Hoogsensitief onderzoek naar land en schip

De cleanroom-container die het metaalvrije cleanroomlaboratorium bevat. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Kijk in de container. Aan de linkerkant bevinden zich de werkplekken, rechts zijn de houders voor de CTD-flessen te zien. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Een CTD-fles wordt na het reinigen overgebracht van de zuivere luchtkast naar het laboratoriumgebied. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Het MK-containerlabor op de Polarstern beschikt over enkele zeevaartspecifieke voorzieningen, zoals handgrepen voor de wetenschappers of een nooduitgangsluik. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Het MK-containerlabor op de Polarstern beschikt over enkele zeevaartspecifieke voorzieningen, zoals handgrepen voor de wetenschappers of een nooduitgangsluik. (Foto: MK Versuchsanlagen)

Kijk in de container. (Foto: MK proefinstallaties)

De Poolster in gebruik. (Copyright: F. Mehrtens)

De poolster in gebruik. (Copyright: F. Mehrtens)

De poolster in gebruik. (Copyright: S. Arndt)

De poolster in gebruik. (Copyright: S. Arndt)

De poolster in actie. (Copyright: M. Hoppmann)

De poolster in actie. (Auteursrecht: M. Hoppmann)

Een mobiele metaalvrije monstervoorbereidingsinstallatie op basis van 20 voet standaardcontainers: aan de buitenkant zijn telkens de technische containers geplaatst. In de drie binnenste containers wordt een metaalvrije cleanroom in U-vorm opgebouwd, waarin tien metaalvrije MK-systemen, twee werklijnen, twee spoelmachines, een weegruimte en een sluis worden geïntegreerd. De zesde container wordt als opslagcontainer onder cleanroomcondities dwars aangebouwd.

Een van de grootste onderwerpen in de wetenschap is sinds jaar en dag de zuiverheid van monsters. Wanneer het gaat om het beschermen van waardevolle vondsten of monsters tegen besmetting, grijpen veel onderzoeksgroepen graag terug op de metaalvrije werkomgevingen van MK Versuchsanlagen und Laborbedarf e.K. uit Mücke-Merlau in Midden-Hessen. Zo doen ook de wetenschappers aan boord van het onderzoeksvaartuig Polarstern, dat dient voor het onderzoek van de poolzeeën en de bevoorrading van de onderzoeksinstellingen Koldewey-Station in de Arctis en Neumayer-Station in Antarctica. Het schip wordt geëxploiteerd door het Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) in Bremerhaven.

De gedachte om mobiele cleanroomlaboratoria te bouwen, die afhankelijk van de locatie en het doel van de inzet flexibel kunnen worden uitgerust, wordt al langer nagestreefd door de ontwikkelaars bij MK Versuchsanlagen (zie Reinraum-Jahrbuch 2017/2018, blz. 50 e.v., „4D-Mobiliteit bij variabel inzetbare cleanroominstallaties“). De basis was al gelegd met de ontwikkeling van een containeroplossing voor het gebruik van een metaalvrij cleanroom op de Polarstern.

Watermonsters uit 4000 meter diepte worden onderzocht

De Polarstern is in de zuidelijke zomermaanden november tot maart in Antarctica en in de noordelijke zomermaanden in de Arctis actief. Aan boord zijn negen vaste laboratoria, die voor uiteenlopende wetenschappelijke onderzoeken zijn uitgerust. Aan en onder dek is er extra ruimte voor laboratoriumcontainers, waarvan de uitrusting het mogelijk maakt om specifiekere onderzoeksprojecten uit te voeren. De onderzoeksreis met de MK-laboratoriumcontainer begon op 5 december 2021 in Bremerhaven.

Dr. Scarlett Trimborn, hoofd van de werkgroep EcoTrace bij het AWI, onderzoekt tijdens deze reis in de MK-laboratoriumcontainer hoe de beschikbaarheid van sporenmetalen, met name ijzer, maar ook mangaan, zink en kobalt, de groei van kleincellige algen in de Zuidpoolzee beïnvloedt. Hiervoor moeten de monsters met sporenmetalen vrij worden meegenomen naar het laboratorium. „Met een waterpomp worden monsters van water uit verschillende diepten tot ongeveer 4000 meter genomen. Daarbij worden zogenaamde CTD-kranzwaterpompen ingezet“, legt de onderzoekster uit over de werkwijze.

MK Versuchsanlagen is daarom gevraagd om een metaalvrij laboratorium te ontwikkelen dat kant-en-klaar in een container op de Polarstern kan worden geïnstalleerd. Het cruciale proces bij het nemen van monsters vindt plaats wanneer de CTD aan dek wordt gehaald. Dr. Wolfgang Küstner, projectleider bij MK Versuchsanlagen, licht toe: „Het spoelen van de CTD-flessen, die het kostbare zeewater bevatten, met zuiver water, gaan we voor het eerst uitvoeren met behulp van een wasinstallatie. Hiervoor gebruiken we zuiver water uit de waterbehandelingsinstallatie die in de cleanroom-container is geïntegreerd. Wanneer alle sensoren en CTD-flessen volledig zijn gereinigd, kunnen de eerste watermonsters worden genomen. Dit alles gebeurt in de daarvoor speciaal ingerichte laboratoriumcontainer van MK Versuchsanlagen. Hiervoor worden alle CTD-flessen via een zuivere luchtklep in de container geschoven. Deze laboratoriumlijn dient voor een „besmettingsvrije“ watermonstering uit de CTD-flessen. Voor speciale toepassingen, zoals filtratie, wordt de monstersampling ondersteund door een individueel regelbare persluchtinstallatie.“

Naast de wateranalyse zijn de MK-laboratoriumlijnen in de container als multifunctioneel metaalvrij cleanroom natuurlijk ook geschikt voor een breed scala aan andere analyses. Zo kunnen bijvoorbeeld de houders van de CTD-flessen worden gedemonteerd en vervangen door rekken. De klep kan zonder spoelen blijven functioneren als zuivere lucht-materialenklep.

Directe aansluiting van een kant-en-klaar container-cleanroom op de gebouwbeheersystemen

Ook op het land worden al de eerste mobiele cleanroomlaboratoria voor verschillende onderzoeksinstellingen gerealiseerd door MK Versuchsanlagen. Hierbij worden de kant-en-klare, metaalvrije MK-containertoiletten met wanden, inrichting, ventilatie, media-aansluitingen en besturing direct gekoppeld aan de bestaande gebouwbeheersystemen.

Momenteel realiseert MK Versuchsanlagen een project dat uit zes containers bestaat. Twee containers worden gebruikt voor de techniek, de overige vier vormen de cleanroom. Bij de planning wordt rekening gehouden met duurzaamheid, zodat de ruimtes autonoom kunnen worden ontworpen, waardoor een opsplitsing in twee aparte oplossingen van drie containers mogelijk is. Dit overgangslaboratorium wordt gepland op basis van 20 voet standaardcontainers (6,058 meter lang, 2,438 meter breed), die een hoogte hebben van 3,11 meter in plaats van de gebruikelijke 2,59 meter. Hierdoor kan een tussenverdieping worden geïnstalleerd voor techniek en ventilatiekanalen.

Dit containerlaboratorium wordt gebruikt om de isotopensamenstelling van gesteenteproeven te onderzoeken, bijvoorbeeld afkomstig van vulkanen, mijnen, meteorieten, of van de maan of Mars. Hier komt het aan op de kleinste verschillen in concentratie, die, net als de watermonsters van de Polarstern-expeditie, niet door kruiscontaminatie tijdens de monstersverwerking mogen worden vervalst. De metaalvrije constructie van het cleanroom en de aanwezige metaalvrije werkstations garandeert omstandigheden die bij conventionele laboratoria niet altijd kunnen worden gerealiseerd. Het zogenaamde monsterprepproces met behulp van sterk geconcentreerde zuren tast metalen oppervlakken aan, waarbij uitstromende metaaldeeltjes in de lucht terechtkomen en zich op monsters vormen, waardoor deze onbruikbaar worden. In een metaalvrij, zuurbestendig monsterverwerkingsinstallatie is dit niet het geval.

Gelijktijdig speelt de bescherming van personeel een belangrijke rol. De regeltechniek is ingebouwd in een veiligheidsketen en bewaakt continu parameters zoals de kamertemperatuur en de afzuigstroom. Bij overschrijding van grens- en alarmwaarden wordt een alarm geactiveerd en worden, afhankelijk van de veiligheidsketen, veiligheidsrelevante apparaten permanent uitgeschakeld.

Besparen op bedrijfskosten met slimme ruimte- en installatiesturing

In tijden van stijgende bedrijfskosten wordt ook een slimme en efficiënte ruimte- en installatiesturing steeds belangrijker voor installateurs en operators. De besturing van MK Versuchsanlagen regelt hierbij dynamisch het luchtbeheer van de gehele ruimte en de afzonderlijke installaties, gescheiden van elkaar. Zo wordt verzekerd dat een efficiënte ventilatie zorgt voor de hoogste reinheid op de werkplek. Als de ingebouwde sensoren bijvoorbeeld inactiviteit detecteren bij een werkstation, wordt de voorplaat gesloten en wordt de luchtstroom verminderd. Energiebesparingen tot wel 50 procent zijn mogelijk.

Daarnaast zorgen andere interfaces ervoor dat gegevens en meldingen van de hogere veiligheidssystemen, zoals gebouwmeldsystemen, rookmelders en brandmelders, worden doorgegeven aan de gebruiker en worden geïntegreerd in de veiligheidsketen. Bij integratie in een netwerk kan de gebruiker via een VNC-toegang het beheer van de ruimte- en installatiesturing uitvoeren. Door de MK-besturing aan het internet te koppelen, is ook een remote diagnose mogelijk en kunnen software-updates worden geïnstalleerd zonder dat een technicus ter plaatse hoeft te zijn. De toegang verloopt via een veilige VPN-verbinding.

Zoals deze voorbeelden laten zien, biedt MK Versuchsanlagen met zijn kant-en-klare containerlaboratoria zowel de wetenschap als de industrie de mogelijkheid om op een kleine ruimte groots te doen. Het idee om verplaatsbare en op maat gemaakte metaalvrije laboratoria in containers in te richten, kent geen grenzen. Of het nu op land, water of in de lucht is, de inzetmogelijkheden lijken eindeloos.