Service-oriented architecture for the networked, adaptive control of highly individual stem cell production

Die regenerativen Eigenschaften von Stammzellen spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuartiger Therapien. Dieses hat zu einem bislang ungedeckten Bedarf an großen Mengen an Zellmaterial geführt, während ihre Herstellung hauptsächlich durch eine arbeitsintensive, manuelle Produktionskompetenz gekennzeichnet ist. Da es sich bei Stammzellen jedoch um ein lebendes Produkt handelt, sind sie von Natur aus sehr variabel und komplex, was die Einführung von Automatisierungstechnologien in großem Maßstab schwierig macht. Folglich mangelt es den traditionellen Automatisierungsansätzen an der notwendigen Anpassung an das individuelle Zellverhalten sowie an der Flexibilität, um mit den kontinuierlichen Fortschritten in der Gerätetechnik und der biologischen Prozessentwicklung Schritt zu halten. Innovative Informations- und Kommunikationstechnologien wie eine allgegenwärtige Vernetzung und Datenverfügbarkeit sowie computergestützte Produktionssteuerungs- und Planungssysteme bieten die Möglichkeit, der zunehmenden Komplexität Rechnung zu tragen, während herkömmliche Produktionssteuerungssysteme für diesen hochvariablen und komplexen Bereich zu starr und unflexibel sind. Vor diesem Hintergrund war das Ziel dieser Arbeit, eine geeignete Produktionssteuerungsarchitektur mit Methoden der Digitalisierung im Kontext von Industrie 4.0 zu entwickeln, die den Anforderungen hochindividueller Produkte wie Stammzellen gerecht wird. Zu diesem Zweck wurde eine strukturierte Analyse der Geschäftsprozesse durchgeführt, die die Anforderungen an eine hochindividuelle Produktionssteuerung aufzeigt. Anhand von Begriffen und Definitionen moderner Produktionssysteme wurden die technischen Merkmale in Bezug auf die Kernaufgaben eines Produktionssteuerungssystems identifiziert. Auf dieser Basis wurden vielversprechende qualitative und technische Gestaltungsideen und Konzepte aus der Digitalisierung und Industrie 4.0 untersucht und auf die Domäne der Stammzellproduktion übertragen. Der daraus resultierende serviceorientierte Ansatz wurde in einer softwaretechnischen Prototyp-Implementierung umgesetzt und auf eine praktische Problemstellung in Form eines Zellkultivierungsszenarios angewendet. Die Durchführung von Verifikations- und Validierungsmethoden bestätigte die Eignung des gewählten Ansatzes dieser Arbeit. Es konnte sogar gezeigt werden, dass der Ansatz das Potenzial hat, die Anforderungen an eine Produktionssteuerung für hochindividuelle Produkte im Allgemeinen zu adressieren.

The regenerative characteristics of stem cells play an essential role for the development of advanced therapies. This has generated a yet unmet demand for large quantities of cell material while their production is mainly driven by a labor-intensive, manual manufacturing competence. As a living product, stem cells bear a natural high variability and complexity, making the introduction of automation technologies at large scale challenging. In conclusion, traditional automation approaches lack the required level of adapting to the individual cell behavior andthe level of flexibility for keeping up with the continuous advances in device technology and biological process development. Innovative information and communication technologies such as ubiquitous connectivity and data availability and computer aided production control and planning systems offer the opportunity to address the increasing complexity while conventional production control systems are too rigid and inflexible for this highly variable and complex domain. Against this background, the goal of this thesis was to develop an appropriate production control architecture using methods of digitalization in the context of Industry 4.0 able to meet the requirements of highly individual products such as stem cells. For this reason, a structured analysis of the business processes was conducted, revealing the requirements for a highly individual production control. Technical characteristics concerning the key tasks of production control systems were identified using terms and definitions of modern production systems. On this basis, promising qualitative and technical design ideas and concepts from digitalization and Industry 4.0 were investigated and translated into the domain of stem cell production. The resulting service-oriented approach was realized in a software prototype implementation and applied to a practical problem in a cell cultivation scenario. Conducting methods of verification and validation confirmed the suitability of the thesis approach. In fact, it was shown that the chosen approach could generally address the demands of a production control for highly individual products.