Labormanagement: Wenn Analysegeräte sprechen lernen…

Das Internet der Dinge erobert das chemische Forschungslabor

  • Abb. 1: Integrierung von Schlüsselgeräten in die dial-a-device-Plattform: Integrierte Analysegeräte werden durch blau ausgefüllte Felder dargestellt. Ein weißer Hintergrund kennzeichnet bereits publizierte Arbeiten, grau hinterlegt wurden die Felder der Geräte, deren Implementierung in diesem Artikel beschrieben wird.Abb. 1: Integrierung von Schlüsselgeräten in die dial-a-device-Plattform: Integrierte Analysegeräte werden durch blau ausgefüllte Felder dargestellt. Ein weißer Hintergrund kennzeichnet bereits publizierte Arbeiten, grau hinterlegt wurden die Felder der Geräte, deren Implementierung in diesem Artikel beschrieben wird.
  • Abb. 1: Integrierung von Schlüsselgeräten in die dial-a-device-Plattform: Integrierte Analysegeräte werden durch blau ausgefüllte Felder dargestellt. Ein weißer Hintergrund kennzeichnet bereits publizierte Arbeiten, grau hinterlegt wurden die Felder der Geräte, deren Implementierung in diesem Artikel beschrieben wird.
  • Abb. 2: Anbindung des Heizrührers (IKA, RET control-visc) über das Beaglebone im Anwendungsfall Glove-Box. Das linke Panel zeigt die Steuerung des Heizrührers innerhalb der Glove- Box (hier durch ein handelsübliches Low-Cost-Tablet). Im Panel rechts sind die Werte auf Tablet und IKA-Heizrührer vergrößert dargestellt.
  • Abb. 3: Anbindung einer Dosiereinheit (Simdos 02, KNF-Neuberger) via Beaglebone (hier als Unterbau des Simdos gezeigt, linkes Bild).

Labormanagement - Viele Arbeitsweisen, die in industriellen Laboren längst etabliert sind und den täglichen Arbeitsablauf erleichtern, sind in chemischen akademischen Forschungslaboren noch nicht oder sehr selten anzutreffen. Ein Grund hierfür sind die fehlenden Mittel an Universitäten und Hochschulen, um die nötige Infrastruktur aufzubauen oder aber Systeme kommerzieller Anbieter einzuführen. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeiten Wissenschaftler gemeinsam mit Partnern aus der Industrie an einem Projekt zur Modernisierung der Arbeitsweise in chemischen Laboren. Das Ziel ist, Informationstechnologien zu entwickeln, die sowohl eine zeitgemäße Gerätesteuerung als auch die effiziente Informationsverarbeitung ermöglichen.

Ein Beispiel für solche flächendeckend nicht vorhandenen Infrastrukturen sind elektronische Laborjournale (ELN) oder Laborinformations- und Management Systeme (LIMS). Die Projekte Chemotion und dial-a-device sollen dieses grundsätzliche Defizit sowohl für die Forscher in Karlsruhe als auch für alle weiteren interessierten Forschergruppen reduzieren, indem auf Basis von Open Source Komponenten moderne Technologien im Bereich der Laborautomation entwickelt werden. Das Open Source Konzept ermöglicht hierbei allen Forschern, aus dem Projekt unmittelbaren Nutzen zu ziehen. Es erlaubt darüber hinaus die Mitarbeit der Community und die leichte Anpassung der entwickelten Anwendung an vielfältige Szenarien, indem es das Konzept des Internets der Dinge für eine neue Arbeitseffizienz in vernetzten akademischen Forschungslaboren nutzt.

Anforderungen an ein Forschungslabor
Die Anforderungen an ein erfolgreich arbeitendes Forschungslabor können sehr einfach definiert werden. Die Aktivitäten der einzelnen Forscher müssen auf verlässlichen Ergebnissen beruhen, die Resultate müssen nachvollziehbar sein und als Basis für eine exakte Interpretation und detaillierte Dokumentation möglichst einfach und schnell zur Verfügung stehen.

Die Dokumentation hat einen besonders hohen Stellenwert, denn die Verweildauer der Forscher in den Universitäten ist kurz und der Erfolg langjähriger Projekte hängt wesentlich von der Informationsweitergabe und damit dem Informationsmanagement ab. Ein modernes und erfolgreiches Forschungslabor –industriell oder akademisch– ist daher darauf angewiesen, sich zu strukturieren und Daten konsequent zu übermitteln.

Konsequenz durch Plattform-Integration
Die Forscher der Gruppe von Professor Stefan Bräse am KIT setzen auf ein einfaches Konzept um eine für Forschungslabore leicht zugängliche und strukturierte Management- Lösung zu entwickeln:

Eine IT-Plattform, in der die Laborund Analysengeräte über moderne Softwareschnittstellen kommunizieren und in einer zentralen Laborsteuerung eingefasst sind, vereint sowohl die Planung als auch die Durchführung, die Kontrolle und die Datenerfassung im chemischen Labor. Ziel ist es, den elektronischen Datenfluss an keiner Stelle zu unterbrechen, sodass alle Synthese- bzw. Analyse-Vorgänge konsequent nachvollziehbar sind. Durch eine klare Strukturierung der Informationen in einem integrierten ELN und die Möglichkeit zur Suche nach den erhaltenen Ergebnissen sowohl für den Forscher selbst als auch für berechtigte Projektteilnehmer wird die Verfügbarkeit und die Zugänglichkeit der Daten zu jeder Zeit garantiert. Um den Informationsaustausch innerhalb der Plattform zu ermöglichen, sind die beteiligten Laborund Analysengeräte durch moderne Web- Technologien vernetzt und in einer zentralen Laborsteuerung eingefasst. Mittels Webbrowser wird es ermöglicht, Befehle zu senden und Rückdaten zu empfangen. So wird ein ständiger Informationsaustausch in Echtzeit erreicht (Abb. 1). Die Datenerfassung wird hierbei automatisch von dem ELN-Modul übernommen. Da dial-a-device als Open Source entwickelt wird, steht die Plattform jedem Forscher zur Verfügung. Die modulare Struktur bietet hier die Möglichkeit sehr flexibel auf die Anforderungen des jeweiligen Labors einzugehen und die nötigen Komponenten bereit zu stellen. Voraussetzung zur Erstellung einer solchen Infrastruktur ist jeweils die Verwendung der Basis-Plattform (dial-a-device) welche alle Grundfunktionen wie z.B. ein elektronisches Laborjournal beinhaltet.

Integration von Heiz-und Rührfunktionen
Manuelles Eintragen von Reaktionsdetails gehört häufig noch zum Laboralltag und bildet eine oft unterschätzte Fehlerquelle, welche die Qualität der Forschung beeinträchtigen kann. Bisher konnte bereits über die Anbindung von Vakuumpumpen, einer Waage und eines Rotationsverdampfers berichtet werden. Diese Ergebnisse wurden vor kurzem durch die Anbindung eines Heizrührers und einer Dosierpumpe ergänzt. Für beide Geräte wurde ein Verfahren gewählt, wonach diese durch ein mit dem Gerät verbundenes Beaglebone mit der Webanwendung verknüpft werden. So können Befehle in nahezu Echtzeit vom Webbrowser an das Gerät gesendet und Rückdaten aufgezeichnet werden. Das Beaglebone stellt hier als kostengünstiger Embedded-Linux-Rechner alle notwendigen Komponenten eines PC-Boards zur Verfügung. Es ist mit 86x53 mm sehr klein, hat eine extrem geringe Leistungsaufnahme von wenigen Watt und ist sehr kostengünstig zu beschaffen. Durch einmaligen Download und Installation einer Software wird es einsatzbereit und kann am Gerät über einen USB-Port oder ein RS232- Interface angeschlossen werden. Durch die Netzwerkverbindung des Beaglebones können die Geräte in eine Webanwendung integriert werden und ermöglichen eine Nutzung der einzelnen Geräte im Internet der Dinge.

Bei der Durchführung von Standard- Reaktionen in einem chemischen Labor ist der Heizrührer ein zentrales Element der Chemiker. Die Einstellungen dieses Gerätes können über den Verlauf und den Erfolg von Reaktionen wie kein anderes Instrument entscheiden und sind daher eine wichtige Informationsquelle bei der Erstellung einer modernen Synthese-Management-Plattform. In Zusammenarbeit mit der Firma IKA, deren Angebot kürzlich um einen Heizrührer mit RS232- und USB-Schnittstelle mit intelligenter Steuerungslogik erweitert wurde, konnte ein Konzept zur Erfassung, Weitergabe und Zuweisung für Daten aus Geräten mit Heizund Rührfunktion erarbeitet werden. Reaktionsdaten wie Temperatur, Reaktionszeit und Rührgeschwindigkeit können über ein Webinterface exakt der entsprechenden Reaktion im elektronischen Laborjournal zugewiesen werden. Die erhaltenen Reaktionsdaten, welche durch den Heizrührer (hier RET controlvisc) erstellt werden, können sehr schnell auch bei kurzen Reaktionen sehr komplex werden. Hier spielt besonders die Reaktionsführung bei verschiedenen Temperaturen oder die Unterbrechung der Reaktionsführung eine große Rolle, welche bei exakter Dokumentation häufig nicht in einem Wert wiedergegeben werden kann. Daher wurde zur Erfassung von Reaktionsdaten aus einem Heiz- und Rührsystem ein Verfahren gewählt, durch dass die erhaltenen Reaktionsparameter als Dokumentationsdatensatz an die ausgewählte Reaktion angefügt werden können. Die Auswertung dieser Reaktionsanalyse kann dabei manuell vorgenommen werden oder automatisch durch vordefinierte Werte wie Gesamtdauer oder Höchsttemperatur abgefragt werden. Neben der Dokumentationsfunktion bietet die Web- Anbindung der Synthesegeräte die Möglichkeit zur Fernsteuerung über PCs und Android- Geräte wie Tablets oder Smartphones. Durch die Anbindung der Beaglebones über eine WLAN-Verbindung kann auf einfachste Weise eine Bedienung der Geräte auch an schwer zugänglichen Orten eingerichtet werden. Eine Standardanwendung für solch einen schwer zugänglichen Ort ist für den Synthesechemiker z.B. die Glove-Box. In der Gruppe Bräse ist man in der Lage, Heizrührer, welche in der Glove-Box eingesetzt werden, durch Zugriff von außen via Tablet-PC zu steuern und schafft so die Möglichkeit, schnell, exakt und ohne Mühe in ein abgeschlossenes System einzugreifen und Daten abzurufen (Abb. 2). Neben der Bedienung in der Glove-Box ermöglicht die Fernsteuerung eine Reaktionsführung durch Temperaturintervalle und lässt die Überprüfung der Apparaturen z.B. auch nach einem Stromausfall aus der Ferne zu.

Integration von Dosierfunktionen In einem weiteren Unterprojekt wurde eine Dosiereinheit durch Anbindung mit einem Beaglebone in die dial-a-device-Plattform integriert. Auch hier kann jeder interessierte Benutzer der Dosiereinheit, in diesem Falle Simdos 02 der Firma KNF, die gleiche Anwendung nutzen (Abb. 3). Die Einbindung der Dosiereinheit für Flüssigkeiten wird vergleichbar mit der Anwendung im Fall Heizrührer über eine Integration der Reaktionsdatensätze in das ELN realisiert. Zusätzlich wird der Absolutwert des zudosierten Volumens in ml an den Reaktionsplaner des ELNs weitergegeben. Beim Zudosieren des Startmaterials oder eines Reagenzes kann hier die exakte, vom Gerät gemessene Menge an Lösung oder Reagenz protokolliert und die Nachfolgeschritte angeglichen werden. Die Berechnung für einen Dosiervorgang selbst kann auf Wunsch bereits vorher im Reaktionsplaner vorgenommen werden. In diesem Falle wird der generierte Auftrag an die Dosiereinheit weitergegeben und der Vorgang gestartet.

Im Rahmen des Chemotion-Projektes sollen kleineren Laboren und Universitäten Softwarelösungen zur Verfügung gestellt werden, die eine moderne Arbeitsweise mit neuen Technologien der Laborautomation ermöglichen. In jüngster Vergangenheit konnte in Kooperationsprojekten des KIT mit Laborgeräteherstellern eine Plattform entwickelt werden, welche als Basis für ein synthetisches Labor mit Automation aus dem „Internet der Dinge“ operiert. Darüber hinaus freut sich die Gruppe Chemotion auch in Zukunft auf interessierte Kooperationspartner sowohl von industrieller als auch von akademischer Seite.

Autoren:
Dr. Dominic Lütjohann,
Dr. Nicole Jung,
Pierre Tremouilhac,
Prof. Dr. Stefan Bräse,
Karlsruhe Institut für Technologie

Kontakt
Dr. Nicole Jung
Dr. Dominic Lütjohann
Institut für Organische Chemie
Karlsruher Institut für Technologie, Karlsruhe
nicole.jung@kit.edu
luetjohann@cubuslab.com

 

 

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76131 Karlsruhe
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Telefon: +49 721/6080
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