Načrtovanje študij poskusov (DoE)

Načrtovanje poskusov (DoE) je statistični pristop k optimizaciji reakcij in procesov, ki omogoča spreminjanje različnih dejavnikov hkrati s ciljem pregleda reakcijskega prostora za optimalne vrednosti.

V kemijskem razvoju se študije DoE uporabljajo za pospešitev optimizacije reakcije, saj omogočajo oceno velikega števila reakcijskih parametrov v majhnem številu poskusov. V zadnjih nekaj letih se je DoE uporabljal za izvajanje kakovosti po zasnovi (QbD) v raziskavah in razvoju ter proizvodnji. V farmacevtskem QbD je razumevanje izdelka in procesa ključnega pomena za zagotavljanje kakovosti proizvedenega izdelka. 

Prednost uporabe načrtovanja poskusov (DoE) v kemijskem razvoju je, da se lahko hkrati oceni več vhodnih parametrov ali "dejavnikov", kot so temperatura, surovina in koncentracija, da se pojasnijo pogoji, v katerih lastnosti izdelka ali "odzivi", kot so donos, selektivnost in raven nečistoč, dosežejo optimalno vrednost. 

Ker študije DoE običajno zahtevajo manj eksperimentalnih ponovitev, lahko DoE povzroči:

• Boljše razumevanje procesov v krajšem času
• Krajši razvojni cikli v proizvodnji

V študiji načrtovanja poskusov (DoE) se dejavniki, ki jih zanima, sistematično spreminjajo od najnižje do najvišje vrednosti, vse možne kombinacije faktorjev pa se izvajajo v istem nizu poskusov.

V trifaktorskem DoE z dvema nivojema (glej graf na desni) so lahko vrednosti predstavljene v kocki, kjer vogali prikazujejo osem preskusnih pogojev. V popolni faktorski zasnovi se dobljeni preskusni pogoji izračunajo v skladu z 2^3 = 8  preskusnimi pogoji, ki dobijo osem različnih rezultatov.

Primer na desni prikazuje shematski primer popolne faktorske zasnove DoE, ki vodi do osmih različnih rezultatov preskusa z eno optimalno vrednostjo (tj. podatki, označeni z rdečo).

Podatki, ki izhajajo iz študije DoE, se uporabljajo za izdelavo matematičnih funkcij, ki najbolje opisujejo razmerje med dejavniki in izmerjenimi odzivi. Te enačbe so lahko prvega, drugega ali višjega reda, odvisno od tega, kako se odzivi odzivajo na spremembe dejavnikov.

Matematični model z y = odziv (npr. donos) in xn = vhodni faktorji in βn = funkcijski koeficienti.

Odziv (y) se lahko nariše na eno ali dve vhodni spremenljivki (x), da se zgradi tako imenovana odzivna površina v dveh ali treh dimenzijah. 

Cilj optimizacije sintetične reakcije je najti največjo vrednost funkcije (optimum), ki daje najboljše želene rezultate. Metodologija odzivne površine (RSM) uporablja podatke, ki jih ustvari DoE, in vizualno prikazuje odvisnost odziva (donosa) od treh dejavnikov (temperatura, vhodna snov in doziranje katalizatorja; glej primer grafa). RSM je koristen za natančnejše modeliranje ukrivljenosti okoli optimalne reakcije. Procesni kemiki lahko globlje razumejo proces in identificirajo regijo, v kateri procesni pogoji izpolnjujejo enega ali več ciljev, kot so povečanje donosa ali optimizacija stroškov.

Z RSM lahko iz majhnega števila poskusov ustvarimo veliko količino informacij, reakcijo in optimizacijo procesov pa lahko izvedemo v krajšem času.

Ključna zahteva pri načrtovanju eksperimenta za DoE je vzpostavitev zanesljivosti in obnovljivosti sistema. To se doseže z zmanjšanjem tveganja napak pri merjenju in natančnim nadzorom vseh parametrov, da se zagotovijo ponovljivi pogoji. Pri kemijski sintezi mora eksperimentalna postavitev zagotoviti, da so meritve in nadzor parametrov, kot so temperatura, mešanje, vzorčenje in odmerjanje snovi, natančne in da je ponovljivost poskusov do poskusov visoka.

Poleg tega morajo izbrani faktorji načrtovanja poskusov (DoE) predstavljati parametre, ki imajo najmočnejši vpliv na eksperimentalne rezultate. Razpon parametrov od najnižje do najvišje vrednosti mora biti realističen in mora pokrivati najširši možni razpon, saj ekstrapolacija zunaj projektnega prostora v DoE ni dovoljena.

Na tej sliki reaktor za kemično sintezo EasyMax natančno sledi nastavljeni temperaturi, medtem ko težko nadzorovana bučka z okroglim dnom kaže kontrolno spremembo okoli 27 °K med minimumom in maksimumom.

Avtomatizirani reaktorji za kemično sintezo zagotavljajo boljše rezultate, kar vodi do natančnejših študij načrtovanja poskusov.

Pri pripravi kakovostnih študij DoE ima lahko oprema za ročno sintezo, vključno z bučkami z okroglim dnom, potencialne omejitve:

• Natančen nadzor ključnih parametrov, kot so temperatura, mešanje in doziranje v strogih omejitvah, je med reakcijo težaven
• Ponovljivost poskusa je ogrožena
• Beleženje vseh sprememb reakcijskih parametrov in analitičnih rezultatov med poskusom je okorno in nagnjeno k napakam
• Ročno vzorčenje reakcij za pridobivanje podatkov o reakciji ni mogoče ponoviti in potrebuje veliko časa operaterja

Slika je bila reproducirana z dovoljenjem Carona, Stéphana in Nicholasa M. Thomsona. "Farmacevtska procesna kemija: razvoj sodobnega laboratorijskega okolja, bogatega s podatki." Revija za organsko kemijo 80.6 (2015): 2943-2958. Avtorske pravice 2015 Ameriško kemijsko društvo."

Peptidi so kompleksne molekule, ki se sintetizirajo v več korakih s številnimi možnimi stranskimi reakcijami. Da bi takšne procese izvajali ekonomično, mora biti vsak korak optimiziran in ima za posledico vsaj 98-odstotni donos.

Cilj študije DoE je bil optimizirati donos izdelka s sistematičnim spreminjanjem štirih procesnih parametrov: temperature, dodajanja topil, koncentracije vode in peptida. 

Študija kaže pomen ponovljive spremembe in nadzora faktorjev DoE, kot so segrevanje, hlajenje in dodajanje reaktantov, kot tudi nadzor eksperimentalnih pogojev (npr. z doslednim mešanjem reakcijske mase). 

Načrtovanje poskusov se uporablja za različne aplikacije, vključno z:

• Kemična sinteza
• Procesi kristalizacije 
• Sintezne reakcije
• Identifikacija polimorfizma
• Reakcije polimerizacije
• Reakcije hidrogeniranja
• Biokataliza in encimska kataliza
• Kemija pretoka
• Nadaljnja obdelava
• Virusna inaktivacija v bioprocesiranju

Za merjenje in nadzor več sklopov reakcijskih parametrov v DoE z visoko stopnjo zanesljivosti in ponovljivosti imajo reaktorji za kemično sintezo odločilne prednosti.

Ročne študije DoE z več kot dvema dejavnikoma zahtevajo velik eksperimentalni napor, saj je treba vse parametre spremljati hkrati v daljšem reakcijskem času. Reaktorji za kemično sintezo pomagajo natančno nadzorovati vse parametre hkrati, kar ima za posledico kakovostne rezultate DoE, ki se zabeležijo in jih je mogoče enostavno pridobiti za nadaljnjo obdelavo podatkov. Prav tako programska oprema iControl zagotavlja pravočasne prilagoditve posameznih dejavnikov v skladu s protokolom DoE, z enostavno ponovno uporabo protokolov v nadaljnjih poskusih.

Z uporabo reaktorjev za kemično sintezo EasyMax lahko vsak znanstvenik uživa v poskusih brez nadzora s širšim obsegom uporabe, primernim za študije DoE za hitro odkrivanje novih sintetičnih poti.

Kemični reaktorji pomagajo znanstvenikom hitro raziskovati več procesnih parametrov hkrati, zaradi česar je odlično orodje za študije DoE. Zagotovljena je edinstvena funkcionalnost in nabor aplikacij:

• Merjenje temperature od -80 °C do 180 °C
• Odmerjanje tekočin s hitrostjo odmerjanja med 1 in 50 ml/min z visoko natančnostjo
• Avtomatizirano vzorčenje reakcij iz suspenzij in večfaznih reakcij s programom EasySampler
• Učinkovito mešanje vseh vrst reakcij za izvajanje študij mešanja
• Oblika reakcijske posode zajema prostorninsko območje od 0,5 ml do 1000 ml
• Integracija sond PAT, vključno z ReactIR, ReactRaman, ParticleTrack in EasyViewer za izvajanje podatkovno bogatih študij DoE

Načrtovanje eksperimenta (DoE) je statistično uporabno sredstvo za zmanjšanje števila poskusov, potrebnih za raziskovanje učinka spremenljivk na uspešnost reakcij v laboratoriju, vendar je povečanje rezultatov DoE v proizvodnjo polno težav. Na primer, študije DoE  običajno ne upoštevajo učinka mešanja in prenosa toplote, kritičnih parametrov pri povečanju. Modeliranje Dynochem omogoča upoštevanje pomembnih fizikalnih in toplotnih lastnosti pri povečanju. Ko se kinetične informacije uporabljajo z modeliranjem Dynochem, se lahko določijo ustrezne končne točke vzorčenja za DoE, s čimer prihranimo čas in vire. Tako modeliranje Dynochem izboljšuje razvoj kritičnih procesnih parametrov in učinkovitega prostora za načrtovanje procesov.  

Inovacije so izziv, ko oprema omejuje eksperimentalne možnosti. Kompleksnost sintetične kemije se vsak dan povečuje. Ta bela knjiga obravnava, kako se kemiki odzivajo z inovativnimi tehnikami, ki vključujejo:

• Avtomatizirano načrtovanje in izvedba odzivov
• Popoln zajem podatkov za vsak preizkus
• Orodja za sintezo, ki rešujejo pogoste eksperimentalne probleme

Če želite izvedeti, kako lahko pametna orodja za sintezo v kombinaciji z zmogljivostmi digitalizacije laboratorijev spremenijo kemični razvoj, prenesite belo knjigo "Sodobni laboratorij za sintezo: novo delovno mesto za kemike". 

• Lucks, Sandra in Heiko Brunner. "In situ je nastal paladij na aluminijevem fosfatu kot katalitični sistem za pripravo β, β-diarylatiranih olefinov z Matsuda-Heckovo reakcijo." Raziskave in razvoj organskih procesov 21.11 (2017): 1835-1842.
• Monnaie, Didier, Lonza Peptide, Braine, "Hitra in učinkovita kemijska sinteza in optimizacija, podprta z načrtovanjem poskusov (DoE)", spletni seminar METTLER TOLEDO, 2017.
  
• Van der Eycken Francis, METTLER TOLEDO, "Inovativne tehnike za sintezo prebojnih molekul", bela knjiga (2015).
  
• Georgakis, C. (2013). "Načrtovanje dinamičnih poskusov: podatkovno vodena metodologija za optimizacijo časovno spremenljivih procesov." Raziskave industrijske in inženirske kemije 52: 12369-12382.
  
• P. M. Murray et al., "Uporaba optimizacije reakcij načrtovanja poskusov (DoE) in izbire topil pri razvoju nove sintetične kemije", Org. Chem., 2016, 14 strani, 2373-2384.
  
• Načrtovanje poskusov (DoE) in optimizacija procesov. Pregled nedavnih publikacij. Org. Proces Res. Dev., 2015, 19 (11), str. 1605–1633.