Het slimme laboratorium van de toekomst

In het moderne labor maakt een paradigmawisseling zich af. Met de toenemende complexiteit van laboratoriumprocessen worden automatiseringsoplossingen onmisbaar. Ook de voortdurende toename van wettelijke en regelgevende eisen maakt een behoeftegerichte netwerkintegratie noodzakelijk. Slimme laboratoriumapparaten zijn de drijvende kracht achter de innovatie in het laboratorium van de toekomst.

Geïntegreerde automatiserings- en digitaliseringsoplossingen worden op de analytica in München, van 10 tot 13 mei 2016, praktijkgericht door experts gepresenteerd. In theorie en praktijk worden passende tools, software- en netwerklösingen geïntroduceerd die de basis vormen voor het slimme laboratorium.

Toekomstbestendige oplossingen in de informatietechnologie openen in het laboratorium tot nu toe ongekende kansen en uitdagingen. Optimaal ontwikkelde automatiseringsgraden en geïntegreerde apparaatmodules voor dynamische inzetbaarheid maken efficiënte en reproduceerbare, dat wil zeggen validerbare, procesontwerpen mogelijk met holistisch databeheer. Het is de bedoeling om handmatige workflows over te brengen naar geautomatiseerde processen en bestaande laboratoriuminformatiesystemen (LIMS) te integreren om het Denkfabriek Labor nog efficiënter te maken. Intelligente labsystemen en een individuele netwerkintegratie, evenals de duurzame integratie van het laboratorium in de bedrijfsstructuur, verhogen niet alleen de flexibiliteit maar ook de rendabiliteit van een bedrijf aanzienlijk.

Juist in het groeigerichte industriële laboratorium draait het om het verbeteren van de efficiëntie, het optimaliseren van structuren en het verhogen van de flexibiliteit. Essentiële voorwaarden en succesfactoren voor het bereiken van deze doelen zijn geavanceerde, hoge-resolutie communicatie-analysesystemen, functionele automatiseringsoplossingen ter waarborging van reactietemperaturen en productkwaliteit, evenals snelle gegevensbeschikbaarheid en efficiënt gegevensbeheer.

Belangrijke toekomsttechnologieën vinden hun plaats in de waardeketen van het laboratorium. Tegen de achtergrond van de toenemende digitalisering moeten verschillende processen en structuren in het laboratorium van de toekomst opnieuw worden doordacht. Het begin van deze nieuwe ontwikkelingsfase in het laboratorium vereist complexe holistische automatiseringsoplossingen. Het aantal netwerkbare laboratoriumapparaten met zogenaamde Smart-functies zal snel toenemen. Laboratorium 4.0 begint werkelijkheid te worden.

Het laboratorium van de toekomst vereist onvoorwaardelijke communicatiecapaciteit van labsysteem. Het doel is om door continue beschikbaarheid van gegevens verschillende flexibele aanvullende functies tot en met gecontroleerde testprocessen te garanderen. Slimme modules besturen tegenwoordig al apparaatsystemen, schakelen automatisch laboratoriumapparaten in en regelen verschillende workflows in het laboratorium. Een veiligheidskast kan bijvoorbeeld automatisch het overstromen van verzamelvaten monitoren en reguleren of communiceren met andere kastdelen en apparaten. Ingebouwde camera's in de diverse tools van de laboratoriumtechniek sturen intelligent de dingen in hun omgeving. Toekomstig zal de communicatie tussen laboratoriumapparaten voortdurend aan belang winnen.

Het slimme laboratorium staat voor een nieuw tijdperk in het laboratorium. Bestaande apparaattechnologieën moeten toekomstbestendig worden gemaakt, hoogbeschikbare datanetwerken zijn absoluut noodzakelijk. De enorme hoeveelheid data moet zinvol worden benut. Een snelle en veilige overdracht van grote hoeveelheden data en IP-gebaseerde netwerken vereisen een economische omgang met de gegevens.

Brug tussen Life Sciences en automatiseringstechniek

Het onderzoeksteam onder leiding van Andreas Traube, afdelingshoofd Laborautomatisering en Bioproductietechniek aan het Fraunhofer-Instituut voor Productietechniek en Automatisering IPA, ontwikkelde nieuwe benaderingen voor de netwerkintegratie van laboratorium- en analyseprocessen in de waardeketen, van monsterslogistiek tot documentatie. Daarbij werden ervaringen uit LEAN-management en procesoptimalisatie in het laboratorium overgedragen met als doel de efficiëntie van alle processtromen en daarmee de prestaties van het laboratorium duurzaam te verhogen. Met de succesvolle implementatie is het het onderzoeksteam gelukt om de brug te slaan tussen de Life Sciences en de automatiseringstechniek. "Wij zijn ervan overtuigd dat Life Science-laboratoria door de interactie van organisatorische en technische oplossingen aanzienlijk efficiënter kunnen worden ingericht," legt Traube uit.

“We leven in een tijd van steeds meer gepersonaliseerde producten. Daardoor worden laboratoria voor onderzoek en toetsing van producten in diverse sectoren een belangrijke factor in de productontwikkeling,” voorspelt Traube. “De netwerkintegratie van de essentiële laboratoriumelementen zoals laboratoriumprocessen, data-analyse, apparaten en bedienend personeel vormt het centrale element voor het efficiënte slimme laboratorium,” legt Traube uit en geeft een vooruitblik op de toekomst. “De technologische fundamenten hiervoor zijn aanwezig. Deze technologieën zullen het laboratorium de komende jaren ingrijpend beïnvloeden en veranderen!”

Laboratorium 4.0 vanuit brancheperspectief

In principe kunnen twee soorten laboratoria worden onderscheiden: het academische onderzoekslaboratorium en het industriële onderzoeks- of kwaliteitszorglaboratorium. Voor het eerste ziet Dr. Frank Schleifenbaum, marketingdirecteur bij Berthold Technologies, een geringere behoefte aan laboratoriumautomatisering, omdat de toepassingen te weinig gestandaardiseerd en herhaalbaar zijn. Hij ziet eerder een aanpak in de netwerkintegratie van laboratoriumuitrusting, wat kan variëren van een geautomatiseerd inkoopproces voor chemicaliën en laboratoriumbenodigdheden, via directe gegevensuitwisseling tussen analyseapparaten (LIMS), tot volledig geautomatiseerde laboratoriumboeken. “Voor zo'n integratie zijn passende interfaces in hardware, elektronica en software nodig,” aldus Schleifenbaum. “Ideaal gezien beschikken alle apparaten over een netwerktoegang en communiceren ze via een gestandaardiseerd protocol, bijvoorbeeld SILA. In het onderzoeksgebied moet de gebruiker echter altijd de mogelijkheid hebben om in te grijpen in het proces. Uniforme footprints van de apparaten zouden een optie kunnen zijn. Zo zijn genormeerde afmetingen in een gedefinieerde maatvoering denkbaar, zodat het laboratorium – bijvoorbeeld door mobiele tafels – eenvoudig kan worden aangepast aan de betreffende werkstroom.” De eisen voor routine- en analytische laboratoria in de industrie ziet hij anders. Hier staan niet de flexibiliteit, maar betrouwbaarheid, doorvoer en foutvermijding centraal. “Zo moet in elk geval sprake zijn van geautomatiseerde monsterafhandeling, en moet de datadocumentatie volledig automatisch plaatsvinden. Apparaten wisselen gegevens en monsters uit onderling, handmatige ingrepen zijn niet nodig. Gestandaardiseerde interfaces maken het mogelijk om laboratoria te centraliseren en te decentraliseren,” vervolgt Schleifenbaum. “Complexe dataverwerking (‘Big Data’) kan worden uitbesteed aan krachtige rekenclusters, gegevens worden centraal opgeslagen en met elkaar gecorreleerd,” aldus verder. Ondanks alle standaardisatie van de laboratoriumprocessen bieden uniforme interfaces de snelle mogelijkheid om het laboratorium voor andere routinetaken om te bouwen.

Big Data

Laboratorium 4.0 maakt het mogelijk om grote hoeveelheden data te verzamelen en te koppelen. “Daarom moeten innovaties worden gestimuleerd die deze hoeveelheid data geautomatiseerd en snel kunnen genereren (‘High Throughput Screening’ en ‘Big Data’). De interfaces moeten echter wel worden gedefinieerd. Hier is een bindende regelgeving van een toezichthoudende autoriteit vereist. Een losse consortium van laboratoriumleveranciers zal vermoedelijk niet volstaan,” aldus Schleifenbaum. “Dataprivacy wordt een belangrijk thema, waar de netwerktechnologie zich op moet instellen. De communicatie tussen apparaten moet zo eenvoudig worden dat gebruikers deze zelfstandig kunnen opzetten en aanpassen.” De machinale data-analyse moet daarna leerbaar zijn, dat wil zeggen dat ze zelfstandig naar verbanden moet zoeken, afhankelijkheden moet kunnen opsporen en weergeven. Daarmee zou ze niet de handmatige werkwijze van de gebruiker weerspiegelen, maar deze uitbreiden. Volgens Schleifenbaum krijgt de gebruiker hierdoor enerzijds een flexibele laboratoriumomgeving die zich individueel kan aanpassen aan de actuele behoeften, en anderzijds een kwaliteitsverbetering van de analysemethoden en de mogelijkheid om grotere datamengen te verzamelen, te organiseren en geautomatiseerd te analyseren.

Branchegerichte oplossingen op de analytica in München

Op de analytica, die van 10 tot 13 mei in München plaatsvindt, tonen meer dan 1.100 exposanten uit de hele wereld nieuwe producten en methoden – ook voor het laboratorium van de toekomst. Dr. Gunther Wobser, algemeen directeur bij LAUDA, ziet de uitdagingen bij Laboratorium 4.0 daarin dat “apparaten met elkaar moeten communiceren.” LAUDA biedt hiervoor thermostaten en circulatiekoelers met verschillende interfaces aan. “Wij bieden gratis drivers voor geïntegreerde automatiseringssystemen voor laboratoria en zorgen via remote support voor voortdurende beschikbaarheid.” Op de analytica presenteert LAUDA een nieuw product. “Onze grote apparaatinnovatie op de analytica heet PRO. Voor het eerst bieden wij geoptimaliseerde thermostaten voor badtoepassingen en omgevings-thermostaten voor externe toepassingen aan. De bedienunit is volledig onafhankelijk van de thermostaat en kan flexibel worden geplaatst waar nodig,” aldus Wobser.

Bovendien viert nexygen® zijn tweede openbare optreden op de analytica en presenteert ideeën en ontwikkelingen voor het laboratorium van de toekomst. nexygen® – THE NEXT GENERATION LAB is een initiatief van de bedrijven Köttermann, Memmert, Hirschmann, 2mag en Sartorius. De Duitse merkenfabrikanten van producten en diensten rond het laboratorium hebben onderkend dat trends in het laboratorium naast miniaturisering en automatisering ook het optimaal benutten van de laboratoriumruimte, het verlagen van de bedrijfskosten, eenvoudige gegevensuitwisseling tussen apparaten en het vergroten van flexibiliteit en mobiliteit, centraal staan.

Conclusie

Laboratorium 4.0 revolutioneert de wereld van het laboratorium, van monsterslogistiek tot gegevensbeheer, en maakt nieuwe benaderingen voor gepersonaliseerde processen mogelijk. Big Data, cloud computing, het internet der dingen en mobiel internet zullen als next-generation-technologieën in de toekomst een cruciale rol spelen bij het waarborgen van toekomstige groei.