Technisches Kernsystem der automatisierten geschlossenen Festphasen-Peptidsynthese
Die Realisierung der automatisierten, geschlossenen Festphasen-Peptidsynthese beruht auf dem Zusammenspiel dreier zentraler technischer Systeme: Anlagen, Prozess und Steuerung. Diese drei Komponenten bilden zusammen einen geschlossenen Produktionskreislauf. Das zentrale technische System, das in Verbindung mit industriellen Verfahren Bedienbarkeit und Standardisierung vereint, um den Anforderungen der industriellen Produktion gerecht zu werden, wird im Folgenden beschrieben.
Geschlossenes Reaktionsanlagensystem
Als Kernstück der Produktion muss die Anlage die Anforderungen an geschlossene Systeme, Korrosionsbeständigkeit, einfache Reinigung und Skalierbarkeit erfüllen. Zu den wichtigsten Komponenten gehören geschlossene Festphasensynthese-Reaktoren, Reagenzienlager- und -zufuhrsysteme, Abwasserbehandlungssysteme und Schutzgasanlagen. Der geschlossene Festphasensynthese-Reaktor besteht aus hochborosilikathaltigem Glas oder einer korrosionsbeständigen Legierung und ist mit einem hochpräzisen Rührwerk ausgestattet. Asymchem hat die Struktur des Rührflügels mithilfe von LBM-basierter numerischer Simulationssoftware optimiert. Dies gewährleistet eine gute Suspension und Durchmischung von Harz und Reaktanten, verhindert gleichzeitig übermäßige Scherkräfte, die das Harz beschädigen könnten, und eignet sich für Elution, Druckfiltration, Entladung und andere mehrstufige Prozesse. Die Reagenzienlagertanks sind geschlossen und verfügen über Füllstandsüberwachung und Druckregelungsmodule, um eine automatische, quantitative Reagenzienzufuhr zu gewährleisten und Leckagen zu verhindern. Die Schutzgasanlage leitet Stickstoff in das Reaktionssystem ein, um Luft zu verdrängen, die Oxidation von Aminosäuren zu verhindern und die Syntheseeffizienz sowie die Produktreinheit sicherzustellen. Das Abwasserbehandlungssystem ist hermetisch mit dem Synthesereaktor verbunden, um eine automatische Sammlung und umweltgerechte Behandlung der Abwasserflüssigkeit zu gewährleisten und somit die Umweltschutzauflagen zu erfüllen. Darüber hinaus ist ein hochmodernes Anlagenteil mit einem UV-Online-Überwachungssystem ausgestattet, das den Status der Aminosäurekupplungsreaktion in Echtzeit überwacht, eine zeitnahe Anpassung der Prozessparameter ermöglicht und die Syntheseerfolgsrate erhöht.
Automatisiertes Prozesssystem
Basierend auf dem klassischen Festphasensyntheseverfahren (Fmoc- oder Boc-Methode) wurde der automatisierungsangepasste Prozess optimiert. Dieser umfasst im Wesentlichen die Harzaktivierung, die Aminosäurekupplung, die Entschützung, das Waschen, die Abspaltung und die Reinigung. Die Fmoc-Methode hat sich aufgrund ihrer milden Reaktionsbedingungen und der hohen Entschützungseffizienz zum Standardverfahren für die automatisierte, geschlossene Produktion entwickelt. Kern des Verfahrens ist die Schutzgruppenbildung am N-Terminus der Aminosäuren mit einer Fmoc-Schutzgruppe, die Aktivierung der Carboxylgruppe mit einem Kupplungsreagenz und die anschließende Kondensationsreaktion mit der Aminogruppe am Harz, wodurch die Peptidkette schrittweise verlängert wird. Nach jedem Kupplungsschritt wird die Fmoc-Schutzgruppe mit Piperidin abgespalten, und der nächste Kupplungszyklus wird durchgeführt, bis die Peptidsynthese abgeschlossen ist. Die Boc-Methode eignet sich für die Synthese einiger kurzer Peptide und wird aufgrund ihrer hohen Ausbeute weiterhin von einigen Unternehmen eingesetzt. Im Hinblick auf die Anforderungen der automatisierten Produktion liegt der Fokus der Prozessoptimierung auf Standardisierung und Programmierbarkeit. Beispielsweise werden die Dosierung der Kupplungsreagenzien, die Reaktionstemperatur und die Reaktionszeit optimiert, um Nebenreaktionen zu reduzieren. Durch die Anwendung eines Gradientenwaschverfahrens werden nicht umgesetzte Aminosäuren und Reagenzverunreinigungen gründlich entfernt. Die Abspaltungsbedingungen werden optimiert, um eine effiziente Abspaltung der Peptidketten vom Harz zu erreichen, den Peptidkettenabbau zu reduzieren und Produktausbeute und -reinheit zu verbessern. Darüber hinaus lässt sich der gesamte Prozess von der Harzquellung bis zur Peptidfällung mithilfe der chemischen Beschreibungssprache χdl standardisieren. Dies ermöglicht die automatisierte Synthese komplex modifizierter Peptide und überwindet den technischen Engpass der automatisierten Festphasenpeptidsynthese (SPPS).
Intelligentes Steuerungssystem
Das Kernstück für eine automatisierte und präzise Produktion bildet die Integration von SPS-Steuerung, Host-Software, Prozessleitsystem (DCS) und Online-Überwachungssystem. Dadurch werden ein unbemannter Betrieb und die vollständige Prozesskontrolle des gesamten Produktionsablaufs gewährleistet. Die SPS-Steuerung regelt den Betrieb jeder einzelnen Anlage und steuert präzise Schlüsselparameter wie Reagenzmenge, Reaktionstemperatur, Rührgeschwindigkeit und Reaktionszeit mit einer Genauigkeit von ±1 %. Die vom technischen Team eigenständig entwickelte Host-Software ist nahtlos mit der Steuerung verbunden und basiert auf formelbasierter Automatik. Sie erkennt den Interaktionszustand zwischen Synthesizer und Hilfsanlagen und bestimmt automatisch Zufuhrzeitpunkt und -menge. So wird die unbemannte Produktion der gesamten Festphasensynthese ermöglicht.
Das DCS-Verknüpfungssystem verbindet die gesamte Anlagensteuerung (DCS, SPS und Festphasen-Host-Software) und beseitigt so Informationsinseln im Steuerungsprozess. Dadurch wird eine durchgängige Anlagensteuerung realisiert. Asymchem nutzt dieses System für die konstante Druckzufuhr im Lösungsmitteltankbereich und die automatische Entnahme im Abfallflüssigkeitstankbereich. Der Festphasensynthesereaktor kann Lösungsmittel automatisch aus dem Tankbereich anfordern. Sobald der Flüssigkeitsstand im Tankbereich einen Grenzwert überschreitet, schaltet der Reaktor automatisch in den Haltezustand, um die Produktionssicherheit zu gewährleisten. Das Online-Überwachungssystem überwacht Parameter wie Temperatur, Druck, pH-Wert und Peptidkettenkonzentration des Reaktionssystems in Echtzeit. Bei Abweichungen alarmiert das System automatisch und passt die Parameter an, um Produktionsausfälle und fehlerhafte Produkte zu vermeiden. Gleichzeitig werden Produktionsdaten erfasst, um die Rückverfolgbarkeit des Produktionsprozesses zu gewährleisten und die GMP-Anforderungen zu erfüllen.