Automatisiertes Liquid Handling Der Aufstieg der Pipettierroboter

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Pipettieren als Massenabfertigung per Knopfdruck – das ermöglichen moderne Pipettierroboter. Die Umstellung von manuellem auf automatisiertes Liquid Handling ist jedoch mit großen Investitionen von Geld und Zeit verbunden. Wir zeigen, worauf Sie achten müssen und welche Vorteile Pipettierroboter bieten.

Es gibt in fast jedem Prozess Schritte, die automatisiert werden können. Daher wurden Maschinen entwickelt, um die Menschen bei diesen Aufgaben zu entlasten. So wurden viele Prozessschritte in vielen Industrien automatisiert, z. B. in der Automobil- oder Lebensmittelindustrie. In verschiedenen Bereichen der Pharma- und Biotechnologie-Industrie war dies leider oft nicht möglich, da die Proben und Mengen zu klein waren. Die Roboter, die im Markt existierten, konnten gut unermüdlich große Gewichte bewegen oder heben, aber nicht eine große Anzahl von Proben mit kleinen Volumina verarbeiten. Aus diesem Grund war für viele Jahre die Automatisierung im Labor kaum möglich. Labormitarbeiter mussten stundenlang Experimente durchführen und wiederholen und dabei exakt auf die Reihenfolge der Prozessschritte sowie auf die kleinen Volumina achten, die in den verschiedenen Schritten pipettiert werden mussten.

Erst mit der Entwicklung neuer Roboter bestand die Möglichkeit, viele Proben mit kleinen Volumina zu verarbeiten. Das war der Beginn der Automatisierung im Labor. Doch was hat den Erfolgszug dieser Präzisionsmaschinen vorangetrieben? Warum ist die Entwicklung von Pipettierrobotern längst noch nicht abgeschlossen? Und worauf müssen Labore bei der Auswahl eines solchen Geräts achten? Wir werfen einen Blick auf den Aufstieg der Pipettierroboter.

Die Messgenauigkeit bei der Durchführung von Experimenten ist ein wichtiger Aspekt in der Wissenschaft. Diese Tatsache spiegelt sich in den Laboren wider. Analytische Waagen erreichen z. B. eine Genauigkeit von 0,01 mg. Im Fall von volumetrischen Pipetten können Flüssigkeiten mit einer Genauigkeit von ±0,1 bis 0,5 Prozent pipettiert werden. Bei der Messgenauigkeit spielen neben der Qualität eines Gerätes auch andere Faktoren eine Rolle, wie Kalibrierung, Volumen, Bedienung, Flüssigkeitseigenschaften und Umgebungsbedingungen.

Roboter im Laborbetrieb

Ein „echter“ Laborroboter ist „Kevin“ vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA. Der kollaborative Roboter ist so programmiert, dass er eigenständig im Labor umherfährt und kleine Aufgaben erledigt, etwa Reagenzien aus dem Lager zum Arbeitsplatz bringt oder fertige Proben ins Probenarchiv ablegt.

Dank eingebauter Kameras und Sensoren erkennt er gesuchte Objekte sowie seine Umgebung und Hindernisse in seinem Weg. Vor einem Labormitarbeiter bremst Kevin z. B. sofort und sucht sich eine alternative Route. Er kann auch über Nacht Proben vorbereiten, sodass die Laboranten am Morgen schneller mit ihrer Arbeit beginnen können. Arbeitsanweisungen lassen sich per Tablet und perspektivisch auch per Spracheingabe geben.

Quelle: https://www.fraunhofer-innovisions.de/usability/kevin-im-labor

Liquid Handling unter zunehmendem Leistungsdruck

Einige dieser Faktoren lassen sich relativ gut kontrollieren, andere dagegen sind sehr variabel. So hängt beispielsweise beim Pipettieren die Pipettiergenauigkeit von der Erfahrung und Konzentration des Bedieners ab. Die Umgebungsbedingungen und Flüssigkeitseigenschaften sind andere Faktoren, die einen starken Einfluss auf die Pipettiergenauigkeit haben. Mit der Zunahme der im Labor zu verarbeitenden Proben wächst auch der Druck, Proben schnell und effizient zu verarbeiten, ohne dabei Qualitätsverluste zu erleiden. Was die Pipettierarbeit zusätzlich fehleranfälliger macht: Neue Forschungsgebiete und Technologie haben zu einer Abnahme der zu pipettierenden Volumina geführt, sodass bereits kleine Differenzen bei den Volumina zu unterschiedlichen Ergebnissen bei einem Experiment führen können. Daher ist es notwendig, alle Faktoren im Griff zu haben, die eine Rolle bei der Pipettiergenauigkeit spielen.

Die Vorteile von modernen Pipettierrobotern

Aufgrund des Bedarfs an einer schnelleren und genaueren Verarbeitung von Proben ist die Nachfrage nach Pipettierrobotern in den vergangenen Jahren stark gestiegen. Nicht nur der Wunsch effizienter zu sein, hat den Markt der Pipettierroboter angetrieben, sondern auch die Ära der Digitalisierung. Die digitale Transformation verfolgt die Ziele, Prozesse effizienter und schneller zu gestalten, Datensicherheit zu erhöhen und die Interkonnektivität im Labor zu ermöglichen. Die Laborautomatisierung hilft dabei, all diese Ziele zu erreichen. Und die Verwendung von Pipettierroboter ist ein wichtiger Bestandteil davon. Andere Vorteile der Nutzung von Pipettierroboter sind:

• Entlastung des Personals

• geringeres Verletzungs- oder Expositionsrisiko für das Personal

• geringere benötigte Probenmengen

• geringere Kosten im Vergleich zu manuellen Laboren

• höhere Genauigkeit und Präzision der Experimente

• höhere Reproduzierbarkeit

• Reduzierung von Fehlern

• Konsistenz bei der Probenvorbereitung und -verarbeitung

• Skalierbarkeit

• bessere Datenerfassung

• Vermeidung von Kreuzkontaminationen

• verbesserte Gesamteffizienz des Labors

Der Automatisierunsgmarkt boomt ungebrochen

Der Markt von Automated Liquid Handling – und damit der von Pipettierrobotern – wird hauptsächlich von ein paar großen Unternehmen dominiert. Diese sind (alphabetisch geordnet):

• Agilent Technologies Inc.

• Beckman Coulter GmbH

• Hamilton Compnay AG

• Perkin Elmer Inc.

• Tecan Group AG

Von diesen fünf Unternehmen sind Beckman Coulter, Hamilton und Tecan fast zu 100 Prozent auf dem Gebiet der Pipettierroboter-Herstellung tätig [1]. Daher spiegeln die Umsätze dieser Unternehmen stark die Lage der Pipettierroboter am Markt.

Der Markt der Pipettierroboter ist aufgrund der bereits genannten Vorteile in den vergangenen Jahren stetig gewachsen und hat durch die Covid-19-Pandemie sogar einen noch stärkeren Aufschwung erfahren. Die Pandemie hat den Bedarf nach Geschwindigkeit und Genauigkeit von Laboranalysen extrem erhöht. Aus diesem Grund kauften viele Labore – allen voran Testlabore mit PCR-Coronatest im Portfolio – Pipettierroboter, um ihre Prozesse weiter zu automatisieren.

Da Tecan, ähnlich wie Hamilton und Beckman Coulter, eine sehr starke Präsenz auf dem Gebiet der automatisierten Lösungen inklusive Pipettierroboter am Markt hat, belegen die Umsätze bei Pipettierrobotern ihre Führungsposition in diesem Bereich [1]. Als die Pandemie mehr oder weniger unter Kontrolle war, ließ diese starke Nachfrage wieder nach. Aktuell ist die wirtschaftliche Situation im Markt aufgrund von Inflation, Krieg, Logistikproblemen und Knappheit einiger Ressourcen zwar unsicher, dennoch sind die Umsätze des Unternehmens seit April 2022 weiter gewachsen. Diese Tatsache verstärkt die Vermutung, dass die Zahl Pipettierroboter und damit die Automatisierung im Labor ebenfalls steigen wird, wenn auch nicht mit derselben Stärke wie während der Corona-Pandemie.

Das gibt es bei Pipettierrobotern zu beachten

Die Beschaffung eines Pipettierroboters ist eine komplizierte Prozedur. Ein Labor sollte auf verschiedene Aspekte achten, bevor es sich für einen bestimmten Roboter beziehungsweise Hersteller entscheidet:

• Volumenbereich: Wird der benötige Volumenbereich vom Pipettierroboter abgedeckt?

• Genauigkeit: Was sind die Anforderungen bezüglich der Pipettiergenauigkeit?

• Flexibilität: Wie aufwendig ist der Umbau des Roboters für einen neuen Prozess?

• Benutzerfreundlichkeit: Ist die Benutzeroberfläche leicht verständlich und intuitiv bedienbar?

• Schulung des Personals: Ist es notwendig, dass auch das Personal die Roboter programmieren kann?

• Service und Support: Wie schnell reagiert der Hersteller auf Anfragen oder Reparaturaufträge?

• Preis: Im Preis sollte nicht nur das Gerät enthalten sein, sondern auch Wartung, Reparaturen, Schulung des Personals und Programmierungsarbeit.

Das sind nur einige wichtige Punkte, die vor dem Kauf eines Pipettierroboters berücksichtigt werden sollten. Andere wichtigere Parameter sind: Kompatibilität, Geschwindigkeit, Vernetzungsmöglichkeiten, Ergonomie, Platzbedarf, Energieverbrauch, Wartung und Garantie. Viele dieser Parameter sind v. a. für die Laborautomatisierung wichtig. Letztendlich wird ein Pipettierroboter eingesetzt, um einen bestimmten Prozess zu automatisieren. Dieser Prozess ist oft nur Teil eines viel größeren Prozesses. Daher sollte bei der Anschaffung eines Pipettierroboters der gesamte Kontext berücksichtigt werden. Aus diesem Grund ist die Entwicklung einer Automatisierungsstrategie sehr wichtig. Diese kann wiederum Teil einer übergreifenden Digitalisierungsstrategie sein.

Um eine Automatisierungs- und Digitalisierungsstrategie zu entwickeln, sollte man Prozesse und deren Bedeutung im gesamten Kontext sehr gut kennen und abbilden. Es braucht den Panoramablick auf die eigene Laborlandschaft, um sich Verzahnungen und Wechselwirkungen im Workflow bewusst zu machen. So wird deutlich, an welchen Stellen die Laborautomatisierung und -digitalisierung tatsächlich sinnvoll eingesetzt werden kann. Die eigenen Prozesse zu reflektieren ist ein essenzieller Schritt, da der Erwerb eines Pipettierroboters i. d. R. den Kauf anderer Geräte und Software mit sich bringt, die alle ins Labor integriert werden müssen. Eine sorgfältige Planung hilft dabei, Probleme zu vermeiden, die durch unnötige Komplexität und ungenügende Interkonnektivität verursacht werden. Die anfängliche Mehrinvestition von Zeit und Geld wird sich am Ende auszahlen.

Fazit: Wer von Beginn an gut plant, profitiert

Pipettierroboter sind wichtige Bestandteile eines Labors, da sie viele Vorteile wie mit sich bringen wie Präzision, Zeitersparnis, Flexibilität und Kostenersparnis. Insbesondere wird die Effizienz im Labor gesteigert. Darüber hinaus sind die Pipettierroboter wichtige Geräte in einem Automatisierungs- oder Digitalisierungsprojekt.

Aus diesen Gründen wird sich der Markt der Pipettierroboter auch in Zukunft weiterentwickeln und wachsen, da effiziente Labore, die schnell und genau Proben verarbeiten, immer wichtiger werden. Beim Einsatz von Pipettierrobotern sollten Anwender das technologische Gesamtbild in Betracht ziehen, da diese Geräte mit anderer Soft- und Hardware im Labor kompatibel sein müssen. Deshalb sollte der zu automatisierende Prozess vor einer Investition in neue Technologien im ganzen Kontext analysiert werden, um Projektrisiken zu minimieren. Die Entwicklung einer gut durchdachten Automatisierungs- und Digitalisierungsstrategie ist immer empfehlenswert.

* Juan Carlos Peñafiel Suárez, Senior Consultant im Life-Sciences-Bereich, Adesso SE

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