Innovatorenportrait METTLER TOLEDO Wägen - automatisiert und sicher

Automation unterstützt den Anwender. Nach wie vor ist der Wägevorgang einer der wichtigsten Probenvorbereitungsschritte im Labor. Doch wie ist das Wägen von einer manuellen Tätigkeit zu einem voll automatisiertem Vorgang geworden?

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Mettler-Toledo GmbH

Waagen waren schon im Altertum bekannt und entscheidend für z.B. den Verkauf von Waren auf Märkten. Obwohl diese Balkenwaagen fast nichts mehr mit heutigen modernen Wägesystemen zu tun haben, ist die Aufgabe der Massebestimmung nach wie vor die gleiche.

In Laboratorien geschieht dies seit vielen Jahrzehnten mit Analysewaagen. Und diesen kommt eine extrem wichtige Rolle zu. Egal ob sie in der Synthese oder bei der Analytik zum Einsatz kommen: Die mit ihnen erzeugten Ergebnisse entscheiden oft über die richtigen Resultate im weiteren Prozess.

METTLER TOLEDO hat in den vergangenen Jahrzehnten mit seinem Portfolio von Laborwaagen den Wägeprozess im Labor maßgeblich mitbestimmt. Mittlerweile ist aber nicht nur die Genauigkeit von Analysewaagen wichtiges Kriterium für Anwender.

„Das Wägen im Labor muss schnell, effizient und möglichst ohne Fehlerpotenzial durchgeführt werden“, beschreibt Dr. Magdalena Ulman, Produktmanagerin Excellence Process Solutions bei METTLER TOLEDO die Wünsche der Anwender. Um diese Forderungen umzusetzen, haben die Ingenieure des Schweizer Unternehmens ein Wägesystem mit Dosierköpfen entwickelt, das eine automatische Dosierung von Pulver und Flüssigkeiten ermöglicht, ohne dass der Anwender in den Wägevorgang eingreifen muss.

„Wir haben mit unserer automatischen Waage XPR auf die Wünsche der Anwender reagiert und die manuellen Tätigkeiten beim Wägevorgang minimiert“, betont METTLER TOLEDO Wägeexpertin Ulman. Durch die Automation sei es gelungen, die Probengröße um bis zu 30% zu reduzieren und bis zu 75% der teuren oder seltenen Proben sowie Arbeitszeit einzusparen.

Das System spielt v.a. bei häufig wiederkehrenden Prozessen, wie bei der Standard-Herstellung oder der Einwaage von Rezepturen, seine Vorteile aus. Am Beispiel der Standardherstellung soll dies näher dargestellt werden.

Beispiel: Standards für die Analytik herstellen

Die Vorbereitung der richtigen Standardlösungen kann zu einem komplexen, zeitaufwändigen und nicht zuletzt fehleranfälligen Prozess werden. Die automatische Waage XPR bietet die Möglichkeit, Feststoffe und Flüssigkeiten direkt in Gefäße zu dosieren, sodass Standardlösungen effizienter hergestellt und Kreuzkontaminationen reduziert werden können. Da die Feststoffe bereits gewogen sind, ist es sinnvoll, auch das Lösemittel für eine maximale Genauigkeit gravimetrisch hinzuzufügen. Die Flüssigkeitsdosierung kompensiert zu große oder zu geringe Pulvermengen, da die benötigte Menge anhand der gewünschten Konzentration berechnet wird. Der Standard- und Lösemittelverbrauch kann reduziert werden, da geringere Mengen gewogen werden können, ohne dass gegen die USP-Richtlinien verstoßen wird (0,1mg/g pro Schritt). Außerdem ist es nicht notwendig, das Volumen auf die nächste Kolbengröße aufzurunden. Dieser gravimetrische Ansatz gibt Anwendern im Vergleich zum üblichen volumetrischen Ansatz die Möglichkeit, die exakte jeweils benötigte Menge zu wägen. Diese Option ist ideal für die Vorbereitung von Stammlösungen und Verdünnungen. Mit dem automatischen System mit aufgerüstetem Flüssigkeitsdosierkopf lassen sich nun auch verdünnte Säuren dosieren. „Wir bieten bei den Flüssgkeitsdosierköpfen zwei unterschiedliche Varianten an, eine Standardvariante und eine ohne Metallteile, die mit dem Lösemittel in Kontakt kommen können. Dies ist z.B. bei ICP-Analysen notwendig, wo Metallspuren durch das Lösemittel gelöst werden könnten und so die Analyseergebnisse verfälschen könnten“, beschreibt Ulman die Vorteile.

Maximale Sicherheit des Anwenders

Neben Flüssigkeiten werden im Labor allerdings häufig auch Pulver dosiert, die ein deutlich höheres Risiko für den Labormitarbeiter bedeuten können. Die Sicherheit beim Wägen solcher potenziell toxischen oder aktiven Substanzen ist in Branchen wie der Chemie, Pharmazie und Biotechnologie von größter Bedeutung.

Die automatische Waage XPR reduziert das Expositionsrisiko erheblich und gewährleistet gleichzeitig die exakte Präzision und den erhöhten Durchsatz, die in modernen Arbeitsabläufen erforderlich sind. Dies gelingt, indem mithilfe des geschlossenen Dosierkopfes direkt in Zielfläschchen oder Kapseln mit Öffnungen von nur sechs Millimetern Durchmesser dosiert wird. Anhand eines Live-Feedbacks wird die Fließeigenschaft des Pulvers ermittelt, um die Abgabeeffizienz in Echtzeit zu optimieren. Dies kann besonders effektiv sein, wenn die Waage mit einem Probenwechsler kombiniert wird, der bis zu 30 Proben in einem automatisierten Lauf verarbeiten kann.

Durch die direkte Dosierung wird das Expositionsrisiko von Lunge und Augen über die Luft, wie es bei der Verwendung von Spateln besteht, minimiert. Das Risiko des Verschüttens wird ebenfalls eliminiert, ebenso wie die Notwendigkeit, die Tür der Waage wiederholt zu öffnen und Substanzen aus dem Hauptbehälter in einen zweiten Behälter zu geben. Die Abmessungen der automatischen Waage XPR ermöglichen den Betrieb in einer Glovebox oder Sicherheitskabine, was die Sicherheit zusätzlich erhöht.

Der Probenwechsler zur automatischen Waage XPR kann die Bearbeitung von bis zu 30 Proben in einer geschlossenen Umgebung ermöglichen, sodass ein unbeaufsichtigter Wägeprozess gewährleistet ist und die Labormitarbeiter sich auf andere Aufgaben mit Mehrwert konzentrieren können. All dies trägt dazu bei, das Expositions- und Kontaminationsrisiko zu verringern, die Laborsicherheit erheblich zu erhöhen und gleichzeitig die Ziele „Effizienz“ und „Genauigkeit“ beizubehalten.

Durch den Einsatz von Dosierköpfen können Substanzen in Pulverform sauber und sicher abgewogen werden. Vorteile sind u.a.:

• Kein Kontakt der Substanz mit dem Luftraum über der Probe während der Einwaage (Konvektionsströme).

• Substanzgefäße müssen nicht mehr geöffnet werden: maximaler Schutz gegen Verunreinigungen und Vermeidung von Kreuzkontaminationen.

• Aliquotierung der Standards entfällt.

• RFID-Vorteil: Alle wichtigen Informationen der Substanz werden auf dem Dosierkopf abgespeichert und sind jederzeit abrufbar. Zusätzlich überprüft das System Verfallsdatum und Inhaltsmenge automatisch.

• Entladung elektrostatischer Substanzen und Gefäße direkt vor dem Dosiervorgang: Hierdurch ist keine zeitraubende manuelle Entladung nötig.

Software als wichtiges Tool für den Wägeprozess

Neben der automatischen Waage XPR und ihren technischen Eigenschaften ist aber auch die Bedienung ein wichtiges Kriterium, v.a. wenn die Wägevorgänge in so genannten Standard Operating Procedures (SOP) abgelegt werden können. Der Labormitarbeiter muss dann nur noch die konfigurierte SOP auswählen, die entsprechenden Dosierköpfe einsetzen und der Wägevorgang wird automatisch durchgeführt. Besonders komfortabel gelingt dies mit der LabX-Software von METTLER TOLEDO. Durch Verbinden der XPR Analysenwaage mit der LabX-Software können alle Wägedaten und zugehörigen Prozessinformationen automatisch verarbeitet werden. LabX bietet eine Benutzerführung direkt auf dem Waagenterminal und speichert alle Informationen in einer sicheren, zentralen Datenbank, wodurch eine lückenlose Rückverfolgbarkeit und Datenintegrität gewährleistet sind. Außerdem können alle Aufgaben, Benutzer und Instrumente zentral verwaltet werden. LabX lässt sich darüber hinaus problemlos in ein Labor-Informations-Management-System (LIMS) integrieren, was einen bidirektionalen Datentransfer ermöglicht. Mit LabX können Labore die Digitalisierung erheblich vorantreiben und einen nahtlosen Datenfluss in der gesamten Analyse gewährleisten.

Die bisher beschriebenen Vorgänge stellen halbautomatische Prozesse dar. Nach wie vor muss der Anwender mehrmals eingreifen, z.B. bei der Auswahl des Dosierkopfes, beim Platzieren des Gefäßes auf der Waagschale oder dem Bestücken des Probenwechslers. Eine vollautomatisierte Lösung bietet das CHRONECT XPR, eine Kooperation von METTLER TOLEDO mit dem deutschen Automations-Spezialisten Axel Semrau. Hierbei übernimmt ein Roboterarm die manuellen Tätigkeiten.

Doch die Entwicklung bleibt nicht stehen, wie Produktmanagerin Ulman betont: „Gerade die Wünsche von Anwendern fließen in unsere neuen Produkte ein, egal ob es Software- oder Hardwarelösungen sind. Ich animiere Kunden immer dazu, uns ihre Schwierigkeiten im Laboralltag zu schildern, damit wir diese dann möglichst schnell und effektiv beheben können.“

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