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Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik

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F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R P R O D U K T I O N S T E C H N I K U N D A U T O M AT I S I E R U N G I PA
LABORAUTOMATISIERUNG UND
BIOPRODUKTIONSTECHNIK
AUTOMATISIERUNGSLÖSUNGEN
DER NÄCHSTEN GENERATION
Automatisierte Laborgeräte und Anlagen sind als Werkzeuge für
Unsere Automatisierungslösungen basieren auf optimal an-
hochentwickelte Prozesse der modernen Life Sciences vielfach
gepassten Prozessmodulen, deren Vernetzung durch Schnitt-
unverzichtbar. Die stetig wachsende Prozesskomplexität, die
stellenstandards gewährleistet wird. Unser einzigartiges Netzwerk
regulatorischen Anforderungen sowie die enorme Entwicklungs-
zu Komponenten- und Geräteherstellern garantiert stets den
dynamik mit einem Paradigmenwechsel hin zur individualisierten
Einsatz der neuesten und geeignetsten Lösung. Dabei greifen
Produktion stellen die Anwender vor große Herausforderungen.
wir auf ein breites Portfolio von erfolgreich realisierten Anwen-
Vor allem smart automatisierte und vernetzte Lösungen für
dungsszenarien zurück. Sollte kein geeignetes kommerzielles
individuelle Anforderungen mit sich stetig wandelnden Einsatz-
Prozessmodul existieren, bieten wir eine maßgeschneiderte
fähigkeiten sind gefragt, die komplexe Prozesse auch mittel-
OEM-Entwicklung oder schöpfen aus dem umfangreichen
fristig wirtschaftlich beherrschbar machen. Die wachsende
Repertoire unserer hauseigenen Vorlaufforschung. Nicht immer
Nachfrage nach bedarfsgerechten Automatisierungslösungen
sind vollautomatisierte Anlagen die optimale Lösung. Wir
durch großpharmazeutische Entwickler bis hin zu kleinen inno­
unterstützen bei der Festlegung des Automatisierungsgrads
vativen Laboren unterstreicht dies eindrücklich. Die Schwierig-
und entwickeln individuelle Konzepte. Labore sind »Daten-
keit besteht für Anwender jedoch zunehmend in der Auswahl
und Wissensfabriken«. Ebenso wie den Materialfluss in einem
und Entwicklung der passenden Automatisierung. Das Wachs­
produzierenden Unternehmen gilt es auch die Daten-, Prozess-,
tum der Laborautomatisierung zeigt sich heute in einer starken
Geräte- und Probenverwaltung im Labor zu organisieren. Hierfür
Diversifizierung, geprägt durch eine wachsende Zahl an Geräte-
bieten wir integrative Softwarelösungen für das vernetzte Labor
herstellern mit hochspezialisierten Einzellösungen. Es gilt künftig
der Zukunft. Als eine treibende Kraft in SiLA (Standardization in
die Integration verschiedener Gerätemodule und Lösungen zu
Lab Automation) entwickeln wir die neusten Standards aktiv mit.
ermöglichen und neue intelligente Automatisierungskonzepte
zu entwickeln. Aufgrund der Einsatzflexibilität und einer nach-
Unser oberstes Projektziel ist ein technisch wie biologisch
haltigen Erweiterbarkeit ist diese Strategie nicht nur für kleinere
einwandfrei funktionierender Prozess. Laborautomatisierung
Labore besonders erstrebenswert.
ist erst dann fertig, wenn der Prozess adaptiert ist und valide
und reproduzierbar läuft.
Wir schlagen die Brücke zwischen den Life Sciences und
der Automatisierungstechnik
Um dies zu ermöglichen werden die Projekte von technischen
und biologischen Entwicklern unterstützt. Entsprechend der
Am Fraunhofer IPA entwickeln wir Automatisierungslösungen
Zielsetzung bilden wir die spezifischen Anforderungen hinsicht-
vom Maschinenkonzept bis zum adaptierten und validierten
lich Flexibilität, Durchsatz, Qualität und Reproduzierbarkeit ab
Prozess. Wir setzen die Zielvorgaben unserer Kunden in indi-
und ermöglichen eine optimale und effiziente Prozessgestaltung.
viduelle, ganzheitliche Laborautomatisierungslösungen um.
Auch komplexe Prozesse können so zuverlässig automatisiert
Innovative Lösungen entstehen durch die interdisziplinäre Zu-
werden. Der Kunde erhält nicht nur eine technisch einwand­
sammenarbeit von Biotechnologen, Ingenieuren und Software-
freie, schlüsselfertige Anlage, sondern wird auch bei der Prozess-
spezialisten. Für eine langfristige Nutzung der Geräte- und An-
adaption und Validierung von uns begleitet.
lagentechnik ist die Wandelbarkeit eine Grundvoraussetzung.
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UNSER LEISTUNGSANGEBOT
ENGINEERING PHASE
VALIDIERUNGSPHASE
W ir re a lisie re n d i e g e s a m te P ro z e s s k e tte , aber auc h nur ei nz el ne Tei l e daraus .
Wir entwickeln und realisieren schlüsselfertige Sonderlösungen
Der Aufwand des Transfers eines bestehenden manuellen Pro-
E in int e rdisz ip l i n ä re s Te a m m a c h t d i e s mögl i c h.
speziell nach den gestellten Kundenanforderungen. Denkbare
zesses und dessen Implementierung auf einer Anlage wird häufig
Lösungen reichen dabei vom handgehaltenen Laborgerät bis hin
unterschätzt. Dadurch sind Verzögerungen bei der Inbetrieb-
zu komplexen Produktionsmaschinen für den Hochdurchsatz-
nahme die Folge.
PLANUNGSPHASE
ADAPTIONSPHASE
betrieb. Auch die Planung und Neuentwicklung von späteren
Seriengeräten kann durch uns geleistet und bis zur Nullserie
Die automatisierte Durchführung des Prozesses muss nicht nur
Ein automatisierter Labor- und Produktionsprozess besteht nicht
entworfen werden. Wir legen sehr großen Wert auf die effiziente
eine äquivalente Produktqualität, sondern auch vergleichbare
nur aus der Maschine und der Software, sondern in erster Linie
Gestaltung der Entwicklungsprozesse. Insofern ist auch die Aus-
Reaktionsparameter während des Prozesses gewährleisten. Die
Fehlerquellen der Prozessänderungen sind schwer absehbar, die
aus dem biologischen Assay selbst. Die Umsetzung durch Auto-
wahl und Integration von Komponenten und Anlagenmodulen
Validierung des automatisierten Prozesses im Vergleich zum
Möglichkeiten unterschiedlicher Lösungen vielfältig. Dabei stellt
matisierung und die Steigerung der Effizienz wirft Fragen nach
kommerzieller Hersteller bei uns fest im Geräte- und Anlagen-
manuellen Protokoll umfasst bei uns daher alle Prozessebenen
sich die Frage nach dem richtigen Startpunkt für die Automati-
dem optimalen Scheduling der Abläufe oder nach der Verwal-
entwurf verankert.
und Zwischenschritte. Wir bieten Servicedienstleistungen zur
sierung, nach Ausbaumöglichkeiten sowie dem individuell opti-
tung und Auswertung der Daten auf. Wir begleiten Sie bei der
malen Automatisierungsgrad.
Umsetzung und Adaption Ihrer Prozesse und bieten Dienstleis-
Unsere Leistungen
auf Fraunhofer intern entwickelten Anlagen, als auch auf
tungen von der methodischen Analyse bis zur Erprobung Ihrer
– Herstellerunabhängige Geräteauswahl und -erprobung
gängigen kommerziell erhältlichen Systemen. Wir analysieren
bestehenden Prozesse am realen System.
– Durchsatz- und Ablaufplanung
Ihren Prozess im Detail und erarbeiten mit Ihnen gemeinsam
–Transfer neuester Forschungsergebnisse in die reale
Qualitätskriterien, die im automatisierten Betrieb getestet werden.
Automatisierungsvorhaben sind komplexe Projekte, die für den
Anwender schwer zu überblicken sind. Die Auswirkungen und
Das Fraunhofer IPA unterstützt Sie bei der initialen Prozessanalyse
und evaluiert mit Ihnen gemeinsam mögliche Prozessadaptionen.
Implementierung des kundenspezifischen Prozesses sowohl
Mit einem erprobten Portfolio an Methoden zur Konzeption,
Durch eine bedarfsgerechte Verwendung von geeigneten Tech-
Konzeptbewertung und Risikoanalyse identifizieren wir schnell
nologien zur Miniaturisierung können der Reagenz- und Medien-
und sicher die passende Automatisierungslösung. Hierdurch
verbrauch und damit die Kosten drastisch gesenkt werden. Bei
werden Entwicklungsdauer und -risiko systematisch reduziert.
diesen Entwicklungen arbeiten Ingenieure, Biotechnologen und
– Elektronik und Steuerungsentwicklung
Softwareentwickler Hand in Hand, da jeder Assay seine eigenen
– Softwareentwicklung und Softwarearchitekturen
Unsere Leistungen
Kinetiken und Parameter aufweist und gleichzeitig eine spezi-
– Detaillierte Prozessanalyse
fische Anpassung auf den Endnutzer erforderlich ist.
– Individuelle modulare Prozess- und Anlagenkonzeptionen
–Vortestung von automatisiert umzusetzenden Prozessschritten und ggfs. Prozessadaption
–Bewertung und Auswahl geeigneter Technologieanbieter
und Lösungen
–Prozessauslegung hinsichtlich Durchsatz, inline-Qualitätskontrollen und Automatisierungsumfang
Laboranwendung
–Auslegung, Konstruktion, Dokumentation nach einschlägigen Normen und Regularien (CE-Zertifizierung)
–Methodische Analyse und Übernahme der manuellen
Prozessabläufe
– Identifikation der Schlüsselschritte
– Definition von Qualitätskriterien/Mindestanforderungen
–Etablierung des automatisierten Prozesses unter Einhaltung
der definierten Qualitätskriterien
–Begleitende molekularbiologische/biochemische und
zellbiologische Analysen in unseren Laboren
Ihr Nutzen
– Funktionssicherheit durch hohe Umsatzqualität
Unsere Leistungen
Unsere Leistungen
–Einflussnahme während der Entwicklung durch flexibel
–Dokumentation der Prozessimplementierung und Erstellung
von SOPs
festzulegende Projektmeilensteine
–Hohe Qualität der Lösung auf dem Stand der Technik und
Ihr Nutzen
– Schnelle funktionale Inbetriebnahme der Anlage
darüber hinaus
– Potentialanalysen zur Optimierung der Prozesse und Abläufe
– Identifikation von sensitiven Prozessschritten
– Chancen-Risiken-Abwägungen bei Prozessveränderungen
– Verringerung von internem Etablierungsaufwand
–Erprobung von Schlüsselprozessschritten in realen Labor-Setups
Ihr Nutzen
1 Jede Automatisierung beginnt
3 Alle Anlagen werden bei uns
– Individuell passende Lösung
Ihr Nutzen
mit einer intensiven Planung und
aufgebaut und Hardware- und
– Zügige Projektierung und Entscheidung zur Automatisierung
–Höchste Funktionalität der Lösung
Konzepterstellung.
Softwareseitig optimiert.
– Umfassendes Bild des Bietermarkts
–Zukunftssicherheit durch smarte Prozesse
2 Die Prozessadaption und
4 Der finale Prozess wird bei
– Frühe Sicht im Umsetzungsprojekt auf Chancen und Risiken
-optimierung findet am vorläufigen
uns unter realen Bedingungen
Automatisierungssetup statt.
validiert.
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INFRASTRUKTUR
KOMPETENZEN
AUTOMATISIERTE ZELL- UND GEWEBEKULTUR
Ribolution – Innovative ncRNA basierte Diagnostiklösung für
Das Bioproduktionslabor in Stuttgart »BioPoLiS« bildet das zen-
Die Entwicklungsumgebung mit CAD-, Programmier- und
trale Entwicklungslabor. Auf fast 200 m² Fläche haben wir die
Elektronikarbeitsplätzen ist hochmodern ausgestattet. Die
Möglichkeit komplexe Anlagen aufzubauen und unter realen,
Möglichkeiten können jederzeit am geltenden Projektbedarf
Wir sind Technologiepionier für Automatisierungslösungen im
– Entwicklungsschwerpunkt Prozessminiaturisierung
bei Bedarf langzeitsterilen Einsatzbedingungen und Sicherheits-
ausgerichtet werden.
Bereich der 2D- und 3D-Zellkultur sowie der GMP konformen
–Hochdurchsatzlösung
Zellproduktion (ATMPs).
–Flexible, modulare Prozessautomatisierung durch SiLA
vorschriften zu testen. Im Liquid Handling Bereich haben wir den
die personalisierte Medizin:
vollständigen Stand der Pipettierautomatentechnik abgedeckt,
Darüber hinaus haben wir Zutritt zu Elektro- und Mechanik-
vom Lowcost-Pipettierer bis hin zum komplexen Pipettierroboter.
werkstätten sowie zu unseren hochmodernen ISO1-Reinraum-
Tissue Engineering on Demand – Automatisierte Herstellung
Im manuellen Laborbereich verfügen wir über umfangreiche
umgebungen, z. B. zur Durchführung von Reinheitsprüfungen.
von 3D-Hautmodellen:
Möglichkeiten der Probenvorbereitung und Analysetechniken.
gestützte Anlagenstruktur
ANLAGENBAU
– Konzeptdesign und Prozesstransfer
–Automatisierung der Zellpassage, Kulturerhaltung primärer
Zellen und Zelllinien
– In-line Prozesskontrolle
Wesentliche Merkmale unserer Automatisierungslösungen
sind flexible, kontrollierte und funktionssichere Prozesse mit
einer hohen Verfügbarkeit.
– Produktion von in-vitro Testsystemen
Produktionsautomat – Automatisierung der WirkstoffvorbereiAutranomics (Automated Transgenomics) – Systematische
tung nach GMP Richtlinien für einen Pharmakunden:
Analyse und Selektion genetisch veränderter Zellen:
– Herstellerunabhängige Komponentenauswahl
–Screeningeinheit mit Integration einer mikroskopischen
–Automatisierungslösung aus einer Hand vom Konzept bis
Einheit zur Zellanalyse
zur Anlage
– Einzelzelldetektion und Isolation (Cell picking)
–GMP-konforme Anlagenplanung, Software und Dokumentation
LIQUID HANDLING AND RELATED ROBOTICS
LABOR IT
Das Fraunhofer IPA bietet langjährige Erfahrung im Bereich der
Die Bereitstellung von IT-Lösungen für Labor- und Produktions-
Pipettierrobotik, Nanodosiertechnik sowie der Handhabung
prozesse rundet unser Portfolio ab.
fester biologischer Proben.
SiLA – Standardization in Lab Automation:
I-DOT – Immediate Drop on Demand Technology (I-DOT) für
das Liquid Handling im Nanoliterbereich:
–Entwicklung von Standards für Gerätetreiber, Kommunika­
tionsschnittstellen und Steuerungssoftware
– Kontaktfreies Nanodosiersystem
– Akkreditierte SiLA Test Site
Wir integrieren neueste System-, Software- und Hardwarelösungen, entwickeln neue Konzepte und treiben technologische Inno-
– Handling von Flüssigkeiten in großem Viskositätsbereich
–Vereinfachte Treiberentwicklung über Grundlagenbibliothek
vationen voran. Die Infrastruktur am Fraunhofer IPA ermöglicht revolutionäre Lösungen der Laborautomatisierung durch eine starke,
– Einzelzellablage und Zellaussaat (Single Cell Handling)
direkte Vernetzung von Forschung und Lehre mit Zulieferern und Endanwendern an einem Standort. Das Fraunhofer IPA fungiert
und SiLA Wrapper
– Datenverwaltung und Analyse
als Technologietransferzentrum und Campus für die verschiedensten Bereiche der Laborautomatisierung und Bioproduktionstechnik.
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IHRE ANSPRECHPARTNER
Andreas Traube
Abteilungsleiter Laborautomatisierung und Produktionstechnik
Telefon +49 711 970 -1233
andreas.traube@ipa.fraunhofer.de
Tobias Brode
Stellvertretender Abteilungsleiter
Telefon +49 711 970 -1257
tobias.brode@ipa.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für
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Produktionstechnik und Automatisierung IPA
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Nobelstraße 12
mehr über die Abteilung
70569 Stuttgart
»Laborautomatisierung
www.ipa.fraunhofer.de
und Bioproduktionstechnik«.
Institutsleitung
Prof. Dr.-Ing. Thomas Bauernhansl
Quelle: Titelbild; Fotolia – © 2012 Andrew Ostrovsky | Fraunhofer IPA
Stand: März 2015
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