Konzepte und Systeme zur Digitalisierung von Bioprozessinfrastruktur

In der vorliegenden Arbeit wird die systematische Digitalisierung von Bioprozessinfrastrukturen in akademischen Forschungsumgebungen untersucht. Vor dem Hintergrund der zunehmenden Komplexität bei der Integration physischer und digitaler Laborprozesse werden modulare Systemarchitekturen entwickelt, die sich unter den Ressourcenbeschränkungen universitärer Einrichtungen effektiv implementieren lassen. Zentrale Fragestellung ist dabei die synergetische Verknüpfung technologischer und administrativer Ansätze, um wissenschaftliche Anforderungen unter Berücksichtigung institutioneller Ressourcen zu erfüllen. Schlüsselaspekte einer erfolgreichen Labordigitalisierung sind standardisierte Kommunikation heterogener Geräte, effiziente Softwareentwicklung, nachhaltige Datenverwaltung und Benutzerfreundlichkeit. Als konkrete Lösungen werden das mkbox-project und das Gateway-Modul-v3 vorgestellt. Das mkbox-Projekt ermöglicht die automatisierte Erstellung anwendungsspezifischer Linux-Images, wodurch die Wartbarkeit und Reproduzierbarkeit laborrelevanter Softwarelösungen signifikant gesteigert wird. Das Gateway-Modul-v3 fungiert als kompakte HardwarePlattform zur Integration von Legacy-Geräten in moderne digitale Infrastrukturen und wird durch das tty2eth-Modul für Fernwartung und -überwachung ergänzt. Beide Systeme folgen DevOps-Prinzipien und nutzen Infrastructure-as-Code, um systemische Komplexität zu beherrschen. Ein weiterer wesentlicher Beitrag ist das Datenmanagementsystem, welches nach den Findable, Accessible, Interoperable, and Reusable (FAIR) Prinzipien eine strukturierte Datenspeicherung sowie die langfristige Nutzbarkeit und Reproduzierbarkeit experimenteller Ergebnisse gewährleistet. Die Integration der entwickelten Komponenten wird anhand eines Periodic Counter-Current Chromatography (PCCC)Experiments zur Green Fluorescent Protein (GFP)-Aufreinigung demonstriert, das einen durchgängig digitalisierten Workflow von der Experimentdurchführung bis zur Analyse realisiert. In dieser Arbeit wird deutlich, dass digitale Innovationen nicht als einzelne Werkzeuge, sondern als Teil eines umfassenden Systems betrachtet werden müssen, um ihr volles Potenzial zu nutzen.