Industrie + Technik

<p>Gefäße, Geräte und Versorgungseinrichtungen sind in der Regel funktional gestaltet, oft mit praktischen Details – doch dürfen solche Gegenstände und Möbel auch einladend wirken?</p>
<p>Körperlich wenig zuträgliche Bewegungen und hohe Konzentration bestimmen den Alltag im Labor. Geräte und Möbel sind über die vergangenen Jahrzehnte ergonomischer geworden, und es soll noch besser kommen.</p><h2>Offene Atmosphäre am Abzug</h2><p>„Zukunft Labor“ bedeutet kurze Wege zwischen Arbeitsinseln, Abzügen, Medienwänden und anderen Bereichen. Dabei sollte alles einfach bedienbar sein. So lässt sich der Frontschieber eines Laborabzugs über einen Fußtaster öffnen – die Hände bleiben frei. Wenn der Laborant den Arbeitsplatz verlässt, merkt der Abzug dies über Bewegungsmelder und schließt den Frontschieber automatisch.</p><p>Auch das Überwachen der Seitenschieber ist möglich. Wenn die Laborantin sie teilweise geöffnet, den Frontschieber aber zum Schutz geschlossen hat und sich dann entfernt, schlägt der Abzug Alarm – etwa sichtbar mit einer roten LED-Lichtleiste oder hörbar mit einem Alarmton wie bei den Abzügen des Laboreinrichters Waldner.</p><p>Bei einigen Abzugsmodellen sind die Seiten- und Rückwände aus Glas. Das sorgt für mehr Tageslicht im Raum und Blickkontakt zwischen den Mitarbeitern. Zu einer offenen Atmosphäre tragen Mediensysteme bei, die alle Arbeitsplätze mit gasförmigen oder flüssigen Medien versorgen. Bei vielen Möbeln sorgt eine luftgedämpfte Einzugautomatik dafür, dass sich Türen und Schubladen selbstständig und leise schließen.</p><h2>Gute Haltung</h2><p>Ergonomische Konzepte gehen über den Stuhl hinaus. Sie erstrecken sich auf das Design einzelner Geräte und das gesamte Equipment (Abbildungen oben).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/vjfhVIaLRCCfqYRqjmls"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Ergonomisches Design für das Labor beginnt beim Stehen und Sitzen, setzt sich fort bis in Gerätedetails, die etwa Gelenke beim Pipettieren entlasten (links), und umfasst sicheres Nutzen, beispielsweise mit farbcodierten Zentrifugenteilen. Fotos: Eppendorf</figcaption></figure>
<p>Beispiel Abzug: Neuere Modelle sind elektrisch stufenlos höhenverstellbar wie der Tisch im Büro.</p><p>Beispiel Schüttler (Shaker): Bei geschlossenen Modellen reicht ein kleiner Stups, und die Tür gleitet hoch. Die Ausziehplattform lässt sich mit dem kleinen Finger aus der Kammer ziehen und konfigurieren, etwa mit über 100 500-mL-Erlenmeyerkolben auf einer Universalplattform oder mit 45 2-L-Erlenmeyerkolben auf einer vorbestückten Plattform wie bei der Innova S44i von Eppendorf.</p><p>Beispiel Zentrifugen: Zu den häufigsten Fehlern zählt hier das falsche Beladen der Adapter. Eine Farbcodierung für die unterschiedlichen Adaptergrößen hilft, den richtigen Rotor zu wählen. Dies entlastet über Rücken und Nacken hinaus den Geist (ease of mind).</p><p>Darauf basierende Gesamtkonzepte tragen der körperlichen wie der geistigen Beanspruchung der Mitarbeiter Rechnung wie Physiocare von Eppendorf. Dazu gehört ein einheitlicher Aufbau der Displays von Shakern, Freezern, Inkubatoren und Cyclern wie beim Visionize von Eppendorf.</p><h2>Cool bleiben</h2><p>Immer häufiger lassen sich Geräte aus der Entfernung überwachen und steuern, und sie kommunizieren sogar direkt miteinander. Das beginnt mit der in die Abzugsdecke integrierten Webcam. Darüber hat der Laborant seinen Versuchsaufbau vom Computerbildschirm oder vom Smartphone aus im Blick. So verringert sich das Hin und Her zwischen Arbeitsbereichen (Abbildung rechts).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/ynzISyKlRF6zwNw13KA1"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Labor mit Tischabzügen, Unterschränken und Medienwänden an der Technischen Universität Hamburg auf 700 Quadratmetern im Labor für Forschungs- und Auftragsarbeiten des Instituts für Umwelttechnik und Energiewirtschaft. Foto: Köttermann</figcaption></figure>
<p>Digitaltechnik könnte die Mitarbeiterinnen davon entlasten, Daten manuell zu übertragen und Geräte zeitlich zu koordinieren. Da heißt es dann nicht mehr: „Ich muss jetzt das analytische Messgerät vorbereiten, weil die automatische Probenvorbereitung gleich abgeschlossen ist.“ Im Labor 4.0 gäbe ein Gerät die Information unmittelbar ans andere weiter.</p><p>Daher lautet die Vision für den Mitarbeiter: Er kommt in einen farblich dezent akzentuierten Raum mit mobilen Workbenches, flanscht sich mit seinem Smartphone an ein Analysengerät und zieht die Daten herüber. Beim Schreiben des Berichts unterstützt eine intelligente Software. Schnell sind Dokumente fertiggestellt und wenige Minuten später mit fälschungssicherer digitaler Unterschrift an die Forschungsleiterin, den Rohstoffkontrolleur und die Behörde versandt.</p><h2>Schnittig designt</h2><p>Sogar Star-Designer Luigi Colani hat sich in den letzten Jahren seines Lebens – von 2015 bis 2019 – dem Design analytischer Messgeräte gewidmet und dies ganz im Sinn seiner Philosophie zur ergonomischen Optimierung und zur Humanisierung der Nahtstelle Mensch-Maschine. Ergebnisse sind ein Partikelgrößen- und Dispersionsmessgerät fürs Labor – der Lumireader PSA vom Berliner Unternehmen LUM –, der Lumiflector für lebensmitteltypische Kennwerte und pharmazeutische Parameter wie Fett, Protein und Trockenmasse im Labor oder um Prozesse durch ein Sichtfenster zu kontrollieren, sowie das Einzelpartikelzählgerät Lumispoc (Abbildungen ganz oben).</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/0WIfXtMRQzKPk3O97Ser"><figcaption><label>Abb. 3: </label>Colani-Design. Von links: Spektrometer, Partikelgrößen- und Dispersionsmessgerät sowie Einzelpartikelzählgerät. Fotos: LUM</figcaption></figure>
<p>Über ein funktionales und ergonomisches Design hinaus kann ein Laborsystem noch gänzlich unerwartete Qualitäten entwickeln. So bewährte sich ein Liquid-Handling-System in der Off-label-Anwendung als Barmixer: das LH-5000 von Labomatic aus Allschwil.</p><p>Der promovierte Chemiker Christian Ehrensberger ist freier Mitarbeiter der Nachrichten aus der Chemie.</p>

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Laborarbeit: mehr Ästhetik

Gefäße, Geräte und Versorgungseinrichtungen sind in der Regel funktional gestaltet, oft mit praktischen Details – doch dürfen solche Gegenstände und Möbel auch einladend wirken? Körperlich wenig zuträgliche Bewegungen und hohe Konzentration bestimmen den Alltag im Labor. Geräte und Möbel sind übe...

<p>Methoden für die chromatographische Trennung und Reinigung von Substanzen so entwickeln, dass sie sich vom analytischen auf den präparativen Maßstab hochskalieren lassen.</p>
<p>Die Flüssigchromatographie ist ein besonders geeignetes Hilfsmittel, um Syntheseprodukte zu gewinnen und zu isolieren. Für die Reinigung von Substanzmengen im Milligrammbereich reicht eine analytisches HPLC-System mit automatischem Fraktionssammler – Upscaling auf präparative HPLC ist nicht notwendig. Für 10 bis 100-fach größere Probenmengen hingegen sind semipräparative HPLC-Säulen (Durchmesser 10 bis 20 mm) oder präparative HPLC-Systeme (Säulendurchmesser: 30 bis 50 mm) notwendig, da mit dem Säulenmaterial die Trennkapazität der Säule zunimmt. Überboten werden diese großen HPLC-Systeme nur durch industrielle Präparationsanlagen mit Säulendurchmesser von 100 mm und mehr, die mehrere Gramm Probe in einem Lauf trennen.</p><h2>Methodenentwicklung: Upscaling vorbereiten</h2><p>Durch die größeren Säulendimensionen in der präparativen HPLC werden größere Mengen der mobilen Phase gepumpt, um die Substanzen schnell genug durch das System zu fördern. Die Entwicklung einer Trennmethode in diesem Größenmaßstab ist daher teuer und nicht rentabel. Aus diesem Grund werden Methoden für die präparative HPLC zunächst im analytischen Maßstab entwickelt und danach an den größeren Maßstab angepasst.</p><p>Die Methodenentwicklung für die präparative Chromatographie ähnelt den klassischen Versuchen für die analytische Trennung: Säulen mit unterschiedlichen stationären Phasen (Selektivität) und Lösungsmittel mit spezifischer Lösungsmittelstärke werden als isokratische Trennung oder mit Gradienten getestet. Bei diesen Experimenten ist weniger die Peakform für die Qualität der Trennung entscheidend, sondern ein ausreichender Abstand zwischen den Peaks, um die einzelnen Substanzen später sauber zu fraktionieren. Dieses Kriterium ist für das spätere Upscaling der Methode ausschlaggebend.</p><p>Als Vorbereitung für das Upscaling und das Maximieren des Probendurchsatzes ist bereits im analytischen Maßstab zu testen, ab welcher Probenmenge eine Säule überladen ist. Hierfür wird die Probe mit steigendem Injektionsvolumen auf die Säule gegeben, bis die Peaks der einzelnen Substanzen zu überlappen beginnen. So lässt sich bestimmen, bis zu welcher Probenmenge und welchem Injektionsvolumen sich die Substanzen noch sauber trennen lassen.</p><p>Mit diesem Wissen kann der Anwender später für die präparative Trennung das Injektionsvolumen so anpassen, dass die Flanken der Peaks ebenfalls fraktioniert werden, ohne dass Peaks in den Randbereichen überlappen.</p><h2>Upscaling</h2><p>Für den nächsten Schritt, das Upscaling in den präparativen Maßstab, sind die stationäre Phase und das Säulenmaterial entscheidend. Das Upscaling soll bei höherem Durchsatz und größerer Säule ein nahezu identisches Chromatogramm und eine robuste Trennung liefern. Folglich beeinflussen die physikalischen Rahmenbedingungen wie Lösungsmittelqualität und Zusammensetzung der stationären Phase diesen Methodentransfer. Daher bieten Säulenhersteller wie Shimadzu spezielle Säulenmaterialien wie die Serie Shim-pack-Scepter, mit der Methodenentwicklung im analytischen Maßstab und präparative Trennungen möglich sind.</p><h2>Reinheitsprüfung</h2><p>Nach Methodentransfer in den (semi-)präparativen Maßstab und der Fraktionierung der ersten Proben fragt sich der Anwender, wie sauber die Fraktionen sind. Eine einfache Methode ist die Reinheitsprüfung mit analytischer HPLC. Dafür ist es jedoch erforderlich, manuell einzugreifen und die Proben mit einer zweiten HPLC-Anlage zu messen. Diese steht dann nicht für andere Analysen zur Verfügung.</p><p>Um diese Prüfung zeitsparend und kostengünstiger zu gestalten, haben einige Gerätehersteller kombinierte Geräte mit präparativer und analytischer Flusslinie entwickelt. Herzstück in diesen Konfigurationen ist neben den Trennsäulen ein Pipettierroboter (Liquid Handler) mit Multifunktionsarm. Proben können mit diesem Modul im präparativen Maßstab injiziert und nach der Trennung fraktioniert werden. Zudem kann der Liquid Handler die Fraktionen für die analytische Reinheitskontrolle in eine separate analytische Flusslinie injizieren. Die Chromatogramme in Abbildung 1 zeigen die präparative Trennung (schwarz, oben) und die einzelnen analytischen Messungen zur Reinheitskontrolle (farbig) der isolierten Einzelverbindungen.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/INYA9HNVSM6LL90D2oMI"><figcaption><label>Abb. 1: </label>Chromatogramme der präparativen Trennung eines Probengemischs (schwarz, erste Zeile) und der Reinheitskontrolle (farbige Chromatogramme) durch automatische Injektion in eine zweite, analytische Flusslinie.</figcaption></figure>
<h2>Kreislaufführung</h2><p>Aufgrund der Säulengröße braucht die präparative HPLC entsprechend große Mengen Säulenmaterial. Um dieses Verbrauchsmaterial einzusparen, eignen sich Recyclingsysteme, die mit zusätzlichen Ventilen hinter dem Detektor den Probenfluss in Richtung HPLC-Pumpe umleiten. Auf diese Weise wird die Probe nach dem ersten Trennzyklus nicht direkt zum Fraktionssammler geleitet, sondern durchläuft weitere Zyklen durch die Trennsäule. So werden überlappende Peaks mit jedem Zyklus weiter getrennt, eine längere Trennsäule ist nicht erforderlich.</p><p>Diese Technik hat weitere Vorteile: Mit einem Recycling-HPLC-System lässt sich die aufgegebene Probenmenge erhöhen, ohne von einem semipräparativen auf ein präparatives System aufzurüsten. Bei Überladung der Säule und Überlappung der Peaks werden weitere Trennzyklen durchgeführt, wodurch sich größere Probenmengen trennen lassen. So ist beispielsweise die präparative Trennung von ovo-Albumin und Myoglobin in größeren Mengen möglich.</p><h2>Automatisierte Entsalzung und Austausch der mobilen Phase</h2><p>Nach der präparativen Fraktionierung muss in der Regel das Lösungsmittel entfernt werden, um die reine Substanz zu erhalten. Dieser Schritt ist dann besonders zeitaufwendig, wenn eine wässrige mobile Phase nach konventioneller Umkehrphasen-HPLC zu verdampfen ist. Zudem können dabei Puffersalze als Rückstände in der Probe verbleiben. Dies lässt sich durch Trap-und-Elute-Systeme umgehen.</p><p>Die Zielsubstanzen werden nach der chromatographischen Trennung jeweils auf einer Trapping-Säule gesammelt (Abbildung 2, oben) und in einem Spülschritt die Puffer mit Reinstwasser entfernt. Abschließend werden die Analyten mit einem organischen Lösungsmittel von der Säule eluiert und in Fraktionen gesammelt.</p><figure><img src="https://media.graphcms.com/QoXW6N5DT2ERAWaO1ips"><figcaption><label>Abb. 2: </label>Oben: Trap-und-Elute-System für die präparative Isolierung. Links: Chromatogramm von Ibuprofen und zwei Analogverbindungen, die auf unterschiedlichen Trapping-Säulen (blau, grün, rot) isoliert wurden. Rechts: Ibuprofen nach Trocknung der Fraktionen aus präparativer LC und einem Trap-und-Elute-System.</figcaption></figure>
<p>Die Stärke der Methode zeigt sich bei der Trennung von Ibuprofen und den Analogverbindungen Valerophenon und 4-Isobutylacetophenon (Abbildung 2, links). Die Verbindungen wurden in drei unterschiedlichen Trapping-Säulen konzentriert, entsalzt und anschließend in Fraktionen gesammelt. Die Substanzen werden mit einem leicht flüchtigen Lösungsmittel eluiert, das sich in 20 Minuten abdampfen lässt. Zum Vergleich: Die Verdampfungszeit der wässrigen mobilen Phase liegt bei 180 Minuten.</p><p>Zudem wurden mit dem Trap-und-Elute-System die Ammoniumsalze der Chloressigsäure aus der mobilen Phase entfernt. Bei der Entfernung des Lösungsmittels fallen diese Salze aus und verunreinigen die Ibuprofenprobe (Abbildung 2, rechts).</p><p>Christopher Kuhlmann hat in Münster Chemie studiert und in Siegen in analytischer Chemie promoviert. Bei Shimadzu Deutschland ist er Produktspezialist für HPLC und Proteinsequenzierer. <a href="mailto:info@shimadzu.de">info@shimadzu.de</a></p><h2>AUF EINEN BLICK</h2><p>Methoden für die präparative HPLC werden zunächst im analytischen Maßstab entwickelt und dann skaliert. Spezielle Säulenmaterialien helfen bei dem Skalierungsprozess.</p><p>Präparative Chromatographiesysteme mit Kreislaufführung funktionieren mit weniger Säulenmaterial als solche, die den Probenfluss direkt zum Fraktionssammler leiten.</p><p>Trap-und-Elute-Systeme helfen dabei, schwer flüchtige Lösungsmittel aus den Fraktionen zu entfernen und den Trocknungsprozess zu verkürzen.</p>

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