Automatisierungstechnik

Handling viskoser Stoffe

Automatisierungstechnik zur präzisen Vorbereitung von viskosen Laborproben. In Chemie-, Petrochemie- sowie pharmazeutischen Laboren, aber auch in der Lebensmitteltechnik wird zunehmend auf die Automatisierung der Probenvorbereitung gesetzt. Der „Modulare Probenprozessor“, eine Entwicklung des Laborgeräteherstellers Anton Paar, bietet hier eine zuverlässige Lösung. Die elektrischen Achsen und Steuerungen hat Festo beigesteuert.

Bild 1: Kompakte Bench-Top-Plattform: Der Modulare Probenprozessor ist eine Anlage für die Probenvorbereitung, z.B. bei der Chromatographie im Hochdurchsatz. (Bild: Festo)

Die Vorteile der Laborautomatisierung liegen auf der Hand: Sie befreit Laboranten von eintönigen, immer wiederkehrenden Tätigkeiten, aber auch vom Hantieren mit gefährlichen Stoffen. Sie ermöglicht den 24-Stunden-Betrieb an sieben Tagen der Woche und erhöht die Qualität, Reproduzierbarkeit sowie Rückverfolgbarkeit der Proben. Aber was für die meisten Labore am Wichtigsten ist: Die Automatisierung spart nicht nur Zeit und Kosten, sondern garantiert auch einen fehlerfreien Analyseprozess und damit korrekte Ergebnisse. 

Aufwändige manuelle Arbeiten mit der Bench-Top-Plattform
Der „Modulare Probenprozessor“ ist eine Anlage für die Probenvorbereitung. Einsatz findet er z.B. bei der Chromatographie im Hochdurchsatz für Proben im Bereich von wenigen bis 100 Millilitern – z.B. in der Petrochemie, für Lebensmittel oder Duftstoffe. Die kompakte Ausführung als „Bench-Top-Plattform“ bereitet Proben vor, die dann z.B. auf Wassergehalt, Dichte, Viskosität, Schwebstoffe oder den pH-Wert geprüft werden (Bild 1).

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„Wir automatisieren damit aufwändige manuelle Arbeiten wie Pipettieren, Probenentnahme, Dosieren und Abwiegen über einen großen Volumenbereich und für viele verschiedene Probentypen“, erklärt Projektleiter Markus Schöllauf aus dem Unternehmensbereich Automatisierung und Robotik von Anton Paar. Damit sind korrekte Volumina, Konzentrationen und Mischungen sichergestellt. Der Modulare Probenprozessor kann für Flüssigkeiten und Feststoffe als Tischmodell oder integriert in komplette Automatisierungslösungen eingesetzt werden.

Bild 2: Für präzise Pipettiervorgänge sorgen kompakte Handhabungsportale mit elektrischen Achsen von Festo – die EGC-Achse in X-Richtung und die EGSK-Achse in Y-Richtung, ausgestattet mit Servolite-Motoren vom Typ EMMS-ST. (Bild: Festo)

Gravimetrische Probenentnahme
Das gravimetrisch kontrollierte Pipettieren von Teilproben, Dosierungen und Mischungen mit einer hochpräzisen Waage garantiert die korrekten Volumina der erhaltenen Teilproben. Der gesamte Workflow ist softwaregesteuert und die gravimetrisch bestimmten Endvolumina der Teilproben repräsentieren den Eingangswert für die nachfolgende Analyse.  Die Standardkonfiguration des Modularen Probenprozessors ist für Viskositäten bis 1000 mPas geeignet. Damit ist die Anlage sowohl für dünnflüssige Lebensmittel wie Wein als auch für dickflüssige wie Speiseöl ausgelegt. Auch Proben von Motoröl lassen sich gut vorbereiten. Für Flüssigkeiten höherer Viskositäten wird die Konfiguration auf Anfrage angepasst.

Flexibel einsetzbarer Probenprozessor
Der Modulare Probenprozessor kann in drei Varianten als Tischgerät Einsatz finden: 1. als eigenständiges Tischgerät für die Probenvorbereitung, 2. als Tischgerät, das direkt mit einem Analysengerät verbunden ist und mit einer Durchflusszelle eines Analysengeräts ausgestattet ist, 3. als Tischgerät in Verbindung mit zusätzlichen Automationsmodulen für den Workflow in einem Labor. Daneben kann er als integraler Bestandteil einer kompletten Automationslösung nach den speziellen Labor-Anforderungen im Einsatz sein. 

Präzise Pipettiervorgänge
Für präzise Pipettiervorgänge sorgen kompakte Handhabungsportale mit elektrischen Achsen (Festo) – die EGC-Achse in X-Richtung und die EGSK-Achse in Y-Richtung, ausgestattet mit Servolite-Motoren vom Typ EMMS-ST (Bild 2). Nach Abschluss eines Pipettiervorgangs sorgt ein pneumatischer AEN-Zylinder für den Abwurf der gebrauchten Pipette in einen Abfallschacht.

Bild 3: Dosierkopf: Die Entwicklung des Dosierkopfs war keine triviale Aufgabe, da die Proben auf Milliliter genau den Probenbehältern zugeteilt werden müssen. (Bild: Festo)

Ein weiteres Handlingsystem, ausgestattet mit den gleichen Achsen, greift die Probenbehälter von den Ausgangstrays und platziert sie auf der Wägeeinheit. Dort erhalten die Probenbehälter von den Pipetten volumengenau die gewünschte Menge der zu testenden Substanz. Daraufhin wird der Probenbehälter vom Handhabungsportal über einen Scanner gehalten, um die Probe per Datamatrix-Code zuordnen zu können. 

Integrierter Barcode-Leser
Mit einem integrierten Barcode-Leser sind die Proben über die gesamte Probenvorbereitung rückverfolgbar. Laborbetreiber sind so stets über die Herkunft der Teilprobe für die nachfolgenden analytischen Messungen sowie alle Schritte, die an der Teilprobe ausgeführt wurden, im Bilde. Am Ende dieses Prozesses wird die Probe aufs Ausgangstray gesetzt. Möglich ist, die Ausgangstrays mittels eines angedockten Transportsystems aus dem Modularen Probenprozessor zum nächsten Analyse-Prozessschritt weiter zu befördern. 

Kurze Entwicklungszeit
„Von Festo haben wir nicht nur die Achsen geliefert bekommen, sondern eine komplette Systemlösung inklusive Codesys-Steuerung CECC“, berichtet Projektleiter Schöllauf über die Zusammenarbeit mit Festo und ergänzt: „Das hat es uns erst möglich gemacht, die überaus kurze Entwicklungszeit von vier Monaten überhaupt einhalten zu können.“ Damit gelang es auch, die beiden Handhabungsportale so zu programmieren, dass sie niemals kollidieren, obwohl sie sich in demselben Arbeitsraum bewegen.

Auch die Entwicklung des Dosierkopfs (Bild 3) war keine triviale Aufgabe. Schließlich müssen die Proben Milliliter-genau den Probenbehältern zugeteilt werden. „Bei diesem Teilprojekt haben die Ingenieure des Unternehmensbereichs Medizintechnik und Laborautomatisierung von Festo bewiesen, über welche Expertise, gepaart mit hohem Engagement, sie verfügen“, fährt Schöllauf fort. Das gebe Sicherheit für Folgeprojekte, ergänzt der Projektleiter – genauso wie die Tatsache, dass Produkte, Lösungen und Services von Festo nahezu überall auf der Welt schnell verfügbar sind. Auch das ist Unternehmen wie Anton Paar wichtig, um den Modularen Probenprozessor global vermarkten zu können. sk

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