Automatisierung von Bioprozessen: Umwandlung der manuellen 24/7-Überwachung in eine autonome Steuerung

Unser Kunde kam mit einer neuartigen pharmazeutischen Bioprozessplattform und einer großen Herausforderung zu uns: sein Reinigungsprozess bis zu 14 Tage lang rund um die Uhr von Menschen überwacht werden müssen. Stellen Sie sich vor, Sie müssten 336 Stunden lang ohne Unterbrechung eine langsam ablaufende chemische Reaktion beobachten! Das ist ein teurer Schnarchspaß!
Das schien die perfekte Aufgabe für einen Computer zu sein, und eine Verschwendung von Zeit und Geld für die brillanten Wissenschaftler, die dabei zusahen.
Wir halfen dem Kunden, Sensoren und eine Benutzeroberfläche für die Echtzeit-Datenüberwachung, die Datenprotokollierung, die automatische Systemsteuerung und die optionale manuelle Systemsteuerung hinzuzufügen. Dadurch wurde dieser teure, personalintensive Prozess in ein rationalisiertes, automatisch gesteuertes System umgewandelt.
Das Problem: Überwachung von Bioprozessen rund um die Uhr
Als der Kunde das erste Mal zu uns kam, hatte er einen Tischaufbau und eine Vorstellung von den Sensoren, die er für die Automatisierung verwenden wollte. Das Endziel:
Ein automatisiertes System, das diesen Reinigungsprozess über einen Zeitraum von zwei Wochen überwachen, steuern und Daten sammeln kann, bei gleichzeitiger Möglichkeit der manuellen Überwachung und Steuerung durch den Benutzer, falls erforderlich.
Die Komplexität des Systems war erheblich - wir mussten Steuerung von 5 Pumpenkanälen und 28 Sensoren überwachen Messung pH-Wert, Leitfähigkeit, Durchflussmenge, Druck, Pumpenstatus und Masse.
Wir mussten jedoch mehr tun, als nur menschliche Augen durch Sensoren zu ersetzen. Das System musste auch intelligent genug sein, um Entscheidungen in Echtzeit zu treffen, damit der Prozess zwei Wochen lang reibungslos ablaufen konnte.
Nach den Zahlen:
- 14 Tage der 24/7 Überwachung
- 28 Sensoren
- 5 Pumpen
Unser Ansatz für die Automatisierung von Bioprozessen
Wir haben diese Bemühungen um die Automatisierung von Bioprozessen in drei verschiedene Arbeitsphasen unterteilt:
1. Die Grundlagen: Integrieren Sie die Sensoren und sammeln Sie Daten
2. Hinzufügen einer Benutzeroberfläche: Entwicklung einer Benutzeroberfläche zur Anzeige der Daten, zur Protokollierung der Daten und zur manuellen Steuerung des Systems
3. Hinzufügen von Closed-Loop-Regelung: Hinzufügen von Feedback im geschlossenen Regelkreis basierend auf benutzerdefinierten Systemparametern zur vollständigen Automatisierung
Projekt Meilensteine!
Die Festlegung dieser Zwischenetappen ist entscheidend für unseren Entwicklungsprozess. Jeder Schritt baut auf dem vorherigen auf und ermöglicht es uns, eine solide Grundlage zu schaffen, bevor wir uns in die verschiedenen Ebenen der Komplexität stürzen. Dieser stufenweise Ansatz gab uns auch die Möglichkeit, frühes Nutzerfeedback zu sammeln, um das Design zu verfeinern und die Ausrichtung auf die Vision während des gesamten Projekts beizubehalten.
Phase 1: Sensorintegration und Kontrollsystemarchitektur
Schritt eins: Integration von 28 Sensoren in das Systemdesign integriert, sowohl mechanisch als auch elektrisch. Diese Sensoren werden die “Augen und Ohren” unseres Automatisierungssystems für den Bioprozess sein und alles überwachen, vom pH-Wert bis zu den Durchflussraten in allen 5 Pumpenkanälen.
Sobald die gesamte Hardware integriert war, begannen wir mit der Entwicklung der Basissoftware für die Verbindung mit den Sensoren, die Datenaufzeichnung und die Steuerung der Pumpen. Diese Arbeit kann mühsam sein, war aber unerlässlich, da diese Komponenten die Bausteine für alles Weitere bilden.
Am Ende von Phase 1 hatten wir eine ein System, das Daten sammeln und auf einfache Befehle reagieren kann, und schafft damit die Voraussetzungen für eine noch ausgefeiltere Kontrolle.

Phase 2: Entwicklung einer Benutzeroberfläche für die Prozessüberwachung in Echtzeit
Da die Sensoren nun mit der Software kommunizieren, wandten wir unsere Aufmerksamkeit der menschlichen Seite der Gleichung zu. Phase 2 konzentrierte sich auf Erstellung einer Benutzeroberfläche das könnte Daten in Echtzeit anzeigen (sowohl numerisch als auch grafisch), während alles für die Nachbearbeitung und Analyse aufgezeichnet wird.
Diese Phase war sehr iterativ. Wir begannen mit einem Konzept, füllten die Details aus und fügten dann Funktionen hinzu, wenn sie für den Arbeitsablauf relevant wurden. Der Kunde nutzte frühe Versionen der Schnittstelle und gab Feedback auf der Grundlage seiner tatsächlichen Testanforderungen. Diese Der frühe Beitrag der Endnutzer erwies sich als entscheidend. für den Entwicklungsprozess.
Als der Kunde die Software einem Stresstest unterzog, konnten wir zwei wertvolle Ergebnisse erzielen: echtes Feedback der Endnutzer zur Schnittstelle (Benutzerfreundlichkeit, Funktionen, Bugs) und entscheidende Daten die Festlegung der normalen Betriebsbereiche für jeden Sensor. Diese Daten würden in der nächsten Phase die Leitplanken für unser automatisches Kontrollsystem bilden.

Phase 3: Implementierung der PID-Regelung im geschlossenen Regelkreis
In dieser Phase kam all unsere bisherige Arbeit zusammen, um Magie zu schaffen: Umwandlung des Systems von einem vollständig überwachten in ein autonomes System. Nach Abschluss der ersten Tests hatten wir ein klares Bild davon, wie die Software im Hinblick auf die Benutzerfreundlichkeit optimiert werden konnte und welche Systemverhaltensmuster für die Implementierung der Automatisierung erforderlich waren.
Auf der Grundlage der in Phase 2 gesammelten Daten haben wir einen Rahmen für die PID-Regelung geschaffen. Da der eigentliche Reinigungsprozess 14 Tage dauert, haben wir einen innovativer Testansatz unter Verwendung einer Sekundärpumpe und Steuerungssoftware zur Simulation beschleunigter Ausfälle. So konnte unser Team die Basisfunktionalität und die Ausfallsicherheit validieren, ohne zwei Wochen auf jeden Testzyklus warten zu müssen.
Sobald das Grundgerüst feststand, begannen wir vor Ort mit der PID-Abstimmung am eigentlichen System. Das System durchlief verkürzte Tests, während wir die Parameter einstellten - ein zeitintensiver und iterativer Prozess, der sowohl Geduld als auch Präzision erforderte. Nach mehreren Iterationen konnten wir dem Kunden helfen, sein Ziel zu erreichen: erfolgreiche 14-Tage-Läufe, die ohne menschliches Zutun abgeschlossen wurden.
Technische Lösungen für die pharmazeutische Prozessvalidierung
Strategien für Fernprüfungen und Simulationen
Der begrenzte Zugang zum vollständigen System zwang uns, unseren Testansatz zu erneuern. In einer idealen Welt hätten wir in unserer Einrichtung eine doppelte Anlage für iterative Tests gehabt. Da dies nicht möglich war, entwickelten wir eine dreigleisige Strategie:
- Simulierte Tests
- Remote Client Tests und
- Strategische Prüfungen vor Ort
Simulationen wurden zu unserer Geheimwaffe für eine schnelle Validierung mit minimalen Ressourcen. Vom ersten Tag an ließen wir die Software Dummy-Daten erzeugen, um den Datenfluss und die Funktionalität der Benutzeroberfläche zu bewerten. Dieser Ansatz wurde während der gesamten Entwicklung beibehalten und ermöglichte es uns, neue Funktionen zu testen, ohne den eigentlichen Bioprozess zu gefährden.
Wir haben auch eine zweite Pumpe eingerichtet, um zu erwartende Systemausfälle zu simulieren. So konnten wir beispielsweise den Flüssigkeitsstrom drosseln, um Alarme auszulösen und Notstopps zu testen. Für die Sensoren sahen die Daten genauso aus wie bei einem echten Ausfall, aber wir sparten mit jedem simulierten Test 14 Tage und wertvolle Ressourcen.
Als die Funktionen ausgereift waren, gaben wir stabile Versionen frei, die der Kunde aus der Ferne testen konnte, und sorgten für eine kontinuierliche Kommunikation, die dazu beitrug, die Benutzerfreundlichkeit zu verbessern und Fehler frühzeitig zu erkennen. Bei wichtigen Meilensteinen führten wir strategische Tests vor Ort durch, um die Hardware-Einrichtung, die PID-Abstimmung und die abschließende Validierung durchzuführen.
Management von Automatisierungsanforderungen in der Bioprozesstechnik
Um etwas wirklich Neues zu schaffen, muss man sich mit Unbekanntem auseinandersetzen. Wir automatisierten einen Prozess, den selbst der Kunde nicht vollständig verstand. Während die Automatisierung 14-tägige Durchläufe ermöglichen würde, konnte der Kunde die Prozessparameter und die erforderlichen Benutzerinteraktionen zu Beginn des Projekts nur grob definieren.
Diese Ungewissheit erforderte Flexibilität bei der Entwicklung unserer Funktionen, was natürlich zu einer Ausweitung des Umfangs führte. Wir begannen mit einer Wunschliste gewünschter Funktionen, die im Laufe der Erprobung des Systems definiert werden mussten. Neue Funktionen? Unvermeidlich. Änderungen? Garantiert.
Entscheidend war, dass wir uns auf das Endziel konzentrierten: ein automatisiertes System, das 14 Tage lang betrieben werden kann. Wir unterschieden zwischen wesentlichen Funktionen (wie der zeitgestempelten Fehlerprotokollierung für die Datennachbearbeitung) und "Nice-to-haves" (wie vom Benutzer manipulierbare Prozessdiagramme), die warten konnten, bis wir eine stabile, validierte Lösung hatten.
Bioprozess-Kontrollsysteme
Unsere Lösung zur Automatisierung von Bioprozessen bot mehrere technische Schlüsselfunktionen, die den manuellen Prozess des Kunden in ein autonomes System verwandelten:
Vollständige Hardware-Integration
- Integrierte 28 Sensoren in 5 Pumpenkanälen
- Erfolgreiche Überwachung von pH-Wert, Leitfähigkeit, Durchflussmenge, Druck, Pumpenstatus und Masse
- Datenerfassung in Echtzeit
Benutzerdefinierte Steuerungssoftware
- Entwicklung einer eigenen Software mit folgenden Merkmalen:
- Automatisierte Regelungsalgorithmen im geschlossenen Regelkreis
- Vollständige Datenprotokollierung und Analysefunktionen
- Intuitive Benutzeroberfläche für die Überwachung und manuelle Übersteuerung
Implementierung der PID-Regelung
- Entwicklung und Abstimmung von PID-Reglern, um den Prozess innerhalb der festgelegten Parameter zu halten
- Automatische Anpassung der Pumpendrehzahlen und Durchflussraten auf der Grundlage von Sensorrückmeldungen
Robuster Testrahmen
- Erstellung von Simulations- und Testprotokollen zur Validierung des Systems ohne die erforderlichen 14-tägigen Testläufe
- Deutlich beschleunigter Entwicklungszyklus
Ergebnisse: Vom Konzept zum Dauerbetrieb

Das Ergebnis? Der Kunde erfolgreich 14-tägige Versuche mit automatischer Überwachung und Datenaufzeichnung durchgeführt. Die Benutzeroberfläche ermöglichte es dem Kunden, den Prozessstatus aus der Ferne zu überprüfen, ohne ihn rund um die Uhr überwachen zu müssen. Die umfassende Daten- und Fehlerprotokollierung ermöglichte eine gründliche Nachbearbeitung und trug letztlich zur Validierung ihrer neuartigen Bioprozessplattform bei.
Dieses Projekt zur Automatisierung von Bioprozessen ein unhaltbares manuelles Verfahren in ein ausgeklügeltes, autonomes System umgewandelt. Durch die Kombination von elektrotechnischem Fachwissen, kundenspezifischer Softwareentwicklung und innovativen Teststrategien, wir haben unserem Kunden seine Zeit zurückgegeben und gleichzeitig ihre pharmazeutische Innovation voranzutreiben. Das System läuft nun kontinuierlich und sammelt die entscheidenden Validierungsdaten, die benötigt werden, um die Plattform vom Konzept zur Vermarktung zu bringen.
Dies war nur einer von vielen Schritten auf dem Weg von der neuen Idee zum fertigen Produkt, aber ein entscheidender Schritt. den Nachweis zu erbringen, dass ihre Bioprozessplattform in großem Maßstab zuverlässig arbeiten kann, ohne ständiges menschliches Eingreifen.

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