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Robotik optimiert Analyse-Workflow

Analytik mit drei Armen

| Autor / Redakteur: Jörg Reger* / Christian Lüttmann

Abb.1: Robotik-Lösungen von ABB unterstützen Labormitarbeiter bei der Probenanalyse.
Abb.1: Robotik-Lösungen von ABB unterstützen Labormitarbeiter bei der Probenanalyse. (Bild: ABB, Eurofins, Hauke Hass)

Im Lebensmittelbereich verlangen kürzere Produktzyklen und strenge Qualitätsbestimmungen nach mehr und schnelleren Kontrollen. Um diesen Anforderungen nachzukommen – ohne Analysequalität einzubüßen – hat ein Hamburger Lebensmittellabor der Eurofins-Gruppe aufgerüstet: Mit drei Robotern, die vollautomatisch und 24 Stunden am Tag mitarbeiten.

In den Regalen des Lebensmittelhandels in Deutschland warten heute über 170.000 Produkte auf die Verbraucher. Ob frisch verpackt, tiefgekühlt oder verzehrfertig – alle Lebensmittel unterliegen höchsten Sicherheitsstandards. Trotz des hohen Probenaufkommens geschehen die zur Qualitätskontrolle durchgeführten Laborprozesse meist noch von Hand. Eine Automatisierung kann hier die Kapazitäten im Labor erhöhen, Bearbeitungszeiten reduzieren und die Qualität steigern. Ab­gesehen davon forciert auch der Fachkräftemangel mehr und mehr die Entwicklung von Automationslösungen, mit deren Hilfe auch ungelernte Arbeitskräfte bei neuen Aufgaben unterstützt werden können.

Das Bioanalytik-Labor Eurofins WEJ Contaminants in Hamburg hat sich daher entschieden, mehrere Laborprozesslinien im Bereich der Biotoxine, Tierarzneimittelrückstände und der organischen Kontaminanten mit einer Automatisierungslösung auszurüsten.

Der Weg zur Automatisierung

Für die Automatisierung beauftragte Eurofins den Sondermaschinenbauer Elbatron aus Ahrensburg bei Hamburg. Dieser ist spezialisiert auf Automatisierungslösungen für die Nahrungs- und Genussmittelindustrie. Eine besondere Anforderung war in diesem Fall die hohe Flexibilität der Roboterlinie, da verschiedene Substanzen und Substanzklassen sowie feste, flüssige oder pastöse Lebensmittelproben jeglicher Art untersucht werden sollten. Die Maschine arbeitet zudem mit Gefahrstoffen – es galt daher, ein entsprechendes Sicherheitskonzept zu erarbeiten.

Eurofins hatte bis zu diesem Zeitpunkt zwar bereits Schritte in Richtung Automatisierung unternommen, bisher jedoch nur einzelne Insellösungen installiert. Damit die Roboterlinie die vorgegebenen Prüfmethoden abarbeiten kann, mussten die einzelnen Prozessschritte genauestens aufgenommen werden. Dazu zeigten die Eurofins Mitarbeiter den Spezialisten von Elbatron jeden einzelnen manuellen Arbeitsschritt. „Wir haben uns die Abläufe bei Eurofins genau angesehen und ermittelt, wie wir diese automatisieren können“, sagt Rainer Herrmann, Geschäftsführer von Elbatron. „Allein das hat ein Dreivierteljahr gedauert, da wir zunächst lernen mussten, die Sprache der jeweils anderen Branche zu verstehen.“

Roboter im Labor

Heute übernehmen drei Roboter des Technologieunternehmens ABB in einer vollautomatisierten Linie die Probenaufbereitung bis zum messfertigen Probenextrakt im Labor von Eurofins. Die Scaras („Selective Compliance Assembly Robot Arm“-Roboter) eignen sich für Aufgaben, die schnell und zuverlässig ausgeführt werden müssen und ein wiederholgenaues Aufnehmen und Ablegen verlangen. Zudem garantieren sie hohe Zykluszeiten und eine hohe Präzision und Verfügbarkeit. Sie übernehmen die in speziellen Kunststoffröhrchen eingewogenen, homogenisierten Lebensmittelproben und führen diese an die entsprechenden Prozessstationen im System heran. Laborexperten haben die einzelnen Prozessschritte bis ins Detail optimiert, wobei die Schritte je nach Prüfmethode und dem zu untersuchenden Lebensmittel variieren.

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Ein wesentlicher Prozessschritt ist die exakte Dotierung von Standardlösungen, die später zur Quantifizierung der Substanzen benötigt werden. Aber auch eine Dosierstation für die Zugabe von Lösungsmittelgemischen ist wichtig, ebenso wie die Extraktion der Proben und eine Zentrifuge. Zudem können die Probenextrakte bei Bedarf aufgereinigt, filtriert oder mit Salz versetzt werden. Barcodes auf den jeweiligen Kunststoffröhrchen definieren, welche individuelle Methode für die betreffende Probe durchzuführen ist und zu welcher Station sie nach einem Prozessschritt gebracht werden soll. Die Roboterlinie kann bis zu 400 Proben am Tag bearbeiten. Um eine Kreuzkontamination auszuschließen, ist jede Station, die in direktem Probenkontakt steht, mit einem vollautomatischen Reinigungsmechanismus ausgestattet.

Anlagensimulation mit VR

Ein besonderes Feature der Roboter von ABB sind die umfassenden Möglichkeiten der Simulations- und Offline-Programmiersoftware Robot Studio. Sie basiert auf dem Virtual Controller, einer exakten Kopie der Originalsoftware, die den Roboter steuert. Damit sind realistische Simulationen möglich, denn der Virtual Controller verwendet Daten und Konfigurationen aus der realen Produktion. „Diese Möglichkeit zur Anlagensimulation, auch dass wir mit der VR-Brille in die Anwendung ‚hineingehen‘ können, ist für Sondermaschinenbauer ausgesprochen von Vorteil“, sagt Elbatron-Geschäftsführer Herrmann. Die Anlage wurde zunächst in 3D geplant und dann in Robot Studio hochgeladen, bevor dort die Roboterprogrammierung erfolgte. „Das ist ein großer Pluspunkt, denn wenn wir in der Simulation Anpassungen vornehmen, werden diese auch direkt auf den Roboter übertragen“, ergänzt Herrmann.

Methoden nach Bedarf

„Eine besondere Herausforderung bei diesem Projekt war die Komplexität der Methoden und der geforderten Abläufe zu erfassen. Es läuft ja nicht nur jeweils eine Probe durch, sondern viele, für die verschiedene Methoden angewendet werden“, sagt Herrmann. So habe Eurofins etwa eine Filtration als Prozessschritt gefordert. „Zu Beginn ging man davon aus, dass höchstens zehn Prozent der Proben gefiltert werden. Heute ist es dagegen so, dass der größte Anteil der Proben filtriert wird.“ Solche ungeplanten Änderungen sind möglich, weil die Anlage auf größtmögliche Flexibilität ausgelegt ist. Die Programmieroberfläche ist so angepasst, dass Eurofins seine Methoden nach Bedarf zusammenstellen und die nötigen Schritte programmieren kann, z.B. Standards/Lösungsmittel zugeben, extrahieren, gekühlt zentrifugieren, filtrieren oder Feststoffe zugeben. Dieser Workflow ersetzt die bisher übliche ausgedruckte Prozessanweisung. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieser Workflow automatisiert von der Roboterlinie ausgewählt wird: Somit können auch ungeschulte Mitarbeiter die Anlage mit Proben bestücken und Fehler sind praktisch ausgeschlossen.

Eurofins profitiert zudem davon, dass die Anlage nun vollautomatisch läuft und auch nachts sowie am Wochenende und an Feiertagen Proben fertigstellen kann. Die Wiederholpräzision ist gut und die Proben werden den Qualitätsanforderungen entsprechend bearbeitet. Herrmann ist mit dem Ergebnis zufrieden: „Wir sind bereits seit dreißig Jahren am Markt und haben die unterschiedlichsten Anlagen realisiert. Diese Anlage ist jedoch ziemlich komplex und erstaunt ob ihrer Möglichkeiten.“ Die erfolgreiche Automatisierung des Eurofins-Labors beeindruckt offensichtlich auch andere Anwender, denn Elbatron hat bereits Anfragen für eine ähnliche Applikation erhalten.

* Jörg Reger, ABB Robotics, 61169 Friedberg

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