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Meilenstein Laborautomation

Laborautomation nimmt Arbeit, aber nicht das Denken ab

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Zudem müssten die Servicetechniker bei seinen Apparaten nicht mindestens acht Schläuche regelmäßig auf ihre Funktionsfähigkeit hin überprüfen und ggf. neu verlegen. Auch sei ein Roboter mit diesem internen Flüssigkeitshandling schlicht größer, da die Schläuche ihren Platz brauchen. Doch das Verschleppen bleibt das wichtigste Argument. Die Sorge vieler Anwender ist einfach zu groß, über welchen Weg auch immer, Proben zu kontaminieren. Unabhängig, ob es sich um eine Handpipette oder einen Automaten handelt, setzen die meisten heute auf diese Technik. Als konsequente Entwicklung daraus werden in den Laboratorien hauptsächlich Disposables eingesetzt. Die Flüssigkeit benetzt nur die Spitze und sie wird nach einmaligem Gebrauch entsorgt.

Und heute? Wohin hat die Erfindung und Entwicklung seit den 50er Jahren geführt? Ein Automat zur Unterstützung des Labormitarbeiters ist heute ein kleiner Labor-Mikrokosmos. Diese Liquid-Handling-Systeme verarbeiten mit einem Vielproben-Kopf 96er- oder 384er-Mikrotiterplatten, wobei der Pipettierarm neben den Pipettier-Kanälen noch Transport-Vorrichtungen oder Kameras aufnehmen kann. Die Bandbreite der Volumen reicht von 0,5 µL bis zu 5000 µL. Carrier, Spitzen und Abfallbehälter teilen sich den Platz. Und die neueste Generation bleibt nicht bei solchen Kern-Funktionalitäten stehen. Pfiffige Entwickler haben einen gänzlich neuen „Logistik-Dienst“ mit implementiert: Kleine Greifer, werden in der Aufnahmevorrichtung der Spitzen arretiert. Über einen Gummi-O-Ring, der sich in einer Nut positioniert und abdichtend zusammen gequetscht wird, werden Tips und Greifer dicht und in Position gehalten. Eine solche Achse transportiert Proben von außen, aus Thermocyclern, Zentrifugen, Waschstationen, Lesegeräten, Versiegelungen oder Inkubatoren. Diese befinden sich nebenan oder auch im passenden Logistik-Modul unterhalb der Arbeitsebene.

Der guten Ordnung halber auch digital

Im Zeitalter der Digitalisierung ist es jedoch mit einer guten Ordnung und Logistik an der Bench nicht getan. Die Anwender verlangen darüber hinaus eine größtmögliche Sicherheit und Informationstiefe, wie Brodbeck betont. Diese könne immer mehr über Software und Sensorik erreicht werden. Doch wie kann ein Automat ohne aufwändige Bildverarbeitung oder teure und platzraubende Wägesysteme feststellen, dass ein Pipettiervorgang korrekt und erfolgreich abgelaufen ist? Dazu ein kurzer Ausflug in die Physik des Pipettierens: Ist die Spitze in die Flüssigkeit eingetaucht, erzeugt der Kolben einen Unterdruck. Bevor die Flüssigkeit dem Vakuum folgt und in die Spitze fließt, muss die anfängliche innere Reibungskraft der Flüssigkeit überwunden werden, bis eine laminare Strömung in die Spitze einsetzt. Ab dem Zeitpunkt des Fließens ergibt sich also in einem Druck/Zeit-Diagramm ein nahezu horizontaler Druckverlauf. Am Ende der Kolbenbewegung fließt dann noch Flüssigkeit nach, bis der Unterdruck ausgeglichen ist und Druck, respektive die Kurve steigt an. Nach der Aspiration liegt der Enddruck bei einer korrekten Pipettierung unter dem Anfangsdruck (s. Abb. 5).

Ermittelt die Software eine Abweichung, wird die entsprechende Stelle markiert und der Anwender entscheidet, ob sie verworfen werden muss oder nicht. Auch beim gewollten oder ungewollten Ausfließen aus der Pipette passt die Software auf und reagiert ggf. über entsprechende Kolbenbewegungen.

„Diese Systematik stellt sicher, dass die Pipettierung korrekt abgelaufen ist. Wir sind überzeugt, dass diese Vorgehensweise für den täglichen Gebrauch die richtige ist“, wirbt Brodbeck für sein System. Der Drucksensor und die Druckkurve sowie eine spezielle, geschlossene Metallspitze als Dichtigkeitstest stellen zudem in einem täglichen Prüflauf sicher, dass die Anlage insgesamt keine Leckage aufweist.

Produktions-Philosophie aus Japan

Um die Geräte, die schnell im oberen fünfstelligen Euro-Bereich liegen können, bei gleichbleibend hoher Qualität zu produzieren, fährt die Produktionsleitung in Bonaduz mehrgleisig. Zum einen werden Lean-Manufacturing-Methoden eingesetzt, angelehnt an das Toyota-Konzept. Zum anderen setzt man auf eine hohe Fertigungstiefe. Zwar werden spezielle Bauteile wie Linearachsen oder Servomotoren zugekauft, auf dem Keller-Fundament des Produktionsgebäudes in Bonaduz stehen jedoch als Zeichen der Fertigungstiefe fast ein Dutzend Werkzeugmaschinen, die Teile für das Grundgerüst der Roboter herstellen.

Einmal montiert muss sich jede Plattform in der Qualitätskontrolle beweisen. Hier misst beispielsweise eine hoch genaue Mettler-Toledo-Waage das pipettierte Volumen und vergleicht es mit dem theoretischen Wert. Auch die mechanischen Elemente wie Servomotoren oder Linearachsen werden hier noch einmal geprüft und bei Überschreiten von Grenzwerten ein Alarm ausgelöst.

Doch trotz aller Kontrollen und Produktionskonzepte bleibt der Anwender eine kritische Größe. Hier spricht Brodbeck noch einmal die Unsicherheiten aus den Anfangszeiten der Luftpolster-Methode an: „Ganz zu Beginn des Richtungsstreits war in der Tat nicht klar, wie groß der Einfluss der Umgebungs-/Geräte-Innentemperatur auf die Genauigkeit ist.“ Hintergrund: Das Luft-Volumen als Medium zwischen Kolben und Probe ist eine Funktion der Temperatur und somit bildet die Umgebungstemperatur eine ernst zu nehmende Fehlerquelle. Zwischen 15 °C und 35 °C ist der Einfluss jedoch so gering, dass es die Hamilton-Ingenieure nicht davon abhielt, die Vorteile aus ihrer Sicht weiter auszubauen und gerätetechnisch zu verfeinern.

Der Anwender ist in der Pflicht

Auf die Pipettierung hat die Temperatur selbstverständlich dennoch nach wie vor einen enormen Einfluss.

Ein Grund mehr, dass heute jeder Laborant über die Good-Laboratory-Practice mit auf den Weg in sein Labor bekommt, seinen Arbeitsplatz vor stark schwankenden Temperaturen beispielsweise durch Durchzug oder direkte Sonneneinstrahlung zu schützen. Das betrifft selbstverständlich andere Tätigkeiten im Labor und das Pipettieren von Hand ganz genau so“, sagt Brodbeck. Bedienungsvorgaben im Zusammenspiel mit abgedunkelten und doppelwandigen Gehäusescheiben, dicht schließende Gerätetüren oder eine mögliche Innentemperierung über Klimatisierung sollen jedoch den Einfluss der Umgebung weitgehend minimieren. Bei allen technischen Bemühungen bleibt der Mensch gefragt. Letztendlich zeige die Praxis, dass in der Regel gemeinsam mit dem Laborbetrieb konstante Umgebungsbedingungen erarbeitet werden können, sagt Brodbeck.

Genauso, wie man den Anwender auf der einen Seite nicht aus der Verantwortung entlassen kann, was die Genauigkeit angeht, muss er auf der anderen Seite von unnötiger Komplexität verschont bleiben. Stichwort: Programmierung der Roboter. Es gilt wohl für alle hoch automatisierten Systeme in allen Branchen. Roboter und komplexe Automaten zu steuern, war lange eine Aufgabe für absolute Experten.

Zum Glück machen seit einigen Jahren alle hoch automatisierten Geräte und Maschinen eine evolutionäre Entwicklung durch: Geschäftsleitungen haben es als Differenzierungsmerkmal verstanden und ihre Entwicklungsabteilungen bringen dementsprechend immer häufiger die Innovationsenergie auf und programmieren leichter verständliche Software und einfacher zu bedienende Oberflächen.

Bei Hamilton war es ganz ähnlich. Im neuen Programm „Instinct“ stellt der Betreiber über die Auswahl von Symbolen und Funktionseinheiten die gewünschten Arbeitsschritte per Drag-and-Drop zusammen. Anschließend überprüft die 3D-Simulation den gewählten Ablauf auf Fehler. Ein Beispiel für eine Arbeit, die bequem am Rechner stattfinden kann. Virtuelle Assistenten führen den Labormitarbeiter durch die häufigsten Aufgaben wie Plattenreplikation, serielle Verdünnung oder die PCR.

Versucht man die Entwicklung weiter in die Zukunft zu zeichnen, wird angesichts des Trends zur Digitalisierung klar, dass der Anwender künftig noch intensiver an die Hand genommen werden wird.

Noch lautet zwar die Erfahrung der Gerätehersteller, dass die Anwender davor zurück schrecken, ihre Daten (auch nicht anonym) in einer Cloud analysieren zu lassen oder zum Wohle Vieler in Herstellerdatenbanken zum Zweck des Benchmarkings zu teilen (siehe hierzu auch das Interview mit Hamilton-Robotics-Vizepräsident Jörg Pochert ab Seite 12).

Doch die Entwicklungen an den unterschiedlichsten Ecken und Enden der digitalen Gesellschaft weisen darauf hin, dass die zukünftigen Meilensteine der Labor- und Analysentechnik wohl mit einiger Sicherheit in den digitalen Wolken liegen werden.

* F. Jablonski mylk+honey, 97082 Würzburg

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