Digitalisierung, Automatisierung, Shared Economy
Lösungen für Herausforderungen an das Labor der Zukunft
Arbeitssicherheit im Labor ist seit jeher ein Thema mit enormer Bedeutung, aber auch Themen wie die gemeinsame Nutzung von Laborressourcen, Digitalisierung im Labor sowie Laborautomation gewinnen zunehmend an Wichtigkeit. Ebenso entsteht ein ganz neues Feld des ortsungebundenen Arbeitens nun auch im Bereich der Laborindustrie. Bei Chemielaboren wie auch in Biologielaboren wachsen sowohl Kostendruck als auch die Notwendigkeit einer effizienteren Auslastung der bestehenden Arbeitsplatzstrukturen. War bisher ein Laborarbeitsplatz fest für einen Laboranten vorgesehen und wurde dieser über Jahre dauerhaft genutzt, so sind es heute bedarfsorientierte Verwendungen, die sich stetig ändernden Aufgaben anpassen müssen. Einige Hochschulen sowie Forschungsinstitute sind bereits Vorreiter und bieten ihre Ressourcen intern auch arbeitsgruppenübergreifend zur Buchung an. Der häufigste Grund einer Shared Economy im Bereich des Laborwesens ist derzeit aber das Einsparungspotential bei hohen Investitionskosten, welche durch bessere Auslastung deutlich verringert werden können.
Ebenso wichtig wie relevant wird aber auch die altersgerechte Gestaltung von Arbeitsplätzen im Zuge des zunehmenden Fachkräftemangels. Den technisch optimalen Laborarbeitsplatz für die jeweilige Tätigkeit mit den besten Arbeitsbedingungen als Unternehmen bereitzustellen wird eine logistische Herausforderung, insbesondere, wenn Kriterien der Nachhaltigkeit Beachtung finden sollen. Laborunternehmen werden vor der Anforderung stehen, die persönliche Leistungsfähigkeit und das individuelle Skillset in allen Altersgruppen ihrer Mitarbeiter ebenso wie betriebliche Arbeitsbedingungen in einer Balance zu halten und trotzdem unternehmerisch erfolgreich zu bleiben. Dies ist ein neuer, wenn gleich indirekter Grund, um Laborarbeitsplätze flexibel nutzbar zu machen und modular zu gestalten.
Lösungen für alle diese Fragen sind praktisch schon vorhanden, nur eben nicht in der Kombination, die notwendig wäre, um diese Frage zu beantworten. Der Schlüssel zum Erfolg scheint in der Nutzung von modularisierten Einzelressourcen zu liegen, welche durch Buchung und Bereitstellung sowie Rückgabe von Laborequipment für mehrere Nutzer in kurzer Zeit verfügbar sein soll. Unternehmen wie die Life Science Factory in Göttingen bieten bereits heute Laborarbeitsplätze als Coworking-Areas an, Nutzer erhalten ohne eigene Laborinfrastruktur den Zugang zu besten Arbeitsbedingungen bei optimierten Kosten. Es darf berechtigter Weise darüber nachgedacht werden, ob zukünftig nicht neben klassischer Büroumgebung viel mehr Infrastruktur durch gemeinsame Nutzung effizienter genutzt werden kann. Daraus würde sich die Option ergeben, zusätzlich zu normalen Büroräumen auch Laborkapazitäten mit kostenintensiver Ausstattung durch geteilte Nutzung besser auszulasten und zu verwenden. Auch Modelle zur kurzfristigen Umwidmung von Büro- zu Laborbereichen und zurück werden bereits geplant und vorbereitet. Dies verringert Investitionskosten und stärkt auch Nachhaltigkeit in allen Bereichen. Gleichzeitig muss ein Umdenken auf Seiten der Nutzer stattfinden, da der bisherige Weg der Labornutzung ein Update erfahren würde. Im Folgenden sollen beispielhaft bestehende Lösungen vorgestellt werden und hinsichtlich ihrer Potenziale und möglichen Synergien Betrachtung finden.
Sharing Economy - von der Bibliothek ins Labor
Das Rad muss nicht zweimal erfunden werden, denn eine Blaupause für dieses innovativ erscheinende Arbeitsmodell einer Shared Economy gibt es bereits. Es ist in jeder Großstadt verfügbar und als eines der ältesten Sharing-Modelle der Welt bekannt: Die Bibliothek. Vergegenwärtigen wir uns also, wie eine Bücherleihe seit vielen Jahrzehnten sehr erfolgreich funktioniert. Nutzer suchen je nach Bedarf ihre Bücher zu ihren Interessen heraus und lassen diese an einer Abholstation bereitlegen. Je nach Verfügbarkeit können sie zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Abholregal entnommen werden. Per ID-Card oder App bzw. online wird die Leihe bestätigt. Nach Ablauf der Zeit werden die Bücher nicht einzeln vom Nutzenden in das ursprüngliche Regal zurückgestellt, nein, die Rückgabe erfolgt mit gleicher ID Card oder Registrierungsoption an einer Rückgabestation. Hier werden Anzahl und Zustand der Druckexemplare kontrolliert, die Publikationen werden anschließend wieder durch Bibliothekare an ihren angestammten Platz zurücksortiert. Das System ist jedem Forscher wie auch Akademiker bekannt und geläufig – warum es in der Nutzung von Laborarbeitsplätzen bislang noch keinen direkten Einzug gehalten hat, ist nicht bekannt. Möglicherweise liegt es an den etwas verschiedenen Bedingungen, die in Chemie- oder Biologielaboren gelten, denn die Arbeit unter Sicherheitsabzügen sowie der Umgang mit Chemikalien oder biologischen Proben stellt natürlich an die Rückgabe der genutzten Gerätschaften und deren Reinigung ganz eigene Anforderungen. Dennoch lassen sich diese Punkte überraschend einfach lösen und optimieren.
Vergegenwärtigen wir uns also die zu lösende Herausforderung. Der „klassische“ Laborarbeitsplatz besteht aus
- einem Sicherheitsabzug, einer Sicherheitswerkbank oder einem Labortisch
- den Halterungen für Laborglasgeräte oder Gefäßhalterungen für z.B. Mikroreaktionsgefäßen
- Laborgeräten, wie Waagen, Rotationsverdampfer, Magnetrührer, Mikroliterzentrifugen
- dem Verbrauchsmaterial sowie
- den Bestandteilen der eigentlichen Proben.
Die klassische Laborumgebung, ob als Bestandteil eines Unternehmens, einer Hochschule oder – ganz innovativ – als Teil eines Angebots eines Coworking-Spaces – wird natürlich als Basis benötigt. Weitere Bestandteile des mobilen Arbeitens im Labor lassen sich adaptieren.
Das Rad muss nicht zweimal erfunden werden, denn eine Blaupause für das innovativ erscheinende Arbeitsmodell einer Shared Economy gibt es bereits. Es ist in jeder Großstadt verfügbar und als eines der ältesten Sharing-Modelle der Welt bekannt: Die Bibliothek.
Die Buchung
Im Idealfall bucht ein Laborant für eine Aufgabe einen Laborabzug für ein definiertes Zeitfenster. Je nach Arbeitsinhalt und persönlichen Anforderungen würde dieser Arbeitsplatz online oder per App reserviert werden. Im Rahmen der Buchung wird auch die grundsätzlich umzusetzende Aufgabe erfasst, welche es am entsprechenden Arbeitstag zu lösen gilt. Bei Buchung wäre auch bereits die Probenzusammensetzung zu benennen. Das DESY „Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, ein Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft“ fordert seine Nutzer beispielsweise bei Buchung eines Laborarbeitsplatzes auf, folgende Informationen zu übergeben: Datum und Zeitrahmen, in dem die Laborumgebung benutzen werden, genaue chemische Zusammensetzung der Proben sowie Art und Umfang der Aufgaben, die durchgeführt werden soll. Ein Teil der Datenerfassung ist die notwendige Konfiguration des benötigten Equipments, welches in Form von Laborgeräten, Verbrauchsmaterial sowie Glasgeräten und Probengefäßen zur Abholung bereitgestellt wird. Auch für diesen Teil der Aufgabe ist ein System bereits am Markt erhältlich. Die Firma Clustermarket bietet ein Buchungssystem für wissenschaftliche Einrichtungen an, mit welchem Labore verschiedenster Art ihre Ressourcen und Kapazitäten Nutzern zur Verfügung stellen können. Ebenso kann eine Reservierung storniert oder umgebucht werden, womit die Aufgabenkonfiguration auf das Datum der neuen Buchung übertragen werden würde. Hilfreich ist dabei eine interaktive Karte, die zur Navigation und zur besseren Orientierung im Labor führt. Damit wäre auch sichergestellt, dass vor Ort befindliche Ressourcen optimal genutzt und Such- und Verteilzeiten verringert werden. Auch die Erstellung von Buchungsprofilen jedes Nutzers würde die Konfiguration des Laborarbeitsplatzes deutlich vereinfachen. Das Design oder Layout eines Arbeitsplatzes, seine notwendigen Bestandteile etc. würden in der Software hinterlegt werden und stünden so für zukünftige Projekte zur Verfügung. Im Idealfall auch an verschiedenen Laborstandorten.
Einer der Hauptgründe für die nach wie vor bestehende Ineffizienz in Unternehmen der Laborindustrie ist die Ablage von Daten in so genannten „Datensilos“. Papiernotizbücher, datenträgerbasierte (offline) Dokumentationen und eigenständige serverbasierte Systeme sind in Laboren leider immer noch üblich. Dabei sind innovative, digitale Lösungen, wie z. B. ein System zur Geräteplanung, für den effizienten Betrieb eines Labors unerlässlich. Die Verwendung mehrerer verschiedener Systeme bedeutet zudem eine zusätzliche Arbeitsbelastung für Laborleiter, denn oft bleiben Daten bei ihrer Speicherung isoliert und müssen manuell in andere Systeme importiert werden, um so im gesamten Arbeitsablauf verwendbar zu sein. Dies führt zu einer vergleichsweise langsamen Einführung digitaler Lösungen in Unternehmen und damit zu einer eher enttäuschenden Erfahrung für Forschende. Um diese Probleme zu vermeiden und um einen reibungslosen Arbeitsablauf im Labor zu gewährleisten, sollten alle eingesetzten Softwarelösungen auf der Basis harmonisierter Schnittstellen verbunden werden können – was die schnelle Einführung von neuen Lösungen unterstützt. Ein digitales Buchungssystem für Laborgeräte, auf das alle Mitarbeiter leicht zugreifen können, hilft dabei, einen klaren Überblick darüber zu erhalten, wer wann ein bestimmtes Equipment reserviert hat. Dies erleichtert auch die Koordinierung von Zeitplänen, die Vermeidung von Überschneidungen und die Überprüfung der Verfügbarkeit von Ressourcen. Darüber hinaus trägt ein einziges System, in dem jeder Nutzer auf alle relevanten Laborressourcen zugreifen und diese buchen kann, dazu bei, die Nutzung von Investitionsgütern zu verbessern. Die Möglichkeit, Labormitarbeiter per Nachricht aus dem Buchungssystem über Änderungen der Laborpläne zu informieren oder die Wartung von Geräten anzukündigen, ist zudem praktisch und verringert den Verwaltungsaufwand.
Das SmartRack® als Labororganisationssystem wirkt als Assistenzsystem, sodass jeder Labormitarbeiter, der einmal mit der Funktionsweise des Organisationssystems vertraut ist, jeden Laborarbeitsplatz für sich in eine vertraute Arbeitsumgebung umwandeln kann. Mit der Lösung von Better Basics Laborbedarf, dem SmartRack® als Labororganisationssystem, ist dies leicht zu erreichen; jeder Arbeitsplatz lässt sich somit durch die vielfältigen SmartRack®-Module mit Laborglasgeräten, Pipetten, Verbrauchsmaterial und weiteren Utensilien praktisch und platzsparend, modular und jederzeit anpassbar einrichten.
Die Organisation des Laborarbeitsplatzes für effizientes und sicheres Arbeiten
Da SmartRack®-Nutzer auf einen großen Umfang von über 100 Modulen zur Aufbewahrung von Laborequipment zurückgreifen können, ist sein Einsatz in jedem Labor möglich und technisch wie auch wirtschaftlich sinnvoll. Mit dem SmartRack® wird praktisch auch eine Lücke zu anderen Industriezweigen geschlossen, denn das SmartRack® ermöglicht als weltweit erstes Labororganisationssystem die Anwendung der 4D- bzw. der 8D-Methode aus der Automobilindustrie auch im Laborumfeld. Da jeder Fehler nach seinem erstmaligen Auftreten dabei ursächlich gelöst werden soll, bietet das SmartRack® an dieser Stelle das Potential, durch das sichere Aufbewahren von Laborglasgeräten und Laborzubehör jeden Fehler praktisch auszuschließen. Ordnung und die Vermeidung von Probenverlusten und -verwechslungen sind ein wesentlicher Vorteil des SmartRack®. Die Nutzung der drei Ergonomie-Bereiche des Laborarbeitsplatzes, dem Greifbereich, dem Reichbereich sowie dem Streckbereich werden optimal genutzt, da das SmartRack® die Höhe bzw. den Luftraum im Laborabzug, über dem Labortisch oder der Sicherheitswerkbank optimal ausnutzt und damit im Greifbereich Platz zum optimalen Arbeiten bietet. Diese Ordnung und diese klare Struktur im persönlichen Arbeitsumfeld ist es, die zum Beispiel in der Automobilindustrie dazu beiträgt, Arbeitsunfälle zu vermeiden und auf diese Weise die Arbeitssicherheit signifikant erhöht. Eine klare Aufteilung des Arbeitsplatzes sowie die gleichartige Platzierung von Laborzubehör helfen Konzentrationsschwächen zu vermeiden und verhindern so Fehler. Im Ergebnis unterstützt das SmartRack® auf diese Weise die Ergonomie am Laborarbeitsplatz und entlastet Labormitarbeiter, was zu höherer Zufriedenheit und Motivation am Arbeitsplatz beiträgt.
Das Material
Verbrauchsmaterial, Laborgeräte sowie Laborzubehör stellen einen wesentlichen Aspekt der täglichen Laborarbeit dar. Da Forschung kein exakt zu buchender Prozess ist, muss die adäquate Verfügbarkeit des Materials gewährleistet sein. Ob bei Übernahme des gebuchten Laborarbeitsplatzes oder beim Empfang des Laborordnungssystems und Laborequipments ist individuell abzustimmen. Würden weitere Verbrauchsmaterialien benötigt werden, sollten diese auch halbzentral in direkter Nähe des eigentlichen Laborarbeitsplatzes bereitstehen, um schnell und effizient während des Arbeitstages darauf zugreifen zu können. Im Idealfall werden diese Materialien pauschaliert berechnet. Ein weiterer zu diskutierender Schritt sind die Aus- sowie Rückgabe der Arbeitsmittel sowie der Umgang mit Proben und Laborabfällen. Am Ende des Laborarbeitstages steht die fachgerechte Entsorgung der Verbrauchsmaterialien sowie die Rückgabe des Labororganisationssystems inklusive der vorher übergebenen Module, ungenutzten Verbrauchsmaterialien und der Laborgeräte. Diese würden, klassiert nach der vorherigen Nutzung, gereinigt und wieder eingelagert werden.
Das Labor der Zukunft ist zukünftig für geplante Projekte konfigurierbar und kann projektbezogen umgebaut und ausgestattet werden. Damit sind Arbeiten wesentlich effizienter planbar. Auch Inventarisierungen wären durch ein Buchungssystem wesentlich schneller durchzuführen, da Bedarf, Setup und Layout des Labors direkt mit Daten aus einem Laborbuchungssystem abzugleichen wären.
Die zeitliche und räumliche Flexibilität
Auch für den Fall einer längeren Versuchsdurchführung wäre eine mobile Arbeitsweise praktisch umsetzbar. Die Firma Better Basics Laborbedarf bietet für das SmartRack® ein eigens dafür ausgelegtes SmartCase an, in welchem das SmartRack® inklusive Proben abgestellt und verschlossen werden kann. Das SmartCase verfügt über ein selbsttätiges Ventilsystem über welches durch externe Gaszuführung die Atmosphäre im Innern des SmartCase getauscht werden kann. Somit sind auch mehrere nebeneinander abgestellte SmartCase mit darin befindlichen Versuchsaufbauten für mehrere Tage lagerfähig – codiert mit einem E-Ink-Label wäre später das entsprechende SmartCase einem Laboranten auch wieder zuordenbar, nebst der Information der darin befindlichen Inhalte.
Die Digitalisierung im Labor
Neben den ökonomischen sowie raumtechnischen Gründen für eine gemeinsame Nutzung von Laborressourcen ist es der Umgang mit großen Datenmengen, der Laborarbeit beeinflussen wird. Uneinheitliche Prozesse und nicht standardisierte Arbeitsabläufe bedeuten, dass Daten nach wie vor manuell eingegeben werden. Diese werden zum größten Teil noch immer in Papierform erfasst und erst später per Hand abgetippt. Das damit einhergehende Fehlerrisiko ist enorm. Auch sind die Datenformate, in denen eben diese Informationen erfasst werden, auf Excel oder vergleichbare Programme beschränkt. Die damit einhergehende, dezentrale Datenhaltung führt zu einer geringen Integration der Daten in kontextbezogene Analyseprogramme. Eine Lösung stellt das „digitale“ Labor dar, in welchem Arbeitsabläufe bildschirmvermittelt vorgegeben werden. Damit ist ein einheitliches Versuchs- oder Analysevorgehen sichergestellt. Gleichzeitig werden alle Daten strukturiert erfasst und gesichert. Später kann eine Auswertung in nahezu beliebiger Weise erfolgen. Hier integrieren sich Lösungen wie die Buchungssoftware der Firma Clustermarket optimal, da sie auch in der Lage sind ein Monitoring sowie ein Controlling auszuführen. Dass Geräte zur Analyse und Messung wie auch Sensoren direkt miteinander vernetzt werden erscheint in diesem Zusammenhang mehr als sinnvoll. Gleichzeitig liefern sie ihre Daten ebenso direkt in das einheitliche Labormanagementsystem und ergänzen sich mit den Dateneingaben der Laboranten.
Die Laborsicherheit
Sicherheit hat oberste Priorität, denn Laborunfälle sind teuer und folgenreich. Allein im Jahr 2018 wurden in Deutschland 15.000 Laborunfälle gemeldet, die im Durchschnitt 25.000 Euro gekostet haben. Häufig wechselnde Arbeitsplätze bedeuten natürlich auch ständig neue Herausforderungen an Benutzung und Kenntnis der Umgebung und der verwendeten Technik. Eine sachgerechte Einweisung sowie Arbeitsschutzbelehrung ist notwendig und aus Arbeitsschutzgründen unumgänglich. Schnell würde sonst aus den möglichen Vorteilen einer flexiblen Laborarbeitsweise ein Szenario entstehen, bei welchem die Unfallfolgen jeden Nutzen ins Negative verkehren würden.
Die Laborautomation
Bislang dominieren in Sicherheitsabzügen klassische Halterungen wie die althergebrachte 3-Fingerklemme den Laborarbeitsplatz, womit die Versuchsanordnung sehr traditionell bleibt. Automation im Labor ist ein großes Thema, wenn wiederkehrende Abläufe in gleichbleibender Umgebung umgesetzt werden können und sollen. Genau an dieser Stelle haben herkömmliche Laboreinrichtungen ihre Schwachstellen. Denn alle automatisierten Abläufe leben von der Sicherheit, dass alle Prozessschritte exakt nach den gleichen Kriterien wiederholt und umgesetzt werden können. Den Ausweg bieten derzeit Laboranordnungen, bei denen Roboter in eigens dafür ausgestatteten Laboren sicher arbeiten können. Die hybride Nutzung von Menschen und Robotor-Systemen stellt besondere Ansprüche, die ein modernes Laborordnungssystem wie das SmartRack® erfüllen kann.
Die Synergien
Schon die Vorstellung der verschiedenen Einflusskriterien lässt das große Potential erahnen, welches es durch eine ganzheitliche Nutzung von Laborstrukturen zu erschließen gilt. Je nach Anwendungsgebiet sind diese Optimierungspotentiale unterschiedlich verteilt. Einige der Möglichkeiten seien hier gedanklich vorgestellt. So könnte das Thema der Arbeitssicherheit beispielweise durch Standardisierung wesentlich verbessert werden. Über das Buchungssystem, wie zum Beispiel der von Clustermarket angebotenen Lösung, kann eine Einweisung zu allen sicherheitsrelevanten Themen bereits online erfolgen. Da durch Nutzung eines einheitlichen Laborordnungssystems, wie beispielsweise dem SmartRack®, mit standardisierten Halterungen für Laborglasgeräte, welches an jedem Laborarbeitsplatz eingesetzt werden kann, reduziert sich auch der Aufwand für Instruktionen und damit das daraus resultierende Fehlerpotential, weil Anwender zunehmend mit dem Ordnungssystem vertraut sind, da dieses an allen Arbeitsplätzen verfügbar ist. Wenn über mehrere Jahre die gleichen Module und Modulsysteme genutzt werden, reduzieren sich Fehler, die aus Unkenntnis und aus unsachgemäßer Nutzung erfolgen ebenfalls.
Ein Buchungssystem, welches die Nutzung von Verbrauchsmaterial sowie Laborkapazitäten messen kann (vgl. www.clustermarket.com), hilft u.a. den Einkauf von eben diesen Verbrauchsgütern zu optimieren. Größere Kontingente an Hilfsstoffen können eingekauft werden, und dies zu besseren Konditionen – eine Chance zur Optimierung, die bisher praktisch nicht genutzt wird. Auch die Probenzwischenlagerung bis zur Analyse in einer Systemlösung wie dem SmartCase spart ganz direkt Kosten, denn der am Tag der Probenerstellung genutzte Laborabzug wird nun für die Dauer der Zwischenlagerung frei und kann anderweitig genutzt werden. Das SmartRack® bietet dafür die besten Voraussetzungen. Ein weiterer Vorzug des SmartRacks® offenbart sich in seiner Verwendung in teil- oder vollautomatisierten Laboren. Durch die definierte Positionierung aller seiner Module wird am SmartRack® die Basis geschaffen, um den Einsatz von Robotern zu ermöglichen. Um ein Labor für die Zukunft und die Möglichkeiten der automatisierten Laborarbeit gut vorzubereiten, wäre die Ausstattung mit einem Ordnungssystem wie dem SmartRack® die perfekte Vorbereitung. Somit würden die klassische, manuelle wie auch teil- oder halbautomatisierte Laborarbeit vereint und wechselseitig ergänzt. Sowohl Laboranten wie auch Roboter würden die gleiche Laborgrundausstattung nutzen können. Ein Umbau des Labors wäre nicht notwendig. Die am SmartRack® optional integrierte Tablet-Halterung schafft beispielsweise eine zusätzliche Schnittstelle zwischen Mensch und Maschine und vereinfacht die hybride Nutzung des Labors durch Mensch und Maschine.
Durch Buchungen und damit bekannte Bedarfe an Raum und Ausstattung sind selbst ganze Labore hinsichtlich ihrer Konstellation und Komposition in einem Zeitraum von einem bis zu fünfzehn Tagen flexibel gestaltbar. Ein Labor ist also zukünftig für geplante Projekte konfigurierbar und kann projektbezogen umgebaut und ausgestattet werden. Damit sind Arbeiten wesentlich effizienter planbar. Auch Inventarisierungen wären durch ein Buchungssystem wesentlich schneller durchzuführen, da Bedarf, Setup und Layout des Labors direkt mit Daten aus einem Laborbuchungssystem abzugleichen wären.
Fazit: Das Design von Laboren, die in den kommenden Jahren geplant und eingerichtet werden, wird sich maßgeblich ändern.
Dabei steht die Steigerung von Effizienz und Flexibilität im Vordergrund, ebenso die Ausrichtung auf zukünftige Aspekte wie der Automation und der Vermeidung von Unfällen und Fehlern. Werden erste Labore auf diesem neuen, sehr hohen Standard von Konzernen eingerichtet und wird das sich daraus ergebene Potential deutlich, stehen die Betreiber von herkömmlichen Laboren vor einer großen Frage: Wie sollen sie das Defizit an Rentabilität und Effizienz ausgleichen? Dank der beschriebenen Modularität der neuen Lösungen ist eine Nachrüstung sowie eine Umrüstung praktisch jederzeit möglich. Es gilt, bewusst den unumgänglichen Veränderungen in allen Bereichen des heutigen Lebens eine Nasenlänge voraus zu sein. Dies beginnt wie immer mit der Bereitschaft, Veränderung als Chance zu erkennen.