Stammzellen aus der Fabrik

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Eigene Schnittstellen entwickelt

Das Arbeiten mit lebenden Zellen stellt besonders hohe Anforderungen an die Prozessautomatisierung und -steuerung. Denn Einflussfaktoren wie Zelldichte, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Gaskonzentration, aber auch die stark ausgeprägte genetische Individualität von Zellprodukten erfordern eine flexible Prozessführung. Doch dafür müssen nicht nur die einzelnen Geräte miteinander vernetzt sein, sondern die Messtechnik muss auch nahtlos in die Prozesssteuerung integriert werden.

Die Entwicklung und Steuerung der Anlage war Aufgabe der Experten des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie IPT in Aachen. Diese hatten gleich mehrere Herausforderungen zu meistern. So mussten sie ganz verschiedene biotechnologische Labor-Geräte miteinander vernetzen – wie einen Pipettier-Roboter, ein Mikroskop, welches das Zellwachstum überwacht, einen Brutschrank oder auch das automatische Magazin, in dem Zellen und Behälter aufbewahrt werden. Keine leichte Aufgabe, denn «trotz der Bestrebungen der Industrie, einheitliche Schnittstellen für Laborautomatisierungsgeräte zu etablieren, gibt es bisher für die verwendeten Geräte keinen internationalen Standard, um sie zu vernetzen», sagt IPT-Entwickler Michael Kulik. «Plug and play war damit nicht möglich. Wir mussten deshalb zunächst eine eigene Schnittstelle entwickeln, um alles zu integrieren.»

High-Speed-Mikroskop überwacht das Wachstum

Dank dieser umfassenden Vernetzung kann die Anlage sehr flexibel auf die biologischen Vorgänge reagieren. Stellt zum Beispiel das am IPT entwickelte Mikroskop fest, dass die Zelldichte in den Kulturgefässen zu gross ist, teilt der Pipettier-Roboter die Zellen auf frische Gefässe auf. «Damit entscheidet das Produkt, also die wachsenden Stammzellen, über den Ablauf des Gesamtprozesses», sagt Kulik. Oder anders: Die Fertigung ist in der Lage, sich an den aktuellen Zustand anzupassen – Industrie 4.0 für die Biotechnologie.

Die Anlage lässt sich einfach handhaben. Auf einer Bedienoberfläche kann man jedes einzelne Gerät über einen Knopf ansteuern. Um bei Bedarf die Prozessschritte der Anlage zu ergänzen oder zu verändern, genügt es, vorprogrammierte Befehlsbausteine in das Steuerungsmenü zu ziehen oder daraus zu löschen. Je nach Wunsch können die Mitarbeiter die Anlage vollautomatisch oder im Handbetrieb fahren. Die im Projekt StemCellFactory entwickelte Technologie lässt sich auch auf andere Anwendungen übertragen, etwa das Tissue Engineering und damit die Produktion von Gewebemodellen.

Die Software ist skalierbar und eignet sich für kleinere und grössere Produktionsanlagen. Da die Programmierung sehr flexibel ist, lässt sich die Steuerungstechnik auch auf jede andere Produktionsanlage übertragen, bei der eine adaptive Steuerung auf Basis aktueller Messdaten gefragt ist. -sbo- SMM

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