Digitale Revolution in der Laborumgebung.

Das Labor der Zukunft ist digital. Dieser Beitrag zeigt, wie die Laborumgebung zukünftig aussehen wird.

Als leidenschaftlicher organischer Chemiker mit pragmatischer Denkweise und praktischer Herangehensweise haben die Struktur, das Layout und die Prozesslandschaft von Laboren mein Tagesgeschäft über mehrere Jahre hinweg dominiert. Während meines Studiums als Doktorand der organischen Chemie mit Schwerpunkt homogene Katalyse war ein hoher Durchsatz an Reaktionen inklusive Analysen, Aufarbeitung und Dokumentation an der Tagesordnung, um ausreichend Ergebnisse zu erzielen. Elf Veröffentlichungen innerhalb von drei Jahren, zum Teil in hochrangigen Fachzeitschriften, sind ohne gute Organisation und Zeiteffizienz nicht zu erreichen.

Ein recht ehrgeiziger und fleißiger Doktorand zu sein, ist jedoch keine Besonderheit und speziell in diesem Geschäft nichts Besonderes. Wie ausgefeilte Labore aussehen können, hat mir meine erste Industrieerfahrung bei einer mittelständischen CDMO in der Schweiz gezeigt. Jeden Tag war die Optimierung unserer Laborprozesse von großem Interesse.

Als Auftragsentwicklungs- und -herstellungsunternehmen muss man wettbewerbsfähige Preise, außergewöhnliche Schnelligkeit, ein hohes Maß an Flexibilität und natürlich einen hohen Anspruch an alle Qualitätsaspekte haben. Jede Minute, in der man nach Glaswaren, Chemikalien, Laborverbrauchsmaterialien sucht, Berichte schreibt, Proben von einem Raum zum anderen transportiert, Ergebnisse von z.B. GC oder HPLC oder analytischen Geräten überprüft, muss fein abgestimmt und absolut zeitsparend sein. Und die Handhabung von Reaktionen im Kilogramm-Maßstab einer mehrstufigen Wirkstoffsynthese in einem Industrieunternehmen ist nicht vergleichbar mit ein paar Reaktionen im Milligramm-Maßstab an der Universität mit einem Minimum an Dokumentationsaufwand.

Optimierte Prozesse im Labor.

Vor einigen Jahren tauchten die Methoden von Lean Six Sigma, Operational Excellence, Kaizen, KVP, Value-Stream Mapping und Visual Performance Management in der Laborumgebung auf und jedes Unternehmen begann, solche Strategien zu verfolgen oder zu übernehmen, um vollständig optimierte Prozessabläufe mit weniger Verschwendung, Verzögerungen, Doppelarbeit, Defekten oder nicht zugewiesenen nicht wertschöpfenden Tätigkeiten zu erreichen.

Methoden wie die 5-S-Arbeitsplatzoptimierung und viele andere wurden in allen Laboren eingeführt und die Infrastruktur sowie die Routenplanung wurden, wo immer möglich, optimiert. Innerhalb kürzester Zeit wurden positive Ergebnisse festgestellt. Leider reichen solche kleinen Schritte nicht mehr aus, um im 21. Jahrhundert konkurrenzfähig zu sein. Der Wandel hin zu einem digitalisierten Labor ist Status quo, Best Practice der Industrie und bereits zu hundert Prozent verfügbar.

Das Haus der Lean Laboratories.

Haus der lean laboratorien
Abb. 1: Das Haus der Lean Laboratories.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist der Schlüssel zu einem digital unterstützten, prozessoptimierten, schlanken Labor eine starke und nachhaltige Veränderungsmentalität. Da jedes QC-Labor auch Teil des End-to-End-Prozesses innerhalb der Lieferkette ist, spielt auch die Kundenorientierung eine wichtige Rolle. Ohne ein effizientes und vollständig transparentes QC-Labor können die endgültigen Chargen nicht freigegeben werden und die Patienten erhalten die benötigten Produkte nicht rechtzeitig und vollständig. Dies ist immer dann von entscheidender Bedeutung, wenn ein QC-Labor für unentbehrliche Arzneimittel für die schnelle Behandlung von Patienten zuständig ist, z. B. für einen Covid-19-Impfstoff, injizierbare Generika wie Beruhigungsmittel, Muskelrelaxantien und Herz-Kreislauf-Medikamente oder Arzneimittel für seltene Krankheiten.

Auf jeder Ebene des „House of Lean Laboratory“ werden neue Technologien aufgeführt. Visuelles Leistungsmanagement über digitale Dashboards, vollständige Systemintegration wie eine LIMS-SAP-Kopplung oder elektronische Laborjournale sind nur drei Beispiele.

Aufstrebende Technologien haben das Potenzial, in den nächsten fünf bis zehn Jahren jedes einzelne Element von Pharmaproduktionsstätten oder Qualitätskontrolllaboren zu revolutionieren. Digitalisierung und Automatisierung werden auch für eine bessere Qualität und Compliance sorgen, indem sie manuelle Fehler und Schwankungen reduzieren und eine schnellere und effektivere Lösung von Problemen ermöglichen. Wie bereits erwähnt, ist die Qualitätskontrolle eine wichtige Funktion innerhalb einer robusten, zuverlässigen und flexiblen Lieferkette. Daher sind Merkmale wie verbesserte Agilität, kürzere Tests und erhöhte Transparenz die besten Hebel, um die Durchlaufzeiten der Qualitätskontrolle zu verkürzen und die Freigabe zu beschleunigen.

Bedauerlicherweise haben viele Pharma- oder Chemieunternehmen innovative Technologien in Bezug auf Digitalisierung und Automatisierung bisher noch nicht voll ausgeschöpft. Es wurden zwar einige Versuche unternommen, papierloser zu werden oder eine bessere funktionsübergreifende Verknüpfung und Transparenz über ein modernes LIMS- und ERP-System zu erreichen. Allerdings haben nur wenige Unternehmen eine langfristige Strategie für die Entwicklung von digitalisierten Laboren entwickelt. Wie der Reifegrad einer Vielzahl von Laboren bewertet werden kann, zeigt die unten stehende Abbildung. Die Bewertung der QC-Lücke und des Reifegrads dient als Referenzpunkt für ein neutrales Benchmarking des Innovationsniveaus der einzelnen QC.

Bewertung der QC-Lücke und des Reifegrads in vier Kategorien.

Abb. 2: bewertung der qc-lücke und des reifegrads in vier kategorien. ​
Abb. 2: Bewertung der QC-Lücke und des Reifegrads in vier Kategorien.

Auf der Grundlage von Abbildung 2 kann ein Qualitätskontrolllabor in der Regel anhand von vier Kategorien analysiert werden: 1) Prozesse und Organisation, 2) Werkzeuge und Systeme, 3) Menschen und Schnittstellen sowie 4) CSV und Datenintegrität. Innerhalb dieser Gesamtkategorien gibt es verschiedene Kriterien, die einzeln bewertet werden können, was zu einer Art Ranking des QC-Innovationsniveaus und einem Vergleich der besten Praktiken der Branche führt. Um ein solches digitales Labor zu implementieren, sind heutzutage alle Funktionen, Technologien, Personalressourcen und Infrastrukturen hundertprozentig verfügbar. Aber wie sieht es aus?

Etwa 90 % der Tests werden nach wie vor in den Laboren durchgeführt, und ein Teil, die Minderheit der Proben, wird online getestet werden. Es wird eine automatisierte Datenübertragung zwischen Geräten und Systemen stattfinden, und fortschrittliche Datenanalysen werden Echtzeit-Dateneinblicke und optimierte Zeitpläne auf digitalen Dashboards generieren. Visuelles Leistungsmanagement, Geräteauslastung und alle wichtigen KPIs werden ebenfalls auf Labor-Dashboards transparent sein. Die Labore werden zu 80% papierlos sein, mit elektronischen Unterschriften, elektronischer Dokumentation und natürlich einem elektronischen Laborjournal. Darüber hinaus wird es eine digitale Laborinventarplanung und einen völlig transparenten Probeneingang für eine proaktivere Ressourcenplanung geben. Experten wie Dateningenieure und Wissenschaftler werden die Prozesse und fortschrittlichen IT-Systeme unterstützen sowie bei der Erfassung, Verfeinerung und Visualisierung der Daten helfen. All diese Aspekte werden in einer Art allgemeinem Laborinformationsmanagementsystem (GLIMS) zusammengefasst. Die einzige Quelle der Wahrheit, um alle Prozesse zu steuern und faktenbasierte Entscheidungen zu treffen. Wie ein Qualitätskontroll-Laborturm, der in der pharmazeutischen Industrie anstelle des typischen Flughafengeländes gebaut wurde. Digital unterstützte Labore nutzen Echtzeit-Kennzahlenanalysen und -transparenz sowie eine laufende Prozessüberprüfung, um Trends zu verfolgen, Abweichungen oder nicht spezifizierte Ergebnisse zu verhindern und die Planung zu optimieren. Ein Labor für 2030plus kann wie folgt aussehen:

Laborlandschaft 2030plus. Digitalisierung und Feinabstimmung der Prozesse.
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Abb. 3: Laborlandschaft 2030plus. Digitalisierung und Feinabstimmung der Prozesse.
Ein durchschnittliches QC-Labor kann durch eine solche Strategie die Kosten um 25 bis 45 % senken. Produktivitätsverbesserungen kommen aus zwei Hauptquellen:

  1. Eliminierung von bis zu 80 % der manuellen Dokumentationsarbeit
  2. Automatisierung und insbesondere Optimierung der Planung und Disposition zur Verbesserung der Personal-, Geräte- und Materialauslastung

Doch was sind die typischen Hürden für solche digitalisierten Labore und warum wurden sie bisher nicht in allen Unternehmen umgesetzt?

Zehn typische Umsetzungshürden:

  1. Keine klare Vorstellung davon, welcher Entwicklungshorizont das richtige Ziel für das Labor ist
  2. Fehlen eines überzeugenden Business Case für die Transformation
  3. Angestrebt wird ein vollständig getesteter End-to-End-Prototyp für den zukünftigen Zustand, anstatt hochwertige Lösungen zu testen und schnell zu skalieren, um schnelle Erfolge zu erzielen
  4. Keine angemessene Planung oder Verwaltung für die Einführung neuer Systeme oder Technologien
  5. Unzureichende Kenntnis der Fähigkeiten der Systeme und Technologien
  6. Streben nach Automatisierung statt nach Optimierung
  7. Selbst auferlegte Beschränkungen aufgrund der vermeintlichen Notwendigkeit, alle Systeme zu validieren
  8. Fehlende Fähigkeiten, um den vollen Nutzen aus den Daten zu ziehen
  9. Zu wenig Zeit und Mühe für ein nachhaltiges Veränderungsmanagement aufgewendet
  10. Fehlen eines angemessenen Rollenmodells, der Befähigung und des Aufbaus von Fähigkeiten

Wie fängt man an?
Die gute Nachricht ist, dass die meisten der erforderlichen Technologien, die den Weg zu einem digitalisierten Labor ebnen, bereits heute existieren. Um Industrie 4.0-Technologien erfolgreich einzuführen, müssen Pharmaunternehmen die richtigen Ziele setzen und schnell handeln. Die folgende Abbildung fasst die sechs wichtigsten Schritte zusammen, die auf dem Weg zu einem modernen, sehr wettbewerbsfähigen Qualitätskontrolllabor zu bewältigen sind.

Sechs Schritte auf dem Weg zu einem digitalisierten Labor.

Sechs stufen
Abb. 4: Sechs Schritte auf dem Weg zu einem digitalisierten Labor.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass moderne Technologien die Qualitätskontrolle schneller, flexibler, zuverlässiger, konformer und effizienter machen können. Durch die Festlegung geeigneter Ziele, die Wahl der richtigen Technologien und eine schnelle Skalierung können Pharmaunternehmen in der Qualitätskontrolle führend werden und alle Vorteile und Belohnungen in Form von Geschwindigkeit, Einhaltung von Vorschriften, Kosteneinsparungen und Produktivitätssteigerungen nutzen.

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Personen zum Artikel.

Dr. Andreas Benischke

Senior Management Consultant

Dr. Andreas Benischke studierte zunächst Chemie und Biochemie auf Bachelor an der LMU in München. Danach machte seinen Master in Chemie und promovierte an der Fakultät für Chemie und Pharmazie im Fachbereich Organische Chemie.
Während seiner beruflichen Laufbahn arbeitete Herr Dr. Benischke als Chemiker im Bereich Forschung und Entwicklung.  Dabei wirkte er in der Entwicklung und Optimierung von Verfahren für die Herstellung organischer Produkte und APIs gemäß ISO und cGMP Richtlinien. Außerdem führte er Laborverfahren in die Entwicklung ein, etablierte neue Technologien, arbeitete Analyseverfahren aus und erstellte Risikoanalysen. Darüber hinaus hat Herr Dr. Benischke unter anderem Expertise in metallorganischer Chemie, im Bereich homogener Katalyse und organischer Synthese und Prozesschemie.
Dr. Andreas Benischke unterstützt Entourage als Senior Management Consultant.

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