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Roboter übernehmen die Nachtschicht im Labor

Mehr Kapazität durch automatisierte Tests
Roboter übernehmen Nachtschicht im Labor

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Die aktuelle Corona-Lage zeigt: Das Gesundheitswesen stößt schnell an seine Grenzen, wenn Laborkapazitäten fehlen, oder wenn die bestehenden Testinstallationen nicht flexibel genug für Testvarianten oder neue, abgewandelte Testverfahren umrüstbar sind. In dieser Situation bieten Laborroboter eine wertvolle Alternative zur manuellen Testdurchführung.

Roboter sind in der Industrie schon seit Langem etabliert. Doch auch in Laborumgebungen hält die Automation Einzug. In der Forschung und Entwicklung, der Blutanalytik oder der individuellen Kosmetikherstellung setzt man schon seit einigen Jahren erfolgreich auf Roboterlösungen, die so flexibel und universal einsetzbar sind, dass sie sich auch für klinische Infektionstests eignen. Neben der Entlastung des Laborpersonals bietet der Roboter dabei hervorragende und wiederkehrende Prozessstabilität und Qualität.

Bei der robotergestützten Automatisierung eines Laborprozesses bieten sich grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

  • Die Teilautomatisierung, bei der der Roboter immer wiederkehrende Handhabungstätigkeiten des Laborpersonals durchführt und so eine Entlastung bringt. Der Roboter übernimmt Handhabungsaufgaben, die Prozessführung bleibt beim Laborpersonal bzw. beim Analyseautomaten.
  • Die komplette Automatisierung des Testvorgangs, inklusive Probenvorbereitung, Pipettierung, Testdurchführung einschließlich der Bedienung aller Analysegeräte durch den Roboter. Der Roboter übernimmt Prozessführung und Handhabungsaufgaben. Hier versucht man möglichst universell verwendbare Standard-Arbeitszellen aufzubauen, mit einem zweiarmigen Roboter als zentralem Element, den man auf beliebige Laborausrüstung umbauen und flexibel umprogrammieren kann. Eine solche Lösung kann Laborprozesse 24 Stunden am Tag autark und mit höchster Präzision und Wiederholgenauigkeit durchführen.

Teil- oder Vollautomatisierung

Im Falle einer Teilautomatisierung, also wenn der Roboter zu Handlingzwecken nachgerüstet werden soll, geht das mit kollaborativen Robotern sehr schnell. Die Konzeption und Neuinstallation einer vollautomatisierten Roboterzelle hingegen benötigt einige Monate. Wenn eine solche Standard-Roboterzelle jedoch einmal installiert ist, die in Frage kommenden Labor- und Analytikgeräte um den Roboter herum aufgebaut sind, und wenn im Laufe der Zeit eine Bibliothek von Bewegungsmustern gewachsen und vorhanden ist, „dann können solche Zellen schnell und einfach für neue Aufgaben umprogrammiert werden“, so Thomas Goldfuss, Geschäftsführer der Firma Goldfuss Engineering, die bereits mehrere Laborzellen mit Robotern von Yaskawa für namhafte Kunden umgesetzt hat.

Teilautomatisierung geht schnell

Zur kurzfristigen Entlastung des Laborpersonals kann eine Teilautomatisierung von Handlingaufgaben an vorhandenen manuellen Teststationen helfen. Der Roboter übernimmt wiederkehrende Bewegungen und entlastet damit das qualifizierte Laborpersonal. Dafür bietet sich ein kollaborativer Roboter an, der im direkten Kontakt mit dem Menschen eingesetzt werden und ohne Schutzzaun auskommen kann.

Ein solcher Roboter ist der MRK-fähige Motoman HC10DT von Yaskawa. Für den Einsatz im Labor sind vor allem zwei Varianten des 6-Achsers geeignet: der in der Schutzart IP 67 ausgeführte und damit sowohl staub- als auch wasserdichte HC10DT IP 67 und der hygienegerecht ausgeführte HC10DTF, dessen Betriebsstoffe/Getriebefette eine Lebensmittelzulassung besitzen.

Mit dem Direct-Teach-(DT)-Verfahren führt man den Roboterarm einfach von Punkt zu Punkt einer Bewegungssequenz. Mithilfe vorbelegter Tasten am Roboter bestimmt man, ob ein Greifer an einer Position geöffnet oder geschlossen werden soll. Diese Bewegungssequenz speichert man in einer Bibliothek ab, und der Roboter kann diese Sequenz beliebig oft wiederholen. Dazu ist auch ein Bediener in der Lage, der kein Roboter-Programmierexperte ist.

Vollautomatisierte Arbeitsstation

Ein speziell für die Laborautomatisierung entwickelter Roboter ist der zweiarmige Roboter Motoman CSDA10F von Yaskawa. Mit seiner menschenähnlichen Statur und den beiden Armen, die sowohl individuell als auch synchronisiert Bewegungen ausführen können, ist er dank multifunktionaler Werkzeuge und Greifer ausgesprochen vielseitig einsetzbar. Er arbeitet mit nahezu jeder vorhandenen Standard-Laborausrüstung, wie sie von Handarbeitsplätzen her bekannt ist: z. B. Petrischalen, Handpipettierern, Inkubatoren oder Reaktionsgefäßen. Automatisierungsgerechte Ausstattung, wie Pipettierer mitsamt teurer Spitzen oder Mikrotiterplatten-Bahnhöfe, sind zwar hinsichtlich einer Durchsatzverbesserung hilfreich, aber nicht erforderlich.

Die vorhandenen Analytikgeräte werden mitsamt ihrer softwaretechnischen Anbindung übernommen, so wie sie sind, auch wenn sie eigentlich nicht für die klassische Automatisierung optimiert wurden. So sind z. B. teure Liquid-Handling-Systeme – mit ihrem kostspieligen Verbrauchsmaterial – nicht unbedingt erforderlich, da der Roboter diese Aufgabe direkt mit übernehmen kann.

Der CSDA10F eignet sich ausgezeichnet für komplexe, standardisierte Testabläufe nach gegebenen Protokollen, die eigentlich für die manuelle Abarbeitung geschrieben wurden. Auch in der Verfahrensentwicklung, z. B. zur Definition, Absicherung und Optimierung von Prozessschritten vor dem Upscaling des Durchsatzes in einer späteren Produktionsstraße ist der Dual-Arm-Roboter CSDA10F eine interessante Lösung. In größeren Installationen ist er in Japan bereits in der Biomedizin-Synthese (Cancer Drug Development) und in der chemischen Analytik (Probenaufbereitung) im Einsatz.

Der CSDA10F basiert auf einem Roboter, der sich in der Industrieautomation bereits bewährt hat. In dieser neuen Variante wurde er speziell für die Hygieneanforderungen im Laborbereich ausgelegt, z. B. durch eine besonders substanzresistente Lackierung, abwaschbares Hygienic Design, H2O2-Sterilisation und Reinraumtauglichkeit gemäß ISO 14644-1.

Yaskawa Europe GmbH, Allershausen


Autor: Christopher Schneider

Produktmanager Kollaborative Roboter,

Yaskawa Europe

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