Das Labor der Zukunft – Zwischen Automatisierung, Nachhaltigkeit und vernetzter Intelligenz

Ist das „dark lab“ schon in greifbarer Nähe? Oder braucht es noch eine Weile, bis wir das Licht im Labor der Zukunft ausschalten können, da alle Geräte automatisiert funktionieren? 

Das Labor der Zukunft, in dem Mühle, Sieb, Waage und Elementaranalysator direkt kommunizieren und automatisiert zusammenarbeiten, ist nicht mehr so weit entfernt. Neue Technologien wie Künstliche Intelligenz (KI), Robotik, digitale Vernetzung und nachhaltige Infrastrukturen verändern die Art und Weise, wie Forschung betrieben wird. Werden nur noch wenige menschliche Eingriffe benötigt, dann können wir das Licht ausgeschaltet lassen und es, analog zur „dark factory“ in der Automobilindustrie, „dark lab“ nennen. 

Ob es nun Traum oder Alptraum des Analytikers ist, ausschließlich eine überwachende Funktion zu haben und gelegentlich die immer seltenere Wartung der Geräte durchzuführen, der Weg dorthin ist bereits eingeschlagen. Viele Bausteine dafür sind bereits auf dem Markt oder befinden sich in der Entwicklung, denn die Automatisierung hält auch im Labor Einzug. Nach und nach werden sich die einzelnen Teile des Puzzles zusammenfügen, bis ein weitgehend automatisierter Prozess vom Probeneingang bis zur Erstellung und Auswertung des Reports möglich ist. Natürlich ist die Weiterentwicklung dorthin mit Investitionen verbunden, die zunächst bei den Verfahren realisiert werden, die im Labor am zeitaufwändigsten sind und die am häufigsten durchgeführt werden. Dort ist der Kostendruck am höchsten, die Nischentechniken werden folgen und von den vorherigen Entwicklungen profitieren. 

Welche Schritte in Richtung „dark lab“ sind nun also notwendig und bereits jetzt in der Entwicklung? 

Die Automatisierung von Laboren ist keine Fiktion mehr, sondern eine Realität: Roboterarme, Sensoren und intelligente Pipettiermaschinen übernehmen zunehmend mehr Aufgaben. Über allen zukünftigen Entwicklungsthemen schwebt eine neue Technologie: die Nutzung künstlicher Intelligenz. Die Auswertung von Daten unter Zuhilfenahme von KI ermöglicht die Durchführung von Experimenten in einem schnelleren, präziseren und reproduzierbareren Verfahren. 

Mit dem Aufkommen und der leichten Verfügbarkeit von Large Language Models (LLMs) wie ChatGPT oder dem europäischen Mistral LeChat ist es nur eine Frage der Zeit, bis in jedem Analysengerät eine KI agiert. Vieles ist hier noch im Entstehen, doch es ist bereits deutlich absehbar, dass die Erstellung und Optimierung von besonderen Messabläufen, Statistiken oder die Bewertung von Chromatogrammen und Massenspektren deutlich beschleunigt werden. Hersteller, die solch ein Feature zukünftig nicht integrieren, werden es schwer haben. An alle Studierenden, die hoffen, dass sie im Studium die Methodenentwicklung vernachlässigen können, aber der Hinweis: Ein grundsätzliches Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse ist nach wie vor unerlässlich!

Das digitale Labor oder Smart Lab nutzt Cloud-Technologien, Internet-of-Things-Geräte und Datenplattformen, um Labore weltweit zu vernetzen.

Dies hat die durch mittelständische Firmen geprägten Branche vor Herausforderungen gestellt, da althergebrachte Dogmen überwunden werden mussten, langjährige Prozesse hinterfragt sowie neue Wege eingeschlagen wurden. Vor allem der Branchenverband der Analysengerätehersteller, Spectaris, hat sich hier verdient gemacht und gemeinsam mit der OPC foundation und engagierten Mitgliedsunternehmen die Entwicklung der OPC-LADS Schnittstelle vorangetrieben. Diese wird heute, neben anderen Standards, bereits in zahlreichen Geräten genutzt. Weitere werden folgen. 

Innerhalb unseres Unternehmens kommunizieren unsere Analysengeräte selbstverständlich schon seit geraumer Zeit miteinander. Unsere Massenspektrometer, Elementaranalysatoren und Agilent Gaschromatographen für die Stabilisotopenanalyse sind auch softwareseitig vollständig integriert. Für die Anwender bedeutet das: Eine einzige Benutzeroberfläche ermöglicht die Steuerung sämtlicher relevanter Funktionen. Hier machen sich die vollständige Digitalisierung der cube-Plattform und die langjährige Partnerschaft mit Agilent bemerkbar. Seit vielen Jahren werden alle Funktionen unserer Geräte automatisiert überwacht. Ob Fluss, Temperatur, Druck, Backup der Datenbank oder der Ablauf der Analysensequenz, die Software steuert und kontrolliert alle Funktionen zuverlässig.

Neben der Automatisierung und Vernetzung ist eine weitere Anforderung an die Elementaranalyse mit dem Labor der Zukunft verbunden. Umweltschädliche Techniken werden immer mehr durch nachhaltigere und damit schlussendlich preisgünstigere Methoden verdrängt. Althergebrachte Techniken weisen gewisse Stärken auf, jedoch erhöht sich der Druck auf das Labor, sich Alternativen ernsthaft zu widmen, wenn Sondermüll anfällt und dessen Entsorgung mit hohen Kosten verbunden ist.

Beispielsweise sind hier der Ersatz der Kjeldahlmethode zur Proteinbestimmung durch die Dumas-Verbrennungsmethode und die Bestimmung des Gesamtkohlenstoffs (TOC) als Alternative zum chemischen Sauerstoffbedarfs (CSB) in Wasser genannt. 

Häufig stehen der schnellen Modernisierung seit vielen Jahren etablierte geschriebene und ungeschriebene Industriestandards entgegen. Aktuell wird in DIN, ISO, ASTM und anderen daran gearbeitet, schädliche Chemikalien aus dem Laboralltag zu verbannen oder wenigstens etablierte Alternativen zu erlauben.

Im Zusammenspiel mit Automatisierung bedeutet das: Das Labor der Zukunft ist nicht nur digital und hochgradig automatisiert, sondern zugleich „grün“ – mit optimiertem Energieverbrauch, minimiertem Abfall, intelligenter Geräte-Betriebsführung und Kreislaufwirtschaft im Laborumfeld.