Zusammenspiel von Servern, Robotern und Wissenschaftlern zur Modellierung und Ausführung komplexer Workflows für biologische Produkte

Hintergrund

Zymergen ist ein Biotech-Unternehmen, das Produkte mithilfe von Mikroben herstellt und verbessert. Es arbeitet mit Unternehmen aus Branchen wie Landwirtschaft, Pharmazeutik, Chemie, Elektronik und Kosmetik zusammen, um die Wirtschaftlichkeit bestehender Moleküle zu verbessern und neue Produkte zu entwickeln.

Zymergen erreicht dies mit einer firmeneigenen Plattform, die Automatisierung und maschinelles Lernen nutzt, um Mikroben schneller und vorhersehbarer zu entwickeln und ein Leistungsniveau zu erreichen, das mit Hypothesentests und Laborforschung allein nicht zu erreichen ist.

Die Produktionsteams von Zymergen entwickeln und testen Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen, um die Leistung in groß angelegten Fermentationsprozessen zu verbessern. Dank dieser Methoden können Mikroben Rohstoffe wie Zucker letztlich effizienter in die gewünschten Moleküle umwandeln.

Jeder Entwicklungs- und Testzyklus ermöglicht es Zymergen, mehr Daten darüber zu sammeln, wie eine Mikrobe hergestellt werden kann, die beispielsweise eine größere Menge einer wertvollen Chemikalie produziert. Daher setzt Zymergen auf Prozesse mit denen in diesen Produktionszyklen so viele Informationen wie möglich gewonnen werden können.

Angesichts der steigenden Anzahl an Kunden musste Zymergen die Einführung neuer Projekte beschleunigen und gleichzeitig effiziente und anpassbare Prozesse gewährleisten. Dies erforderte eine Lösung, die sich in die Automatisierungs- und digitalen Systeme des Unternehmens integrieren lässt. Gleichzeitig war eine flexible Schnittstelle für Wissenschaftler und andere Nicht-Programmierer erforderlich, damit diese komplexe Workflows erstellen, aktualisieren und ausführen können. Hier kommt Camunda ins Spiel.

Das Ergebnis

Seit der Implementierung von Camunda ist Zymergen in der Lage, Prozesse deutlich schneller einzuführen, die Anzahl der Abweichungen in den Produktions-Workflows zu reduzieren und den Zeitaufwand für die Datenanalyse zur Fehlersuche und Prozessoptimierung zu minimieren.

Nahezu 400 Prozessdefinitionen unterstützen die Produktions-Workflows von Zymergen. Sie reichen von einfachen „Unit Operations” für einzelne molekularbiologische Schritte bis hin zu High-Level-Definitionen von End-to-End-Produktionslinien. Zymergen nutzt Camunda zur Steuerung all dieser Prozesse.

Da immer mehr Prozesse über Camunda gesteuert werden und das Unternehmen skaliert, nähert sich Zymergen 20.000 Prozessinstanzausführungen pro Monat. Die Anzahl der Instanzausführungen wird auch künftig weiter steigen.

Camunda: Teamübergreifende Lösung

Drei verschiedene Gruppen von Stakeholdern profitieren bei Zymergen von Camunda. Wissenschaftler nutzen sie, um biologische Workflows zu definieren und automatisierte Protokolle in der Produktion auszuführen.

Die Anwender, von denen viele keine Erfahrung in der Softwareentwicklung haben, können direkt Workflows erstellen, die mit Camunda ausführbar sind.

Die Mitglieder der Produktionsteams nutzen Camunda Tasklist, um auf Anweisungen zuzugreifen, die sie durch die Fabrikprozesse führen, für die sie verantwortlich sind. Dadurch können Prozesse wiederholt und ohne umfangreiche Schulungen ausgeführt werden. Darüber hinaus müssen sich die Anwender nicht darum kümmern, die zu einem Prozess gehörenden Daten hochzuladen — das übernehmen die Workflows in der Camunda Engine.

Das Technologieteam nutzt Camunda im Hintergrund, um die für die Protokollausführung, Datenerfassung und -verarbeitung erforderlichen Dienste zu orchestrieren. Erreicht ein Operator beispielsweise einen Workflow-Schritt, der eine Entscheidung über das Bestehen oder Nichtbestehen einer Probe erfordert, nutzt Zymergen Camunda, um den entsprechenden Algorithmus für Qualitätsentscheidungen zu initiieren. Workflows können auf Grundlage dieser Entscheidungen fortgesetzt werden, ohne dass eine manuelle Orchestrierung der einzelnen Schritte erforderlich ist.

Die Implementierung

Zymergen ist davon überzeugt, dass die Optimierung von Mikroben genauso zuverlässig und vorhersehbar ist wie die von anderen Produktionsmaterialien, wenn man den technischen Ansatz auf den Prozess selbst überträgt. Die Workflow Engine von Camunda hat dies ermöglicht.

Zymergen nutzt die Spring-Boot-Integration von Camunda zur Projektimplementierung. Für die Interaktion mit verschiedenen Software- und Automatisierungsdiensten wird dann hauptsächlich Java verwendet.

Die Kombination von Spring und Camunda macht es einfach, Technologien wie REST oder Publish/Subscribe zu nutzen, um die Systeme zu koordinieren und zu orchestrieren. Mithilfe dieser Techniken hat das Entwicklungsteam eine Bibliothek von Aufrufaktivitäten entwickelt, die mit Daten und Automatisierungssystemen interagieren und von Wissenschaftlern genutzt werden, um biologisch signifikante Workflows zusammenzustellen.