Industrie + Technik

Prof.Dr.

Japan has a long tradition in cooperative programs. Usually these are down-to-earth, sintered through many rounds of expert discussions that have resulted in a consensus, which is formalised in an affidavit carrying the personal stamp signatures of the participants. Such group-centered endeavours for kaizen, continuous improvements made step by step, have often resulted in flawlessly perfect products.
In research and development (R&amp;D), Japanese research associations follow similar mechanisms. With a theme often initiated and financially supported by the Ministry of Economy, Trade and Industries (Meti), usually through its project house New Energy and Industrial Technology Organisation (Nedo), public-private partnerships are formed whose members in industry, academia, and government jointly develop a new technology through open innovation, before they dissolve after several years (Table 1, p. 56).<figure><img src="https://media.graphcms.com/h1vDIpzSEO9qdCo7IpF3"><figcaption><label>Abb. 1: </label>A photographer under the Fujiyama in the night. lisheng2121/AdobeStock</figcaption></figure>
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<label>Tab. 1</label><h2>Examples of current Japanese research associations.</h2><img src="https://media.graphcms.com/6h2aBWtmQBymjWsLaGzy">

</table-wrap><h2>Plans looking 30 years ahead</h2>To address events that lie far ahead in the future, it takes a different concept to escape the endless compromises of consensus-based processes described before. The Japanese have found a group-oriented approach for such long-term programs as well. Japan has become known for developing plans looking 20 or 30 years ahead, such as “hydrogen-based society 2050“4) based on expert estimates scrutinised by a Delphi procedure and followed by stage-gate processes during realisation. The latest master plan of this kind is the “moonshot programme for human well-being”, the most ambitious element of Japan’s current science, technology and innovation plan. It targets a visionary “society 5.0”, a human-centered and inclusive society that reconciles economic growth and resolution of social issues. This plan “integrates cyberspace and physical space” and is based on data clouds, artificial intelligence, and quantum technology innovation hubs, together with “smart cities” that will serve as showcases for society 5.0.The Moonshot Programme is defined as a portfolio of “inspiring and ambitious goals and concepts for challenging R&amp;D on societal issues that are difficult to tackle but will have profound impact once resolved“ (Table 2, p. 56). Programme managers are being asked to promote this portfolio “without fear of failure“. In 2020, around 830 million euros have been put aside for the moonshots.<table-wrap>

<label>Tab. 2</label><h2>Targets of the “moonshot programme” (to be achieved by 2040 or 2050).</h2><img src="https://media.graphcms.com/iYzfHj7xQQgJWyR8buCh">

</table-wrap><h2>The goals</h2>Goal #1’s central element is referred to as Cybernetic Avatars, including remote robots and 3D images as proxies but also empowering the physical and cognitive abilities of humans using information and communication technologies and robotics.Goal #2 is built on a “whole body network atlas” that makes it possible to monitor functional changes in physiology throughout the course of an individual’s life and identify transitions from a healthy state to a pre-symptomatic state, e.g., during the onset of cancer or dementia.Goal #3 foresees artificial intelligence (AI) robots that have the same sensitivity as humans. As their physical abilities become equivalent to or better than those of humans, they be permitted to act alongside human beings by 2050.Goal #6, a fault-tolerant quantum computer, is an obvious target for Japan’s powerful computing industries.Goal #7 is equally obvious in view of Japan’s “super-ageing“ society which, according to official projections, will have shrunk to about 100 million people (projections vary in view of immigration), one-third of whom are 65 years or older. The goal is to create a sustainable system to care for people up to the age of 100.<h2>Goal X for the youth</h2>In addition, there is a Goal X, defined as an “open call for ideas from youth-focused brainstorming teams, who will lead the next generation”. It responds to the alarming fact that the number of young researchers in Japan who advance from master‘s to doctoral programmes has dropped to about 9 percent, about half the number of 20 years ago.We will now take a closer look at goals 4 and 5.<h2>Cool and clean earth</h2>The programme director for goal #4, “cool earth &amp; clean earth” (figure)5), is Kenji Yamji, Director-General of the Research Institute of Innovative Technology for the Earth (Rite) in Kyoto.6) The programme is composed of three project groups:7)<figure><img src="https://media.graphcms.com/hKiptYlQSKEwE5LHjUok"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Moonshot Goal #4. Realisation of sustainable resource circulation to recover the global environment by 2050.5)</figcaption></figure>
<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>Development of technologies to recover greenhouse gases(GHGs) and convert them into valuable materials.<list-item>Development of technologies to recover nitrogen compounds and convert them into harmless or useful materials.</list-item><list-item>Development of marine biodegradable plastics in which the timing and speed of degradability can be controlled.</list-item>Within this framework, a team led by Takafumi Noguchi, University of Tokyo, is studying calcium carbonate concrete (CCC),8) a recycled concrete material produced from atmospheric CO2 and concrete wastes. If half of all concrete would be made with CCC in 2050, annual CO2 emissions could be reduced by 20 million tonnes, and 6.2 million tonnes of CO2 would be fixed.For the mitigation of greenhouse gases generated from agriculture, the team led by Minamisawa Kimasu of Tohoku University is pursuing a programme called “Cool Earth via Microbes in Agriculture“ and is already deliberating joint projects with European partners from the Soil Project, a Horizon Europe programme.9)Nedo has organised several projects to address marine plastic litter. In addition to evaluation methods for marine biodegradability, new resins, new biomanufacturing processes, and new composite technologies will be developed, with the aim of achieving a new domestic market of 200,000 tonnes per year of marine biodegradable plastics by 2030.10)A considerably larger project, with 50 members and government support of 25 million euros for three years, is pursuing better recycling of waste plastic.11) Key elements are<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>sorting technology for optimal treatment,<list-item>technology for recycling into materials that are comparable to the original plastic materials,</list-item><list-item>technology for decomposition and conversion into petrochemical raw materials, and</list-item><list-item>technology for highly efficient energy recovery by incinerating waste plastics that cannot be recycled.</list-item><h2>Sustainable food supply</h2>The programme director for Goal #5, “sustainable food supply without food-loss and environmental loading”, is Kazuhiro Chiba, President of Tokyo University of Agriculture and Technology. The programme is made up of two subprojects:12)<list list-type="simple"><list-item></list-item></list>food production systems that achieve expansion of food supply and conservation of the global environment, and<list-item>food consumption system aiming at zero food loss and waste.</list-item>Food production will be based on novel production systems, such as the breeding of “super crops” that have incorporated drought-tolerant genes from their wild relatives. To this end, the present crop breeding concept needs to be changed “from selecting to creating”, where key elements will be the use of divergent genetic resources, the use of big data and AI technologies, and the utilisation of genome editing and synthetic biology.Another important effort concerns soil management. Haruko Takeyama of Waseda University will lead a project on “a resource-recycling food production system fully utilising biological functions of microorganisms and insects”. The aim is to reduce the use of chemical fertilisers and pesticides through five research topics: a soil microflora atlas, improved crops, environmental control and measurement, cultivation management, and social science.New protein sources such as insects will also be developed by a team led by Takashi Yura of Ochanomizu University. In fact, there already are pertinent start-ups such as Gryllus13), which has developed technology to breed and harvest crickets (Gryllotalpidae); on this basis the food company Muji14) has established their brand of “cricket crackers” – 100 grams of these crackers contain 60 grams of protein.<h2>International cooperation</h2>These examples demonstrate how Japan, challenged by ever stronger economic competition from its Asian neighbours, by a national debt burden of 260 percent of its Gross Domestic Product, and by the consequences of a super-ageing society, is following long-term visions in pursuing a 150-year strategy to create wealth through science and technology.International cooperation is a clear priority, and there is considerable interest in interacting with European partners, e.g., through the European Horizon programme. Though Japan is not eligible for EU funding, it can participate in EU-funded projects if it covers its own costs.<h2>The author</h2>Rolf Schmid holds a master and a Dr degree in chemistry from Freiburg University and is a retired professor of Stuttgart University. He has written several books and reports on biotech-related developments in Japan and China and consults on these issues through his company Bio4Business located in Stuttgart, Germany. <a href="https://www.bio4business.eu" target="_blank">www.bio4business.eu</a><div><img src="https://media.graphcms.com/dXphV5xIRLa8QUZ1IE09">

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<ul class="references"><li>
1 <a href="https://ihi.co.jp/en/all_news/2020/other/1196667_2042.html" target="_blank">ihi.co.jp/en/all_news/2020/other/1196667_2042.html</a></li><li>
2 <a href="https://pwmi.or.jp/pdf/panf1.pdf" target="_blank">pwmi.or.jp/pdf/panf1.pdf</a></li><li>
3 <a href="https://jba.or.jp/activity/adv_biotech/study_group/functional-food/" target="_blank">jba.or.jp/activity/adv_biotech/study_group/functional-food/</a></li><li>
4 a) R. Schmid, Nachr. Chem. 2017, 65, 1004; b) R. Schmid, H. Uchida, Nachr. Chem. 2019, 67(10), 24</li><li>
5 <a href="https://www8.cao.go.jp/cstp/english/moonshot/concept4_en.pdf" target="_blank">www8.cao.go.jp/cstp/english/moonshot/concept4_en.pdf</a></li><li>
6 <a href="https://jst.go.jp/moonshot/sympo/sympo2019/material/yamaji_20191217_ps2-discussion_191216–1223.pdf" target="_blank">jst.go.jp/moonshot/sympo/sympo2019/material/yamaji_20191217_ps2-discussion_191216–1223.pdf</a></li><li>
7 <a href="https://jst.go.jp/moonshot/sympo/sympo2019/material/day2_wg4_20191218_wrapup.pdf" target="_blank">jst.go.jp/moonshot/sympo/sympo2019/material/day2_wg4_20191218_wrapup.pdf</a></li><li>
8 <a href="https://t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_202104151058544435600863.html" target="_blank">t.u-tokyo.ac.jp/foe/press/setnws_202104151058544435600863.html</a></li><li>
9 <a href="https://lifesci.tohoku.ac.jp/en/date/detail---id-49850.html" target="_blank">lifesci.tohoku.ac.jp/en/date/detail---id-49850.html</a></li><li>
10 <a href="https://nedo.go.jp/news/press/AA5_101348.html" target="_blank">nedo.go.jp/news/press/AA5_101348.html</a></li><li>
11 <a href="https://nedo.go.jp/news/press/AA5_101345.html" target="_blank">nedo.go.jp/news/press/AA5_101345.html</a></li><li>
12 <a href="https://jst.go.jp/moonshot/sympo/sympo2019/material/day2_wg5_20191218_wrapup.pdf" target="_blank">jst.go.jp/moonshot/sympo/sympo2019/material/day2_wg5_20191218_wrapup.pdf</a></li><li>
13 <a href="https://gryllus.jp" target="_blank">gryllus.jp</a></li><li>
14 <a href="https://japantoday.com/category/features/new-products/limited-edition-cricket-crackers-from-muji" target="_blank">japantoday.com/category/features/new-products/limited-edition-cricket-crackers-from-muji</a></li></ul>

Artikel

Made in Japan: Mooshot program for human well‐being

Japan has a long tradition in cooperative programs. Usually these are down-to-earth, sintered through many rounds of expert discussions that have resulted in a consensus, which is formalised in an affidavit carrying the personal stamp signatures of the participants. Such group-centered endeavours...

Es gibt Programme, die bei Datentransfer und -verarbeitung Manipulationen und Erpressung verhindern. Wie sich Datenintegrität durchgängig vom Labor bis zur Auswertung für Forschung, Analytik und Produktion sichern lässt.
Nahezu jedes größere Unternehmen war schon einmal von Ausspähattacken betroffen, etwa Covestro, Bayer, BASF und Henkel. Zu den neueren Fällen zählt ein erpresserischer Trojaner beim Aromahersteller Symrise im vergangenen Jahr. Der Trojaner sollte Daten verschlüsseln und erst nach Lösegeldzahlung wieder freigeben. Das Unternehmen musste einige Zeit Teile der Produktion stillegen, hat aber wohl kein Lösegeld gezahlt.Bei der Europäischen Arzneimittelbehörde Ema haben Hacker Daten zum Impfstoff von Biontech/Pfizer abgegriffen.Novartis beobachtete im letzten Jahr Phishing-Versuche, die das Coronavirus erwähnten: betrügerische E-Mails, um Zugriff auf die Computer des Unternehmens zu bekommen.Insgesamt hat mit der Coronapandemie das Hacking weltweit zugenommen. Die Angreifer wollen an Passwörter gelangen und geben sich etwa aus als Führungskraft impftechnisch relevanter Unternehmen wie der Ultratiefkühlungsfirma Haier Biomedical oder von Organisationen wie der Impfallianz für Kinder in Entwicklungsländern (Gavi).<h2>Passende Passwörter</h2>Beim Zugriff auf Maschinen, etwa auf die hunderte bis tausende Mess-, Steuer- und Regelgeräte in Produktionsanlagen, sind Passwörter wichtig. Ihre Länge nicht ausufern zu lassen und gleichzeitig die Sicherheit zu garantieren ist eine wesentliche Aufgabe der Gesamtarchitektur. Dafür gibt es Verfahren wie im deutschen Personalausweis (password-authenticated key exchange, Pake), die für die Bluetooth-Kommunikation in der Industrie zugeschnitten sind, etwa CPace von Endress+Hauser. Sie ermöglichen eine Authentifizierung von Nutzern, vor allem bei Geräten mit digitalen Datenschnittstellen.Die Datensicherheit, also der Schutz gegen äußere Feinde wie Hacker oder Industriespione, hängt aber nicht mit der Datenintegrität zusammen. Diese beginnt bereits beim Erzeugen und Speichern von Daten.<figure><img src="https://media.graphcms.com/f6pes6iQQhK9MsjDqyU4"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Über Profinet-Systeme sammeln Chemie- und Pharmaindustrie, Biotech und Lebensmittelherstellung Daten, leiten sie weiter und verarbeiten sie. Unternehmen müssen Datenintegrität über den gesamten Lebenszyklus sicherstellen.</figcaption></figure>
<h2>Alles, was selbstverständlich ist</h2>Ein Laborant trägt Wägeergebnisse in sein Laborbuch ein. Die handgeschriebenen Zahlen muss jemand für weiterführende Berechnungen in eine Excel-Tabelle übertragen. Dabei können Abschreibfehler entstehen, die sich dann nicht zurückverfolgen lassen. Also muss zumindest ein Scan des Laborbuchs die elektronischen Daten vervollständigen. Beide müssen sich eindeutig einander zuordnen lassen, und die Dokumentation muss unmittelbar erfolgen, also sobald die Daten vorliegen. Es sind stets die Originaldaten zu dokumentieren. Zuweilen arbeitet ein Labor statt mit dem Originalmesswert mit einem anderen Wert weiter, etwa nach Herausrechnen systematischer Fehler. Software lässt sich so konfigurieren, dass sich alle Werte speichern und bei Bedarf anzeigen oder ausdrucken lassen.Darüber hinaus müssen alle Beteiligten während der gesamten Projektlaufzeit auf die Dokumente zugreifen und sie lesen können, damit diese den regulatorischen Anforderungen genügen. Die Dokumente sollen den Vorschriften entsprechen – etwa denen der US-amerikanischen Behörde für Lebensmittel und Arznei (Food and Drug Administration, FDA) für elektronische Aufzeichnungen und elektronische Signaturen (FDA 21 CFR Part 11) oder dem Anhang für computergestützte Systeme zum europäischen Leitfaden für gute Herstellpraxis (EU-Annex 11).Diese Selbstverständlichkeiten hat die FDA so zusammengefasst: attributable, legible, contemporaneous, original, accurate (Alcoa). Mit Alcoa+ legt die Behörde noch mehr Wert auf komplette Datenspeicherung inklusive aller Änderungen, auf Konsistenz der Daten entlang des gesamten Prozesses inklusive Rückverfolgbarkeit und auf die Langzeitspeicherung über Jahrzehnte, wobei Zugriff auf die und Ausdrucken der Daten möglich bleiben müssen.Ein Hinweis darauf, wie wichtig die FDA Datenintegrität inzwischen nimmt, ist, dass sie diese in ihren „warning letters“ in den Jahren 2005 bis 2008 etwa fünfmal pro Jahr angesprochen hat; 2014 bis 2017 waren es 20-mal pro Jahr.1)Von der Datenintegrität gemäß Alcoa+ zu unterscheiden ist die Datenqualität – denn ein mit geringer Auflösung aufgenommenes NIR-Spektrum bekommt keine höhere Auflösung, wenn seine unverfälschte Speicherung und Weiterverarbeitung gesichert sind.<h2>Datenbank statt wildes Speichern</h2>Eine Laborantin hat beispielsweise ein Extinktionsspektrum aufgenommen, um in einem Gemisch Polyethylenterephthalat zu identifizieren und zu quantifizieren. Die gespeicherten Daten enthalten das Spektrum selbst, den Namen der Laborantin, den Zeitpunkt der Analyse, die verwendete Methode – etwa als laborinterne Bezeichnung: „Polymer in Tiernahrung“ –, einen Probennamen und das Analysegerät.2) Zur vollständigen Dokumentation gehört, wann dieses zuletzt kalibriert wurde. Diese Information lässt sich zur Sicherheit mit zwei Unterschriften versehen, etwa vom kalibrierenden Laboranten und der freigebenden Laborleiterin.Solche Daten lassen sich pro Probe als einzelne Datei in einem System selbst angelegter Ordner speichern. Einen höheren Komfort und mehr Sicherheit bieten Datenbanken, etwa eine, die auf der Programmiersprache Structured Query Language (SQL) basiert wie Vision Air von Metrohm. Die Daten müssen nur einmal gespeichert werden und stehen innerhalb der Datenbank in Beziehung zueinander.Das Prinzip einer relationalen (SQL-)Datenbank verhindert, dass eine gewünschte Datenmanipulation, etwa ein Rechenschritt, Änderungen in mehreren Dateien erfordert. Stattdessen ändert die Datenbank dies automatisch in allen betroffenen Dateien.<h2>Bottom-up-Ansatz</h2>Im Labor Beschäftigte nehmen das dortige Equipment als Ausgangspunkt. Sie qualifizieren Geräte und Software, beispielsweise auf der Grundlage von Arzneibuchvorschriften. Auf der nächsten Ebene folgt die Computersystemvalidierung (CSV), etwa nach dem Leitfaden für die Validierung computergestützter Systeme in der pharmazeutischen Industrie (Good Automated Manufacturing Practice, Gamp). Diese stellt unter anderem sicher, dass ein Multiparameter-Messsystem mit mehreren vernetzten Geräten und einer gemeinsamen Softwareplattform für einen Zweck geeignet ist, etwa um pH-Wert, Dichte und Farbe einer Probe zu ermitteln.Die CSV kann für bis zu 30 Instrumente drei bis sechs Monate dauern3) und teuer sein. Denn sie kostet Zeit und ist in der Regel individuell. Mehrere Instrumente zu vernetzen senkt den Gesamtaufwand, weil die CSV eines Ensembles von 30 Instrumenten in der Regel auch nicht länger dauert als eine Einzelgerät-Validierung. Für Teilbereiche wie das Einhalten von Vorschriften gibt es automatisierte Systeme, etwa Agilent Crosslab.Daten vieler Laborgeräte lassen sich in ein einheitliches Format konvertieren, etwa mit Software wie Sea Star Lab Information Hub von BSSN Software. Dies macht die Kommunikationsströme zwischen Geräten und übergeordneten Systemen flüssiger. Vereinheitlichte Datenstrukturen helfen zudem Labor-Informations- und -Managementsystemen (Lims), auf der Audit-Vorbereitungsebene dem elektronischen Laborbuch (ELN) und auf der betrieblichen Ebene der Ressourcensteuerung oder der Unternehmensplanung (Enterprise Resource Planning, ERP).<h2>Zentral oder dezentral speichern</h2>Eine Cloud ist praktisch, um an verschiedenen Orten am selben Projekt zu arbeiten, etwa bei der Entwicklung eines neuen Impfstoffs. Inzwischen gibt es Clouds, die die Daten von Geräten unterschiedlicher Hersteller speichern und verarbeiten, etwa Platform for Science von Thermo Fisher.<figure><img src="https://media.graphcms.com/JXroAPtVSYOa3Gm493UL"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Es ist praktisch, Daten in einer Cloud zu verarbeiten, aber auch anspruchsvoll, wenn es um Datenintegrität und -sicherheit geht. Fotos: Dechema/Helmut Stettin, Achema 2018</figcaption></figure>
Für die vorausschauende Wartung entwickelt das Internetunternehmen Amazon eine Kombination aus Cloud-Datenspeicher und Software für maschinelles Lernen (ML). Nach Trainieren des ML-Modells mit Daten wie Temperaturen, Geräuschen und Vibrationen soll es für Geräte oder größere Funktionseinheiten die Restnutzungsdauer (remaining useful life, RUL) vorhersagen.4) Dieses Projekt (Codename: AWS Thor)5) könnte für Unternehmen Kosten senken. Aber geben sie hier nicht Betriebsinterna an eine Firma, die mit Datensammeln Geld verdient?Daher gibt es einen Gegentrend: „Unternehmen gehen jetzt wieder auf dezentrale Server und weg von Cloudlösungen, die andere anbieten“, sagt Birgit Krauß, Sales- and Productmanager Liquid Handling Deutschland bei Mettler-Toledo in Gießen.<h2>Produktivität und Sicherheit</h2>Die elektronischen und digitalen Hilfsmittel sollten ursprünglich nur Sicherheit und Nachvollziehbarkeit verbessern – nicht handschriftliche Aufzeichnungen vermeiden. Aus der Praxis kamen aber dann Ideen, wie sich damit die Effizienz in Labor und Produktion steigern ließe. Nun sind beide Ziele – Sicherheit und Ökonomie – in Einklang zu bringen.In der Regel wird die Laborleitung die Datenintegrität vom Blickwinkel der Erstellung und Weitergabe von korrekt ermittelten Daten und dem Einhalten der Vorschriften betrachten. Die IT-Abteilung berücksichtigt zunächst die EDV des Gesamtunternehmens, dann erst Lims im Labor oder Prozessanalysetechniken und schließlich Geräte oder Teilsysteme wie eine automatisierte Chromatographie mit Kernspinresonanzspektroskopie und Massenspektrometrie. Wo man sich trifft, ergibt sich wesentlich aus der Struktur eines Unternehmens.Der promovierte Chemiker Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.
<ul class="references"><li>
1 <a href="https://d2evkimvhatqav.cloudfront.net/documents/pb_data_integrity_closer_look.pdf" target="_blank">d2evkimvhatqav.cloudfront.net/documents/pb_data_integrity_closer_look.pdf</a> (Stand 21.6.2021)</li><li>
2 <a href="https://metrohm.com/en-vn/products-overview/spectroscopy/nirs-lab-analyzers/29221000" target="_blank">metrohm.com/en-vn/products-overview/spectroscopy/nirs-lab-analyzers/29221000</a></li><li>
3 Leitfaden Datenintegrität. Mettler Toledo (Hrsg.), 2019</li><li>
4 <a href="https://aws.amazon.com/de/solutions/implementations/predictive-maintenance-using-machine-learning" target="_blank">aws.amazon.com/de/solutions/implementations/predictive-maintenance-using-machine-learning</a> (Stand 12.6.2021)</li><li>
5 <a href="https://businessinsider.de/wirtschaft/finanzen/amazon-tueftelt-heimlich-an-einer-erfindung-die-ganze-industrien-veraendern-rb" target="_blank">businessinsider.de/wirtschaft/finanzen/amazon-tueftelt-heimlich-an-einer-erfindung-die-ganze-industrien-veraendern-rb</a> (Stand 12.6.2021)</li></ul>

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