Automatisierung komplexer chemischer Syntheseverfahren am Beispiel eines Oligosaccharid-Syntheseautomaten

Abstract

Diese Arbeit beschreibt eine neue technische Methode zur Automatisierung komplexer chemischer Prozesse. Die vorgestellten Konzepte und Verfahren konnten durch den eigenverantwortlichen Aufbau von drei Oligosaccharid-Syntheseautomaten, deren Bereitstellung und dauerhaften Einsatz im Laborbetrieb bewiesen werden. Alle gerätetechnischen Komponenten wurden au handelsüblichen Standards entwickelt, die zur Verwendung im Syntheseautomaten erweitert und angepasst wurden. Der Geräteentwicklung liegt dabei ein vollständig soft-, als auch hardwareseitig modularisiertes Konzept zugrunde. In der dezentralen Gerätesteuerung arbeiten die realisierten Zustandsmaschinen der einzelnen Gerätekomponenten autonom ihre übergebenen Aufgaben ab. Die übergreifende Kommunikation findet über Befehlswarteschlangen und dynamische Ereignisstrukturen statt. Dies führt zu extrem hoher Systemstabilität und Fehlertoleranz im Synthesebetrieb. Die fehlerfreie Ausführung von Langzeitsynthesen ermöglicht die wiederholte Herstellung komplexer, langkettiger Strukturen (20-mer, 30-mer, sowie 50-mer). Mit über 250 h kontinuierlicher Synthesezeit entstand das im Augenblick längste automatisiert synthetisierte Polysaccharid. Die Systeme zeichnen sich aus durch einfache Bedienbarkeit, geringen Einarbeitungsaufwand, leichte Integration neuer Prozess-Schritte, sowie eine sichere und funktional geführte Synthesedefinition und Herstellung von Oligo- und Polysaccharid-Synthesen aus eingekoppelten Monomeren. Schwerpunkte der technischen Realisation waren Optimierung der Syntheseeffizienz, Verbesserung der Reproduzierbarkeit, sowie die flexible Erweiterbarkeit des Gerätekonzepts. Es entstand eine Universalplattform, deren gesamtes Prozessmanagement nicht auf Oligo-/Polysaccharide beschränkt ist, sondern mit Anpassung der Steuerungsmodule und modularer Erweiterung der Versorgungskomponenten, auch Peptide, DNA, etc. sowie Kombinationen davon synthetisieren kann. Verschiedene im System implementierte Schnittstellen ermöglichen übergreifende Interaktionen zu den Forschungsgebieten der Chemometrik, der physikalischen Chemie sowie der Chemoinformatik. Die Weiterentwicklungsmöglichkeiten als multidisziplinäre, interoperable, vernetzte Plattform, welche anforderungsbezogen beliebige Moleküle synthetisieren kann, werden im Kapitel Zukunftsaussicht in der abschließenden Konzeptstudie beschrieben. Die dezentrale, autonome Steuerungsarchitektur, sowie die streng definierten Anwendungsebenen des realisierten Synthesizers, ermöglichen weltweit erstmalig die Hardwaresteuerung direkt aus einem Chemieprogramm (ChemDraw) durch Aufstellen der Reaktionsgleichung. Das Konzept des cyberphysischen „Chemie-Systems“ implementiert aktuelle technologische Entwicklungen zum Aufbau einer umfassenden Synthese- / Moleküldatenbank. Unter Verwendung des „maschinellen Lernens“, können Methoden und Verfahren zur Prozessoptimierung und kybernetischen Modellbildung für die Simulation und Vorhersage chemischer Reaktionen zum Einsatz kommen.

This thesis describes a new technical method for the automation of complex chemical processes. The presented concepts and procedures could be proved by the self-responsible construction of three oligosaccharide synthesis machines, their provision and permanent use in the laboratory. All device components were developed from commercially available standards that have been extended and adapted for use in the synthesizer. Device development is based on a completely soft- as well as hardware-based modularized concept. In the decentralized device control, the realized state machines of the individual device components work autonomously on their transferred tasks. The overall communication takes place via command queues and dynamic event structures. This leads to extremely high system stability and fault tolerance in the synthesis mode. The error-free execution of long-term syntheses allows the repeated production of complex, long-chain structures (20-mer, 30-mer such as 50-mer). With over 250 h of continuous synthesis time, the longest automated synthesized polysaccharide was produced on the automatic synthesizer. The systems are characterized by simple operation, low training period, easy integration of new process steps, as well as a safe and functionally guided synthesis definition and production of oligo and polysaccharide syntheses from monomers. The focus of the technical realization was optimization of the synthesis efficiency, improvement of the reproducibility, as well as the flexible extensibility of the device concept. The result is a universal platform whose overall process is not limited to oligosaccharides / polysaccharides. With adaptation of the control modules and modular extension of the supply components, the synthesis of peptides, DNA and combinations thereof is also possible. Various interfaces implemented in the system enable cross-functional interactions with the research areas of chemometrics, physical chemistry and chemoinformatics. In the final concept study, the further development possibilities are described as a multidisciplinary, interoperable, networked platform that can synthesize any desired molecules. The decentralized, autonomous control architecture, as well as the strictly defined application levels of the realized synthesizer, enable at the first time a hardware control directly from a chemistry program (ChemDraw) by setting up the reaction equation. The concept of the cyber-physical "chemistry system" implements current technological developments to build a comprehensive synthesis and molecular database. Using "machine learning", methods and procedures for process optimization and cybernetic modeling can be used to simulate and predict chemical reactions.