Bei dem vorliegenden Werk handelt es sich um eine fachübergreifende Doppel-Diplomarbeit der Fachbereiche Maschinenbau (Rehabilitationstechnik/Medizintechnik) und Biotechnologie.
Inhaltlich wird die Konzeption eines Pipettierautomaten von der Abstraktion der Aufgabenstellung bis hin zur Fertigstellung des entsprechenden Automaten sauber, präzise und reproduzierbar dargestellt.
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. 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.
Auf einen Blick
- Note: 1,0
- Eigener Pipettierversuch mit 50-µl-Tropfen und schrittweise verschobenen Objektträgern
- Abgedruckte Bedienungsanleitung, Betriebsanweisung und Wartungsplan für den Piomat 04
- 23 Quellen im Literaturverzeichnis
- 48 Abbildungen
Inhaltsverzeichnis
1 EINLEITUNG
1.1 Hintergrund der Diplomarbeit
1.2 Durchführung
1.3 Aufgabenstellung
1.4 Ziele und Nutzen eines Pipettierautomaten
2 ERSTE WICHTIGE VORÜBERLEGUNGEN
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 QUALITÄTSANFORDERUNGEN AN EINEN PIPETTIERAUTOMATEN
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 HERANGEHENSWEISE
4.1 Herangehen an die Problemstellung
4.2 Grundlage des manuellen Pipettierens
4.3 Nutzung der Grundlagen des manuellen Pipettierens
4.4 Ideenfindung
5 VARIANTEN
5.1 Morphologischer Kasten
5.2 Variantenbildung und Bewertung der einzelnen Baugruppen
5.2.1 Pipette
5.2.2 Mobile Trägerbox (MTB)
5.2.3 Linearantrieb
5.2.4 Antriebstechnik und Wegmesssystem
5.2.5 Pipettenarm
5.2.6 Pipettenauslöser
5.2.7 Gestell
6 REALISIERUNG DER OPTIMALEN VARIANTE
6.1 Konstruktiver Prozess
6.2 Konstruktionszeichnung und Stückliste
6.3 Fertigungsunterlagen und Fertigungsbedingungen
6.4 Elektronik und speicherprogrammierbare Steuerung (SPS)
6.5 Kostenrechnung / -analyse
7 FERTIGUNG UND INBETRIEBNAHME
7.1 Fertigung der Einzelbaugruppen
7.1.1 Mobile Trägerbox
7.1.2 Gestell
7.1.3 Pipettenarm
7.1.4 Pipettenaufnehmer und –auslöser
7.2 Inbetriebnahme
8 GERÄTE– UND BEDIENINFORMATIONEN
8.1 Betriebsanweisung
8.2 Kurzbedienungsanleitung „Piomat 04“
8.3 Wartungsplan
9 ANGEFERTIGTER VERSUCH
9.1 Ziel des Versuches
9.2 Grundlagen
9.3 Versuch
9.3.1 Verwendete Geräte und Versuchsaufbau
9.3.2 Versuchsdurchführung
9.3.3 Versuchsergebnisse
9.3.4 Versuchsauswertung
10 AUSBLICK
Zielsetzung und Themen
Die Diplomarbeit dokumentiert die Entwicklung und Fertigung eines semiautomatischen Pipettierautomaten für das Aufbringen von Zellsuspension auf Objektträger. Sie untersucht, wie sich die Anforderungen an sterile Handhabung, Positionierung, Fertigung und Steuerung in einer konstruktiven Lösung für die biotechnologische Forschung verbinden lassen.
- Anforderungen an Pipettiermodul und mobile Trägerbox
- Funktionsanalyse und Bewertung konstruktiver Varianten
- Auswahl von Pipette, Antrieben und Steuerung
- CAD-Konstruktion und Fertigung der Baugruppen
- Versuch zur Positionierung von Pipette und Auftragsstelle
- Bedienung, Wartung und Weiterentwicklung des Prototyps
Auszug aus dem Buch
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.
Zusammenfassung der Kapitel
1 EINLEITUNG: Das Kapitel erläutert den biotechnologischen Hintergrund, die Aufgabenstellung und das methodische Vorgehen bei der Entwicklung des Pipettierautomaten.
2 ERSTE WICHTIGE VORÜBERLEGUNGEN: Die Gesamtaufgabe wird mithilfe einer Black Box und einer Funktionsstruktur abstrahiert. Eine Marktanalyse ordnet die Anforderungen gegenüber vorhandener Pipettiertechnik ein.
3 QUALITÄTSANFORDERUNGEN AN EINEN PIPETTIERAUTOMATEN: Allgemeine Anforderungen und Vorgaben für die einzelnen Baugruppen werden zusammengetragen.
4 BETRACHTUNG DER ALLGEMEINEN HERANGEHENSWEISE: Das Kapitel beschreibt das manuelle Pipettieren und überträgt dessen Anforderungen auf das Automatenkonzept. Es erläutert außerdem die Ideenfindung und den Variantenvergleich.
5 VARIANTEN: Mithilfe eines morphologischen Kastens werden Lösungen für Pipette, Trägerbox, Antriebe, Pipettenarm, Auslöser und Gestell entwickelt und bewertet.
6 REALISIERUNG DER OPTIMALEN VARIANTE: Behandelt werden CAD-Konstruktion, Fertigungsunterlagen, Steuerung und Kosten des Automaten.
7 FERTIGUNG UND INBETRIEBNAHME: Die Autoren dokumentieren die Herstellung der Baugruppen und die Montage. Dabei beschreiben sie auch Schwierigkeiten bei Trägerbox und Antriebsführung.
8 GERÄTE– UND BEDIENINFORMATIONEN: Das Kapitel stellt Betriebsanweisung, Kurzbedienungsanleitung und Wartungsplan für den Piomat 04 vor.
9 ANGEFERTIGTER VERSUCH: Ein Pipettierversuch untersucht, wie sich Höhe und seitliche Position der Pipette auf den Flüssigkeitsauftrag auswirken.
10 AUSBLICK: Der Ausblick erörtert Ansätze zur Weiterentwicklung der Trägerbox, der Antriebsführung und der Automatisierung.
Schlüsselwörter
Pipettierautomat, Zellsuspension, Objektträger, Piomat 04, mobile Trägerbox, methodisches Konstruieren, VDI 2221, Variantenvergleich, Linearantrieb, speicherprogrammierbare Steuerung, Sterilisation, Pipettierversuch, Prototypenbau
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit?
Die Arbeit dokumentiert die Entwicklung eines semiautomatischen Automaten, der Zellsuspension auf Objektträger aufbringen soll.
Welche Themen stehen im Mittelpunkt?
Im Mittelpunkt stehen die konstruktiven Anforderungen, der Vergleich technischer Varianten, die Fertigung der Baugruppen und die Inbetriebnahme des Prototyps.
Welches Ziel verfolgen die Autoren?
Sie wollen einen Pipettierautomaten für die biotechnologische Forschung entwickeln und die konstruktiven Schritte bis zur Fertigung dokumentieren.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Entwicklung orientiert sich am methodischen Konstruieren nach VDI-Richtlinie 2221. Dazu kommen Funktionsanalyse, morphologischer Kasten, Variantenbewertung und ein eigener Pipettierversuch.
Was behandelt der Hauptteil?
Er beschreibt Anforderungen und Lösungsvarianten für die Baugruppen sowie CAD-Konstruktion, Steuerung, Fertigung, Kosten und Inbetriebnahme.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Zu den zentralen Begriffen gehören Pipettierautomat, Zellsuspension, mobile Trägerbox, Linearantrieb, Steuerung und Prototypenbau.
Welche Aufgabe übernimmt die mobile Trägerbox?
Sie positioniert die Objektträger für das Pipettieren und dient ihrer Aufnahme und Überführung für die weitere Kultivierung.
Wie ist der Pipettierversuch angelegt?
Die Autoren verwenden Wasser und verändern die Höhe der Pipette sowie die seitliche Position des Objektträgers. Für jede Position bewerten sie das Auftragsverhalten eines 50-µl-Tropfens.
Welche praktischen Unterlagen enthält die Arbeit?
Sie enthält unter anderem eine Kurzbedienungsanleitung, eine Betriebsanweisung, elektronische Schaltpläne, einen Steuerungsablaufplan, eine Stückliste und einen Wartungsplan.
- Citation du texte
- Eric Sebastian (Auteur), Robert Döring (Auteur), 2009, Entwicklung eines Automaten zur Applikation von Zellen auf ein Trägermaterial, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/346798
