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Neue Konzepte für das vollautomatisierte Labor

Das vollautomatisierte Analytiklabor – Die Zukunft wird Realität

| Autor / Redakteur: Prof. Dr. Kerstin Thurow* / Dr. Ilka Ottleben

Abb. 1: Das vollautomatisierte Analytiklabor der Zukunft – so könnte es aussehen.
Abb. 1: Das vollautomatisierte Analytiklabor der Zukunft – so könnte es aussehen. (Bild: Universität Rostock)

Die Automation analytischer Labore steckt heute immer noch in den Kinderschuhen. Am Center for Life Science Automation der Universität Rostock werden Konzepte entwickelt und realisiert, um das Analytiklabor der Zukunft – das vollautomatisierte Future Lab – zu entwickeln.

Ein typisches Analytiklabor irgendwo in Deutschland: Reagenzgläser und Gefäße mit unterschiedlichen Flüssigkeiten werden von einem Schwarm an Laboranten bearbeitet. Es wird gewogen, pipettiert, geschüttelt, filtriert und analysiert. Alles manuell.

Eine Fabrik irgendwo in Deutschland: Bleche, die aussehen, als wollten sie ein Auto sein, bewegen sich auf einem Förderband voran. Von rechts und links kommen Roboterarme und schrauben, lackieren, schweißen – bis am Ende ein fertiges Auto das Band verlässt. Alles läuft voll automatisch.

Der Unterschied könnte größer nicht sein. Während viele Industriezweige von einem sehr hohen Automatisierungsgrad geprägt sind und man hier mittlerweile Vollautomation erreicht, hinken Labore der Life Sciences hier stark hinterher. Auch wenn mittlerweile Pipettierer, Vortexer usw. die Arbeit erleichtern, bleibt doch ein hoher Anteil manueller Tätigkeiten. Vor allem der Transport zwischen verschiedenen Bearbeitungsstationen erfordert immer noch den Einsatz des Menschen.

Gibt es auch eine Möglichkeit der Vollautomation für Analytiklabore? Lassen sich die bekannten Strategien aus der industriellen Automation einfach anwenden? Oder müssen auf dem Weg zum vollautomatisierten Labor neue Konzepte entwickelt werden? Diesen Fragestellungen haben sich die Wissenschaftler des Centers for Life Science Automation der Universität Rostock vor sechs Jahren gewidmet und das Future Lab – das Labor der Zukunft – entwickelt.

Industrieautomation vs. Life Science Automation

Welche Gründe bestehen für den immer noch geringen Automationsgrad in klassischen Analytiklaboren gegenüber der klassischen industriellen Automation? Auch im Labor steigt die Anzahl der zu bearbeitenden Proben, sodass Automation einen wesentlichen Beitrag zur Kostensenkung und Effizienzsteigerung leisten könnte. Schaut man genauer auf analytische Prozesse inklusive der erforderlichen Probenvorbereitung, so stellt man schnell fest, dass die Prozesse sehr divers sind, sowohl im Hinblick auf die Abläufe als auch die verwendete Labware, und im Unterschied zur klassischen Industrieautomation nicht Millionenmal in identischer Weise ablaufen. Analytiklabore stehen vielmehr vor der Aufgabe, unterschiedlichste Prozesse flexibel abarbeiten zu können. Dies erhöht die Anforderungen an das zu entwickelnde Automationssystem erheblich.

Ein weiteres Problem besteht darin, dass unterschiedliche Teilprozesse auch räumlich getrennt ablaufen müssen. So erfordern z.B. Analysenmessgeräte Räume mit konstanten Temperaturen und hochreiner Luft, was eine Probenvorbereitung im identischen Raum daher i.d.R. ausschließt (wenn im Ultraspurenbereich gearbeitet werden soll). Einige Teilprozesse, wie Mikrowellenaufschlüsse, müssen schon aus Gründen des Arbeitsschutzes unter dem Abzug durchgeführt werden. Kommen noch biologische Untersuchungen hinzu, sind weitere Voraussetzungen wie Luftfeuchtigkeit etc. zu gewährleisten. Eine einfache Übernahme des Konzeptes der Industrieautomation, wo der Transport der Proben zwischen einzelnen Stationen über Förderbänder in einem Raum erfolgt, ist damit nicht möglich. Dies ist häufig auch deshalb nicht möglich, weil Automationsanlagen in bestehenden Räumlichkeiten untergebracht werden müssen und große Hallen nicht zur Verfügung stehen.

Konzept für das vollautomatische Labor

Zur Erreichung eines hohen Automationsgrades in analytischen Laboren wurde am Center for Life Science Automation das Future-Lab-Konzept entwickelt. Es geht von einem System verteilter Bearbeitungsstationen an räumlich getrennten Orten aus. Damit können für alle Teilprozesse die optimalen Bedingungen eingehalten werden; darüber hinaus ist eine Automation in den vorhandenen Räumlichkeiten möglich. Für die Probenvorbereitung werden roboterbasierte Systeme eingesetzt, die eine Prozessierung (Verdünnen, Derivatisieren, Abwägen etc.) unterschiedlicher Proben in unterschiedlichen Gefäßen ermöglichen. Um hierbei möglichst gängige Verfahren aus dem Bereich der Bioautomation nutzen zu können, erfolgt die Bündelung der Proben in Racks im Mikrotiterplattenformat.

Den Transport der Proben zwischen den Teilstationen Probenvorbereitung, Mikrowellenaufschluss, Analytik und ggf. Biotestung übernehmen mobile Roboter. Sie erhalten die Transportaufträge von einem übergeordneten Workflowmanagementsystem, das die laufenden Gesamtprozesse überwacht.

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