Entwurf des Bioproduktionssystems
In diesem Abschnitt beschreiben wir den Entwurfsprozess für die Entwicklung des Bioproduktionssystems für das Produkt. Insbesondere beschreiben wir den Prozess im Forschungslabor, der ursprünglich für die Herstellung des Matrix-Produkts verwendet wurde (aktueller Stand), und die Methode, die für die Entwicklung des kommerziellen Herstellungssystems angewendet wurde (zukünftiger Stand).
Ausgehend von einer Reihe von Standardarbeitsanweisungen (SOPs) und durch Interviews mit Fachleuten wurde eine Wertstromkarte (VSM) des Forschungslaborprozesses im Ist-Zustand entwickelt (siehe Abbildung 2). Die VSM verdeutlicht die unausgewogene Natur des Prozesses: Jeder Schritt nimmt einen völlig unterschiedlichen Zeitaufwand in Anspruch, der von einigen Minuten bis zu mehreren Stunden reicht. Einige Informationen aus dem ursprünglichen VSM, einschließlich der Schritte und der Dauer für jeden Prozess, wurden zum Schutz des geistigen Eigentums von Sanatela geschwärzt.
Abbildung 2: Aktueller Zustand des VSM für den Produktionsprozess.
Es wurde ein Simulationsmodell des aktuellen Zustands entwickelt. Dieses Simulationsmodell gab Aufschluss über das dynamische Verhalten des Systems sowie über mögliche Wege zur Übertragung des Forschungslaborprozesses in einen Fertigungsprozess. Da der Prozess aus einer Abfolge von linearen Schritten besteht, die an der gleichen
Abbildung 3: Visuelle Darstellung des Produktionsplanentwurfs.
Da der Prozess aus einer linearen Abfolge von Schritten besteht, die mit demselben Ausgangsmaterial durchgeführt werden, gibt es im derzeitigen Prozess nicht viel Muda (Abfall). Wir haben jedoch festgestellt, dass die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Kordeln zu einem höheren Durchsatz und zu einer gleichmäßigen Arbeitsbelastung der Techniker führen könnte. Wir entwarfen einen Zeitplan (siehe Abbildung 3) für die Verarbeitung des Produkts, bei dem die Techniker zwei spezialisierte Aufgaben in einem Verhältnis von zwei zu eins wahrnehmen: Die erste Aufgabe der Techniker ist ausschließlich dem Sezieren gewidmet, während die zweite Aufgabe (im Folgenden als "Verarbeitungstechniker" bezeichnet) darin besteht, jeden Tag dieselbe Abfolge von Schritten auszuführen, um vier Chargen gleichzeitig zu verarbeiten. Der Zeitplan wurde erstellt, um die von Sanatela angestrebte Taktzeit einzuhalten und gleichzeitig in der Lage zu sein, neue Labore schnell auf einen stabilen Zustand hochzufahren und die vom Unternehmen angestrebte Taktzeit einzuhalten.
Der Zeitplan basiert auf dem Lean-Prinzip von Heijunka: Die Arbeit des Verarbeitungstechnikers ist über den Tag hinweg relativ gleichmäßig verteilt, wobei die Aufgaben leicht nach vorne verlagert werden, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass alle Arbeiten bis zum Ende des Tages abgeschlossen werden können, selbst wenn Probleme auftreten oder Schritte länger als erwartet dauern. Der Aufbereitungstechniker wechselt zwischen den einzelnen Chargen, wobei er die Einrichtungsschritte in einem "wasserfallähnlichen" Ablauf erledigt und gegen Ende des Tages Zeit für unterstützende Aufgaben wie die Sterilisierung der Laborausrüstung aufwendet. Der Prozessplan erfüllt CFR 1271.170, da er mit einer flexiblen Anzahl von Technikern effizient abläuft und die in mehreren CFR-Abschnitten genannten Reinigungs- und Hygieneanforderungen berücksichtigt. Dieser Zeitplan ist auch ideal für den Einsatz in einer zellularen Anlage mit Einzelstückfluss.
Nachdem die Interessengruppen des Unternehmens zusätzliches Feedback zum Projektplan gegeben hatten, wurde der endgültige Plan verwendet, um eine Wertstromkarte für den zukünftigen Zustand (siehe Abbildung 4) und ein entsprechendes Simulationsmodell zu erstellen. Das Modell des zukünftigen Zustands enthält zusätzlich Milchläufe für die tägliche Lieferung von Nabelschnüren aus Krankenhäusern, schlanke Produktionskontrollmethoden sowie die Lieferung von Produkten an Kunden; auch hier wurden spezifische Prozessinformationen zum Schutz des geistigen Eigentums des Unternehmens unkenntlich gemacht.
Aufbau der Anlage
Das biomedizinische Technologieunternehmen befindet sich in einem Gebäude mit mehreren angrenzenden "Labors" für die Produktion. Eine der Hauptprioritäten bei der Planung war es, die Fähigkeit zu erhalten, sich leicht an das Wachstum und die Flexibilität des Unternehmens anzupassen. Daher wurde der gesamte Laborbereich in der Absicht entworfen, modular zu sein. Die Laborflächen befanden sich zwischen den Büroräumen und einem Flur, der zu den Versand- und Empfangsdocks führte. Da die Labore mit Bioabfällen versorgt werden müssen, war es sehr wichtig, den Materialfluss in und aus dem Labor zu simulieren, um das Risiko eines Kontakts mit gefährlichen Abfällen zu minimieren.
Abbildung 4: Zukünftiger VSM-Zustand für den Produktionsprozess.
Infolge der Vorschrift 1271.190 wurde die Trennung von Nabelschnüren und extrahiertem Wharton's Jelly zu einer Priorität bei der Gestaltung des Laborraums. Die vorgeschlagene Lösung für dieses Problem ist das in Abbildung 5 dargestellte Doppellabor. Dieses Konzept sieht zwei Labore vor: eines für das Präparieren der Nabelschnüre (Zone 1) und eines für die Nachbearbeitung (Zone 2). Durch die Aufteilung der Labore in zwei getrennte Bereiche wird die Wahrscheinlichkeit einer Kreuzkontamination erheblich verringert. Das Sezierlabor leitet Wharton's Jelly über Transferfenster an die angrenzenden Nachbearbeitungslabors weiter. Bei der Gestaltung des Laborraums wurde ein zellulares, kontinuierliches Produktlayout verwendet. Die zellenförmige Anordnung der Laborgeräte reduziert den Bewegungsaufwand des Technikers, der während der gesamten Schicht an mehreren Stationen Aufgaben erledigen und überwachen muss. Dieses Layout erleichtert auch die reibungslose Anpassung an Produktionssteigerungen, da es modular aufgebaut ist: Wenn die Nachfrage steigt, kann Sanatela durch einfaches Duplizieren der Zwei-Labor-Einrichtung zusätzliche Laborräume einrichten. Das Simulationsmodell wurde erstellt, um sowohl den Material- als auch den Personenfluss zwischen den beiden Labors zu demonstrieren.
Simulation und Analyse
Die Entwicklung dieses Produktionsprozesses stellte aus mehreren Gründen eine einzigartige und gut geeignete Gelegenheit für die Anwendung der Simulation dar:
- Da das Herstellungsverfahren in großem Maßstab noch nicht entwickelt worden war, konnte die Simulation genutzt werden, um viele mögliche Optionen gleichzeitig zu analysieren und eine optimale Lösung zu finden.
- Die statistischen Ergebnisse der Simulation können unter anderem vernünftige Schätzungen für Produktionsleistung und Auslastung liefern. Diese Informationen geben u. a. Aufschluss über Personalentscheidungen, Produktionskapazitäten und Vorlaufzeiten.
- Die Animationsfunktionen der Simulationssoftware können dazu beitragen, den Beteiligten einen realistischeren Eindruck davon zu vermitteln, wie der physische Laborraum im fertigen Zustand aussehen wird. Die realitätsgetreue Darstellung ("digitaler Zwilling") der Simulation ist hilfreich, um potenzielle Probleme, die bei der vorgeschlagenen Anordnung auftreten könnten, zu durchdenken.
- Die Simulation bietet die Möglichkeit, auch weniger optimale Szenarien zu testen, um Daten über die Empfindlichkeit/Robustheit des Systems zu sammeln, ohne dass die tatsächliche Laborzeit oder physische Materialien geopfert werden müssen.
Wie bereits erwähnt, bestand der erste Schritt bei der Erfassung und Prüfung von Daten über den Produktionsprozess in der Erstellung eines Simulationsmodells für den aktuellen Zustand. Dieses Simulationsmodell wurde mit der Simulationssoftware Simio erstellt und ist recht einfach: Eine Quelle ("Krankenhaus") erzeugt alle 24 Stunden eine neue Schnur zur Verarbeitung, und ein Techniker führt jeden der Verarbeitungsschritte aus, während das Wharton's Jelly umgewandelt und schließlich verpackt wird. Zur Modellierung der komplexen Teilaufgaben, die in jedem übergeordneten Schritt enthalten sind, wurden Aufgabensequenzen in Simio verwendet. Im aktuellen Zustand wurde eine Technikerauslastung von ca. 35 % ermittelt, was angesichts der vielen Schritte mit langen Bearbeitungszeiten, bei denen kein Techniker benötigt wird, nicht überraschend niedrig ist. Jeder Strang verbrauchte eine beträchtliche Menge an Zeit; wenn dieser Prozess einfach war.
Abbildung 5: Endgültiges Zwei-Labor-Layout.
Würde dieser Prozess wie bisher durchgeführt und nach Fertigstellung jedes Strangs wiederholt, würde der wöchentliche Gesamtausstoß nicht den gewünschten Takt erreichen, ohne erhebliche Ressourcen zu verschwenden.
Ein Simulationsmodell für den zukünftigen Zustand (Abbildung 6) wurde erstellt, um das neue vorgeschlagene Design mit zwei Labors widerzuspiegeln. In diesem Modell ist ein Labor für die Sezierung vorgesehen; das angrenzende Labor ist für die nachfolgenden Aufgaben des Aufbereitungstechnikers vorgesehen. Die Spezifikationen der Ausrüstung wurden überprüft, um die Einhaltung von CFR 1271.200 zu gewährleisten.
Anhand dieser Simulation wurden mehrere Experimente durchgeführt, um Daten über die Leistung des Produktionsprozesses unter verschiedenen Szenarien zu sammeln. Die folgenden Absätze fassen die Ergebnisse dieser Experimente zusammen und gehen speziell auf die beiden kritischsten Messgrößen ein (Chargenleistung und Auslastung des Verarbeitungstechnikers)
- Szenario 1 (Kontrolle): In diesem Szenario waren alle Prozesszeiten statisch und basierten auf den in der Standardarbeitsanweisung angegebenen Schätzungen. Dies führte zu sehr vorhersehbaren Ergebnissen für den Tagesausstoß mit einer Auslastung von 59 % für den Bearbeitungstechniker.
- Szenario 2 (Variation der Prozesszeiten): Es wurde eine Dreiecksverteilung für die Bearbeitungszeiten eingeführt, um die Schwankungen bei den von den Technikern ausgeführten Schritten zu modellieren. Dies führte zu einer Verringerung des Batch-Outputs um 9 % im gleichen Zeitraum und zu einem Rückgang der Auslastung des Bearbeitungstechnikers aufgrund der zusätzlichen Wartezeit, wenn die Schritte nicht zum richtigen Zeitpunkt bearbeitet werden konnten.
- Szenario 3 (Optimistische Bearbeitungszeiten): Die Dreiecksverteilung aus Szenario 2 wurde modifiziert, um im Durchschnitt etwas schnellere Bearbeitungszeiten zu erreichen. Obwohl der Aufbereitungstechniker effizienter arbeitete, konnte das System nicht mehr Chargen als im Kontrollszenario produzieren, da der Engpass nach wie vor in der Dissektion/Seilversorgung liegt.
- Abbildung 6: Zukunftssimulation Version 2, einschließlich Zwei-Labor-Layout.
- Szenario 4 (pessimistische Verarbeitungszeiten): Bei diesem Experiment wurde derselbe Ansatz verfolgt wie bei Szenario 3; die Auslastung der Verarbeitungstechniker blieb gleich, aber der Gesamtdurchsatz der Chargen sank aufgrund der Verzögerungen um 19 %.
- Szenario 5 (sehr pessimistische Bearbeitungszeiten): Dieses Szenario war ähnlich wie Szenario 4, aber pessimistischer - es wurde durchgeführt, um zu testen, wie es sich auf das System auswirkt, wenn im Labor Techniker arbeiten, die den Prozess noch lernen/geschult werden, da dies im Unternehmen der Fall sein wird. Die Anzahl der fertiggestellten Chargen sank um 28 %.
- Szenario 6 (Ankunft der Nabelschnur 1 - Variation bei der Ankunft der Nabelschnur): Da die Anzahl der Geburten und die Zustimmung der Eltern zur Nabelschnurspende Faktoren sind, auf die das Unternehmen keinen Einfluss hat, wurde dieses Szenario konstruiert, um zu testen, wie es sich auf den Prozess auswirkt, wenn dem System mehr oder weniger Nabelschnüre als erwartet zugeführt werden. Die Verteilung der Bearbeitungszeiten wurde als Dreiecksverteilung (+/- 10 % der geschätzten Zeit für jeden Schritt, für den ein Techniker benötigt wird) festgelegt, um normale Schwankungen im Prozess zu modellieren. Eine Dreiecksverteilung für die Kordelankunft führte zu 7 % weniger abgeschlossenen Stapeln und einer um 4 % geringeren Auslastung des Verarbeitungstechnikers als im Kontrollszenario.
- Szenario 7 (Kordelankunft 2 - Variation der Kordelankunft): In diesem Experiment wurde ein ähnlicher Fall wie Szenario 6 getestet, jedoch mit einer diskreten Verteilung für das Eintreffen der Kordeln - in 90 % der Zeit wurden erwartungsgemäß zwei Kordeln geliefert, in 10 % der Zeit kam nur eine an. Der Batchoutput war bei diesem Szenario um 4 % niedriger.
- Szenario 8 (Ausschußrate): In diesem Szenario wurde eine Ausschussrate von 10 % für jeden hochrangigen Prozessschritt (z. B. Dezellularisierung, Homogenisierung usw.) berücksichtigt. Dies führte zu einer Reduzierung der an den Kunden gelieferten Chargen um 39 %. Die Auslastung der Verarbeitungstechniker sank ebenfalls auf 45 %.
- Szenario 9 (Maschinenstillstand): In diesem Experiment wurde die Auswirkung von Maschinenstillständen auf die Prozessleistung getestet. Jeder Maschine im Labor wurde ein auf der Verarbeitungsanzahl basierender Ausfallmodus mit einer Dreiecksverteilung und einer Stunde Reparaturzeit zugewiesen. Dies führte zu einer Verringerung der an den Kunden gelieferten Chargen um 3 %. Wichtig ist, dass in diesem Szenario die Auswirkungen von Maschinenstillständen auf die zu verarbeitenden Chargen nicht modelliert wurden - in einigen Fällen kann es vorkommen, dass bei einem längeren Maschinenausfall das Material ausläuft und verschrottet werden muss.
- Szenario 10 (Schlimmster Fall): In diesem Szenario wurde der "Murphy's Law"-Fall für das Labor getestet, einschließlich Zuverlässigkeitsproblemen bei den Maschinen (Szenario 9), einer Ausschussrate während des gesamten Prozesses (Szenario 8), Unstimmigkeiten bei der Ankunft der Schnüre (Szenario 7) und pessimistischen Verarbeitungszeiten (Szenario 4). Dies führte dazu, dass die Chargenleistung um 55 % sank, 37 % der kontrollierten Anzahl von Chargen verworfen wurden und die Auslastung des Verarbeitungstechnikers nur 40 % betrug.
Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Experimente (siehe Abbildung 7), dass der Prozess ziemlich robust gegenüber mehreren Fehlermodi ist (längere Auftragszeiten als erwartet, Schwankungen beim Eintreffen der Kordeln, Probleme mit der Maschinenzuverlässigkeit und Ausschuss während des gesamten Prozesses). Die Differenz zwischen dem Output für das "perfekte"/Kontrollszenario und dem Worst-Case-Szenario (45 % des Kontroll-Outputs) erscheint angemessen. Alle Schwankungen bei der Technikerauslastung (siehe Abbildung 8) sind minimal und lassen sich leicht durch Unstimmigkeiten wie Engpässe im System erklären.
Schlanke Produktionskontrollen
Die Möglichkeit, diesen Produktionsprozess von Grund auf neu zu gestalten, bot die Möglichkeit, im Labor vom ersten Tag an eine Kultur der schlanken Produktion einzuführen. Die vorgeschlagenen Lösungen im Sinne der schlanken Produktion sind alle kostengünstig und einfach zu implementieren, zu verstehen und anzuwenden. Dazu gehören: tägliche "Morgenmarkt"-Besprechungen mit einer Problemlösungstafel, Poka-Yoke/visuelle Kontrollen an jeder Laborstation, eine "Chargenstatus"-Tafel im Kanban-Stil und eine von Heijunka inspirierte Zeitplantafel, Produktverfolgungskarten und die Verwendung von Milchläufen zur Nivellierung des Produktionsinputs. Diese schlanken Prozesse wurden durch Prozesszeiten und Arbeitspläne in das Simulationsmodell eingebettet, um sicherzustellen, dass die Mitarbeiter ausreichend Zeit haben, um alle Aufgaben zu erledigen.
Abbildung 7: Ergebnisse der einzelnen Systemsimulationen.
Auf der Grundlage dieser Daten wird dem Team empfohlen, den Prozess in der ersten Woche (oder länger), wenn die Produktion hochgefahren wird, langsam und vorsichtig anzugehen. Da der Prozessplan von vornherein festgelegt ist, wird es nicht unglaublich schwierig sein, am Ende des Tages aufzuholen, wenn Aufgaben im Rückstand sind, aber die Folgen von Fehlern und die Notwendigkeit, Chargen zu verwerfen, weil man die Schritte überstürzt hat, sind hoch. Da der Prozess eine einwöchige Anlaufzeit benötigt, bis die Linie nass ist (eine Charge in Bearbeitung an jeder Station), haben neue Techniker ausreichend Zeit, die Prozessschritte ohne Zeitdruck zu üben, um die Fehlerwahrscheinlichkeit zu verringern.