ออกแบบการทดลอง

การออกแบบการทดลอง (DoE) คือวิธีการทางสถิติของการเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาและกระบวนการที่มีความหลากหลายของปัจจัยต่างๆ พร้อมกัน โดยมีเป้าหมายคือการคัดกรองพื้นที่เกิดปฏิกิริยาสำหรับค่าที่เหมาะสมที่สุด

ในการพัฒนาทางเคมี การออกแบบการทดลอง (DoE) ได้กลายเป็นวิธีการอ้างอิงในการเร่งการเพิ่มประสิทธิภาพของปฏิกิริยา เนื่องจากวิธีนี้อนุญาตให้มีการประเมินพารามิเตอร์ปฏิกิริยาจำนวนมากในการทดลองไม่กี่ครั้ง ตลอดหลายปีที่ผ่านมา ได้มีการนำ DoE มาใช้เพื่อปรับใช้คุณภาพตามการออกแบบ (QbD) ไปใน R&D และการผลิต ใน QbD ของยาและเวชภัณฑ์ การทำความเข้าใจผลิตภัณฑ์และกระบวนการนั้นสำคัญมากต่อการรับประกันคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ผลิต 

ข้อดีของการใช้ การออกแบบการทดลอง (DoE) ในการพัฒนาทางเคมีคือ พารามิเตอร์รับเข้าหลายค่า หรือ "ปัจจัยต่างๆ” เช่น อุณหภูมิ วัตถุดิบ และ ความเข้มข้น สามารถประเมินพร้อมกันได้เพื่ออธิบายสภาวะต่างๆ ที่คุณลักษณะของผลิตภัณฑ์ หรือ "การตอบสนอง” เช่น ผลที่ได้ ความเลือกเฉพาะ และ ระดับความไม่บริสุทธิ์มีค่าที่เหมาะสมที่สุด 

เนื่องจากการศึกษา DoE มักจะต้องการการทดลองซ้ำจำนวนน้อยกว่า DoE จึงสามารถให้ผลลัพธ์ต่อไปนี้

• การทำความเข้าใจกระบวนการได้ดียิ่งขึ้นในเวลาน้อยลง
• วงจรการพัฒนาที่สั้นลงในการผลิต

ในการศึกษาการออกแบบการทดลอง (DoE) ปัจจัยที่น่าสนใจจะแตกต่างกันอย่างเป็นระบบ ตั้งแต่ค่าต่ำสุดถึงค่าสูงสุดและปัจจัยแบบผสมผสานที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะดำเนินการด้วยการทดลองชุดเดียวกัน

ใน DoE แบบสามปัจจัยที่มีสองระดับ (ดูกราฟทางด้านขวา) ค่าต่างๆ อาจแสดงเป็นค่ายกกำลังสาม ขณะที่ตรงมุมแสดงสภาวะการทดสอบแปดแบบ ในการออกแบบการทดลองเชิงแฟกทอเรียล จะคำนวณสภาวะการทดสอบที่เป็นผลลัพธ์ตาม 2^3 = 8  ของสภาวะการทดสอบที่ให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันแปดแบบ

ตัวอย่างทางด้านขวาแสดงให้เห็นตัวอย่างแผนผังของการออกแบบการทดลองเชิงแฟกทอเรียล DoE แบบสมบูรณ์ ซึ่งนำไปสู่ผลลัพธ์การทดสอบที่แตกต่างกันแปดแบบ  โดยมีค่าที่เหมาะสมที่สุดเพียงค่าเดียว (เช่น ข้อมูลที่เน้นด้วยสีแดง)

ข้อมูลที่เป็นผลลัพธ์จากการศึกษา DoE มักนำมาใช้ในการสร้างฟังก์ชันทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยต่างๆ และการตอบสนองที่ได้รับการตรวจวัดได้ดีที่สุด สมการเหล่านี้อาจเป็นอันดับหนึ่ง อันดับสอง หรือสูงกว่า โดยขึ้นอยู่กับวิธีที่การตอบสนองทำปฏิกิริยากับความเปลี่ยนแปลงในปัจจัยต่างๆ

แบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่มี y=การตอบสนอง (เช่น ผลที่ได้) และ xn=ปัจจัยค่านำเข้า และ βn=ค่าสัมประสิทธิ์ของตัวแปร

โดยสามารถลงจุดการตอบสนอง (y) เทียบกับตัวแปรป้อน (x) หนึ่งหรือสองตัวในการสร้างสิ่งที่เรียกว่าพื้นผิวตอบสนองในระนาบสองหรือสามมิติ 

เป้าหมายของการเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาการสังเคราะห์คือการหาค่าสูงสุดของฟังก์ชัน (ค่าที่เหมาะสมที่สุด) ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจที่สุด วิธีการพื้นผิวตอบสนอง (RSM) ใช้ประโยชน์จากข้อมูลที่ได้จาก DoE และแสดงด้วยภาพให้เห็นการพึ่งพาของการตอบสนอง (ผลที่ได้) กับปัจจัยสามอย่าง (อุณหภูมิ วัตถุตั้งต้น และปริมาณตัวเร่งปฏิกิริยา ดูกราฟตัวอย่าง) RSM เป็นประโยชน์ต่อการทำแบบจำลองที่แม่นยำขึ้นของความโค้งรอบๆ ค่าการเกิดปฏิกิริยาที่เหมาะสมที่สุด นักเคมีด้านกระบวนการผลิตสามารถทำความเข้าใจกระบวนการได้ลึกขึ้นและระบุบริเวณที่สภาวะของกระบวนการเป็นไปตามเป้าหมายหนึ่งๆ หรือมากกว่า เช่น การเพิ่มขึ้นของผลที่ได้หรือการปรับให้เหมาะสมกับต้นทุน

RSM ช่วยให้สร้างข้อมูลปริมาณมากจากการทดลองเพียงไม่กี่ครั้งได้และสามารถดำเนินการเพิ่มประสิทธิภาพปฏิกิริยาและกระบวนการได้ในเวลาที่สั้นลง

ข้อกำหนดหลักของการออกแบบการทดลองสำหรับ DoE คือการสร้างความน่าเชื่อถือและความสามารถในการทำซ้ำของระบบ ซึ่งทำได้โดยการลดความเสี่ยงของข้อผิดพลาดในการตรวจวัดและการควบคุมพารามิเตอร์ทั้งหมดอย่างแม่นยำเพื่อรับประกันว่าจะมีสภาวะที่ทำซ้ำได้ ในการสังเคราะห์ทางเคมี การติดตั้งอุปกรณ์ขณะทดลองจำเป็นต้องมีการตรวจวัดและการควบคุมพารามิเตอร์ เช่น อุณหภูมิ การคนสาร การสุ่มตัวอย่าง และการกำหนดปริมาณสารถูกต้องและการทดลองเพื่อทดลองความสามารถในการทำซ้ำนั้นสูง

นอกจากนี้ ปัจจัยการออกแบบการทดลอง (DoE) ที่เลือกควรแสดงถึงพารามิเตอร์ที่มีอิทธิพลสูงที่สุดต่อผลลัพธ์ของการทดลอง พารามิเตอร์ที่มีขอบเขตจากค่าต่ำสุดจนถึงค่าสูงสุดควรสมเหตุสมผลและจำเป็นต้องครอบคลุมขอบเขตที่กว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เนื่องจากไม่อนุญาตให้มีการประมาณค่านอกช่วงพื้นที่ของการออกแบบใน DoE

ในรูปนี้ เครื่องปฏิกรณ์ในการสังเคราะห์ทางเคมี EasyMax เป็นไปตามอุณหภูมิที่กำหนดอย่างถูกต้อง ขณะที่ความยากในการควบคุมขวดปริมาตรก้นกลมแสดงให้เห็นความแปรผันของการควบคุมที่ประมาณ 27 °K ระหว่างค่าต่ำสุดและค่าสูงสุด

เครื่องปฏิกรณ์ในการสังเคราะห์ทางเคมีแบบอัตโนมัติให้ผลลัพธ์ที่ดีกว่า ซึ่งนำไปสู่การศึกษาการออกแบบการทดลองที่แม่นยำขึ้น

ในการติดตั้งอุปกรณ์ขณะศึกษาทดลอง DoE ที่มีคุณภาพ อุปกรณ์สังเคราะห์แบบแมนนวล รวมถึงขวดปริมาตรก้นกลมอาจมีข้อจำกัดบางประการ ดังนี้

• การควบคุมพารามิเตอร์หลักอย่างแม่นยำ เช่น อุณหภูมิ การคนสาร และการกำหนดปริมาณภายใต้ข้อจำกัดที่เข้มงวดเป็นเรื่องยากในระหว่างการเกิดปฏิกิริยา
• ความสามารถในการทำซ้ำของการทดลองลดลง
• การบันทึกความแปรผันของพารามิเตอร์ปฏิกิริยาและผลลัพธ์การวิเคราะห์ทั้งหมดในระหว่างการทดลองนั้นจัดการได้ยากและมีแนวโน้มว่าจะเกิดข้อผิดพลาด
• การสุ่มตัวอย่างการเกิดปฏิกิริยาแบบแมนนวลเพื่อให้ได้ข้อมูลการเกิดปฏิกิริยาไม่สามารถทำซ้ำได้และเจ้าหน้าที่ปฏิบัติงานต้องใช้เวลามากขึ้น

รูปภาพพิมพ์ซ้ำโดยได้รับการอนุญาตจาก Caron, Stéphane, and Nicholas M. Thomson "เคมีในกระบวนการผลิตยาและเวชภัณฑ์: พัฒนาการของสภาพแวดล้อมห้องปฏิบัติการร่วมสมัยที่มีข้อมูลมหาศาล" The Journal of Organic Chemistry 80.6 (2015): 2943-2958 สงวนลิขสิทธิ์ 2015 American Chemical Society"

เปปไทด์เป็นโมเลกุลเชิงประกอบที่ได้รับการสังเคราะห์ในหลายขั้นตอน โดยอาจมีปฏิกิริยาข้างเคียงเกิดขึ้นจำนวนมาก เพื่อดำเนินการกระบวนการดังกล่าวอย่างประหยัด ทุกขั้นตอนต้องได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพและต้องมีผลที่ได้อย่างน้อย 98%

เป้าหมายของการศึกษา DoE คือการเพิ่มประสิทธิภาพผลิตภัณฑ์ที่ได้โดยใช้ความแปรปรวนแบบเป็นระบบของพารามิเตอร์กระบวนการสี่ค่า: อุณหภูมิ การเพิ่มตัวทำละลาย น้ำ และความเข้มข้นของเปปไทด์ 

การศึกษานี้แสดงให้เห็นความสำคัญของความเปลี่ยนแปลงและการควบคุมปัจจัยของ DoE ที่ทำซ้ำได้ เช่น การอบชุบ การระบายความร้อน การเติมสารตั้งต้น รวมถึงการควบคุมสภาวะการทดลอง (เช่น ผ่านการรวมตัวอย่างสม่ำเสมอของมวลการเกิดปฏิกิริยา) 

มีการใช้การออกแบบการทดลองสำหรับการใช้งานมากมาย ซึ่งประกอบด้วยการดำเนินการต่อไปนี้

• การสังเคราะห์ทางเคมี
• กระบวนการ ตกผลึก
• การเกิดปฏิกิริยาการสังเคราะห์
• การระบุลักษณะเฉพาะของภาวะพหุสัณฐาน
• การเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน
• การเกิดปฏิกิริยาไฮโดรจีเนชัน
• การเร่งปฏิกิริยาด้วยตัวเร่งชีวภาพและเอนไซม์
• กระบวนการทางเคมี
• การตรวจสอบชีวกระบวนการ

เครื่องปฏิกรณ์ในการสังเคราะห์ทางเคมีจะมีข้อดีที่แน่นอนเพื่อให้สามารถตรวจวัดและควบคุมชุดพารามิเตอร์ปฏิกิริยาหลายชุดใน DoE ที่มีความน่าเชื่อถือและความสามารถในการทำซ้ำระดับสูง

การศึกษา DoE แบบแมนนวลที่มีปัจจัยมากกว่าสองอย่างจำเป็นต้องใช้ความพยายามในการทดลองอย่างสูง เนื่องจากจำเป็นต้องตรวจสอบพารามิเตอร์ทุกค่าพร้อมกันตลอดเวลาการเกิดปฏิกิริยาที่ยาวนาน เครื่องปฏิกรณ์ในการสังเคราะห์ทางเคมีช่วยในการควบคุมพารามิเตอร์ทุกค่าได้อย่างแม่นยำ ขณะเดียวกันก็ส่งผลให้ได้ผลลัพธ์ DoE ที่มีคุณภาพที่ได้รับการบันทึกและสามารถเรียกดูได้อย่างง่ายดายสำหรับการประมวลผลข้อมูลเพิ่มเติม นอกจากนี้  ซอฟต์แวร์ iControl ยังรับประกันการปรับปัจจัยแต่ละอย่างในเวลาที่เหมาะสม ตามเกณฑ์ DoE ด้วยการทดลองที่ง่าย และทำซ้ำได้ในภายหลังของเกณฑ์ต่างๆ

การใช้เครื่องปฏิกรณ์ในการสังเคราะห์ทางเคมี EasyMax ทำให้นักวิทยาศาสตร์ทุกทำการทดลองได้โดยไม่ต้องมีการควบคุมดูแลและมีขอบเขตการใช้งานที่กว้างขึ้นได้ ซึ่งเหมาะกับการศึกษา DoE เพื่อการค้นพบเส้นทางการสังเคราะห์ใหม่ๆ อย่างรวดเร็ว 

เครื่องปฏิกรณ์ในการสังเคราะห์ทางเคมี EasyMax ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สำรวจพารามิเตอร์กระบวนการหลายค่าพร้อมกันได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งทำให้เป็นเครื่องมือที่สมบูรณ์แบบสำหรับการศึกษา DoE โดยมีการทำงานและการตั้งค่าการใช้งานเฉพาะดังนี้

• การตรวจวัดอุณหภูมิตั้งแต่ -40 °C ถึง 180 °C
• การจ่ายของเหลวที่อัตราการจ่ายสารระหว่าง 1 ถึง 50 มิลลิลิตร/นาทีด้วยความแม่นยำสูง
• การสุ่มตัวอย่างการเกิดปฏิกิริยาอัตโนมัติจากการแขวนลอยและการเกิดปฏิกิริยาแบบหลายระยะด้วย EasySampler
• การคนสารของการเกิดปฏิกิริยาทุกประเภทอย่างมีประสิทธิภาพเพื่อศึกษาการรวมตัว
• รูปร่างภาชนะของการทำปฏิกิริยาครอบคลุมปริมาณตั้งแต่ 0.5 มิลลิลิตร ถึง 1000 มิลลิลิตร
• การรวมโพรบ PAT รวมถึง ReactIR, ReactRaman, ParticleTrack และ ParticleView เพื่อศึกษา DoE ที่มีข้อมูลมหาศาล

นวัตกรรมจะกลายเป็นเรื่องท้าทายเมื่อเครื่องมือจำกัดโอกาสในการทดลอง สารเคมีสังเคราะห์มีความซับซ้อนเพิ่มขึ้นทุกวัน เอกสารไวท์เปเปอร์นี้จะพูดถึงว่านักเคมีรับมือโดยใช้เทคนิคที่ทันสมัยอย่างไร ซึ่งประกอบด้วย

• การวางแผนและการดำเนินการทำปฏิกิริยาแบบอัตโนมัติ
• การดำเนินการเก็บรวบรวมข้อมูลสำหรับทุกการทดลองให้ครบถ้วน
• อุปกรณ์การสังเคราะห์ที่ช่วยขจัดปัญหาในการทดลองที่พบบ่อย

ดาวน์โหลดเอกสารไวท์เปเปอร์ “ห้องปฏิบัติการด้านการสังเคราะห์ที่ทันสมัย: สถานที่ปฏิบัติงานแห่งใหม่สำหรับนักเคมี” เพื่อศึกษาว่าเครื่องมือการสังเคราะห์อัจฉริยะซึ่งผสานรวมเข้ากับความสามารถของระบบดิจิทัลในห้องปฏิบัติการสามารถเปลี่ยนแปลงการพัฒนาทางเคมีได้อย่างไร 

• Lucks, Sandra และ Heiko Brunner “แพลเลเดียมที่เกิดขึ้นในแหล่งกำเนิดบนอะลูมิเนียมฟอสเฟตโดยเป็นระบบเชิงเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเตรียมผลิตภัณฑ์ปิโตรเคมีขั้นต้นกลุ่มโอเลฟินส์เบต้าและโอเลฟินส์เบต้าไดแอรีลเลทเท็ดโดยการเกิดปฏิกิริยา Matsuda–Heck" การวิจัยและการพัฒนากระบวนการอินทรีย์ 21.11 (2017): 1835-1842.
• Monnaie, Didier, Lonza Peptide, Braine "การสังเคราะห์ทางเคมีและการปรับให้เหมาะสมที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพที่สนับสนุนโดยการออกแบบการทดลอง (DoE)" การสัมมนาออนไลน์ METTLER TOLEDO, 2017
  
• Van der Eycken Francis, METTLER TOLEDO, "เทคนิคเชิงนวัตกรรมในการสังเคราะห์โมเลกุลครั้งสำคัญ", เอกสารไวท์เปเปอร์ (2015)
  
• Georgakis, C. (2013). "การออกแบบการทดลองแบบไดนามิก: วิธีการที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูลสำหรับการปรับกระบวนการที่เวลาแปรเปลี่ยนให้เหมาะสม" การวิจัยทางเคมีของอุตสาหกรรมและวิศวกรรม 52: 12369-12382
  
• P. M. Murray และคณะ "การใช้งานการออกแบบการทดลอง (DoE) ในการเพิ่มประสิทธิภาพการเกิดปฏิกิริยาและการเลือกตัวทำละลายในการพัฒนาเคมีสังเคราะห์แบบใหม่", Org. Biomol. Chem., 2016, 14 หน้า, 2373-2384
  
• การออกแบบการทดลอง (DoE) และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการ การทบทวนสิ่งตีพิมพ์ล่าสุด Org. การพัฒนาการวิจัยกระบวนการ, 2015, 19 (11), หน้า 1605–1633