本的同时维持药品的质量、 安全性和疗效。 由于制药行业的质量标准极高, 生产时通常分阶段在不同反应器中进行化学转化 （ 图 2A）, 以免在发生工艺故障时损失全部原料, 也便于在出现不良反应时从市场撤回问题批次药品——这就是所有药盒都标有批号的原因。 名为“连续生产”的 新工艺通过其他方式控制反应和药品生产质量, 避免了批次生产模式 （图 2B） [4], 还能加快药物生产！ 但如何制造连续生产反应器呢？

3D 打印——制造技术新纪元

就像在做菜时把握风味一样, 某些化学反应难以精确控制。 例如, 温度过高易导致食物烧焦或风味不佳, 这是因为发生了不良化学反应。 在药物生产过程中, 如果温度控制不当, 可能会产生有毒化合物。 这仅是众多生产难题之一, 虽然现在有一些解决方案, 但大多需要消耗更多资源或延长工期, 导致产品价格高昂。

图 3 展示了我们研发的分形反应器 [3]。 分形是一个数学概念, 指由重复图案组成的形状（如树木分枝结构）。 分形反应器能以更快、 更可持续的方式生产特定药物。 最妙的是我们可以轻松调整反应器形状, 从而优化反应器结构, 减少制造产品时的资源和能源消耗。

3D 打印可为涉及复杂反应的连续生产工艺打造分形反应器, 其一大优势在于能制造出以往无法实现的复杂结构。 我们的研究团队通过开发新型反应器来控制复杂反应, 例如以更安全的方式处理危险酸类, 并且设备体积较以往更紧凑 [4]。 这就像挑选服装, 我们根据具体情境挑选合适的尺寸与特性！ 毕竟没必要穿西装打领带去冲浪！

未来产业

产业是人类福祉的支柱和社会发展的基石。 SDG 9 旨在推动各国全力提升所有产业的可持续性。 3D 打印等新技术可帮助产业以更少资源、 更少废弃物和更少碳排放制造产品。 在制药行业, 3D 打印可在保障质量的同时加快重要药物的生产速度。 我们可通过选择以可持续方式生产的产品给予支持。 大家还可以发挥想象力, 提出更能造福地球与人类的制造方式！

术语表

产业 (Industries): ↑ 生产产品或服务的“工厂”。

药物 (Pharmaceutical): ↑ 用于医疗目的的任何药物。

可持续 (Sustainable): ↑ 通过减少材料消耗、 重复利用资源以及将旧物转化为新产品的方式帮助地球减轻负担。

基础设施 (Infrastructure): ↑ 保障组织良好运转的基础系统与服务。

反应器 (Reactors): ↑ 通过混合物质创造新物质的专用机器, 通常需在高温下运转。

提纯提纯 (Purification): ↑ 从混合物中筛选所需成分的过程。

连续制造 (Continuous Manufacturing): ↑ 永不停止地重复制造相同产品的生产方式。

分形反应器 (Fractal Reactor): ↑ 一种具有多弯道结构的装置, 通过增加物质碰撞频率生成新物质。

分子 (Molecule): ↑ 任何物质的最小单元 （H₂O 代表一个水分子）。

3D打印 (3D Printing): ↑ 依照计算机设计图逐层堆叠制造实物的技术, 类似用积木搭建房屋。

利益冲突声明

作者声明本研究不涉及任何潜在商业或财务关系。

致谢

谨向阿卜杜拉国王科技大学 （KAUST） 的 Ruben Costa 与 Nicki Talbot 致以诚挚谢意, 感谢他们在初始撰写和审校阶段提供的宝贵支持, 本系列的完成离不开他们的专业贡献。 同时向联合国开发计划署沙特阿拉伯国家办公室表示谢意, 感谢他们始终致力于提升公众对联合国可持续发展目标 （SDG） 的认知, 共同推动世界走向更可持续的未来。 本研究项目由 KAUST 资助。 作者感谢 Ana Bigio 绘制 图 1、 2。

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