Industrielle Biotech im Westentaschenformat

„MiniProd“ heißt ein Konzept, das eine automatisierte Produktion auch bei variantenreichen Kleinserien wirtschaftlich macht und mit einem Minimum an Raum und Infrastruktur auskommt. Das Baukastenprinzip sorgt für Flexibilität und reduziert Investitionskosten. Im gleichnamigen BMBF-Projekt (Laufzeitende August 2004) entstehen Komponenten und Demonstratoren für eine Biochip-Fertigung sowie die Montage von Laserdioden.

Ein- und Ausgabestation zur Herstellung von DNA-Biochips (vorne) mit Medienversorgungs-, Liquid-Handling und Reinigungsmodul (im Hintergrund von rechts nach links).

Klein und flexibel sollen die Anlagen sein und selbst variantenreiche Kleinserien wirtschaftlich herstellen: Dann lohnt sich die Laborautomatisierung auch für kleine und mittelständische Biotech-Unternehmen. Sie müssen neue Verfahren und Prozesse für analytische, medizinische und produktionstechnische Anwendungen rasch vom Labor in eine industrielle Fertigung überführen, wenn sie einen zeitlichen Vorsprung aus der Entwicklung nicht verspielen wollen. Im industriellen Rahmen können sie ihre neuen Produkte in höhereren Stückzahlen und besserer Qualität herstellen. Automatisierte Anlagen für diese Prozesse zu realisieren ist jedoch i. d. R. mit einem erheblichem Entwicklungsaufwand und hohen Kosten verbunden. Die meisten Anlagen sind auf hohen Durchsatz ausgelegt, nur schwer auf ein anderes Produkt oder eine andere Produktvariante umrüstbar und machen sich nur in der Massenproduktion bezahlt. Im Verbundforschungsprojekt „MiniProd“ entstand das gleichnamige Konzept, das die Automatisierung auch bei variantenreichen Kleinserien rentabel macht. Es basiert auf modularen, miniaturisierten Anlagenkomponenten mit standardisierten Schnittstellen für „plug & produce“ auf einer produktneutralen Plattform. „Unser Konzept minimiert sowohl die anfallenden Investitionskosten als auch die Entwicklungsrisiken“, stellt Projektleiter Tobias Gaugel vom Fraunhofer IPA fest.

Kompakte und intelligente Prozessmodule sind ein wesentlicher Bestandteil des „MiniProd“-Baukastensystems zum einfachen und schnellen Aufbau von miniaturisierten Produktionssystemen. Er umfasst das gesamte Spektrum von Plattform- und Medienversorgungsmodulen über Prozessmodule bis hin zu Transportmodulen. Die Fertigungseinheiten auf der Plattform lassen sich segmentieren. So können reine Bereiche mit Laminarflow von unreineren Bereichen getrennt werden. Alle Schnittstellen der Module und Materialflusskomponenten sind so einfach gestaltet, dass sich der Prozess in kurzer Zeit an neue Erfordernisse anpassen lässt. Die dezentrale Steuerungsarchitektur sorgt für einen reibungslosen Ablauf und garantiert damit ein robustes und hochgradig verfügbares Produktionssystem. Jedes Modul ist mit einem eigenen Microcontroller ausgestattet, der eine direkte Kommunikation via Ethernet ermöglicht. „Erst diese Architektur macht die Integration und Konfiguration neuer Prozessmodule mittels ’plug & produce’ möglich“, erklärt Gaugel. „Einzelne Prozessmodule und Fertigungsabläufe lassen sich rasch an neue Aufgaben anpassen. Die gesamte Mini-Anlage ist flexibel erweiterbar.“ Zur Planung des Layouts und zur Konfiguration der Prozessmodule steht eine eigens entwickelte Software zur Verfügung. Sie erlaubt bereits in der Planungsphase einen Blick auf die neue Anlagenkonfiguration, bildet das reale System während des Betriebs zeitnah ab und ermöglicht die intuitive Steuerung der Anlage in einer virtuellen Umgebung.

Im Rahmen des BMBF-geförderten Verbundprojekts entstand am Fraunhofer IPA ein beispielhafter „MiniProd“-Modulbaukasten für die Produktion von DNA-basierten Biochips unter lückenloser Qualitätskontrolle. Über die vereinheitlichten Hard- und Software-Schnittstellen kann das „MiniProd“-Baukastensystem jederzeit um Pre- und Postprocessing-Schritte erweitert werden. „Auch für andere Anwendungen aus der Biotechnologie und der Medizintechnik können wir rasch kundenspezifische Lösungen erarbeiten“, bietet Projektleiter Gaugel an. Die Laufzeit des BMBF-Projekts (BMBF-Förderkennzeichen 02PD2370) endet am 31. August 2004. Bis dahin soll ein weiterer Demonstrator fertiggestellt sein, der Laserdioden montiert. Er wird auf der MOTEK vom 21.-24. September 2004 in Sinsheim vorgestellt. Unter Koordination der L-A-T Suhl AG, Suhl, arbeiten an „MiniProd – Miniaturisierte Produktionssysteme auf der Basis von ’plug & play’-fähigen Prozessmodulen“ die Festo AG & Co. KG, Esslingen, die CONGEN Biotechnologie GmbH, Berlin, die Z-LASER-Optoelektronik GmbH, Freiburg, sowie als wissenschaftlicher Begleiter das Fraunhofer IPA, Stuttgart, mit. Projekträger ist das Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, Projektträgerschaft Produktion und Fertigungstechnologien PFT.

Ihr Ansprechpartner für weitere Informationen:

Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik
und Automatisierung IPA
Dr.-Ing. Tobias Gaugel
Telefon: +49(0)711/970-1596
E-Mail: tobias.gaugel@ipa.fraunhofer.de