Entwicklung eines Automaten zur Applikation von Zellen auf ein Trägermaterial

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG
1.1 Hintergrund der Diplomarbeit
1.2 Durchführung
1.3 Aufgabenstellung
1.4 Ziele und Nutzen eines Pipettierautomaten

2 E RSTE WICHTIGE V ORÜBERLEGUNGEN
2.1 Abstraktion der Aufgabenstellung
2.1.1 Black Box
2.1.2 Ableitung der Aufgabenstellung in eine Funktionsstruktur
2.2 Stand der Technik / Marktanalyse

3 Q UALITÄTSANFORDERUNGEN AN EINEN P IPETTIERAUTOMATEN
3.1 Allgemeine Anforderungen
3.2 Anforderungen an die einzelnen Baugruppen
3.2.1 Mobile Trägerbox
3.2.2 Linearantrieb
3.2.3 Antriebstechnik / Wegmesssystem
3.2.4 Pipettenarm
3.2.5 Pipettenaufnehmer
3.2.6 Herunterfallschutz
3.2.7 Pipettenauslöser
3.2.8 Gestell
3.2.9 Steuerung

4 BETRACHTUNG DER ALLGEMEINEN H ERANGEHENSWEISE
4.1 Herangehen an die Problemstellung
4.2 Grundlage des manuellen Pipettierens
4.3 Nutzung der Grundlagen des manuellen Pipettierens
4.4 Ideenfindung

5 V ARIANTEN
5.1 Morphologischer Kasten
5.2 Variantenbildung und Bewertung der einzelnen Baugruppen.
5.2.1 Pipette

Erklärung

Wir erklären hiermit an Eides Statt,

- dass wir die vorliegende Studienarbeit selbstständig angefertigt,
- keine anderen als die angegebenen Quellen benutzt,
- die wörtlich oder dem Inhalt nach aus fremden Arbeiten entnommenen Stellen, bildlichen Darstellungen und dergleichen als solche genau kenntlich gemacht und
- keine unerlaubte fremde Hilfe in Anspruch genommen haben.

Senftenberg, den 04.01.2009

Robert Döring und Eric Sebastian

Danksagung

Hiermit möchten wir uns bei all denjenigen bedanken, welche uns auf dem Weg zur Erstellung der Diplomarbeit unterstützt haben.

Unser besonderer Dank gilt an dieser Stelle Frau Professor Dr. rer. nat. Ursula Anderer und ihrer Arbeitsgruppe vom Lehrstuhl Biotechnologie, sowie Herrn Professor Dr.-Ing. Thomas Meißner vom Fachbereich Maschinenbau der Fachhochschule Lausitz, für die fachlichen Diskussionen, Hilfestellungen und Hinweise.

Des Weiteren möchten wir uns bei Herrn Jens Loth für die freundliche Unterstützung zur Realisierung der Steuerung bedanken.

Für ihr Verständnis und die finanzielle Hilfe möchten wir auch unseren Eltern und Angehörigen ein herzliches Dankeschön aussprechen.

Robert Döring und Eric Sebastian

Verwendete Abkürzungen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Verwendete Formelzeichen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Jedes Jahr registriert die Deutsche Gesellschaft für Autoimmun-Erkrankungen e.V. (DGfAE) einen stetigen Anstieg von etwa zwei Prozent an Autoimmun-Neuerkrankungen allein in der Bundesrepublik Deutschland [1]. Aus diesem Grund gewinnt die Forschung im Bereich der Autoimmun-Diagnostik gerade heute in diesem Zusammenhang immer mehr an gesellschaftlicher Bedeutung. Der Fachbereich Biotechnologie an der Fachhochschule Lausitz in Senftenberg leistet hierbei im Rahmen eines regionalen Förderprojektes einen maßgeblichen Beitrag als Grundlage zur Autoimmun-Diagnostik. Hierbei werden Zellen des menschlichen Körpers in ihrer Struktur näher untersucht. Um diese Untersuchungen jedoch durchführen zu können, muss die jeweilige Zellsuspension im Vorfeld auf ein so genanntes Trägermaterial appliziert werden, um anschließend für die Forschungsarbeit kultiviert zu werden. Die Applikation der Zellen wird derzeitig von Hand mittels einer Pipette realisiert. Um diesen Arbeitsprozess zu automatisieren, bildeten die beiden Fachbereiche Biotechnologie und Maschinenbau der Fachhochschule Lausitz ein fachübergreifendes Gesamtprojekt – die Entwicklung und Fertigung eines Pipettierautomaten, den "Piomat 04". Gegenstand der vorliegenden Diplomarbeit soll die Dokumentation der Entwicklung und Konstruktion dieses Automaten darstellen.

1.1 Hintergrund der Diplomarbeit

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das Förderprojekt namens BioResponce, was soviel wie Wachstumskern bedeutet, ins Leben gerufen.

Das Lausitzer Netzwerk BioResponce hat sich in einem anspruchsvollen Auswahlverfahren für das Förderprogramm „Innovative regionale Wachstumskerne“ des BMBF qualifiziert. An dem Projekt aus der Niederlausitz sind zahlreiche Unternehmen aus der Region und den angrenzenden Ballungsräumen sowie die Bereiche Mikrobiologie, Zellbiologie, Mikrosystemtechnik und Bildverarbeitung der Fachhochschule Lausitz beteiligt, ebenso die Technische Universität Dresden und die Universität Jena.

Ziel ist es neue Verfahren zur effektiven medizinischen Diagnostik zu erforschen und zur Marktreife zu entwickeln. Hierbei geht es vor allem um ein technologisches Verfahren, das zur Krankheitsdiagnostik in einem Test mehrere immunologische Parameter bestimmen kann. Das neue Verfahren soll zunächst bei Infektionen oder Autoimmunkrankheiten, wie zum Beispiel Rheuma eingesetzt werden. Es handelt sich um ein einfaches und kostengünstiges Diagnoseverfahren zur Früherkennung von Krankheiten [2].

Die Fachhochschule Lausitz hat sich mit dem Verbundprojekt ZellChip der Grundlagenforschung verschrieben.

Wie bereits erwähnt, finden die fertigen Objektträger Einsatz in der Diagnose von Autoimmunerkrankungen. Bei fehlgesteuerten Immunsystemen kann es dazu kommen, dass Antigene gebildet werden, welche die körpereigenen Zellen befallen. Zur Diagnose wird dem Patienten Blut entnommen, aus dem sich ein Serum gewinnen lässt. Dieses Serum wird dann auf die Objektträger gegeben, auf denen sich die Zellen befinden. Die Antikörper bilden dabei spezielle Strukturen, welche sich farblich markieren lassen. Anhand dieser Muster lässt sich dann feststellen, welche Immunerkrankung der Patient hat. Die Diplomarbeit ist die Fortsetzung des Entwicklungsprojektes aus dem sechsten und siebenten Semester. Dieses entstand in der Zusammenarbeit der Fachbereiche Biotechnologie und Maschinenbau an der Fachhochschule Lausitz in Senftenberg. Da im Laufe der letzten Jahre ein weltweiter Boom der Biotechnologiebranche zu verzeichnen war, demzufolge auch das Potential an Hochschulbewerbern zugenommen hat, passte auch die Fachhochschule Lausitz sich mit der baulichen Erweiterung eines hochmodernen Lehr-und Forschungsgebäudes, für den Fachbereich Biotechnologie, den globalen Herausforderungen an.

Die vorliegende Diplomarbeit soll eine Brücke beider Fachbereiche darstellen und somit die Grundlage für eine zukünftig engere Zusammenarbeit bilden. Demnach soll der fertige Prototyp nicht nur konstruktiven und funktionellen Charakter besitzen, sondern darüber hinaus auch eine interne „hochschulpolitische“ Aufgabe erfüllen.

1.2 Durchführung

Die Grundlage zur Lösung der Aufgabenstellung bildet die Verfahrensweise des methodischen Konstruierens nach VDI Richtlinie 2221. Dabei orientiert sich der Ablauf des Entwicklungsvorhabens sowohl an den durch die Konstruktionsmethodik vorgegebenen Arbeitsphasen, als auch an den definierten Konkretisierungsstufen.

Ausgangspunkt und damit maßgebend für das gesamte Projekt sind die Informationsgewinnung und die sich daraus ergebenden Systemanforderungen. Mit Hilfe verschiedener abstrakter Darstellungsformen der Funktionsanalyse erfolgt die Betrachtung und Einteilung aller Teilfunktionen, deren Wirkprinzipien und Gestaltungsmerkmale im weiteren Verlauf bestimmt werden [3]. Die daraus generierten Lösungsansätze werden dann einer Bewertung nach technisch-wirtschaftlichen Aspekten unterzogen und ermöglichen das Herausfinden einer Optimallösung. In einem weiteren Schritt werden alle Bauteile als dreidimensionales CAD-Solid erzeugt und zu einer Baugruppenstruktur zusammengefügt.

1.3 Aufgabenstellung

Die Aufgabenstellung durch den Erstauftraggeber des Fachbereiches Biotechnologie, Herr Dr. Michel, wurde diesbezüglich wie folgt definiert.

Anforderungen:

1. An das Pipettiermodul:

Das Pipettiermodul soll 50µl der Zellsuspension auf jede Auftragsstelle aufbringen. Pro Tag sollen 50 bis 200 Objektträger hergestellt werden können. Das Modul soll steril und gut zu reinigen sein sowie eine sterile Befüllung, Entnahme und Überführung gewährleisten.

2. An das Inkubationsmodul (im Folgenden als mobile Trägerbox bezeichnet):

Das Inkubationsmodul soll eine sterile Befüllung, Entnahme und Überführung der Objektträger von der Sterilwerkbank in den Inkubator ermöglichen. Die Objektträger sollen im Inkubationsmodul im Inkubator für 24 bis 30 Stunden bei 37°C, 95% relative Luftfeuchte und 5% Kohlenstoffdioxid verbleiben. Eine gute Belüftung der Objektträger ist dabei zu berücksichtigen. Ein Aufschwimmen der Objektträger ist zu vermeiden.

Die Module sollen innerhalb der Sterilwerkbank untergebracht und betrieben werden.

Dabei ist die Innenraumabmessung von b = 1200mm, h = 650mm und l = 630mm zu beachten.

1.4 Ziele und Nutzen eines Pipettierautomaten

Der Begriff Pipette kommt ursprünglich aus dem Französischen und bedeutet soviel wie "Röhrchen" oder "Pfeifchen". Sie ist die Sammelbezeichnung für Laboratoriumsgeräte, die zur Volumenmessung oder zur vorübergehenden Auf- bzw. Entnahme von Gasen und Flüssigkeiten dienen. Mit ihr lassen sich abgestufte Volumina, natürlich je nach Bauart, zwischen 0,01 bis 200ml sehr genau abmessen. Dabei sind alle Pipetten auf Auslauf geeicht. Ätzende und giftige Flüssigkeiten dürfen nur mit einer bestimmten Vorrichtung angesaugt werden. In diesem konkreten Fall spielt dies keine Rolle, da der zu entwickelnde Automat ausschließlich zur Pipettierung von Zellsuspension eingesetzt werden soll. Traditionell wird dieser Vorgang vom Nutzer von Hand betätigt.

Ein Pipettierautomat hat grundsätzlich die Aufgabe, dem Menschen das manuelle Pipettieren abzunehmen und somit, vor allem bei einer hohen quantitativen Dichte, den eigentlichen zeitlichen Arbeitsaufwand des Menschen stark zu mindern und dadurch ein ökonomisches und effizientes Arbeiten sicherzustellen.

Mit Hilfe eines solchen Automaten ist es darüber hinaus möglich, dem Biotechnologen eine ergonomische Arbeitsweise zu ermöglichen.

2 Erste wichtige Vorüberlegungen

Bei der Ideenfindung und konstruktiven Annäherung an den gewünschten Pipettierautomaten ist es notwendig Bemühungen im Vorfeld zu unternehmen, um eine grobe Eingrenzung der einzelnen Bauteile vorzunehmen. Dabei bedient man sich konventioneller, veranschaulichender Hilfsmittel, welche im Folgenden etwas näher betrachtet werden sollen.

2.1 Abstraktion der Aufgabenstellung

2.1.1 Black Box

Die Black Box (Abbildung 1: Black Box) beschreibt strukturell die Summe aller ein- und ausgehenden Flussarten eines Gesamtsystems. Man unterscheidet in Energiefluss, Stofffluss und Signalfluss, welche einen groben Überblick über die jeweiligen zustandsabhängigen, physikalischen Prozessgrößen im Zusammenspiel mit der Gesamtfunktion liefern. Die Gesamtfunktion als solche wird nicht näher betrachtet. Der einzige Fluss, der in der Eingang-Ausgang-Bilanz konstantes Verhalten aufweist, ist der des Stoffflusses. Die aufgebrachte Energie wird hingegen, wie in allen physikalischen Zustandsänderungen, gewandelt. Betrachtet man den Signalverlauf näher, kann man auch hier eine Umwandlung der Flusscharakteristik erkennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Black Box

2.1.2 Ableitung der Aufgabenstellung in eine Funktionsstruktur

In einem technischen System mit Energie-, Stoff- und Signalumsatz müssen sowohl eindeutige, reproduzierbare Zusammenhänge zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen des Gesamtsystems, den Teilsystemen, als auch zwischen den Teilsystemen selbst bestehen. Sie sind im Sinne der Aufgabenerfüllung stets gewollt. Solche Zusammenhänge, die zwischen Eingang und Ausgang eines Systems zur Erfüllung einer Aufgabe bestehen, nennt man Funktion (Abbildung 2: Allgemeine Funktionsstruktur). Die Funktion ist eine Formulierung der Aufgabe auf einer abstrakten und lösungsneutralen Ebene. Bezieht sie sich auf die Gesamtaufgabe, so spricht man von der Gesamtfunktion (Abbildung 3: Struktur der Gesamtfunktion). Sie lässt sich oft in erkennbare Teilfunktionen gliedern, die den Teilaufgaben innerhalb der Gesamtaufgabe entsprechen. Die Art und Weise, wie die Teilfunktionen zur Gesamtfunktion verknüpft sind, führt zur meist zwangsläufigen Funktionsstruktur. Häufig lässt sich schon mit der Variation der Zuordnung der Ansatz für unterschiedliche Lösungen legen. Die Verknüpfung von Teilfunktionen zur Gesamtfunktion muss sinnvoll und verträglich geschehen. Zweckmäßig ist, zwischen Haupt- und Nebenfunktion zu unterscheiden. Hauptfunktionen dienen unmittelbar der Gesamtfunktion. Nebenfunktionen tragen nur mittelbar zur Gesamtfunktion bei; sie haben unterstützenden oder ergänzenden Charakter und sind häufig von der Art der Lösung bedingt.

Die Funktionen setzen zu ihrer Erfüllung ein physikalisches Geschehen voraus, wobei die physikalischen Größen von Teilfunktion zu Teilfunktion einander entsprechen müssen; anderenfalls sind Wandlungsfunktionen zwischenzuschalten.

Im Folgenden wird die Gesamtfunktion dargestellt, welche der Aufgabenstellung entspricht.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Allgemeine Funktionsstruktur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Struktur der Gesamtfunktion

2.2 Stand der Technik / Marktanalyse

In der Praxis haben sich die Hersteller für Labortechnik auf wenige spezielle Pipettentypen eingestellt. Handelsüblich sind Einkanal- und Mehrkanalpipetten. Die Mehrkanalpipetten gibt es in der Regel nur in der Ausführung als Acht-, Zwölf- oder Vierundzwanzigkanalpipette. Diese sind für die 96-Wellplatten genormt und lassen eine Pipettierung in x- beziehungsweise y-Richtung zu. Es gibt allerdings auch Sechskanalpipetten, die sich im Abstand der Spitzen zueinander verstellen lassen, wie beim Hersteller Mettler Toledo. Vergleicht man den Einsatz einer mechanischen sowie einer elektronischen Pipette miteinander, so ergeben sich daraus folgende spezifische Anwendungen. Grundsätzlich sollte eine manuelle, mechanische Pipette für eine tägliche Pipettierdauer weniger als zwei Stunden, also bei relativ kurzen Arbeitsperioden verwendet werden. Hierin spiegelt sich der Hauptunterschied zu elektronischen Pipetten wieder, welche doch eher für lange Pipettierserien beziehungsweise Laborarbeiten über zwei Stunden konstruiert wurden. Darüber hinaus ist diese Pipettenart für ein großes Arbeitsvolumen auf Mikrotiterplatten, das heißt, für sehr genaue Arbeiten prädestiniert. Wiederum gibt es mehrere Eigenschaften, die beide Pipettenarten in sich vereinen. Sie sind gleichermaßen für Rechts- und Linkshänder geeignet, verfügen über eine ergonomische Fingerunterstützung und benötigen beide einen gleichmäßigen Kraftaufwand für die Spitzenaufnahme [4].

Eine verbesserte Form der einfachen Pipetten stellen die Dispensierer dar. Mit ihnen lässt sich ein großes Volumen aufnehmen und in vielen definierten kleineren Schritten abgeben. Des Weiteren gibt es auf dem Markt eine große Anzahl von Pipettierrobotern. Bei näherer Betrachtung und intensiver, internetgebundener Recherche der globalen Produktpalette renommierter Hersteller auf diesem Fachgebiet, konnte kein Anbieter einen Automaten aufweisen, welcher in der Lage ist, Objektträger in den speziellen Abmaßen von 75 x 25 x 1mm mit jeweils 2 x 6 Auftragsstellen zu pipettieren. Der Trend geht dabei eindeutig zu Automatisierungslösungen, welche auf Massenproduktion ausgerichtet sind. Das heißt, es stehen grundsätzlich größere Pipettiermedien im Vordergrund, wie zum Beispiel 96er-Wellplatten beziehungsweise komplexe Röhrchensysteme. Diese Medien machen im Endeffekt den Einsatz eines Roboters erst sinnvoll, gerade in Hinblick auf die sehr hohen Anschaffungskosten dieser Automaten. Im konkreten Fall der vorliegenden Diplomarbeit jedoch, besteht der Bedarf der Umsetzung einer solchen Anlage speziell nur für das Trägermaterial der Firma Genetic Assay, mit den strikt vorgegebenen Werten der Abmaße von 75 x 25 x 1mm und den fest definierten Auftragsstellen von 2 x 6 Pipettierpunkten, da auch die selbige Firma die von der Fachhochschule bearbeiteten Objektträger weiter verwenden möchte. Hieraus wird ersichtlich, dass der zu erbauende Automat speziell angepasst werden muss und es sich dabei um eine Sonderlösung für das vorliegende Problem handelt.

3 Qualitätsanforderungen an einen Pipettierautomaten

Strikte gesetzliche Anforderungen, Termindruck bei Produkteinführungen und hohe Qualitätsanforderungen der Kunden belasten häufig die Arbeit im wissenschaftlichen Umfeld. Wenigstens bei den Alltäglichkeiten sollte alles problemlos verlaufen, damit man seine Energie auf das Wesentliche konzentrieren kann. Gerade beim Pipettieren muss man sich auf einheitliche Resultate verlassen können. Hohe Kolben- und Spitzenabwurfkräfte führen bei herkömmlichen Pipetten schnell zu „müden“ Händen und erschweren die Arbeit. Sehnenscheidenentzündungen und Karpal Tunnel Syndrom sind keine Seltenheit bei Personen, die häufig pipettieren. Dieser Ansatz eines Automaten, der in der Lage ist, Pipettierungen großer Mengen vorzunehmen, sollte darüber hinaus die Leistung im Labor durch Verbesserung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der „Experimentresultate“ steigern. Zur Sicherstellung der Einhaltung von internationalen Qualitätsstandards muss bei Pipetten regelmäßig überprüft werden, ob sie innerhalb der festgelegten Toleranzgrenzen arbeiten. Grundsätzlich soll der Pipettierautomat ergonomisch, ökonomisch, leicht zu desinfizieren und bedienerfreundlich gestaltet werden.

3.1 Allgemeine Anforderungen

Alle hier aufgeführten Forderungen besitzen allgemeinen Charakter und sind somit nicht speziell einer bestimmten Baugruppe zuzuordnen. Sie beziehen sich auf allgemeine Automateneigenschaften. Diese Anforderungen werden in diesem Abschnitt stichpunktartig zusammengetragen um eine einfach nachvollziehbare und übersichtliche Darstellung der aufgezeigten Fakten zu gewährleisten.

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Allgemeine Beachtung der Ergonomie, gute Handhabbarkeit
- Das maximale Automatengewicht sollte so gestaltet sein, dass ein Gewicht von 15kg nicht überschreitet wird.
- Die äußeren Abmessungen des Automaten müssen kleiner als x = 1200mm; y = 630mm und z = 650mm sein.
- Aufgrund der Zellsedimentierung darf der gesamte Pipettiervorgang eine maximale Dauer von einer Minute nicht überschreiten.
- Der Automat darf keiner Temperatur oberhalb 50°C ausgesetzt werden.
- Der Automat darf keine Wärme oberhalb 37°C an die Zellsuspension abgeben.
- Der Betrieb des Automaten erfolgt ausschließlich über Einspeisung elektrischer Energie (keine anderen Medienanschlüsse vorhanden).
- Eine gute Möglichkeit der Feuchtdesinfektion sämtlicher Oberflächen mittels Isopropanol.

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Der Automat soll semiautomatisch arbeiten, das heißt die Pipette wird von Hand befüllt, der Pipettiervorgang geschieht automatisch.
- Alle Bauteile und Komponenten sollen problemfrei zugänglich sein.
- Die bevorzugten Materialen zur Erstellung des Prototypen sollen Edelstahl, Glas und ABS sein.
- Es sind Wartungsintervalle, abhängig von den Parametern der verbauten Bauteile, einzuplanen.
- Toleranzangaben sind nach DIN einzuhalten.
- Eine Betriebsanleitung und Bedienungsanleitung ist anzufertigen und für das Bedienpersonal zugänglich zu hinterlegen.

3.1 Anforderungen an die einzelnen Baugruppen

In diesem Kapitel soll ein Vergleich beziehungsweise Abgleich der gestellten Anforderungen der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer und der Diplomanten vollzogen werden. Die zu Beginn der Diplomarbeit in der Anforderungsliste zusammengetragenen Forderungen und Wünsche werden in diesem Abschnitt, bezogen auf die einzelnen Baugruppen, präzise aufgelistet, um konkrete Aussagen über die gestellten Anforderungen an das Gesamtsystem des Pipettierautomaten zu treffen.

3.2.1 Mobile Trägerbox

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Abmaße von 300 x 180 x 60mm sollen nicht überschritten werden
- Es muss eine Kontrolle der Objektträger auf dem Durchlichtmikroskop gewährleistet werden.
- Die Objektträger in der mobilen Trägerbox sollen so tief wie möglich positioniert werden, der maximale Abstand, gemessen von der untersten Kante der mobilen Trägerbox bis zur Unterseite des Objektträgers, darf dabei 3mm nicht überschreiten.
- Es muss ein Spalt zwischen Deckel und mobiler Trägerbox vorhanden sein, so dass ein Zirkulieren des Mediums im Inkubator möglich ist.
- Der Deckel soll die Objektträger in der mobilen Trägerbox vor Keimbefall schützen.
- Die Objektträger müssen problemlos mit einer Pinzette aus der Trägerbox zu entnehmen sein.
- Eine Überflutung der positionierten Objektträger mit einer Nährsalzlösung muss möglich sein.
- Ein Aufschwimmen der Objektträger während der Überflutung mit der Nährsalzlösung muss vermieden werden.
- Das Gewicht sollte 3kg nicht überschreiten.
- Die mobile Trägerbox und ihre zu säubernden, auswechselbaren Teile (wie beispielsweise die Formblecheinlagen und der Aufschwimmschutz) müssen hitzesterilisierbar sein (Temperatur: bis 180°C; Dauer: mindestens zwei Stunden).
- Beim Überfluten der Objektträger soll so wenig wie möglich Nährmedium verbraucht werden (Kostenersparnis).
- Die Oberfläche muss so beschaffen sein, dass sich keine Keime in Spaltöffnungen absetzen können (leichte Feuchtreinigung).
- Es sind keine Wegwerfartikel zu verwenden.
- Der Aufbau muss so gestaltet sein, dass ein Zusammensetzen mit wenigen Arbeitsschritten möglich ist.

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Bevorzugte Werkstoffe sind Glas und Edelstahl; kein Kunststoff, da die Wirtschaftlichkeitsgrenze erst bei ungefähr 1.000 Stück liegt.
- Die Positionierung der Objektträger in der Trägerbox muss immer im selben definierten Abstand erfolgen.

3.2.1 Linearantrieb

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Der Antrieb sollte keinen Abrieb beziehungsweise keine Schmutzpartikel erzeugen.

Anforderung der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Der Schlitten des Antriebes muss in der Lage sein, die auftretenden Kräfte aufzunehmen.
- Positioniergenauigkeit
- Ruhiger Lauf
- Kein Stick-Slip-Verhalten

3.2.2 Antriebstechnik / Wegmesssystem

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Keine

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Der Motor muss in der Lage sein, das erforderliche Moment und Haltemoment auf die Welle zu übertragen.
- Positioniergenauigkeit des Motors
- Geringer Platzbedarf für das Wegmesssystem

3.2.4 Pipettenarm

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Keine

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Der Pipettenarm muss genügend Stabilität in die Konstruktion bringen, da er Verbindungsstück zwischen Linearantrieb und Pipettenaufnehmer sowie dem Herunterfallschutz ist.
- Der Aufnehmer soll die Pipette möglichst weit vom Antrieb distanzieren, um die Übertragung von möglichen Abrieb oder Verschmutzung des Antriebes auf die Pipette gänzlich auszuschließen.

3.2.4 Pipettenaufnehmer

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Keine

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring :

- Fester und genauer Sitz der Pipette in vorgegebener Position.
- Bei Bedarf leichtes Lösen der Pipette aus der Fixierung .
- Gleichzeitige Funktionsübernahme der Pipettenführung
- Der Aufbau muss außerdem so gestaltet sein, dass das Bedienfeld und der Auslöser der Pipette zugänglich bleiben (zum Beispiel für den Pipettenauslöser).

3.2.5 Herunterfallschutz

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Er soll die Zerstörung von Zellkulturen auf die in der mobilen Trägerbox befindlichen Objektträgern durch Abrieb (zum Beispiel des Pipettenauslöser) oder Verschmutzung (zum Beispiel der Pipette) vermeiden.
- Räumliche Trennung von mobiler Trägerbox und den restlichen Baugruppen (Ausnahme sind die Pipettenspitzen)
- Lediglich die Pipettenspitzen sollen aus dem Herunterfallschutz herausragen.
- Der untere Teil der Pipettenspitzen soll den Herunterfallschutz beim Einhängen der Pipette nicht berühren.

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Ausreichend gegebene Stabilität vor allem während des Pipettierprozesses.

3.2.7 Pipettenauslöser

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Keine

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Die Kraftauslegung des Auslösers muss dem Kraftaufwand des integrierten Auslösers der Pipette gerecht werden.

3.2.8 Gestell

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Das Gestell muss die Möglichkeit bieten, dass zwei Personen in der Lage sind den Automaten in der sterilen Werkbank zu positionieren.

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Hohe Steifigkeit, Kompaktheit
- Gute Montagemöglichkeit für die einzelnen Baugruppen
- Aufnahmefähigkeit der statischen und dynamischen Kräfte

3.2.9 Steuerung

Anforderung der Arbeitsgruppe um Frau Professor Anderer:

- Keine

Anforderungen der Diplomanten Sebastian / Döring:

- Verwendung einer gebräuchlichen Steuerung, um im Wartungs- oder Schadensfall ein größeres Spektrum an Sachverständigen abzudecken.
- Verwendung eines möglichst stabilen Steuerungssystems, um die Anfälligkeit bezogen auf Störungen so niedrig wie möglich zu halten.
- Der Bediener soll möglichst mit unkomplizierten Steuerungsabläufen konfrontiert werden.
- Die Ausbaufähigkeit des Systems ermöglichen

4 Betrachtung der allgemeinen Herangehensweise

4.1 Herangehen an die Problemstellung

Um den Automaten in seiner Gestalt und Funktion optimal zu dimensionieren, ist es notwendig, Aufgabenstellung und gegebene Anforderungen durch theoretische Veranschaulichungsmodelle der Konstruktionstechnik im Vorfeld genauer zu betrachten. Nützlich ist hierbei die Verwendung der Black Box und des morphologischen Kastens, um grundsätzliche Sachverhalte zur Umsetzung sicherzustellen. Zu Beginn der Diplombearbeitungszeit wurden möglichst viele Varianten gebildet und bewertet, welche sich jedoch aufgrund des Umfanges nicht in der Dokumentation wiedergeben lassen. Diese Vorarbeit zur Diplomarbeit ist auf dem beiliegenden Datenträger hinterlegt. Wichtig ist bei der konstruktiven Gestaltung ebenso, das aus dem manuellen Pipettieren vorhandene Know-how zu nutzen und auf den Automaten zu übertragen. Dabei ist es möglich, bewährte und daher unverzichtbare Prinzipien, beziehungsweise Arbeitsschritte, in das Konzept einfließen zu lassen. Anhand dieser zusammengetragenen Informationen ist es möglich, erste geeignete Lösungsmodelle zu erstellen. Diese Lösungsmodelle werden nun unter Betrachtung verschiedenster Umsetzungsmöglichkeiten in einem Variantenvergleich zu jeder Baugruppe untereinander verglichen. Unter Berücksichtigung der konkreten Gewichtung, in Bezug auf die Maßgeblichkeit der jeweiligen Variante, wird nun die optimale Variante ermittelt.

4.2 Grundlage des manuellen Pipettierens

Traditionell erfolgt das Pipettieren von Hand. Besonders bei kleinen Mengen ist dieses Verfahren noch durchaus üblich. Es ist die Grundlage des automatisierten Pipettiervorganges, bei dem die Technik das umsetzt, was sonst manuell geschieht. Erfahrungen, welche man auf Grundlage der manuellen Arbeit gewonnen hat, sollen nun auch für die Umsetzung in den technologischen Ablauf genutzt werden. Dazu ist es sinnvoll, sich auszuführende Arbeitsschritte und die dabei erforderlichen Fertigkeiten zu vergegenwärtigen. Die Grundlagen erfolgen angelehnt an die Räumlichkeiten und die technische Ausstattung der Fachhochschule Lausitz.

Zunächst wird die Workbench des Typs Herasafe von Heraeus mit einem Schlüsselschalter eingeschalten und die Schutzscheibe in Arbeitsposition gebracht. Diese wird zirka 15 Minuten vor und nach der Arbeit laufen gelassen, damit sich die Luft in ihr vollständig umgewälzt hat und somit ein gewünschter Reinheitsgrad der dieser erreicht ist. Die Arbeitsfläche wird vor und nach dem Arbeitsgang mit einer 70-prozentigen Alkohollösung (Isopropanol) abgewischt. Man verwendet keinen 100-prozentigen Alkohol, da dieser die Keime nur konservieren würde. Nach der Verdunstung des Alkohols wären die Keime wieder aktiv. Das Laborpersonal arbeitet mit einem Kittel und Handschuhen, um die Gefahr einer Kontamination der Zellen so gering wie möglich zu halten.

Die sterilen Objektträger werden in Petrischalen gelegt und die Pipettierung wird vorbereitet. Dazu wird die Pipette mit der alkoholischen Lösung abgewischt, anschließend werden mit ihr die Pipettenspitzen aus einem sterilen Behältnis entnommen. Danach wird die gut durchmischte Zellsuspension aufgenommen und die Pipettierung der Objektträger vorgenommen. Dabei wird die Pipette schräg gehalten, so dass sich nur die Pipettenspitze über dem Objektträger befindet. Würde man die Pipette senkrecht halten, könnten Keime der Hand und der Pipette auf das Trägermaterial fallen. Wird die nächste Reihe der Objektträger pipettiert, wird die gesamte Schale gedreht, damit man mit den Arbeitsgegenständen nicht über die anderen Auftragsstellen ragt. Anschließend wird der sterile Deckel der Petrischale aufgesetzt und diese in den CO2-Inkubator der Firma Binder überführt. Der Deckel lässt dabei einen kleinen Spalt zur Schale frei um eine Zirkulation der Medien im Inkubator zu ermöglichen. Im Inkubator herrschen vorgegebene Verhältnisse: 37°C, 95% relative Luftfeuchte und 5% Kohlenstoffdioxidgehalt. Dort verbleibt die gefüllte Petrischale die folgenden zwei Stunden, so dass sich die Zellen auf dem Boden der Objektträger absetzen und dort anhaften. Ist dies der Fall, werden die Objektträger in der Petrischale unter der Workbench mit einer Nährlösung überflutet und für weitere 24 bis 48 Stunden in den Inkubator gestellt. Beim Überfluten wird das Aufschwimmen der Objektträger mittels Niederdrücken mit einer Pipette vermieden. Haben die Zellen einen gewissen Entwicklungsstand erreicht, werden sie mit einer Nährlösung aus Salzen gespült.

Die Sterilisation der benötigten Arbeitsgeräte wird mittels der vorher genannten alkoholischen Lösung, wie auch durch Einwegmodule oder durch Hitzesterilisation gewährleistet. Für die letztgenannte Möglichkeit steht der Hochschule ein Hitzesterilisator der Firma Binder zur Verfügung. Nachdem er eingeschalten wurde, benötigt er rund eine halbe bis eine Stunde um auf die gewünschte Temperatur hochzufahren. Anschließend vergehen weitere zwei bis drei Stunden, bis die darin befindlichen Objekte steril sind. Um zu erkennen, ob die Desinfektionsdauer ausreichend war, wird den Objekten ein Indikatorband aufgeklebt, welches mit Streifen versehen ist, die sich dann nach gegebener Zeit schwarz verfärben.

4.3 Nutzung der Grundlagen des manuellen Pipettierens

Die, in dem vorhergehenden Kapitel näher beschriebenen, Grundlagen des manuellen Pipettierens sollen nun für die Realisierung des Automaten verwertet werden. Prinzipiell müssen alle Vorgehensweisen, welche manuell angewendet werden, auch für die automatisierungstechnische Lösung umgesetzt werden. Von daher ergeben sich für den zu erbauenden Automat folgende Konstruktionsbedingungen. Da die Zellen in dem aufzutragenden Substrat gut durchmischt werden müssen, um eine Sedimentierung dieser weitest gehend zu vermeiden, wäre eigentlich eine Automation zur Umwälzung der Zellsuspension von Nöten. Diesem Problem wird unter anderem aus dem Weg gegangen, indem der Apparat semiautomatisch gestaltet werden soll.

Dies schließt nämlich ein, dass die Pipette mit ihrem maximalen Dispensiervolumen genau für einen kompletten Pipettiervorgang aller Objektträger auf einer mobilen Trägerbox konzipiert ist. Das heißt also, dass bei jedem Auswechselvorgang der mobilen Trägerbox gleichzeitig auch die Pipette dem Automaten entnommen und neu befüllt werden muss. Aufgrund dieses Sachverhaltes deckt sich die Sedimentierdauer der aufzutragenden Zellsuspension in der Pipette mit der benötigten Zeitspanne für den Gesamtpipettierprozess einer kompletten Trägerbox. Für die Abwicklung dieses Arbeitsprozesses wurde gegenwärtig ein grob überschlagener Zeitwert von maximal einer Minute ermittelt. Dieser Zeitraum genügt, die Sedimentierung so gering wie möglich zu halten und damit nicht die Qualität der aufzutragenden Zellsuspension zu gefährden. Ein weiterer wichtiger Arbeitsschritt beim manuellen Aufbringen der Suspension ist es, wie oben bereits erwähnt, die Pipette nicht senkrecht über den Objektträgern zu halten. Bei der automatisierten Umsetzung soll daher ein „Herabfallschutz“ in Form eines Edelstahlbleches, welches die Trägerbox und die darüber befindliche Mechanik räumlich trennen soll, angebracht werden. Dabei ist ein ständiges und problemloses Wechseln der Pipette zu gewährleisten.

Letztendlich sollen nur die Pipettenspitzen aus dem Blech herausragen. Da der „Herabfallschutz“ aus Edelstahl hergestellt werden soll, ist er darüber hinaus ebenso in der Lage, einer Feuchtdesinfizierung durch eine alkoholische Lösung, wie Isopropanol, chemisch standzuhalten. Wie bereits erwähnt, muss die mobile Trägerbox folgende Merkmale aufweisen. Zwischen dem Unterbau dieser und dem darauf liegenden Deckel muss ein kleiner Spalt eine Zirkulation der Medien im Inkubator ermöglichen. Zusätzlich soll eine Überflutung der Objektträger mit einer speziellen Nährlösung sichergestellt werden.

4.4 Ideenfindung

Am Anfang jeder wissenschaftlich-konstruktiven Ingenieursarbeit steht ein kreativer Denkprozess, der es ermöglicht, vorhandene Informationen in verwertbare Strukturen zu generieren. Hervorgehend aus dem fachübergreifenden Entwicklungsprojekt der Fachhochschule Lausitz fand die Ideenfindung für den zu errichtenden Pipettierautomaten ihren Ursprung in einem „Brainstorming“ an der Tafel. Danach wurde das Tafelbild abfotografiert und die Ideen zu Hause am Computer nachgezeichnet beziehungsweise ausgebaut. Entgegen der vorher bestehenden Zweifel, erkannte man bei genauerem Hinsehen eine relativ hohe Anzahl verschiedenster Kombinationen und Möglichkeiten einen solchen Apparat zu gestalten.

Natürlich stand ein gewisser Grundaufbau zur Gewährleistung der Funktionalität von vorn herein fest, welcher sich demzufolge in allen Varianten widerspiegelt. Orientiert man sich an bewährten Lösungen aus der Industrie, lässt sich auch da ein grundsätzlich ähnliches Konzept zur Umsetzung der geforderten Aufgabe finden. Entscheidend für die Reichhaltigkeit der Ideen war zweifelsohne die Gruppendynamik, die bei solch einer mentalen Schöpfung entsteht.

Im Laufe der nächsten Schritte der Projektarbeit reduzierte man die nun entstandenen Varianten auf die, die am sinnvollsten erschienen. Dabei wurde sich den theoretischen Hilfsmitteln des morphologischen Kastens und des Variantenvergleiches bedient. Das grundsätzliche Ziel der Projektarbeit war es, eine grobe Annäherung an das Gesamtthema und zum konstruktiven Äußeren der Anlage zu finden.

Die vorliegende Diplomarbeit soll jedoch diese Thematik der Ideenfindung detaillierter, konkretisierter und natürlich letztendlich im Ganzen realisierbar gestalten.

5 Varianten

5.1 Morphologischer Kasten

Die morphologische Methode ist eine systematisch kreative Strukturanalyse mit dem Ziel, neue Kombinationen zu finden. Die bekannteste morphologische Methode ist der, von dem Schweizer Physiker F. Zwicky entwickelte, morphologische Kasten.

Eine mehrdimensionale Matrix bildet dabei das Kernstück dieser gestalterischen Analyse. Bei der Produktentwicklung eignet sich der morphologische Kasten, um alle denkbaren Kombinationsmöglichkeiten an Merkmalsausprägungen darzustellen und auf ihre Eignung hin zu prüfen. Viele der Möglichkeiten werden aufgrund technischer oder wirtschaftlicher Gegebenheiten sinnlos sein. Doch möglicherweise werden auch zukunftsträchtige Kombinationsmöglichkeiten erkannt, an die bisher noch niemand gedacht hat. Diese sind anhand von geeigneten Kriterien (Preis, Funktion, Herstellkosten, Absatzchancen, bestehende Konkurrenzprodukte und dergleichen mehr) weiter zu analysieren. Wenn diese in besonders hohem Maße den Kundenerwartungen entsprechen und zugleich technisch herstellbar sind, ist der Weg frei für eine Produktinnovation [5].

In der vorliegenden Dokumentation und auf der beiliegenden Compact Disk wird diese Technik am Beispiel der zu bearbeitenden Themen näher verdeutlicht. Dabei werden in der ersten Spalte in vertikaler Richtung die Funktionen und in den nebenstehenden Spalten in horizontaler Richtung die Lösungsvarianten in der Tabelle abgetragen.

5.2 Variantenbildung und Bewertung der einzelnen Baugruppen

5.2.1 Pipette

Die Auswahl der Pipette ist von herausragender Bedeutung für die Realisierung des Pipettierautomaten. Am Markt werden verschiedenste Typen und Bauformen angeboten. Folgende Kriterien sind für die Auswahl wichtig – Kanalart, Funktion und Auslösung.

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