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Sensoren für AutomatisierungslösungenEffiziente Automatisierungslösungen

Präzise Sensoren gewährleisten Prozesssicherheit Sarah Jess*)
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Sensoren für Automatisierungslösungen: Effiziente  Automatisierungslösungen

  1. Marketing – Kommunikation, Produktsegment Sensor Solutions, Baumer, E-Mail: sjess@baumer.com
Bei Forschung und Analysen in Labors kommt es auf Präzision, Zuverlässigkeit und Effizienz an. Um beides in einem hohen Grad zu gewährleisten, werden Routinearbeitsschritte mittlerweile häufig von Automaten übernommen. Der Biotechnologie-Konzern QIAGEN stellt an seinem Standort in Hombrechtikon, Schweiz, diese Automatisierungslösungen her. Dabei setzt das Unternehmen auf Qualität, Performance und auf Sensoren vom Sensorikspezialisten Baumer.

Um umfassende Forschungs- und Diagnoseaufgaben, wie sie z.B. während der Schweinegrippeepidemie nötig waren, präzise und effizient durchführen zu können, werden vermehrt Automatisierungslösungen in der Probenanalyse eingesetzt. Sie arbeiten bei qualitativ gleichwertigen Ergebnissen konstanter und reproduzierbarer als der Mensch. Ein Hersteller dieser Automatisierungslösungen ist die QIAGEN Instruments AG in Hombrechtikon, Schweiz.

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Die QIAGEN Instruments AG ist ein Tochterunternehmen der börsennotierten QIAGEN-Gruppe, einem der weltweit erfolgreichsten Biotechnologieunternehmen. Mit seinen Systemen zur Isolierung und Analyse von Erbinformationen ist QIAGEN Marktführer und beschäftigt weltweit über 3200 Mitarbeiter in 23 Ländern. Zu den Produkten gehören vor allem Reagenzien für die unterschiedlichsten Anwendungen und Behälter wie z.B. Mikrotiterplatten oder Reagenzgläser. Die Arbeitsschritte, in denen die QIAGEN-Produkte verwendet werden, können mit Systemen von QIAGEN Instruments automatisiert werden. Eine vollautomatische Probenvorbereitung und <nonbreaking-hyphen>weiterverarbeitung ist mit dem System QIAsymphony® (s. Bild 1) möglich. Dieses eignet sich vor allem für größere Labors mit mittlerem bis hohem Proben-Durchsatz.

Hohe Anforderungen an Sensoren

Die Ansprüche an Automatisierungslösungen im Labor sind hoch. Sie sollen präzise arbeiten und die Effizienz der Prozesse steigern. „Die Endkunden erwarten von unseren Maschinen im Labor einen zuverlässigen und robusten Prozess“, verdeutlicht Dr. Claus Kühnel, Associate Director EE bei QIAGEN Instruments. Um diese Erwartungen zu erfüllen, sorgen zahlreiche Sensoren für reibungslose Abläufe im Automaten. Sie arbeiten unscheinbar im Hintergrund, sind aber die Garanten für eine hohe Prozesssicherheit bei großen Durchlaufzahlen.

Bei dem Automationssystem QIAsymphony werden vor dem Start der Probenaufreinigung die Vorratsschubladen mit den nötigen Behältern und Reagenzien sowie den zu verarbeitenden Proben befüllt. Anschließend wird mit einem Sensor eine Bestandsaufnahme durchgeführt. In der Sensorfrage fiel die Wahl der QIAGEN-Entwickler auf einen Laser-Distanzsensor von Baumer. „Im Sensorikbereich war uns die Firma Baumer ein Begriff. Deshalb sind wir auf sie zugegangen und haben ihren Lasersensor OADM 13 in unsere Vorauswahl aufgenommen. In der Evaluation hat der Sensor mit seiner Leistung überzeugt“, erklärt Dr. Kühnel. Neben den überzeugenden Testergebnissen war laut QIAGEN auch die gute Erreichbarkeit des Lieferanten Baumer von Vorteil. Diese bewährte sich in der Entwicklungsphase von QIAsymphony, da Lösungen so schnell und effizient erarbeitet werden konnten.
Ursprünglich sollte der Sensor im QIAsymphony nur die Anwesenheit von Pipettierspitzen überprüfen. Mit der Zeit hat sich jedoch gezeigt, dass man das Potential und die Leistungsfähigkeit des Sensors noch weiter ausschöpfen konnte. So wurde der Automatisierungsgrad des Automaten erhöht und seine Effizienz gesteigert. Dank sehr enger technischer Zusammenarbeit zwischen Baumer und QIAGEN erledigt der OADM 13 mittlerweile vier verschiedene Aufgaben im QIAsymphony. Dabei haben sich Baumers fundierte Sachverständigkeit im Bereich der Sensorik und das Applikations-Know-how von QIAGEN optimal ergänzt.

Sensoren garantieren Prozesssicherheit

Während der Bestandsaufnahme, dem sogenannten Load Check, kontrolliert der Sensor, ob das richtige Zubehör in der richtigen Anzahl für den gewählten Prozess vorhanden ist, um Fehler beim Befüllen auszuschließen. Der OADM 13 detektiert die Anwesenheit der Pipettierspitzen sowie die Anwesenheit und Menge der Analysebehälter. Anhand von deren Material-Codierung erkennt er zudem, um welche Art Gefäß es sich handelt.

Außerdem überprüft der Sensor die Position der Vorratsschublade, damit der auf den Zehntelmillimeter genau arbeitende Roboterarm die kleinen Proben- und Reagenzienbehälter beim Pipettieren nicht verfehlt. Hier leisten auch weitere Sensoren von Baumer ihren Beitrag. Miniatur-Induktivsensoren des Typ IFRM 05 stellen zuverlässig sicher, dass alle Schubladen vollständig geschlossen sind bevor der Aufreinigungsprozess gestartet wird und gewährleisten damit die geforderte Prozesssicherheit.

Entscheidende Produkteigenschaften bei dem Lasersensor waren vor allem eine hohe Präzision und ein großer Messbereich. Der OADM 13 erfüllt beides mit einer Auflösung bis zu 0,01 mm und einer Messdistanz bis zu 550 mm. Darüber hinaus verfügt der Sensor über eine sehr geringe Schwarz-Weiß-Verschiebung. So kann er sowohl transluzente Analysebehälter als auch schwarze Pipettierspitzen sicher erkennen. Zudem besteht die Möglichkeit, den Sensor neben der Einstellung über die Teach-Taste auch extern über das Kabel zu teachen.

Gemeinsame Lösung

Während der Entwicklungsphase haben sich immer wieder applikationsspezifische Aufgabenstellungen ergeben, die es gemeinsam zu lösen galt. So stellten z.B. die von den durchsichtigen Plastikbehältern verursachten Reflexionen und Spiegelungen eine besondere Herausforderung dar. Das verwendete Material machte die Reflexion des Laserstrahls aufgrund darunter liegender dunklerer Objekte und ungünstiger Kanten schwer berechenbar.

„Da Baumer schon zu einem sehr frühen Zeitpunkt in die Entwicklung von QIAsymphony einbezogen wurde, konnten wir gemeinsam eine optimale Lösung für die Applikation finden“, erzählt Christof Rietmann, Gruppenleiter in der Entwicklung bei Baumer in Frauenfeld. „Wir haben QIAGEN intensiv unterstützt und konnten aufgrund unserer Kenntnisse auf dem Gebiet der Sensorik auch Empfehlungen für Optimierungen auf ihrer Seite abgeben. Unseren Sensor haben wir auf die Applikation optimiert und die Firmware kundenspezifisch zugeschnitten. QIAGEN hat wiederum den Auswertealgorithmus an seine Ansprüche angepasst.“

Die enge Zusammenarbeit der beiden Entwicklungsabteilungen brachte nicht nur die gewünschten Lösungen für die Applikation. „Wir haben während der Entwicklungsphase von den Baumer-Mitarbeitern sehr viel über Sensoren, deren Möglichkeiten und Grenzen gelernt“, erzählt Dr. Kühnel. „Dieses Wissen können wir in zukünftige Projekte einbringen.“

Die Zusammenarbeit zwischen QIAGEN und Baumer beschränkt sich nicht nur auf ein Projekt. „Momentan haben wir neben den beiden Sensoren für QIAsymphony auch noch den optischen Sensor MINOS der Serie 07 im QIAcube im Einsatz“, erläutert Dr. Kühnel. Das Automationssystem QIAcube ist kleiner als QIAsymphony und wurde für einen weit geringeren Probendurchsatz entwickelt. Als kleinster Reflexions-Lichttaster mit Hintergrundausblendung und elektronischem Teach-in eignete sich der MINOS hervorragend für den Einsatz in diesem System.

Weitere gemeinsame Projekte sind ebenfalls bereits in Planung. Der neue, speziell für die Laborautomation entwickelte Ultraschall-Sensor der Serie 09 war bereits zu Testzwecken bei den QIAGEN-Entwicklern. Außerdem wird QIAsymphony laufend optimiert und gemeinsam mit Baumer werden neue Sensorlösungen zur weiteren Effizienzsteigerung des Systems gesucht. „In Baumer haben wir einen zuverlässigen Sensorpartner gefunden, mit dem wir sehr gute Erfahrungen bei der Betreuung gemacht haben, und der uns aus seinem großen Portfolio Lösungen für viele Applikationen liefern kann“, beschreibt Dr. Kühnel die Geschäftsbeziehung.

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