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Chromatographie im Wandel Autonome Analysen – die Zukunft der Chromatographie

Autor / Redakteur: Moritz Kneipp* / Christian Lüttmann

Was die Automobilbranche schon durchgesetzt hat, bringt auch Chromatographie-Anwendungen auf ein neues Level: Technische Helfer, die mit modernster Sensorik für einfache Bedienung, mehr Sicherheit und ein Höchstmaß an Automatisierung sorgen.

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Chromatographie wird zunehmend automatisiert, vergleichbar wie Autos durch technische Hilfen immer autonomer werden.
Chromatographie wird zunehmend automatisiert, vergleichbar wie Autos durch technische Hilfen immer autonomer werden.
(Bild: ©s_l - stock.adobe.com)

Sie sind auf einer stark befahrenen Autobahn unterwegs und trotzdem ganz entspannt. Für Stress gibt es keinen Grund, schließlich sorgt die Technik dafür, dass ein Höchstmaß an Komfort und Sicherheit herrscht: die Scheibenwischer starten automatisch, wenn es regnet, sanfte Lenkradvibrationen sorgen dafür, dass Sie beim Spurwechsel das Blinken nicht vergessen, und Notbremsassistenten können in letzter Sekunde einspringen, um Sie und andere vor Schaden zu bewahren. Durch Fortschritte in den Bereichen Sensortechnologie, Sicherheit und Automatisierung geht Autofahren heute fast wie von selbst, wenn nicht sogar schon völlig autonom, ohne dass ein menschlicher Fahrer agieren muss.

Ein ähnlicher Trend revolutioniert auch Chromatographie-Anwendungen. Intelligentere Systeme, maschinelles Lernen und immer größere Datenmengen schaffen neue Möglichkeiten zur Automatisierung, zur Reduktion ungeplanter Ausfallzeiten und zur vorhersehbaren Wartung. Dadurch breitet sich der Kundenstamm auf ein größeres Spektrum von Anwendern aus und hat nicht mehr nur die speziell ausgebildeten Wissenschaftler im Fokus. Die neuen Möglichkeiten der Chromatographie sind – wie bei den Autos – teilweise der weiterentwickelten Sensortechnologie zu verdanken, durch die sich beispielsweise Durchflussraten für Flüssigkeiten bis auf wenige Nanoliter pro Minute messen lassen.

Früher: Handwerkliche Wissenschaft

Der Komfort der heute verfügbaren Technik ist ein recht neuer Luxus. Es ist nicht lange her, da erforderten Chromatographie-Systeme noch, dass ihre Bediener jede Probe manuell für das folgende Experiment vorbereiten mussten. Selbst, wenn ein analytisches Verfahren nur wenige Minuten oder Sekunden dauerte – allein die Vorbereitung der Proben nahm oft mehrere Stunden in Anspruch. Diese Vorbereitung hängt von den jeweiligen spezifischen Verbindungen ab und umfasst u.a. das Wiegen, Filtern, Verdampfen, die Flüssig-Flüssig-Extraktion und die Homogenisierung.

Damit war die manuelle Arbeit aber noch nicht erledigt. Jede der mühsam vorbereiteten Proben musste dann zum richtigen Zeitpunkt einzeln in das System gebracht werden. Dazu musste sich der Bediener während des gesamten Prozesses um das System kümmern. Auch nach dem Abschluss der Experimente ging die manuelle Arbeit in Form einer Auswertung der Ergebnisse weiter. Folglich war das Optimierungs- und Automatisierungspotenzial groß.

Heute: Automatisierte Arbeitsabläufe

Heutige Systeme sind in deutlich höherem Maße automatisiert und bieten eine vollständige Integration von Arbeitsabläufen, die von der Probenvorbereitung über die Datenanalyse bis hin zur Visualisierung reichen. Automatisierungssysteme können sich in ihrem Design unterscheiden, so gibt es beispielsweise Systeme, die manuelle Methoden nachbilden und emulieren, oder aber geschlossene Systeme und Geräte, die einzelne Teilschritte der Probenvorbereitung übernehmen. Während Letztere bestimmte Prozesse optimal automatisieren, können die erstgenannten Systeme flexibler sein: Robotersysteme, die einen typischen manuellen Prozess nachbilden, können so angepasst werden, dass sie verschiedene Schritte durchführen, um einen anderen Prozess auf ähnliche automatisierte Weise zu vervollständigen.

Ein wichtiger Motor für die verstärkte Automatisierung ist die Reduktion der Kosten und des manuellen Arbeitsaufwands. Dank der Fortschritte in der Sensortechnologie können Arbeitsabläufe zusätzlich online überwacht und somit optimiert werden, um nicht nur ihre Geschwindigkeit und Reproduzierbarkeit, sondern auch ihre Stabilität und Sicherheit zu erhöhen.

Nutzen für Pharma, Food und Forensik

Schnellere und sicherere Prozesse in der Chromatographie kommen dabei vielen Branchen zu Gute. Zu den aktuellen Interessengebieten gehört die Lebensmittel- und Getränkeindustrie, wo chromatographische Analysen Einblicke in die Sicherheit unserer Ernährung ermöglichen. Angesichts der stetig steigenden Nachfrage nach optimierten und ertragreichen Produktionsprozessen für Lebensmittel, wird eine schnelle und sichere Analyse hier in Zukunft noch wichtiger. Schließlich erreichen einzelne Produktchargen eine immer größere Anzahl von Verbrauchern. Wenn hier ein Qualitätsmangel unentdeckt bleibt, wären entsprechend viele Verbraucher gefährdet und der potenzielle Schaden groß.

Mindestens ebenso wichtig ist die Chromatographie für die Pharmaindustrie. Deren Produkte zielen darauf ab, kranke Menschen zu behandeln und zu heilen, deren Immunsystem oft bereits geschwächt ist. Gerade für diese Patienten müssen Produktionsprozesse sicher und zuverlässig sein. Zur Kontrolle dieser Sicherheitsaspekte werden bereits heute analytische Instrumente und Arbeitsabläufe eingesetzt. Aufgrund neuer und komplexerer Behandlungsmöglichkeiten wird die Nachfrage nach einer effizienten und nahtlosen Integration solcher Arbeitsabläufe in die Produktionsprozesse weiter steigen. Nicht nur in der Produktion, sondern bereits im Entwicklungsstadium von Impfstoffen helfen Chromatographie-Systeme beispielsweise dabei, die spezifischen Antikörper zu identifizieren, die bei der Bekämpfung verschiedener Krankheiten beteiligt sind. Sie helfen so, potenziell lebensbedrohliche Epidemien einzudämmen.

In der Forensik werden Chromatographie- und Analyse-Geräte eingesetzt, um Informationen zur Lösung von Kriminalfällen zu erhalten. Forensiker analysieren dazu natürliche und synthetische Drogen, toxikologische Proben, aber auch die Überreste von Bränden und Explosionen. Auch die chromatographische Analyse von Farben und Pigmentmolekülen hilft bei der Verbrechensaufklärung. So lassen sich z.B. Personen mit Orten in Verbindung bringen oder verdächtige Anzeichen von Lebensmittelbetrug, gefälschtem Alkohol und Parfüm erkennen.

Sensoren als Strippenzieher für erfolgreiche Analysen

Sensirion bietet intelligent Sensorlösungen für Biowissenschaften, Diagnostik und Analyse-Instrumente
Sensirion bietet intelligent Sensorlösungen für Biowissenschaften, Diagnostik und Analyse-Instrumente
(Bild: Sensirion)

Mit der zunehmenden Verbreitung solcher Analyse-Instrumente in Industrie und Forschung, wird auch die Nachfrage nach automatisierten und zuverlässigen Prozessen zunehmen, die die Arbeitsabläufe rund um die eigentliche Analyse vervollständigen.

Ein großer Teil der dazu nötigen Entwicklungen wird durch intelligente Sensorlösungen ermöglicht, wie sie etwa Sensirion für die Bereiche Biowissenschaften, Diagnostik und Analyse-Instrumente anbietet. Die dort entwickelten Lösungen ermöglichen die Dosisvalidierung, Prozesskontrolle und -optimierung sowie die Erkennung von Fehlerzuständen in unzähligen Anwendungen. Die Sensoren können verschiedene Umgebungsfaktoren wie Feuchtigkeit und Temperatur, CO2-Konzentration oder Feinstaub überwachen und Flüssigkeits- und Gasdurchfluss genau messen und steuern. Vollständig kalibrierte digitale Sensoren bilden damit eine zuverlässige Basis für die Automatisierung und Steuerung von Prozessen und Arbeitsabläufen.

* M. Kneipp, Sensirion AG, 8712 Stäfa/Schweiz

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