Automatisierte chemische Synthese - Zuverlässige Herstellung und zügiger Erkenntnisgewinn

Eine der modernsten Infrastrukturen zur automatischen Prozessführung in der Chemie baut das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) gemeinsam mit der BASF SE auf: Die Anlage wird zunächst neue Substanzen parallelisiert für Anwendungen in Bereichen von Biologie bis Materialwissenschaften herstellen. Langfristig wird die Anlage auch ein Hochdurchsatzverfahren für chemische Reaktionen ermöglichen. In dieses Projekt investiert das KIT rund vier Millionen Euro. Die Anlage ist in der Karlsruhe Nano Micro Facility (KNMFi) angesiedelt und wird internen sowie externen Forschenden offenstehen.

Die Entwicklung von automatisierten Anlagen für chemische Reaktionen zum Herstellen neuer Materialien für verschiedene Anwendungen in Biomedizin, Pharmazie, Elektronik und vielen weiteren Bereichen ist Ziel von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern weltweit. „Solche Syntheseanlagen erlauben es, chemische Reaktionen dank automatisierter Abläufe reproduzierbar und standardisiert durchzuführen, ohne dass Menschen Chemikalien ausgesetzt werden“, erklärt Professor Stefan Bräse, Direktor am Institut für Biologische und Chemische Systeme (IBCS) des KIT. „Zudem erhöhen automatisierte Prozesse den Durchsatz von Reaktionen und damit die Effizienz der Forschungsvorhaben. Dies führt schneller zu neuen Erkenntnissen.“

Das KIT investiert in den kommenden zwei Jahren rund vier Millionen Euro in die Entwicklung einer Anlage zur automatisierten Synthese von neuen chemischen Substanzen. Die Anlage wird in der KNMFi angesiedelt, um interessierten internen wie externen Forscherinnen und Forschern dauerhaft Zugang zu einer der modernsten Infrastrukturen zur automatischen Prozessführung in der Chemie zu ermöglichen. Als strategischer Partner wird die BASF in der Anlage Projekte beispielsweise zur Identifizierung neuer Wirkstoffe für die Landwirtschaft durchführen.

Modularer Aufbau erleichtert künftige Erweiterungen

In diesem Vorhaben fließen mehrere Projekte zusammen, die Forschende im Arbeitskreis von Stefan Bräse und weitere Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des KIT vorbereitet haben. Die Anlage wird, wo immer möglich, Komponenten freier Hardware und Software integrieren, um eine transparente Entwicklung und eine spätere Nutzung auch durch andere Forschende zu ermöglichen. Zudem werden die einzelnen Komponenten des Systems modular zusammengefügt, sodass sich künftige Erweiterungen unkompliziert verwirklichen lassen. Das KIT ist in verschiedenen Konsortien der Nationalen Forschungsdateninfrastruktur (NFDI) engagiert, insbesondere auch in der auf Chemie spezialisierten NFDI4Chem. Eine enge Abstimmung mit den Konsortien und die Implementierung der in der NFDI4Chem entwickelten Software und Standards innerhalb der Anlage wird eine langfristig nachhaltige Forschung gewährleisten und die Bereitstellung von Forschungsdaten nach gängigen Best Practice-Modellen fördern.

Prozessführung, Robotik, Softwareentwicklung und Konstruktion wirken zusammen

Zunächst soll die Syntheseanlage auf Vorhaben in der organisch-synthetischen Chemie ausgerichtet werden: Sie soll kleine organische Moleküle von rund zehn Milligramm bis zu mehreren Hundert Milligramm herstellen, beispielsweise für chemische Zwischenprodukte oder pharmazeutische Wirkstoffe. Künftig soll die Anlage aber auch flexibel genutzt werden können und Reaktionen in kleinem Maßstab durchführen, damit Forschende in einem parallelisierten Verfahren viele Reaktionen gleichzeitig untersuchen können. Für beide Anwendungsfälle bringt die BASF weitreichende Expertise in das Projekt ein, denn das Unternehmen betreibt bereits eine automatisierte Hochdurchsatz-Plattform an seinem Hauptstandort in Ludwigshafen. „Wir freuen uns sehr auf die Zusammenarbeit mit den beteiligten Gruppen des KIT“, sagt Andy Wieja, Team Leader Combinatorics & Thermal Characterization bei der BASF. „Die Entwicklung neuer Technologien am KIT wird neue Impulse für die Synthesevorhaben und Prozessautomation in der BASF liefern und so die Forschung und Entwicklung für künftige Innovationen beschleunigen.“ 

Das Projekt bringt Expertinnen und Experten für Prozessführung, Robotik, Softwareentwicklung und Konstruktion zusammen, um modernste Technologien und etablierte Prozesse zu kombinieren. Weitere Partner aus der Forschung wie aus der Industrie sind willkommen.