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Automatisierung Neuentwicklung einer vollautomatisierten Beschichtungsanlage für Diagnostika

Redakteur: Anke Geipel-Kern

Diagnostika sind ein Gebiet, das in Verbindung mit biopharmazeutischen Arzneimitteln neue Bedeutung erlangt. Mit einer neuen Beschichtungsanlage ist es nun gelungen, die Vollautomatisierung der komplexen Abläufe zu realisieren.

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Die sichere Diagnose von Infektionen und Krankheiten spielt eine immer wichtigere Rolle, insbesondere im Zusammenhang mit biopharmazeutischen Produkten. Um die Herstellung der dafür notwendigen Mikrotiterplatten zu automatisieren, ist Optima nun vollkommen neue Wege gegangen. Ausgangspunkt dieses Projekts sind Mikrotiterplatten mit je 96 Kavitäten.

Diese 96 Kavitäten werden mit höchster Präzision beschichtet, indem die Kavitäten je nach Produkt zwei bis vier Füllmengen in mehreren Prozess- und Zwischenschritten erhalten: Zur Einwirkung sind verschiedene Inkubationszeiten vorgesehen sowie Absaug-, Trocknungsfunktionen und Kontrollstationen installiert. Das Ergebnis sind Mikrotiterplatten, deren Kavitäten in ihren Randbereichen mehrlagig mit hoher Präzision beschichtet sind. Rund 24 verschiedene Diagnosemedien lassen sich dosieren.

Die gesamte Anlage gliedert sich in drei Prozessbereiche, die in U-Form angelegt sind. In ihrem Inneren befindet sich der vierte, der Inkubationsbereich, in dem die Mikrotiterplatten für eine Einwirkzeit in Magazinen zwischengelagert werden. Die drei Prozessbereiche sind miteinander verbunden; entweder wird die Inkubationsphase zwischengeschaltet oder es findet ein „Bypass“ vom einen zum nächsten Prozessbereich statt. Um die Anlage bestmöglich zu nutzen, können auf ihr verschiedene Batches gleichzeitig verarbeitet werden.

Einstelliges Zeit-Druck-System

Im ersten Prozessbereich befindet sich eine Beladestation für die Mikrotiterplatten, die etwa 200 Platten aufnehmen kann. Vor der eigentlichen Beschichtung werden die Mikrotiterplatten auf ihre Höhe geprüft – zu hohe Platten werden direkt ausgeschleust. Nach der Deionisierung der Platten folgt eine Orientierungskontrolle, sodass falsch ausgerichtete Platten im Anschluss um 180° gedreht werden können. Ein Drucker bezeichnet jede Platte mit einer eindeutigen Batch- und Plattennummer, woraufhin ein Datamatrixleser den Aufdruck kontrolliert.

Bei der Füllstation handelt sich um ein einstelliges Zeit-Druck-Modul mit Temperaturkompensation. In dieser Konstellation des Füllsystems mit 96 Nadeln muss die Dosiergenauigkeit in sehr engen Toleranzen liegen, um die Vorgabe des Diagnostika-Herstellers erreichen zu können. Dazu war eine extrem gleichmäßige Verteilung im Manifold zu erzielen.

Für die Inprozesskontrolle werden die Mikrotiterplatten mit den befüllten Kavitäten von einem Linearmotor aus dem Transportband angehoben und mit definierter Kraft gegen einen Anschlag gedrückt. Parallel fahren nun acht optische Sensoren in einem Zug über eine Reihe mit je zwölf Kavitäten. Jeder optische Sensor misst und registriert dabei den Füllspiegel (-höhe), aus dem sich die Füllmenge berechnen lässt. Maximale Toleranzen von 0,1mm sind zulässig – verfehlt eines der 96 „Töpfchen“ diesen Wert, wird die gesamte Mikrotiterplatte verworfen.

Als „schlecht“ detektierte Platten werden ausgeleitet und in einen darüber liegenden Reject übergeschoben. Der Reject verfügt über einen Zwischenspeicher für zehn Mikrotiterplatten, sodass die Anlage unterbrechungsfrei weiterläuft.

Platz für 21 000 Mikrotiterplatten

Nun schlagen die Mikrotiterplatten – je nach Vorgabe der Anlagensteuerung – den Weg entweder in den zweiten Prozessbereich ein, was über den 90°-Bypass (Pneumatikachse) geschieht oder über die Magazinierung zur Inkubation. Verlässt eine Miktrotiterplatte den Prozessbereich, um in den Inkubationsbereich zu gelangen, tritt ein Roboter in Aktion, der die Magazine oben an einem Kugelkopf greift, unten stabilisierend führt und diese an einen vorgegebenen Palettenplatz von oben vertikal einlagert. Der Inkubationsbereich bietet mit zwölf Palettenplätzen, die jeweils 35 Magazine aufnehmen können, Platz für 21 000 Mikrotiterplatten.

Für die Verwaltung des Inkubationsbereichs arbeitet der Roboter mit eigener computerbasierter Steuerung, die mit den drei Prozessbereichen „kooperiert“. Die Daten der Mikrotiterplatten, die Einlagerungszeit und die Verwaltung der Lagerplätze sind autonom und vollautomatisch gesteuert.

Das Be- und Entladen der Magazine per Roboter geschieht im Schnitt innerhalb von 15 Sekunden. Die Einlagerungszeit der Mikrotiterplatten im Inkubationsbereich beträgt zwischen 10 Minuten und 36 Stunden, je nach Diagnostik-Flüssigkeit. Diese spezifische Zeit benötigen die Liquida, um in die Randbereiche der Kavitäten einwirken zu können, sodass sich eine definierte Beschichtung – in Verbindung mit den noch folgenden Arbeitsschritten – erzeugen lässt. Diese Inkubationszeiten sind in der Lagersteuerung hinterlegt, und die Mikrotiterplatten werden anschließend automatisch vom Roboter in den Verarbeitungsprozess zurückgeführt.

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Nach dem FIFO (First-in-first-out)-Prinzip werden die Mikrotiterplatten in den zweiten Prozessbereich eingebracht, ein Destacker und ein Zwischenspeicher stehen hierfür bereit. Andere Mikrotiterplatten wiederum erreichen den zweiten Prozessbereich direkt über die Bypass-Variante, je nachdem, welche Verarbeitungsschritte die Anlagensteuerung für das Produkt vorgibt. Insgesamt verfügt der zweite Prozessbereich über vier Absaugstationen sowie vier Zeit-Druck-Stationen. Die einzelnen Dosiersysteme sind identisch zu dem des ersten Prozessbereichs aufgebaut.

Der dritte Prozessbereich, der entweder nach einer weiteren Inkubationszeit oder direkt angesteuert wird, beginnt nach dem schon bekannten Destackerprinzip. Die Mikrotiterplatten durchlaufen hier nun drei Absaugstationen und drei Zeit-Druck-Füllstationen sowie die 100%-Inprozesskontrolle. Es folgen zusätzliche Trocknungsstationen sowie eine weitere Absaugstation. Die Trocknungsaspiratoren sind mit größeren Nadeln zum Trocknen der „Töpfchen“ (Kavitäten) ausgestattet. Nach diesem Verfahren befinden sich noch maximal 0,03 µl Flüssigkeit in einer Kavität.

Fertig beschichtete Mikrotiterplatten gelangen über einen Transfer zur Entladestation. Mit Linearmotoren werden die Platten hier in Stapel zwischen 10 und 25 Stück aufeinander geschichtet und anschließend an zwei parallel verlaufende Bänder unterbrechungsfrei übergeben. Ein Bediener entnimmt die Stapel von den Bändern.

Pionierleistung in Rekordzeit

Ungeachtet der Komplexität der Anlage und ihrer nahezu 100%igen Neukonstruktion wird ein sehr hoher Wirkungsgrad erzielt. Dies setzt stabile Prozesse voraus und dazu tragen auch Redundanzen bei. Beispielsweise besteht das Robotersystem des Inkubatorbereichs aus zwei Einheiten. Ganz entscheidend für einen hohen Return-on-Investment (ROI) dieser Beschichtungsanlage ist deren Eigenschaft, verschiedene Batches gleichzeitig verarbeiten zu können. Dazu wurden gemeinsam mit Seidenader Automation entsprechend automatisierte Kontrollsysteme realisiert. Seidenader Automation hat zudem das vollständige Scada-System geliefert.

Zudem gingen der Entscheidung für ein System mit optischen Sensoren im Rahmen der Inprozesskontrolle zahlreiche Tests auch mit anderen Technologien voraus. Das einstellige Zeit-Druck-System mit 96 Nadel-Manifold war ebenfalls eine besondere Herausforderung. Um eine gleichmäßige Befüllung unter geringsten Toleranzen zu realisieren, war die Verteilung zu den 96 Nadeln strömungstechnisch zu berechnen und zu optimieren.

Fazit

Ein Projekt dieser Art fordert extremen Einsatz aller Beteiligten – auch auf Seiten des Kunden, mit dem alle Schritte abgesprochen oder gemeinsam durchgeführt wurden. Vom ersten Tag an stand das Projekt unter hohem Zeitdruck, das verdeutlichen die knappen Zeitpläne. Die Anlage wurde im Oktober 2006 in Auftrag gegeben und im November 2008 abgenommen. Die Installationsphase reichte von Januar bis April 2009. Das Endergebnis überzeugte den Kunden offenbar – eine weitere Anlage befindet sich als Folgeauftrag bereits in Montage.

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