EP3930887A1 - Automatisierung von laborprozessen durch eine laborprozessunterstützungsvorrichtung - Google Patents

Automatisierung von laborprozessen durch eine laborprozessunterstützungsvorrichtung

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Publication number
EP3930887A1
EP3930887A1 EP20706327.2A EP20706327A EP3930887A1 EP 3930887 A1 EP3930887 A1 EP 3930887A1 EP 20706327 A EP20706327 A EP 20706327A EP 3930887 A1 EP3930887 A1 EP 3930887A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laboratory
control unit
handling system
support device
central control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20706327.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Dejmek
Peter Welter
Christoph SCHEMAINDA
Martin STAEHLER
Andreas Mueller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Original Assignee
HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co filed Critical HTE GmbH the High Throughput Experimentation Co
Publication of EP3930887A1 publication Critical patent/EP3930887A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B01J19/004—Multifunctional apparatus for automatic manufacturing of various chemical products
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/0099—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor comprising robots or similar manipulators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N2035/00178—Special arrangements of analysers
    • G01N2035/00326—Analysers with modular structure
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/00584—Control arrangements for automatic analysers
    • G01N35/00722—Communications; Identification
    • G01N35/00871—Communications between instruments or with remote terminals
    • G01N2035/00881—Communications between instruments or with remote terminals network configurations

Definitions

  • the invention relates to a laboratory process support device, a laboratory system with this laboratory process support device and a method for carrying out laboratory processes with the aid of the laboratory process support device.
  • the invention also relates to a program element and a computer-readable medium.
  • WO 2007/090665 A1 discloses a device for metering highly viscous liquids which comprises a plurality of metering modules arranged in a holder and a scale.
  • EP 1 546 735 B1 describes a work station for providing solid samples.
  • EP 915 341 A2 describes and claims a processing robot system for processing products.
  • the processing robot system is made up of different units that can be automatically coupled. Every single unit is equipped with a robot. By means of the processing robot system, the throughput can be increased compared to the systems known from the prior art.
  • WO 00/60361 describes a fully automated analysis system with integrated measuring devices which is used to analyze biomolecules. Different analytical methods of detection and analysis are integrated within the system.
  • US 2005/0101022 A1 describes an apparatus and a method for the automatic and sequential testing of catalysts.
  • the apparatus comprises a fixed experimental set-up with a large number of reactors that can be loaded with catalyst, as well as a reaction space with a reaction zone.
  • the reactors loaded with catalyst are stored in a holder and inserted into the reaction zone in a sequential manner. In the reaction zone, the reactors can be supplied with feedstock.
  • the apparatus also has a product collection and analysis system.
  • a modular transport system is described in WO 2013/1491 17 A2. Samples are transported between modules by means of the transport system. Different track sections are integrated into the modules, which form transverse track sections and sub-track sections. The modules can be connected and a suitable connection can be used to form a circumferential track that runs through a plurality of modules. The samples are transported along the continuous orbit and the one or more transverse track sections.
  • a first aspect of the invention relates to a laboratory process support device.
  • This laboratory process support device has a handling system and a central control unit.
  • the handling system is set up to operate a laboratory facility.
  • the handling system is also set up to handle a starting material, an intermediate product, a product and / or a reactor for a chemical process of the laboratory process.
  • the central control unit is set up to plan a laboratory process and to control the handling system accordingly, so that the handling system carries out the laboratory process or essential parts of it.
  • individual laboratory processes can be at least partially automated, or they can also be fully automated.
  • the handling system can be used to operate laboratory equipment for the laboratory process.
  • the partially automated operation or the fully Automated operation of a laboratory system by means of the laboratory process support device also offers the advantage that the laboratory processes can be carried out with the fume cupboard closed, on weekends and / or at night, and the presence of the user is no longer required.
  • the laboratory process support device can thus be advantageous due to safety aspects, since the user (laboratory technician) is protected from possible sources of danger by locking a laboratory fume cupboard. It is also advantageous that when the fume hood is closed, it is possible to place parts of the fume hood under an inert gas atmosphere, for example in order to handle substances that are sensitive to atmospheric oxygen.
  • laboratory processes or process steps of the laboratory process that were previously carried out manually can be automated by the laboratory process support device.
  • the laboratory process support device can have the central control unit and the handling system for this purpose.
  • the central control unit can plan the laboratory process and control the handling system accordingly to carry out the process steps of the laboratory process.
  • the hierarchical arrangement of several laboratory facilities to form a laboratory process by the central control unit can offer the advantage that it collects and manages all data centrally, from planning through implementation to the result.
  • the work areas of the laboratory fume cupboards can be equipped with cameras which monitor the ongoing laboratory process in visual form and transmit it to the central control unit.
  • a workflow (also known as a workflow) can be several laboratory processes that are functionally, spatially and temporally related.
  • laboratory process can be understood as a procedural step that is carried out in connection with the synthesis or analysis and / or handling of substances including the implementation of measurement and control processes on such substances.
  • the dimensions of laboratory processes are limited to quantities that can be carried out in a small space.
  • the laboratory equipment in the context of this invention can have the dimensions of table structures. Furthermore, these laboratory structures can also be set up in laboratory fume cupboards which have standardized dimensions without any technical effort.
  • the laboratory process support device can be characterized by great flexibility.
  • the laboratory process support device can thus be used in very different laboratory areas.
  • the laboratory process support device can be designed adaptively and the laboratory processes that can be carried out can be stored in the central control unit or in a database.
  • laboratory processes that have already been carried out can be taken into account when carrying out future work processes and orders so that they can be carried out again more efficiently.
  • the laboratory process support device can be trained on metering algorithms, which in turn can be material-specific.
  • the laboratory process support device can be capable of learning and the central control unit can store information about the individual laboratory facilities and the laboratory processes in a database.
  • the laboratory process support device is thus able to generate a knowledge database which can be of use to the user of laboratory processes, since the collected information can be exchanged, optimized and expanded.
  • the central control unit can plan the laboratory process with various laboratory equipment and can flexibly combine them into laboratory processes or sub-processes.
  • the individual laboratory equipment can be connected to one another and to the central control unit with a corresponding BUS system.
  • the laboratory equipment can use quick-release couplings for media connections, e.g. Provide water, electricity, or gases so that they can be quickly installed within a laboratory system.
  • the handling system is a handling robot with one arm.
  • the arm can have a manipulator at its end for operating laboratory equipment or for handling starting materials, intermediate products, products and / or reactors.
  • This manipulator can be a gripper, a pipette, a spatula, a suction cup, a spoon, an artificial hand, a screwdriver or a wrench.
  • the central control unit is set up to control the handling system in accordance with the planned laboratory process, to operate a sequence of several laboratory devices and / or to handle starting materials, intermediates, products and / or reactors for a chemical process of the laboratory process.
  • the laboratory process support device can be set up to control the handling system in accordance with the planned laboratory process, to operate a sequence of several laboratory devices and / or to handle starting materials, intermediates, products and / or reactors for a chemical process of the laboratory process.
  • the handling system has a sensor which is set up to collect measurement data about the handling system and / or about the laboratory process and to transmit them to the central control unit. Furthermore, the handling system can have a transmitter box for data which are collected by the handling system.
  • the Sensor can be a pressure sensor, a scale, a temperature sensor, a proximity sensor, a camera or a gyroscope.
  • the laboratory device is from the group consisting of a dosing unit, a laboratory balance, a stirring device, a heating device, a cooling device, a temperature measuring sensor, a pressure sensor, a level measuring sensor, a suction device, a filtration vessel, a reaction vessel, a separation unit, an analytical unit, a barcode scanner, a labeling machine, a sampling unit and / or a fluid distributor.
  • the central control unit can have stored configuration data and parameters for each available laboratory facility in order to plan a laboratory process and to control the handling system accordingly.
  • the handling system is set up to be taught in by a person in that the person guides the handling system to carry out a desired sequence of movements.
  • the central control unit is set up to store this movement sequence in order to subsequently control the handling system in accordance with the stored movement sequence.
  • Typical movement sequences can be, for example, the time-controlled operation of valves, starting agitator drives or operating pumps.
  • the programming of the handling system can constitute a significant part of the cost, so it is advantageous if the programming can be carried out quickly and easily by untrained users. Furthermore, the programming can take a long time, so that the flexibility and adaptability of the handling system is not guaranteed.
  • the present handling system can be taught-in directly by the user.
  • the user for example the laboratory assistant, can put the handling system into a "teaching" mode and carry out the desired sequence of movements of the handling system with it.
  • the user can take the handling system by hand and show the handling system the desired sequence of movements so that the handling system can carry out the laboratory process.
  • This movement sequence shown can be stored in the central control unit or the corresponding database so that the central control unit can control the handling system at a later point in time in accordance with this movement sequence.
  • camera-based systems can record the movement sequence of a user and the central control unit can control the handling system based on this to imitate this movement sequence, for example by means of “motion capturing”.
  • the central control unit is set up to receive an order for a laboratory process and the central control unit is set up to check whether the order can be carried out with the available laboratory equipment and the handling system. The central control unit is also set up to transmit the result of the check to the client.
  • the central control unit can first check an incoming order for a laboratory process for its feasibility with the available laboratory equipment. If the central control unit determines that the entire laboratory process cannot be carried out, the central control unit can inform the client of this so that the client can decide whether he wants a partial execution of the laboratory process or whether he wants to cancel the order.
  • the laboratory process support device has a display unit.
  • This display unit is set up to display information and / or instructions about the laboratory process to be carried out to a person.
  • the display unit can be, for example, a tablet, smart glasses or a projector.
  • the central control unit can thus display information relating to the laboratory process to be carried out to the user and thus instruct the user to arrange and / or operate certain laboratory facilities in a certain way. Furthermore, it can be indicated to the user whether the handling system is ready for operation and which steps it can carry out. "Augmented Reality” and “Virtual Reality” in particular can be used here. Furthermore, the cooperation between the laboratory process support device and the user can thus be improved.
  • the handling system is set up to independently carry out a laboratory process within a laboratory fume cupboard.
  • a laboratory process planned by the central control unit can thus be carried out in a completely automated manner by the laboratory process support device. Intervention by a user is not necessary here.
  • a fume cupboard is to be understood as a work cell or a protective cell with an extraction system.
  • the fume cupboard contains one or more protective panes which are movable and which can be opened or closed.
  • the opening and closing is automatically registered by the central control unit, for example the opening and closing is carried out automatically by the central control unit.
  • Characteristic for the dimensions of a laboratory fume cupboard are the dimensions of the work area or the area of use, which are given by the dimensions width, depth and height.
  • the laboratory system has a laboratory fume cupboard in which the dimensions for the area of use, ie the dimensions width, depth and height, are in the range of 900-3000 mm, 700-1500 mm and 800-1800 mm.
  • the dimensions are width and depth and height, in the range 1000 - 2200 mm, 800 - 1200 mm and 900 - 1500 mm.
  • the suction capacity of the suction system is, for example, in a range of 600 - 2200 m3 / h.
  • the suction power is also divided into minimum and maximum suction power, with the minimum suction power, for example, in the range of 600 - 1800 m3 / h and the maximum suction power in the range of 1500 - 2000 m3 / h.
  • the function of the extraction of the fume cupboard and the closure of the fume cupboard are also controlled by the central control unit.
  • the control of the function of the suction can be of great importance in order to control the accuracy of individual measuring devices.
  • the presence of air currents inside the fume hood can affect the accuracy of the weight determination.
  • the weighing is carried out automatically with the fume cupboard closed and the suction is switched off briefly for the time of the weighing in order to avoid interference.
  • the balance is provided with a housing which can be closed while the weighing is being carried out, as a result of which the interference caused by the suction can be minimized.
  • the starting material, the intermediate product and / or the product is in a container.
  • the handling system is set up to specifically remove the starting material, the intermediate product and / or the product from the container.
  • Educts, products or intermediates can be in liquid, solid, gaseous or powder form. They can also be stored in containers.
  • the handling system can be set up to also remove the starting materials, intermediate products or products stored within a container and feed them to the laboratory process.
  • the handling system can have means for removal from a container, for example a pipette, a spoon, a suction lifter or a spatula.
  • the central control unit is set up to plan the laboratory process and accordingly to select those for the laboratory process from a large number of laboratory devices.
  • the central control unit is also set up to control the handling system, to assemble the selected laboratory equipment for the laboratory process and to carry out the laboratory process.
  • a laboratory process planned by the central control unit can thus be carried out in a fully automated manner by the handling system.
  • a user is no longer required who arranges and / or operates the laboratory equipment.
  • Laboratory processes can also be carried out at night or on weekends.
  • the laboratory facilities available to the central control unit can be changed so that new laboratory processes are made possible.
  • the laboratory process support device can be adapted flexibly, easily and quickly to the current conditions of the laboratory.
  • Another aspect of the invention relates to a laboratory system.
  • the laboratory system has at least two laboratory devices and a laboratory process support device described above and below.
  • the at least two laboratory facilities are connected to one another by a laboratory process.
  • the laboratory process support device is set up to operate the at least two laboratory devices in accordance with the laboratory process and / or to handle the educt, the intermediate product, the product and / or the reactor for a process, in particular a chemical process, of the laboratory process in order to carry out the laboratory process.
  • the laboratory system can comprise a supply of different laboratory equipment, which can be arranged in different configurations to form a group of laboratory equipment.
  • the way in which they are arranged in groups of laboratory facilities and the way they are controlled means that laboratory processes can be combined and configured in different ways, so that different work processes can then be implemented with them.
  • the laboratory system is therefore characterized by a high degree of flexibility and low conversion costs.
  • a laboratory process can be planned on the basis of an order through the central control unit. This planning can include the required laboratory facilities and their arrangement. Furthermore, the central control unit can instruct the handling system to arrange the laboratory equipment in accordance with the laboratory process and to operate it accordingly, so that the laboratory process can be carried out by the handling system. For the implementation, the handling system can also handle or transport starting materials, products, intermediates and / or reactors. Alternatively or additionally, the central control unit can instruct the user to arrange the laboratory equipment and / or to operate it according to the planned laboratory process by means of a display unit. It should be noted that the handling system can also interact with the user, so that the handling system of the laboratory system carries out certain work steps or sub-laboratory processes and the user carries out the remaining work steps.
  • the laboratory system can have a laboratory hood which has the individual laboratory devices, the handling system and the central control unit. Furthermore, starting materials, products, intermediate products and / or reactors can also be stored within the laboratory system.
  • the laboratory system can also provide an extraction system so that gases produced in the laboratory process can be filtered and / or disposed of.
  • the handling system can be arranged outside the laboratory fume cupboard and transport starting materials to the laboratory fume cupboard or transport products away from the laboratory fume cupboard.
  • a handling system can be arranged inside the laboratory fume cupboard and a handling system outside the laboratory fume cupboard.
  • the fume cupboard can also have a protective pane which can be closed while the laboratory process is being carried out.
  • the central control unit can monitor the status of the protective pane, open or closed, or the central control unit can specifically control, open and close the protective pane.
  • the laboratory process support device has a program control unit which is connected to the central control unit.
  • process modules are stored in the program control unit which offer the user a library with a selection of different recipes and / or to which the user can add recipes.
  • the process modules can be software modules.
  • Technical modules can be stored in a process control of the program control unit.
  • the laboratory process support device can be designed to autonomously or partially autonomously carry out orders transferred to it by a user.
  • the laboratory process support can be set up to independently plan and / or carry out the necessary sub-steps or hand movements for each step of a sequence or a recipe or order transferred to it.
  • the laboratory process support device can, for example, be specified to carry out a specific chemical reaction.
  • the laboratory process support device can be set up to independently provide the starting materials, containers and laboratory equipment or facilities required for the reaction on the basis of the predetermined reaction and, for example, information stored in a database.
  • the laboratory process support device can independently measure the starting materials in the correct amount and mix them with one another, for example with shaking or stirring, wherein the handling system of the laboratory process support device can operate the starting materials, containers and / or laboratory devices or facilities.
  • the handling system can have a sensor system which is set up to record measurement data from an environment of the handling system.
  • These measurement data can have at least one optical recording.
  • the sensor system can have a camera.
  • it can also be a camera with data recording and image analysis.
  • the sensor system comprised optical detection and a force control unit, for example with a force limit sensor.
  • the force limiting sensor can make it possible for the handling system to allow safe interaction with people, so that direct cooperation of the handling system of the laboratory process support device with a person is possible without exposing the person to an increased risk potential.
  • the laboratory process support device can be set up to have a shutdown function, so that when the sensor system detects contact between the handling system and a person, the central control unit stops a movement of the handling system or at least limits a force exerted on the person.
  • the handling system can be set up to operate devices of a laboratory, in particular also to operate pushbuttons and / or switches.
  • the laboratory process support device is set up to learn process steps independently.
  • the laboratory process support device can enable a high level of reproducibility in process steps, since these can be carried out in a controlled manner. All process parameters and deviations can be recorded by the program control unit and / or the central control unit.
  • has the handling system has humanoid properties.
  • the handling system can be set up to operate or handle laboratory equipment, educts, products, devices, switches, measuring devices or vessels in a way that a human would do. In this way, commercially available devices or devices that are already available in the laboratory can be integrated into the process as with the associated process steps, without additional costly and time-consuming integration work.
  • the associated process steps or process modules can then be stored so that the program control unit can access them for process planning.
  • the otherwise necessary programming of device drivers for the connection to the program control and also for the export of measurement data is no longer necessary. The latter is made possible by optical recognition of measurement data on the device display with a camera, for example on the handling system.
  • the laboratory process support device or the handling system comprises an artificial intelligence (Kl).
  • This KI can be represented by an artificial intelligence module that is connected to the central control unit and / or the program control unit.
  • Properties of the K1 can be that the K1 is set up to recognize and store behavioral patterns, for example of a user, and thus, for example, to imitate human movements in a further implementation of a laboratory process. These movements can, for example, be a shaking movement when carrying out a filling process with the aid of a spatula.
  • the laboratory process support device can be set up to fill the product of the laboratory process into suitable containers for further testing or to apply it to substrates.
  • the handling system can be a handling robot with an arm that is set up to handle and / or operate a laboratory device, the laboratory device not being set up to be handled and / or operated by an automated or partially automated system.
  • the laboratory process support device according to the invention can be used, for example, in laboratories which are usually operated by human workers.
  • the laboratory facilities advantageously do not need any interfaces with which they are designed for automated operation, but can be operated and handled by the laboratory process support device according to the invention as a human worker would do.
  • the laboratory process support device can also work alongside a human worker in a laboratory and, for example, relieve him of routine activities.
  • the first example describes preparatory work for the testing of materials, for example catalysts in tubular reactors for process engineering.
  • This sequence is just one example out of a series of syntheses.
  • Other syntheses such as spray impregnation or precipitation reactions for producing the catalyst are also conceivable.
  • Sequence as it is created by the test manager with a program for recipe sequence control for catalyst synthesis as a logical sequence of instructions (order I in Fig. 6):
  • the second example describes preparatory work for testing coated flat substrates that are used to test materials for membrane separation processes, battery production, electrolysis or fuel cells or other electrocatalytic processes.
  • the possibility of surface inspection using structure-recognizing optical methods for quality assurance (sensor) should also be particularly emphasized. This particularly applies to substrates that have already been tested.
  • changes on the active surface in the so-called post-mortem analysis are often helpful in order to understand performance deficits during the test and then to incorporate these results into the automatic optimization of the process parameters (keyword feedback loop).
  • test specimens are often required for mechanical stress tests. Their geometry must be precisely defined.
  • the production of these specimens from fine granules or from powder can be carried out using a similar process as the substrate coating. For example, the drying step above is replaced by hot shaping and the powder is then applied in multiple layers in a mold.
  • the handling system could also insert polymer strands into a 3D printer, which then prints the specimens.
  • the laboratory devices are each connected to the central control unit, so that data are exchanged between the laboratory devices and the central control unit.
  • the central control unit is connected to a central database, for example a cloud server.
  • the laboratory process support device can also be accessed by means of remote access or cloud access.
  • a user, user (customer) or client can transmit an order to the central control unit via such a cloud access.
  • the data transmitted there can only be used for billing and data compression in this laboratory process and therefore the data does not leave the proprietary environment of the user.
  • Access via the cloud to the sequence control of the laboratory process can then also allow the user to remotely control the laboratory process (remote control) within defined safety limits for the laboratory process support device or the laboratory system on the basis of this proprietary information. This gives the user more direct process control and improves their data protection from competitors.
  • Cloud access can also be used to offer additional services (cloud services) that cannot be provided by the user himself, namely in the form of the following work packages: "Machine learning” based on existing historical user data and from this developing specifications for new test variants that Calculation of reaction kinetics based on conversion measurements, computer simulations of the temperature distribution in the reactors based on the calculated reaction kinetics and material flows (hot-spot simulation), statistically cleverly selected parameter ranges as specifications for new test plans (design of experiments).
  • the cloud access can be a control unit, a database or an interface to the central control unit. This cloud access can be available for a large number of laboratory processes, but each user can only view, evaluate and adjust the laboratory processes released for him. Furthermore, the cloud access can have several control units or databases that are distributed over different locations (worldwide).
  • the cloud access can, for example, be a server that can be reached via the Internet or another network and, in addition to the database capabilities, also provides high computing power that is otherwise inaccessible to the user, for example for complex ones Fluidic processes such as dynamic mass and heat transport processes in stirred reactors.
  • Another aspect of the invention relates to a method for performing a laboratory process with the aid of a laboratory process support device described above and below.
  • the procedure consists of the following steps:
  • the method for carrying out the laboratory process can include the configuration of laboratory equipment, wherein laboratory equipment is selected and compiled in order to map a laboratory process.
  • the laboratory equipment can be configured via the central control unit.
  • steps of the method can also be carried out in a different order or simultaneously. Furthermore, there can be a longer period of time between individual steps.
  • Another aspect of the invention relates to a program element which, when executed on a central control unit of a laboratory process support device, instructs the laboratory process support device to carry out the steps of the method described above and below.
  • a further aspect of the invention relates to a computer-readable medium on which a program element is stored which, when it is executed on a central control unit of a laboratory process support device, which
  • Fig. 1a shows a schematic representation of a laboratory system in basic form according to a
  • Fig. 1 b shows a schematic representation of a laboratory system for a first
  • Fig. 1c shows a schematic representation of a laboratory system for a second
  • FIG. 2a shows a schematic representation of a laboratory system with an external one
  • FIG. 2b shows a schematic illustration of a laboratory system with an internal and an external handling system according to an embodiment of the invention.
  • 2c shows a schematic representation of a laboratory system with an external one
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a laboratory system with a closed
  • Fig. 4a-e shows a schematic representation of a laboratory system in different
  • FIG. 5 shows a flow chart for a method for performing laboratory processes according to an embodiment of the invention.
  • Fig. 6 shows a schematic sequence of the method for performing
  • FIG. 7 shows a schematic sequence of the method when carrying out a
  • FIG. 8 shows a further schematic sequence of the method for carrying out laboratory processes according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 a shows the schematic representation of a laboratory process support device 2.
  • This laboratory process support device 2 has a handling system 3 and a central control unit 5.
  • this laboratory process support device 2 can be part of a laboratory system 1, which further comprises a laboratory fume cupboard 6 and a suction device for the laboratory fume cupboard 7.
  • one or more laboratory equipment (s) 4 can be present within the laboratory fume cupboard 6.
  • These laboratory devices 4 can be arranged in a certain way in order to carry out a laboratory process, which is discussed in more detail in the following figures.
  • the handling system 3 is set up to operate a laboratory device 4 within the laboratory fume cupboard 6 if this is necessary for the laboratory process to be carried out.
  • the laboratory process can be planned by the central control unit 5, which in turn is set up to instruct the handling system 3 to operate the corresponding laboratory equipment 4 and / or to handle an educt, a product, an intermediate product and / or a reactor and deliver it within the laboratory fume cupboard 6 transport.
  • the laboratory facilities 4 can be selected from a large number of possible devices, sensors and tools, for example the laboratory facility 4 can be a dosing unit, a laboratory scale, a stirring device, a heating device, a cooling device, a temperature measuring sensor, a pressure sensor, a level measuring sensor, a suction device Filtration vessel, a reaction vessel, a separation unit, an analysis unit, a barcode scanner, a labeling machine, a sampling unit and / or a fluid distributor. It should also be noted that the handling system in FIG. 1 a is designed as a handling robot with one arm.
  • This arm can, for example, have a gripper or tongs at its end in order to operate the laboratory equipment 4 and / or to handle the educt, the product, the intermediate product and / or the reactor and to transport it within the laboratory hood 6.
  • the handling system 3 can independently carry out the laboratory process planned by the central control unit 5 or can also collaborate with a user (laboratory assistant). For example, laboratory processes which can be dangerous for a person can be carried out independently and in the absence of the user by the handling system 3.
  • the handling system can also carry out partial laboratory processes or can cooperatively support the user in some laboratory processes, e.g. in that the handling system 3 presents the user with certain laboratory equipment, starting materials, products, intermediate products and / or reactors.
  • the handling system 3 itself can have sensors which collect measurement data about the handling system 3 or the laboratory process carried out and transmit or transmit these to the central control unit 5.
  • test specimens can be produced using an instruction-controlled, automated synthesis route through a recipe-controlled handling system 3, which supports, imitates and / or executes the manual processes of the laboratory process.
  • the handling system 3 can be trained, so that the handling system 3 frequently performs repetitive motion sequences can.
  • the user can teach in directly.
  • a series of activities is carried out in a movement sequence with the manually guided handling system 3 (laboratory process). These activities include, for example, picking up and removing objects, operating laboratory equipment 4 or metering media into vessels.
  • the beginning and end as well as the position at which this activity is to take place are transmitted to the central control unit 5 and stored there as a sequence of movements for a future automatic sequence.
  • camera-supported AR Augmented Reality
  • camera-supported AR Augmented Reality
  • this combination also allows manual processes to be recorded using software for detecting motion processes (motion capturing) and transmitting this manual process to the handling system 3, which processes them then automatically executes.
  • FIGS. 1 b and 1 c relate to the production of solid products.
  • FIG. 1 b essentially shows the laboratory system 1 according to FIG. 1 a, but in FIG. 1 b several laboratory devices 4 have been put together or grouped to form a laboratory process. Furthermore, no suction device for the laboratory fume cupboard is shown in FIG. 1 b, which illustrates that the suction device is optional for the laboratory fume cupboard 6.
  • the specific arrangement of laboratory devices 4 to form a laboratory process 8 can either have been effected by the handling system 3, or the laboratory devices 4 were arranged by a user so that a laboratory process can be carried out.
  • FIG. 1 b shows that educts 12 and products 13 which are required for the laboratory process to be carried out or which are produced by the laboratory process can also be stored within the laboratory fume cupboard 6.
  • the starting materials 12 and products 13 can also be stored in containers and the handling system 3 can open and close the containers and remove the substances from them.
  • the handling system 3 can also have a pipette or a spatula in order to remove the starting materials 12 or the products 13 from the containers.
  • the laboratory process can be carried out independently by the handling system 3, or the handling system 3 partially carries out the laboratory process.
  • the central control unit 5 can instruct or control the handling system 3 to carry out the laboratory process, e.g. the central control unit 5 can instruct the handling system to operate a sequence of several laboratory devices and / or to handle several educts 12, products 13, intermediates or reactors.
  • a user can advantageously teach-in the handling system 3 by showing the desired sequence of movements to the handling system 3, for example by placing the handling system 3 in a "teach-in mode" and then executing the sequence of movements with the handling system (taking it by hand) .
  • the central control unit 5 can store this movement sequence and at a later point in time the central control unit 5 can control the handling system 3 in accordance with the taught-in movement sequence.
  • FIG. 1 b shows a group 8 (arrangement of laboratory equipment 4) of laboratory equipment 4, which comprises four laboratory equipment 4, for example a precipitation station, a centrifuge unit, a drying unit and a pelletizing unit. In the first process stage, the liquid starting materials are precipitated and solids are generated from these, which are in the precipitation solution.
  • the solids are separated from the solution.
  • the precipitation solution is transferred to centrifuge beakers, these centrifuge beakers are then inserted into the holder of the centrifuge and this is then subjected to centrifuge operation.
  • the solids are deposited on the bottom of the beakers. The liquid above the sediment is separated off and the solid is separated off. The dried powder can then be pelletized.
  • the dimensioning of the scale of the laboratory process is determined by the laboratory facilities 4 used, which are available to the laboratory system 1 and which are arranged under the laboratory hood 6.
  • the centrifuge unit is designed in such a way that it can be equipped with a total of four centrifuge buckets, each with a capacity of 100 mL.
  • the treatment of the solution obtained during the precipitation for the separation of solids is limited to a total of 400 mL per centrifuge run.
  • the corresponding parameters for the individual laboratory facilities 4 can be stored in the central control unit 5. These parameters are taken into account by the central control unit 5 when planning the laboratory process.
  • the central control unit 5 is thus able to match the throughput when carrying out the method to the individual laboratory facilities 4.
  • the central control unit 5 can inform the user about the duration of the laboratory process and the necessary starting materials (starting materials), this taking into account the operating parameters that can be selected by the user and that can be changed or adapted by the user.
  • starting materials the operating parameters that can be selected by the user and that can be changed or adapted by the user.
  • the central control unit 5 collects and stores the measurement and control parameters that are characteristic of the individual laboratory processes.
  • the central control unit 5 thus keeps a log which is stored in the database and can be called up by the user.
  • the information contained in the protocol is important in order to rework process steps at a later point in time, to identify errors or influencing variables which are important for the parameter space under consideration.
  • An example of this is the duration and temperature when the solid is stored in the To name precipitation solution before the separation.
  • the storage conditions can trigger aging effects, which can influence the catalytic properties of the solid.
  • FIG. 1 c shows a specific arrangement of laboratory equipment 4 for a further laboratory process 9, which differs from the arrangement shown in FIG. 1 b.
  • the laboratory facilities 4 present in the laboratory fume cupboard 6 can thus be put together in a wide variety of ways, depending on which laboratory process is to be carried out or how the central control unit 5 plans the laboratory process.
  • a group 9 (arrangement of laboratory equipment 4) of three laboratory structures is shown, which comprises, for example, a precipitation unit, a filtration unit and a calcination unit.
  • a solid is precipitated in the first laboratory process.
  • the solid is separated from the liquid from which the solid was precipitated by filtration.
  • no information about the duration of the filtration process was initially stored in the database of the central control unit 5.
  • Influencing variables that influence the duration of the filtration process are the type of precipitate that is generated during the precipitation process and the process parameters during the filtration step.
  • the central control unit 5 also stores the data on newly carried out experiments in the database in a retrievable manner and is also able to take this added information into account in the planning for further experiments. Furthermore, the central control unit 5 can make the corresponding information available to the user. It is conceivable that the use of special filters with a certain pore size is important to ensure that solids are retained and blockages are avoided.
  • a process step e.g. in a calcination unit, outside the fume cupboard.
  • the calcination unit is also stored as a laboratory device in the database of the central control unit 5.
  • the user of the laboratory system is informed of the point in time at which the samples and / or the products are ready for calcination.
  • the central control unit 5 can monitor at least the duration of the calcination and the calcination unit can record the data during the calcination and store it in the database or transmit the data to it.
  • Figure 2a shows a further embodiment of the invention.
  • the handling system 3 ' is arranged outside the fume cupboard 6, which is referred to here as an external handling system 3'.
  • the external handling system 3 ′ can thus transport starting materials to the laboratory hood 6 or products away from the laboratory hood 6.
  • a handling system can also be arranged inside the fume cupboard and a handling system 3 ′ outside the fume cupboard 6. This is also shown in Figure 2b.
  • the central control unit 5 can here both, the handling system 3 and the external Control handling system 3 '.
  • a movable protective pane 11 for the selective closure of the laboratory fume cupboard 6 is also shown in FIG. 2b.
  • the fume cupboard 6 can thus be locked from the environment so that no substances can escape uncontrolled from the fume cupboard 6.
  • Figure 2c shows the embodiment according to Figure 2b with a closed protective pane 1 1.
  • the handling system 3, 3‘ is arranged on wheels and can be moved.
  • the handling system 3 positioned in the laboratory fume cupboard cannot be moved, but rather is arranged in a fixed position within the laboratory fume cupboard 6.
  • laboratory system and method according to the invention can also be combined with laboratory processes which are carried out outside a laboratory fume cupboard 6.
  • FIG. 3 shows a laboratory fume cupboard 6 described above and below, the laboratory fume cupboard or the laboratory equipment 4 present in this laboratory fume cupboard 6 and / or the handling system having a wireless connection 10 to the central control unit and / or to a central database.
  • This wireless connection 10 can take place via WLAN or Bluetooth, for example, so that secure, fast and standardized data transmission can take place.
  • Figures 4a to 4e show various designs of laboratory fume cupboards 6.
  • the symbols shown in the laboratory fume cupboards 6 represent different laboratory facilities 4a-4g.
  • Figure 4a shows a first embodiment in which the laboratory fume cupboard 6 has a dosing unit 4a, for example a laboratory scale, a process unit 4e and associated valve 4b, pump 4c, temperature control 4f and measuring technology 4d, for example analysis technology.
  • the fume cupboard 6 can have a barcode scanner 4g.
  • These laboratory devices 4a-4g can be controlled by the central control unit 5 and, if necessary, exchange data or information with it.
  • the fume cupboard 6 according to FIG. 4a can have a display unit 14 for further information.
  • additional information can be displayed to the user of the fume cupboard 6 or the laboratory technician via a tablet, smart glasses or a projector.
  • the operation can already be (partially) automated in that the process sequence and the process parameters are automatically transmitted to the user.
  • the reaction space itself can be formed by the laboratory facilities 4a-4g.
  • Typical process units 4e can be tubular reactors, stirred tanks, apparatus for separating or combining substances and converting energy. It should be noted that non-automated laboratory setups are usually set up by the user himself and are also operated manually, but the display unit 14 can facilitate and improve the laboratory process.
  • These laboratory set-ups 4a-4g themselves are usually equipped with only a little automation, since they are usually used for a short time operated laboratory processes, the costly and time-consuming engineering required for automation should be avoided.
  • FIG. 4b shows an embodiment of the invention in which a handling system 3 has been added to the laboratory fume cupboard 6.
  • the laboratory process can thus be further automated.
  • the handling system 3 can in this case directly imitate the manual operation in order to carry out the laboratory process or parts thereof.
  • the handling system 3 can operate valves, weigh in solids (with a conventional laboratory balance 4a) or perform an optical check of the fill level in a process unit 4e (with an optional sensor on an arm of the handling system 3).
  • the central control unit 5 can map a sequential sequence of activities (laboratory process) and control the handling system 3 accordingly to carry out these activities.
  • Conventional recipe flow control software can also be used here, since the laboratory process is based on manual execution by a user.
  • FIG. 4c shows a laboratory fume cupboard 6 according to FIG. 4b with a suction device 7, which can suck off gases produced in the laboratory process and safely dispose of or filter them.
  • the laboratory fume cupboard 6 can also be realized by flexible frame racks based on a modular assembly kit with screwable metal profiles. It should be noted that the processes can often involve syntheses of a large number of different materials (test specimens), which are then evaluated within the framework of an overarching workflow using methods of high-throughput technology.
  • FIG. 4d also shows a fume cupboard 6, which also has a wireless connection 10 to the central control unit and / or to a central database 15.
  • the central database 15 can be configured as a cloud which can be reached via the Internet.
  • the embodiment shown in FIG. 4d can have a transmitter box which collects the data collected within the fume cupboard 6, such as measured values and analysis results, and can transmit these as a whole to the central control unit and / or the central database 15.
  • the dimensions of the fume cupboard 6 can correspond to standardized dimensions for fume cupboards. This is shown by the two dimensions a and b, so that a retrofit of existing laboratories is also possible by exchanging the manual fume cupboards for the laboratory systems mentioned here, which are offered in the same geometric grid dimension.
  • Such a grid dimension can easily be found, since prints are usually offered with fixed depth and height dimensions a but flexible width dimensions b.
  • the proposed construction takes this flexibility into account in one dimension.
  • suitable software interfaces can be defined so that data can be exchanged with the central database 15. This is done, for example, by means of a wireless connection 10, for example via a router built into the fume cupboard or the transmitter box, in order to avoid laying network cables and to facilitate direct communication with the handling system 3.
  • the central database 15 can be implemented as a cloud solution with storage and computing capacity for evaluating large Amount of data. This central database can also evaluate the data received and recognize patterns in this. Neural networks and artificial intelligence can also be used here.
  • FIG. 4e shows an embodiment in which the fume hood 6 has a switch cabinet 16 which ensures the power supply within the fume cupboard 6 and which can have the transmitter box for the wireless transmission of the data to the central control unit 5.
  • FIG. 5 shows a flow chart for a method for carrying out laboratory processes with the aid of a laboratory process support device described above and below.
  • a central control unit receives an order to carry out a laboratory process.
  • the central control unit plans the laboratory process to be carried out on the basis of the order.
  • the central control unit 5 selects the laboratory equipment required for this laboratory process from a large number of laboratory equipment in step S3.
  • the individual laboratory equipment is then arranged in step S4 in accordance with the laboratory process.
  • This arrangement can be carried out manually by a user under the guidance of the central control unit, for example via a display unit, or independently by means of a handling system.
  • the laboratory process is then carried out with the aid of the handling system in step S5.
  • the handling system can carry out parts of the laboratory process or else carry out the entire laboratory process automatically.
  • the data generated when the laboratory process is carried out is stored in a database of the central control unit.
  • Figure 6 shows the schematic sequence of the method for carrying out laboratory processes, in which an order I is forwarded to the central control unit, which checks the feasibility II of the order and, depending on the feasibility, either returns information III to the client or the execution IV of the Order prepared. While the order is being carried out, the work area is transferred to an operating state, with selected laboratory equipment from the storage area V being arranged in a special arrangement VI for a selected group of laboratory equipment. It is possible that the components can be arranged in a large number of groups of laboratory facilities.
  • the four groups VI.1 to VI.4 are shown for illustration.
  • the laboratory equipment required for the laboratory process can be arranged in the respective arrangement required for the laboratory process.
  • the Arabic numerals in the laboratory equipment of the respective process steps VI-1 to VI-4 symbolize the laboratory equipment used.
  • Different laboratory facilities or the same laboratory facilities can occur several times in a laboratory process.
  • the sub-process or the process step which is represented by the thick, curved arrows, can then be carried out successively for each laboratory facility.
  • the result of the laboratory process is output; this is symbolized by the black arrow pointing to the right.
  • the arrangement of laboratory equipment can be reset to the initial state and the individual Laboratory facilities can be dismantled. This is symbolized by the black arrow pointing downwards.
  • the white double arrow represents the regeneration, cleaning or replacement of the individual laboratory equipment; this may be necessary in order to start a new laboratory process.
  • FIG. 7 shows the schematic sequence of the method for carrying out laboratory processes, the method including a dialogue l.b with the client, which relates to the implementation IV.b of parts of the order.
  • FIG. 8 shows a further schematic sequence of the method for carrying out laboratory processes, which corresponds to the scheme shown in FIG.
  • the implementation is designated IV. N.
  • the method according to FIG. 8 has several laboratory devices in the storage area Vn. With the increased selection of laboratory equipment, it is possible to accommodate a larger number of different groups VI. n to be assembled with laboratory set-ups. At the same time, the information is also stored in the central control unit that the laboratory system enables a larger number of laboratory processes due to the larger number of laboratory facilities. This means that the fume cupboards can be flexibly adapted to the respective tasks and expanded if necessary.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2). Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) weist ein Handhabungssystem (3) und eine zentrale Steuereinheit (5) auf. Das Handhabungssystem (3) ist dazu eingerichtet, eine Laboreinrichtung (4, 4a-4g) zu bedienen. Das Handhabungssystem (3) ist ferner dazu eingerichtet, ein Edukt (12), ein Zwischenprodukt, ein Produkt (13) und/oder einen Reaktor für einen chemischen Prozess des Laborprozesses handzuhaben. Die zentrale Steuereinheit (5) ist dazu eingerichtet, einen Laborprozess zu planen und das Handhabungssystem (3) entsprechend zu steuern.

Description

Automatisierung von Laborprozessen durch eine Laborprozessunterstützungsvorrichtung Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Laborprozessunterstützungsvorrichtung, ein Laborsystem mit dieser Laborprozessunterstützungsvorrichtung und ein Verfahren zur Durchführung von Laborprozessen mit Hilfe der Laborprozessunterstützungsvorrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Programmelement und ein computerlesbares Medium.
In kleineren Labors und Forschungseinrichtungen werden die Versuche oft manuell durch einen Benutzer, z.B. einen Laboranten, durchgeführt. Eine Automatisierung der Laboreinrichtung ist meist nicht darstellbar, da die Laboraufbauten und die Laborprozesse häufig wechseln, sodass eine kosteneffiziente Automatisierung nicht möglich ist. Herkömmliche automatisierte Laborsysteme bestehen aus fest verrohrten Einheiten, welche einen bestimmten Laborprozess vollautomatisch durchführen können, jedoch sind diese Systeme nicht flexibel. Die einzelnen Laboreinrichtungen können somit nicht schnell und einfach zu einem neuen Laborprozess zusammengestellt werden. Ferner ist die Steuerung des Laborprozesses meist kompliziert zu programmieren, sodass auch hier eine Automatisierung nicht möglich bzw. nicht betriebswirtschaftlich ist. Somit werden kleine Versuche und Laborprozesse auch heutzutage meist weitgehend manuell durchgeführt, da ein Benutzer schneller neue Laborprozesse durchführen kann.
Im Stand der Technik sind Beispiele zu finden, die sich auf die Automatisierung von Apparaturen und Vorrichtungen in Laboren beziehen, jedoch nicht auf einen Laborprozess an sich beziehen.
Beispielsweise wird in WO 2007/090665 A1 eine Vorrichtung zur Dosierung von hochviskosen Flüssigkeiten offenbart, die mehrere in einer Halterung angeordnete Dosiermodule und eine Waage umfasst.
In EP 1 546 735 B1 wird eine Arbeitsstation zur Bereitstellung von Feststoffproben beschrieben.
In WO 2014/079725 A1 werden eine Apparatur und ein Verfahren zur Herstellung von elektrochemischen Zellen beschrieben.
In EP 915 341 A2 wird eine Verarbeitungsrobotersystem zur Verarbeitung von Erzeugnissen beschrieben und beansprucht. Das Verarbeitungsrobotersystem ist aus unterschiedlichen Einheiten aufgebaut, die automatisch koppelbar sind. Jede einzelne Einheit ist mit einem Roboter versehen. Mittels des Verarbeitungsrobotersystems kann der Durchsatz gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen gesteigert werden.
In WO 00/60361 wird ein vollautomatisiertes Analysensystem mit integrierten Messgeräten beschrieben, welches zur Analyse von Biomolekülen verwendet wird. Innerhalb des Systems sind unterschiedliche analytische Methoden von Detektion und Analyse integriert. In US 2005/0101022 A1 wird eine Apparatur und ein Verfahren zur automatischen und sequentiellen Testung von Katalysatoren beschrieben. Die Apparatur umfasst einen festen Versuchsaufbau mit einer Vielzahl von Reaktoren, die mit Katalysator beladen werden können, sowie einen Reaktionsraum mit einer Reaktionszone. Die mit Katalysator beladenen Reaktoren werden in einer Halterung gelagert und in sequentieller Weise in die Reaktionszone eingesetzt. In der Reaktionszone können die Reaktoren mit Eduktfeed beaufschlagt werden. Darüber hinaus verfügt die Apparatur über ein Produktsammel- und Analysensystem.
Ein modulares Transportsystem wird in WO 2013/1491 17 A2 beschrieben. Mittels der Transportsystems werden Proben zwischen Modulen transportiert. In die Module sind unterschiedliche Spurabschnitte integriert, die Querspurabschnitte und Unterspurabschnitte bilden. Die Module lassen sich verbinden und durch eine geeignete Verbindung kann eine Umfangspur gebildet werden, die durch eine Vielzahl von Modulen verläuft. Die Proben werden entlang der kontinuierlichen Umlaufbahn und dem einen oder den mehreren Querspurabschnitten transportiert.
Jedoch kann keinem der Stand der Technik Dokumente eine Laborprozessunterstützungsvorrichtung entnommen werden, welche sich flexibel, schnell und einfach an verschiedene Laborprozesse anpassen lässt.
Beschreibung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Prozessablauf eines Laborprozesses flexibel zu gestalten und weiter zu optimieren, sowie weiter zu automatisieren.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Laborprozessunterstützungsvorrichtung. Diese Laborprozessunterstützungsvorrichtung weist ein Handhabungssystem und eine zentrale Steuereinheit auf. Das Handhabungssystem ist dazu eingerichtet, eine Laboreinrichtung zu bedienen. Das Handhabungssystem ist ferner dazu eingerichtet, ein Edukt, ein Zwischenprodukt, ein Produkt und/oder einen Reaktor für einen chemischen Prozess des Laborprozesses handzuhaben. Die zentrale Steuereinheit ist dazu eingerichtet, einen Laborprozess zu planen und das Handhabungssystem entsprechend zu steuern, sodass das Handhabungssystem den Laborprozess oder wesentliche Teile davon durchführt.
In einer Ausführungsform der Laborprozessunterstützungsvorrichtung können einzelne Laborprozesse zumindest teilweise automatisiert werden, oder auch vollständig automatisiert werden. Zum Bedienen von Laboreinrichtungen für den Laborprozess kann das Handhabungssystem eingesetzt werden. Der teilweise automatisierte Betrieb oder der vollständig automatisierte Betrieb eines Laborsystems mittels der Laborprozessunterstützungsvorrichtung bietet auch den Vorteil, dass die Laborprozesse bei geschlossenem Abzug, am Wochenende und/oder nachts durchgeführt werden können und die Anwesenheit des Benutzers ist nicht mehr erforderlich. Somit kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung aufgrund von sicherheitstechnischen Aspekten vorteilhaft sein, da der Benutzer (Laborant) durch den Verschluss eines Laborabzugs vor möglichen Gefahrenquellen geschützt wird. Weiterhin ist auch vorteilhaft, dass es bei geschlossenem Laborabzug möglich ist, Teile des Laborabzugs unter Inertgasatmosphäre zu setzen, um beispielsweise Stoffe zu handhaben, die empfindlich gegenüber Luftsauerstoff sind. Mit anderen Worten können durch die Laborprozessunterstützungsvorrichtung bisher manuell durchgeführte Laborprozesse oder Prozessschritte des Laborprozesses automatisiert werden. Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung kann hierfür die zentrale Steuereinheit und das Handhabungssystem aufweisen. Die zentrale Steuereinheit kann den Laborprozess planen und das Handhabungssystem entsprechend steuern, die Prozessschritte des Laborprozesses durchzuführen.
Die hierarchische Anordnung von mehreren Laboreinrichtungen zu einem Laborprozess durch die zentrale Steuereinheit kann den Vorteil bieten, dass diese von der Planung, über die Durchführung bis zu dem Ergebnis alle Daten zentral sammelt und verwaltet. In einer Ausführungsform können die Arbeitsbereiche der Laborabzüge mit Kameras ausgestattet sein, welche den laufenden Laborprozess in visueller Form überwachen und an die zentrale Steuereinheit übertragen.
Bei einem Arbeitsablauf (der auch Workflow genannt wird) kann es sich um mehrere Laborprozesse handeln, die in einem funktionalen, räumlichen und zeitlichen Zusammenhang stehen.
Unter dem Begriff Laborprozess kann ein verfahrenstechnischer Schritt zu verstehen sein, der in Verbindung mit der Synthese oder Analyse und/oder Handhabung von Stoffen einschließlich der Durchführung von mess- und regeltechnischen Prozessen an solchen Stoffen vorgenommen wird. Laborprozesse sind in der Dimensionierung auf Mengen begrenzt, die in einem kleinen Raum durchgeführt werden können. Die Laboreinrichtungen im Sinne dieser Erfindung können Dimension von Tischaufbauten aufweisen. Weiter können sich diese Laboraufbauten auch ohne technischen Aufwand in Laborabzügen aufbauen lassen, welche standardisierte Dimensionen aufweisen.
Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung kann durch eine große Flexibilität gekennzeichnet sein. Somit kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung in sehr unterschiedlichen Laborbereichen eingesetzt werden. Ferner kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung adaptiv gestaltet sein und die ausführbaren Laborprozesse können in der zentralen Steuereinheit oder einer Datenbank gespeichert sein. Des Weiteren können bereits durchgeführte Laborprozesse bei der Durchführung von zukünftigen Arbeitsabläufen und Aufträgen berücksichtigt werden, sodass die erneute Durchführung effizienter ablaufen kann. Beispielsweise kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung auf Dosieralgorithmen trainiert werden, welche wiederrum materialspezifisch sein können.
Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung kann lernfähig sein und die zentrale Steuereinheit kann Informationen zu den einzelnen Laboreinrichtungen und den Laborprozessen in einer Datenbank hinterlegen. Somit ist die Laborprozessunterstützungsvorrichtung in der Lage eine Wissensdatenbank zu generieren, die für den Benutzer von Laborprozessen von Nutzen sein kann, da der gesammelte Fundus an Informationen ausgetauscht, optimiert und erweitert werden kann.
Es sei angemerkt, dass die zentrale Steuereinheit den Laborprozess mit verschiedenen Laboreinrichtungen planen kann und diese flexibel zu Laborprozessen oder Teilprozessen zusammenstellen kann. Hierbei können die einzelnen Laboreinrichtungen mit einem entsprechende BUS-System miteinander und der zentralen Steuereinheit verbunden sein. Ferner können die Laboreinrichtungen Schnellkupplungen für Medienanschlüsse, z.B. Wasser, Strom oder Gase, vorsehen, sodass diese schnell innerhalb eines Laborsystems installiert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Handhabungssystem ein Handhabungsroboter mit einem Arm. Ferner kann der Arm an seinem Ende einen Manipulator zum Bedienen von einer Laboreinrichtung oder zum Handhaben von Edukten, Zwischenprodukten, Produkten und/oder Reaktoren aufweisen. Dieser Manipulator kann ein Greifer, eine Pipette, ein Spatel, ein Saugheber, ein Löffel, eine künstliche Hand, ein Schraubendreher oder ein Schraubenschlüssel sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, das Handhabungssystem entsprechend des geplanten Laborprozesses zu steuern, eine Abfolge von mehreren Laboreinrichtungen zu bedienen und/oder Edukte, Zwischenprodukte, Produkte und/oder Reaktoren für einen chemischen Prozess des Laborprozesses handzuhaben. Somit können auch komplexere Laborprozesse durch die Laborprozessunterstützungsvorrichtung teil oder vollautomatisch durchgeführt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist das Handhabungssystem einen Sensor auf, welcher dazu eingerichtet ist, Messdaten über das Handhabungssystem und/oder über den Laborprozess zu erheben und an die zentrale Steuereinheit zu übermitteln. Ferner kann das Handhabungssystem eine Transmitterbox für Daten aufweisen, welche durch das Handhabungssystem erhoben werden.
Durch den Sensor direkt an dem Handhabungssystem können zusätzliche Daten und Informationen über den durchgeführten Laborprozess gewonnen werden, welche wiederum in der zentralen Steuereinheit ausgewertet werden können, um den Laborprozess und/oder die Steuerung des Handhabungssystems zu verbessern und zu optimieren. Beispielsweise kann der Sensor ein Drucksensor, eine Waage, ein Temperatursensor, ein Näherungssensor, eine Kamera oder ein Gyroskop sein.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Laboreinrichtung aus der Gruppe bestehend aus einer Dosiereinheit, einer Laborwaage, einer Rührvorrichtung, einer Heizvorrichtung, einer Kühlvorrichtung, einem Temperaturmesssensor, einem Drucksensor, einem Füllstandmesssensor, einer Absaugvorrichtung, einem Filtrationsgefäß, einem Reaktionsgefäß, einer Separationseinheit, einer Analytikeinheit, einem Barcode-Scanner, einer Etikettiermaschine, einer Probeentnahmeeinheit und/oder einem Fluidverteiler ausgewählt.
Somit kann eine Vielzahl von verschiedenen Laboreinrichtungen in dem Laborprozess verwendet werden. Ferner können diese Laboreinrichtungen durch das Handhabungssystem angeordnet und/oder bedient werden. Es sei angemerkt, dass die zentrale Steuereinheit für jede zur Verfügung stehende Laboreinrichtung Konfigurationsdaten und Parameter gespeichert haben kann, um einen Laborprozess zu planen und das Handhabungssystem entsprechend zu steuern.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Handhabungssystem dazu eingerichtet, von einem Menschen eingelernt zu werden, indem der Mensch das Handhabungssystem führt, eine gewünschte Bewegungsabfolge durchzuführen. Die zentrale Steuereinheit ist dazu eingerichtet, diese Bewegungsabfolge zu speichern, um das Handhabungssystem nachfolgend entsprechend der gespeicherten Bewegungsabfolge zu steuern. Typische Bewegungsabläufe können beispielsweise die zeitgesteuerte Bedienung von Ventilen, das Starten von Rührwerksantrieben oder das Betreiben von Pumpen sein.
Die Programmierung des Handhabungssystems kann einen erheblichen Teil der Kosten ausmachen, sodass es vorteilhaft ist, wenn die Programmierung schnell und einfach durch ungeschulte Benutzer durchgeführt werden kann. Ferner kann die Programmierung viel Zeit in Anspruch nehmen, sodass die Flexibilität und die Anpassungsfähigkeit des Handhabungssystems nicht gewährleistet ist. Um diesen Umstand zu beheben kann das vorliegende Handhabungssystem direkt durch den Benutzer eingelernt werden. Hierbei kann der Benutzer, z.B. der Laborant, das Handhabungssystem in einen„Teaching“-Modus versetzen und die gewünschte Bewegungsabfolge des Handhabungssystems mit diesem durchführen. Mit anderen Worten kann der Benutzer das Handhabungssystem bei der Hand nehmen und dem Handhabungssystem den gewünschten Bewegungsablauf zeigen, sodass das Handhabungssystem den Laborprozess durchführen kann. Dieser gezeigte Bewegungsablauf kann in der zentralen Steuereinheit bzw. der entsprechenden Datenbank gespeichert werden, sodass die zentrale Steuereinheit das Handhabungssystem zu einem späteren Zeitpunkt entsprechend dieses Bewegungsablaufes steuern kann. In einer weiteren Ausführungsform können kamerabasierte Systeme den Bewegungsablauf eines Benutzers aufnehmen und die zentrale Steuereinheit kann basierend darauf das Handhabungssystem steuern diesen Bewegungsablauf nachzuahmen, z.B. mittels„Motion capturing“. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, einen Auftrag für einen Laborprozess zu empfangen und die zentrale Steuereinheit ist dazu eingerichtet, zu überprüfen, ob der Auftrag mit zur Verfügung stehenden Laboreinrichtungen und dem Handhabungssystem durchführbar ist. Die zentrale Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, das Ergebnis der Überprüfung an den Auftraggeber zu übermitteln.
Somit kann die zentrale Steuereinheit zunächst einen eingehenden Auftrag für einen Laborprozess auf dessen Machbarkeit mit den zur Verfügung stehenden Laboreinrichtungen überprüfen. Sollte die zentrale Steuereinheit hierbei feststellen, dass nicht der komplette Laborprozess durchführbar ist, kann die zentrale Steuereinheit dies dem Auftraggeber mitteilen, sodass dieser entscheiden kann, ob er eine Teilausführung des Laborprozesses wünscht, oder ob er den Auftrag stornieren möchte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Laborprozessunterstützungsvorrichtung eine Anzeigeeinheit auf. Diese Anzeigeeinheit ist dazu eingerichtet, einem Menschen Informationen und/oder eine Anleitung über den durchzuführenden Laborprozess anzuzeigen.
Die Anzeigeeinheit kann beispielsweise ein Tablet, Smart Glasses oder ein Beamer sein. Somit kann die zentrale Steuereinheit dem Benutzer Informationen bezüglich des durchzuführenden Laborprozesses anzeigen und den Benutzer somit anleiten bestimmte Laboreinrichtungen auf eine bestimmte Art und Weise anzuordnen und/oder zu bedienen. Ferner kann dem Benutzer angezeigt werden, ob das Handhabungssystem betriebsbereit ist und welche Schritte es ausführen kann. Hierbei können insbesondere„Augmented Reality“ und „Virtual Reality“ zur Anwendung kommen. Ferner kann somit die Kooperation zwischen der Laborprozessunterstützungsvorrichtung und dem Benutzer verbessert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Handhabungssystem dazu eingerichtet, selbständig einen Laborprozess innerhalb eines Laborabzugs durchzuführen.
Somit kann ein durch die zentrale Steuereinheit geplanter Laborprozess vollständig automatisiert von der Laborprozessunterstützungsvorrichtung durchgeführt werden. Ein Eingreifen durch einen Benutzer ist hierbei nicht nötig.
Unter einem Laborabzug ist eine Arbeits- beziehungsweise eine Schutzzelle mit einer Absaugung zu verstehen. Beispielsweise enthält der Laborabzug eine oder mehrere Schutzscheiben, welche beweglich sind und die geöffnet oder geschlossen werden können. Beispielsweise wird das Öffnen und Schließen automatisch von der zentralen Steuerungseinheit registriert, beispielsweise wird das Öffnen und Schließen automatisch durch die zentrale Steuerungseinheit vorgenommen. Charakteristisch für die Abmessungen von einem Laborabzug sind die Dimensionen des Arbeitsbereichs beziehungsweise des Nutzungsbereichs, die durch die Maße Breite, Tiefe und Höhe gegeben sind. Beispielsweise weist das Laborsystem einen Laborabzug auf, bei welchem die Maße für den Nutzungsbereich, d.h. die Maße Breite, Tiefe und Höhe, im Bereich 900 - 3000 mm, 700 - 1500 mm und 800 - 1800 mm liegen. Beispielsweise liegen die Maße Breite, Tiefe und Höhe, im Bereich 1000 - 2200 mm, 800 - 1200 mm und 900 - 1500 mm. Die Saugleistung der Absaugung liegt beispielsweise in einem Bereich von 600 - 2200 m3/h. Die Saugleistung wird auch in minimale und maximale Saugleistung unterteilt, wobei die minimale Saugleistung beispielsweise im Bereich von 600 - 1800 m3/h und die maximale Saugleistung im Bereich von 1500 - 2000 m3/h liegen.
Des Weiteren kann es vorteilhaft sein, dass auch die Funktion der Absaugung des Laborabzugs und der Verschluss des Laborabzugs durch die zentrale Steuereinheit gesteuert werden. Die Steuerung der Funktion der Absaugung kann von großer Bedeutung sein, um die Genauigkeit von einzelnen Messgeräten zu kontrollieren. Das Vorhandensein von Luftströmungen innerhalb des Laborabzugs kann beispielsweise die Genauigkeit bei der Gewichtsbestimmung beeinträchtigen. Denkbar wäre, dass die Wägung bei geschlossenem Laborabzug automatisch durchgeführt wird und die Absaugung für den Zeitpunkt der Wägung kurzzeitig ausgeschaltet wird, um Störeinflüsse zu vermeiden. In einer weiteren Ausführungsform ist die Waage mit einer Einhausung versehen, die während der Durchführung der Wägung geschlossen werden kann, wodurch die durch die Absaugung verursachte Störeinflüsse minimiert werden können.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Edukt, das Zwischenprodukt und/oder das Produkt in einem Behälter. Das Handhabungssystem ist dazu eingerichtet, das Edukt, das Zwischenprodukt und/oder das Produkt gezielt aus dem Behälter zu entnehmen.
Edukte, Produkte oder Zwischenprodukte können in flüssiger, fester, gasförmiger oder Pulverform vorhanden sein. Ferner können diese in Behältern gelagert werden. Das Handhabungssystem kann dazu eingerichtet sein, auch die innerhalb eines Behälters gelagerten Edukte, Zwischenprodukte oder Produkte zu entnehmen und dem Laborprozess zuzuführen. Hierzu kann das Handhabungssystem Mittel zur Entnahme aus einem Behälter aufweisen, beispielsweise eine Pipette, einen Löffel, einen Saugheber oder einen Spatel.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die zentrale Steuereinheit dazu eingerichtet, den Laborprozess zu planen und dementsprechend aus einer Vielzahl von Laboreinrichtungen diejenigen für den Laborprozess auszuwählen. Die zentrale Steuereinheit ist ferner dazu eingerichtet, das Handhabungssystem zu steuern, die ausgewählten Laboreinrichtungen zu dem Laborprozess zusammenzustellen und den Laborprozess durchzuführen.
Somit kann ein durch die zentrale Steuereinheit geplanter Laborprozess vollständig automatisiert durch das Handhabungssystem durchgeführt werden. Somit wird kein Benutzer mehr benötigt, welcher die Laboreinrichtungen anordnet und/oder bedient. Ferner können so auch nachts oder am Wochenende Laborprozesse durchgeführt werden. Es sei angemerkt, dass die der zentralen Steuereinheit zur Verfügung stehenden Laboreinrichtungen geändert werden können, sodass neue Laborprozesse ermöglicht werden. Somit kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung flexibel, einfach und schnell an die aktuellen Gegebenheiten des Labors angepasst werden. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Laborsystem. Das Laborsystem weist wenigstens zwei Laboreinrichtungen und eine vorhergehend und nachfolgend beschriebene Laborprozessunterstützungsvorrichtung auf. Die wenigstens zwei Laboreinrichtungen sind durch einen Laborprozess miteinander verbunden. Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung ist dazu eingerichtet, die wenigstens zwei Laboreinrichtungen gemäß dem Laborprozess zu bedienen und/oder das Edukt, das Zwischenprodukt, das Produkt und/oder den Reaktor für einen Prozess, insbesondere einen chemischen Prozess, des Laborprozesses handzuhaben, um den Laborprozess durchzuführen.
Das Laborsystem kann einen Vorrat an unterschiedlichen Laboreinrichtungen umfassen, die in unterschiedlichen Konfigurationen zu einer Gruppe von Laboreinrichtungen angeordnet werden können. Durch die Art und Weise der Anordnung in Gruppen von Laboreinrichtungen und durch die Art und Weise der Steuerung lassen sich Laborprozesse in unterschiedlicher Weise kombinieren und konfigurieren, sodass mit diesen anschließend unterschiedliche Arbeitsabläufe realisiert werden können. Somit ist das Laborsystem durch eine hohe Flexibilität und geringe Umrüstkosten gekennzeichnet.
Durch die zentrale Steuereinheit kann auf Basis eines Auftrags ein Laborprozess geplant werden. Diese Planung kann dabei die benötigten Laboreinrichtungen und deren Anordnung umfassen. Ferner kann die zentrale Steuereinheit das Handhabungssystem anleiten die Laboreinrichtungen entsprechend des Laborprozesses anzuordnen und entsprechend zu bedienen, sodass der Laborprozess durch das Handhabungssystem durchgeführt werden kann. Für die Durchführung kann das Handhabungssystem auch Edukte, Produkte, Zwischenprodukte und/oder Reaktoren handhaben oder transportieren. Alternativ oder zusätzlich kann die zentrale Steuereinheit den Benutzer mittels einer Anzeigeeinheit anleiten die Laboreinrichtungen anzuordnen und/oder gemäß dem geplanten Laborprozess zu bedienen. Es sei angemerkt, dass auch das Handhabungssystem mit dem Benutzer Zusammenwirken kann, sodass das Handhabungssystem des Laborsystems gewisse Arbeitsschritte oder Teillaborprozesse durchführt und der Benutzer die restlichen Arbeitsschritte. Das Laborsystem kann einen Laborabzug aufweisen, welcher die einzelnen Laboreinrichtungen, das Handhabungssystem und die zentrale Steuereinheit aufweist. Ferner können auch Edukte, Produkte, Zwischenprodukte und/oder Reaktoren innerhalb des Laborsystems gelagert werden. Auch kann das Laborsystem eine Absaugung vorsehen, sodass bei dem Laborprozess entstehende Gase gefiltert und/oder entsorgt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Handhabungssystem außerhalb des Laborabzuges angeordnet sein und Edukte zu dem Laborabzug transportieren oder Produkte von dem Laborabzug weg transportieren. Ferner kann auch ein Handhabungssystem innerhalb des Laborabzuges und ein Handhabungssystem außerhalb des Laborabzuges angeordnet sein. Auch kann der Laborabzug eine Schutzscheibe aufweisen, welche während der Durchführung des Laborprozesses geschlossen werden kann. Hierbei kann die zentrale Steuereinheit den Status der Schutzscheibe überwachen, offen oder geschlossen, oder aber die zentrale Steuereinheit kann die Schutzscheibe gezielt steuern, öffnen und schließen. In einer Ausführungsform weist die Laborprozessunterstützungsvorrichtung eine Programmsteuerungseinheit auf, die mit der zentralen Steuereinheit verbunden ist. Beispielsweise sind in der Programmsteuerungseinheit Verfahrensmodule hinterlegt, die dem Benutzer eine Bibliothek mit einer Auswahl mit unterschiedlichen Rezepten anbieten und/oder denen der Benutzer Rezepte hinzufügen kann. Die Verfahrensmodule können dabei Softwaremodule sein. Technische Module können in einer Verfahrenskontrolle der Programmsteuerungseinheit hinterlegt sein. Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung kann dazu ausgeführt sein, ihr von einem Benutzer übergebene Aufträge autonom oder teilautonom auszuführen. Dabei kann die Laborprozessunterstützung dazu eingerichtet sein, für jeden Schritt einer Ablauffolge oder eines ihr übergebenen Rezeptes oder eines Auftrages die dazu notwendigen Teilschritte oder Handgriffe selbstständig zu planen und/oder auszuführen. Dazu kann der Laborprozessunterstützungsvorrichtung beispielsweise vorgegeben werden eine bestimmte chemische Reaktion durchzuführen. Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, anhand der vorgegebenen Reaktion und von beispielsweise in einer Datenbank gespeicherten Informationen selbstständig die für die Reaktion benötigten Ausgangsstoffe, Behältnisse und Laborgeräte oder -einrichtungen bereitzulegen. Weiterhin kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung selbstständig die Ausgangsstoffe in der richtigen Menge abmessen und beispielsweise unter Schütteln oder Rühren miteinander mischen, wobei das Handhabungssystem der Laborprozessunterstützungsvorrichtung die Ausgangsstoffe, Behältnisse und/oder Laborgeräte oder -einrichtungen bedienen kann.
In einer Ausführungsform kann das Handhabungssystem eine Sensorik aufweisen, die dazu eingerichtet ist Messdaten von einer Umgebung des Handhabungssystems aufzunehmen. Diese Messdaten können zumindest eine optische Aufzeichnung aufweisen. Beispielsweise kann die Sensorik eine Kamera aufweisen. Weiter beispielsweise kann es sich um eine Kamera mit Datenaufzeichnung und Bildauswertung handeln. Beispielsweise umfasste die Sensorik eine optische Erkennung und eine Kraftkontrolleinheit, beispielsweise mit einem Kraftbegrenzungssensor. Der Kraftbegrenzungssensor kann es ermöglichen, dass das Handhabungssystem eine sichere Interaktion mit Menschen zulässt, so dass eine direkte Kooperation des Handhabungssystems der Laborprozessunterstützungsvorrichtung mit einem Menschen möglich ist ohne den Menschen dabei einem erhöhten Gefährdungspotential auszusetzen. Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein eine Abschaltfunktion aufzuweisen, so dass bei einem durch die Sensorik festgestellten Kontakt des Handhabungssystems mit einem Menschen die zentrale Steuereinheit eine Bewegung des Handhabungssystems stoppt oder zumindest eine auf den Menschen ausgeübte Kraft begrenzt. Das Handhabungssystem kann dazu eingerichtet Geräte eines Labors zu bedienen, insbesondere auch Drucktasten und/oder Schalter zu bedienen. Beispielsweise ist die Laborprozessunterstützungsvorrichtung dazu eingerichtet, Verfahrensschritte selbstständig zu erlernen. Die Laborprozessunterstützungsvorrichtung kann eine hohe Reproduzierbarkeit bei Verfahrensschritten ermöglichen, da diese kontrolliert durchgeführt werden können. Sämtliche Verfahrensparameter und Abweichungen können von der Programmsteuerungseinheit und/oder der zentralen Steuerungseinheit erfasst werden. In einer beispielhaften Ausführungsform weist das Handhabungssystem humanoide Eigenschaften auf. Das Handhabungssystem kann dazu eingerichtet sein, Laboreinrichtungen, Edukte, Produkte, Geräte, Schalter, Messeinrichtungen oder Gefäße in einer Weise bedienen oder handzuhaben, wie ein Mensch es machen würde. Damit können handelsübliche Geräte oder Geräte, die bereits im Labor vorhanden sind, als mit zugehörigen Verfahrensschritten in den Prozess eingefügt werden, ohne zusätzliche kosten- und zeitaufwändige Integrationsarbeiten. Die zugehörigen Verfahrensschritte oder Verfahrensmodule können dann hinterlegt werden, sodass die Programmsteuerungseinheit auf diese zur Prozessplanung zurückgreifen kann. Die sonst notwendige Programmierung von Gerätetreibern für die Anbindung an die Programmsteuerung und auch für den Export von Messdaten entfällt. Letzteres wird ermöglicht durch eine optische Erkennung von Messdaten am Gerätedisplay mit einer Kamera beispielsweise am Handhabungssystem.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Laborprozessunterstützungsvorrichtung beziehungsweise das Handhabungssystem eine künstliche Intelligenz (Kl). Diese Kl kann durch ein künstliches Intelligenzmodul dargestellt sein, das mit der zentralen Steuereinheit und/oder der Programmsteuerungseinheit verbunden ist. Eigenschaften der Kl können es sein, dass die Kl dazu eingerichtet ist, Verhaltensmuster zum Beispiel eines Benutzers zu erkennen und zu speichern, und so beispielsweise in einer weiteren Durchführung eines Laborprozesses menschliche Bewegungen nachzuahmen. Diese Bewegungen können beispielsweise eine Rüttelbewegung bei der Durchführung eines Befüllvorganges mit Hilfe eines Spatels sein. In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung dazu eingerichtet sein, das Produkt des Laborprozesses für eine weitergehende Testung in geeignete Behälter abzufüllen oder auf Substrate aufzutragen. In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Handhabungssystem ein Handhabungsroboter mit einem Arm sein, der dazu eingerichtet ist eine Laboreinrichtung handzuhaben und/oder zu bedienen, wobei die Laboreinrichtung nicht dazu eingerichtet ist von einem automatisierten oder teilautomatisierten System gehandhabt und/oder bedient zu werden. Somit kann die erfindungsgemäße Laborprozessunterstützungsvorrichtung beispielsweise in Laboren eingesetzt werden, welche üblicherweise durch menschliche Arbeiter bedient werden. Die Laboreinrichtungen benötigen dabei vorteilhafterweise keine Schnittstellen mit denen sie auf automatisierten Betrieb ausgelegt sind, sondern können durch die erfindungsgemäße Laborprozessunterstützungsvorrichtung bedient und handgehabt werden, wie ein menschlicher Arbeiter dies tun würde. Ebenso kann die Laborprozessunterstützungsvorrichtung neben einem menschlichen Arbeiter in einem Labor arbeiten und ihm beispielsweise Routinetätigkeiten abnehmen.
Im Folgenden werden zwei Beispiele beschrieben, die mittels der erfindungsgemäßen Laborprozessunterstützungsvorrichtung durchgeführt werden können.
Das erste Beispiel beschreibt vorbereitende Arbeiten für die Testung von Materialien, beispielsweise Katalysatoren in Rohrreaktoren für verfahrenstechnische Prozesse. Diese Ablauffolge ist nur ein Beispiel aus einer Reihe von Synthesen. Andere Synthesen wie die Sprühimprägnierung oder Fällungsreaktionen zur Katalysatorherstellung sind ebenfalls denkbar. Ablauffolge wie sie mit einem Programm zur Rezeptablaufsteuerung vom Versuchsleiter erstellt wird zur Katalysatorsynthese als logische Anweisungsfolge (Auftrag I in Fig. 6):
1 . Erstelle eine 2%ige Kobaltnitratlösung.
2. Lege 8 g Steatit 1 -2 mm Korngröße vor.
3. Tränke 10 ml einer 2%igen Kobaltlösung auf die 8 g Steatit unter Schütteln.
4. Trockne 4 h auf dem Schüttler.
5. Nimm 8 g des fertigen Produkts und fülle es in ein 51 cm x 10 mm ID Rohr aus 1.5841 Edelstahl.
Ablauffolge wie sie vom Handhabungssystem nach Überführung der logischen Ablauffolge in eine zeitliche Reihenfolge und eine räumliche Anordnung ausgeführt wird:
1 . Nimm Waage
2. Nimm Schüttler
3. Nimm Staudruckmessgerät
4. Nimm Becherglas
5. Nimm Magnetrührer
6. Nimm Rührfisch
7. Nimm Keramikschale
8. Nimm Rohr aus dem Eingaberack.
9. Nimm Messeinrichtung
10. Nimm Wasser
1 1. Nimm Basischemikalien
12. Nimm Steatit
13. Lege Becherglas auf die Waage
14. Tariere Waage
15. Fülle Wasser ein
16. Fülle Lösung ein
17. Stelle Becherglas auf Rührer
18. Füge Rührfisch hinzu
19. Schalte Rührer an (Definiere Stufe)
20. Rühre x min
21. Schalte Rührer aus
22. Schalte Waage an
23. Stelle Keramikschale auf die Waage
24. Wiege Steatit in Keramikschale ab
25. Nimm Keramikschale und stelle sie auf Schüttler
26. Ziehe benötige Menge an Tränklosung in die Spritze auf 27. Schalte Rüttler ein
28. Imprägniere Steatit
29. Warte bis Zeit um
30. Stoppe Rüttler
31. Nimm leere Schale und stelle sie auf Waage und tariere.
32. Wiege x g fertiges Produkt ab.
33. Fülle Produkt in Rohr.
34. Platziere Rohr im Staudruckmessgerät und starte Messung.
35. Platziere Rohr im Ausgaberack.
36. Wiederhole Schritte 1 bis 35 für n Rohre.
37. Schalte Waage aus
38. Räume alles wieder weg
Das zweite Beispiel beschreibt vorbereitende Arbeiten für die Testung von beschichteten flächigen Substraten die der Testung von Materialien dienen für Membrantrennverfahren, die Batteriefertigung, die Elektrolyse oder Brennstoffzellen oder sonstige elektrokatalytische Prozesse. Besonders hervorgehoben werden soll auch die Möglichkeit der Oberflächenüberprüfung mittels strukturerkennender optischer Verfahren zur Qualitätssicherung (Sensor). Das betrifft insbesondere auch bereits getestete Substrate. Hier sind Veränderungen auf der aktiven Oberfläche in der sogenannten Post-mortem Analyse oft hilfreich um Leistungsdefizite während der Testung noch nachträglich zu verstehen und diese Ergebnisse in die automatische Optimierung der Prozessparameter dann wieder einfließen zu lassen (Stichwort Feedback Loop).
Ablauffolge wie sie mit einem Programm zur Rezeptablaufsteuerung vom Versuchsleiter erstellt wird zur Katalysatorsynthese als logische Anweisungsfolge (Auftrag I in Figur 6):
1 . Erstelle eine 2%ige Eisennitratlösung.
2. Lege 40g Steatit 0,2...0,5 mm Korngröße vor.
3. Tränke 50 ml einer 2%igen Eisenlösung auf die 40 g Steatit unter Schütteln.
4. Nimm 40 g der fertigen Suspension und verteile es auf einem Aluminiumsubstrat mit einer Fläche von 10 x 10 cm.
5. Trockne das Substrat vor dem Kalandrieren um Anhaftung an den Walzen zu verhindern.
6. Kalandriere das beschichtete Substrat zur Verfestigung der Oberfläche.
7. Trockne das Substrat unter einem Infrarotstrahler.
8. Überprüfe die Vollständigkeit der Beschichtung.
Ablauffolge wie sie vom Handhabungssystem nach Überführung der logischen Ablauffolge in eine zeitliche Reihenfolge und eine räumliche Anordnung ausgeführt wird:
1 . Nimm Waage 2. Nimm Schüttler
3. Nimm Becherglas
4. Nimm Magnetrührer
5. Nimm Rührfisch
6. Nimm Keramikschale
7. Nimm Rohr
8. Nimm Messeinrichtung
9. Nimm Wasser
10. Nimm Basischemikalien
1 1. Nimm Substrat aus dem Eingaberack.
12. Nimm Rakelstation
13. Nimm Kamera
14. Lege Becherglas auf die Waage
15. Tariere Waage
16. Fülle Wasser ein
17. Fülle Lösung ein
18. Stelle Becherglas auf Rührer
19. Füge Rührfisch hinzu
20. Schalte Rührer an (Definiere Stufe)
21. Rühre x min
22. Schalte Rührer aus
23. Schalte Waage an
24. Stelle Keramikschale auf die Waage
25. Wiege Steatit in Keramikschale ab
26. Nimm Keramikschale und stelle sie auf Schüttler
27. Ziehe benötige Menge an Beschichtungslösung in die Spritze auf
28. Verteile Beschichtungslösung mit Spritze auf einen oder mehrere Punkte auf dem
Substrat.
29. Ziehe das Rakel über das Substrat und streife überschüssige Beschichtungslösung ab.
30. Trockne das beschichtete Substrat für 10 min.
31. Überführe das vorgetrocknete Substrat in die Kalandrierstation.
32. Trockne das beschichtete Substrat für weitere 60 min.
33. Nimm Kamera und fotografiere das Substrat.
34. Überführe das Substrat ins Ausgaberack.
35. Wiederhole Schritte 1 bis 33 für n Substrate.
36. Schalte Waage aus
37. Räume alles wieder weg Im Bereich der Materialforschung für Polymere werden häufig Probenkörper benötigt für mechanische Belastungstests. Deren Geometrie muss genau definiert sein. Die Herstellung dieser Probenkörper aus feinem Granulat oder aus Pulver kann mit einem ähnlichen Verfahren erfolgen wie die Substratbeschichtung. Beispielsweise wird dazu der Trocknungsschritt oben ersetzt durch die Warmformgebung und die Aufbringung des Pulvers erfolgt dann mehrlagig in eine Form. Ebenso könnte das Handhabungssystem Polymerstränge in einen 3D Drucker einsetzen, der dann die Probenkörper druckt.
Gemäß einer Ausführungsform stehen die Laboreinrichtungen jeweils mit der zentralen Steuereinheit in Verbindung, sodass Daten zwischen den Laboreinrichtungen und der zentralen Steuereinheit ausgetauscht werden. Die zentrale Steuereinheit ist an eine zentrale Datenbank, beispielsweise einen Cloud-Server, angebunden.
Es sei angemerkt, dass auch mittels einem Fernzugriff bzw. einem Cloudzugang auf die Laborprozessunterstützungsvorrichtung zugegriffen werden kann. Ein Benutzer, Anwender (Kunde) bzw. Auftraggeber kann über einen solchen Cloudzugang einen Auftrag an die zentrale Steuereinheit übermitteln. Ferner können die dort übermittelten Daten nur für die Verrechnung und Datenverdichtung in diesem Laborprozess benutzt werden und daher verlassen die Daten nicht die proprietäre Umgebung des Benutzers. Der Zugang über die Cloud auf die Ablaufsteuerung des Laborprozesses kann dem Benutzer dann auch eine Fernsteuerung des Laborprozesses (remote control) innerhalb definierter Sicherheitsgrenzen für die Laborprozessunterstützungsvorrichtung bzw. des Laborsystems auf Basis dieser proprietären Informationen erlauben. Der Benutzer erlangt dadurch eine direktere Prozesskontrolle und verbessert seinen Datenschutz vor Mitbewerbern.
Ein Cloudzugang kann auch genutzt werden, um Zusatzdienstleistung (Cloud Services) anzubieten, welche vom Benutzer nicht selbst geleistet werden können und zwar in Form der folgenden Arbeitspakete:„Machine learning“ auf Basis vorhandener historischer Anwenderdaten und daraus entwickeln von Vorgaben für neue Versuchsvarianten, die Berechnung von Reaktionskinetiken auf Basis von Umsatzmessungen, Computersimulationen der Temperaturverteilung in den Reaktoren auf Basis der errechneten Reaktionskinetiken und Stoffströme (Hot-spot Simulation), statistisch geschickt gewählte Parameterbereiche als Vorgabe für neue Versuchspläne (Design of Experiments).
Der Cloudzugang kann eine Steuereinheit, eine Datenbank oder eine Schnittstelle zu der zentralen Steuereinheit sein. Dieser Cloudzugang kann für eine Vielzahl von Laborprozessen zur Verfügung stehen, jedoch kann jeder Benutzer nur die für ihn freigegebenen Laborprozesse einsehen, auswerten und anpassen. Ferner kann der Cloudzugang mehrere Steuereinheiten oder Datenbanken aufweisen, welche über verschiedene Orte (weltweit) verteilt sind. Der Cloudzugang kann beispielsweise ein Server sein, welcher über das Internet oder ein anderes Netzwerk erreichbar ist und neben den Datenbankfähigkeiten auch eine dem Benutzer sonst nicht zugängliche hohe Rechnerleistung zur Verfügung stellt beispielsweise für komplexe strömungstechnische Prozesse wie dynamische Stoff- und Wärmetransportvorgänge in gerührten Reaktoren.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung eines Laborprozesses mit Hilfe einer vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Laborprozessunterstützungsvorrichtung. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- Empfangen, durch eine zentrale Steuereinheit, eines Auftrags zur Durchführung eines
Laborprozesses;
- Planen, durch die zentrale Steuereinheit, des Laborprozesses;
- Auswählen der dafür benötigten Laboreinrichtungen;
- Anordnen der benötigten Laboreinrichtungen entsprechend des Laborprozesses;
- Durchführen des Laborprozesses mit Hilfe eines Handhabungssystems;
- Erheben und Speichern der bei der Durchführung des Laborprozesses erzeugen Daten in einer Datenbank der zentralen Steuereinheit.
Das Verfahren zur Durchführung von dem Laborprozess kann die Konfiguration von Laboreinrichtungen umfassen, wobei eine Auswahl und Zusammenstellung von Laboreinrichtungen erfolgt, um einen Laborprozess abzubilden. Die Konfiguration der Laboreinrichtungen kann über die zentrale Steuereinheit erfolgen.
Es sei angemerkt, dass die Schritte des Verfahrens auch in einer anderen Reihenfolge oder gleichzeitig ausgeführt werden können. Ferner kann zwischen einzelnen Schritten auch eine längere Zeitspanne liegen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Programmelement, das, wenn es auf einer zentralen Steuereinheit einer Laborprozessunterstützungsvorrichtung ausgeführt wird, die Laborprozessunterstützungsvorrichtung anleitet, die Schritte des vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Verfahrens durchzuführen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein computerlesbares Medium, auf dem ein Programmelement gespeichert ist, das, wenn es auf einer zentralen Steuereinheit einer Laborprozessunterstützungsvorrichtung ausgeführt wird, die
Laborprozessunterstützungsvorrichtung anleitet, das vorhergehend und nachfolgend beschriebene Verfahren durchzuführen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Figuren.
Die Figuren sind schematisch und nicht maßstabsgetreu. Sind in der nachfolgenden Beschreibung der Figuren gleiche Bezugszeichen angegeben, so bezeichnen diese gleiche oder ähnliche Elemente. Kurze Beschreibung der Figuren
Fig. 1a zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems in Grundform gemäß einer
Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 b zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems für einen ersten
Laborprozess gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1c zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems für einen zweiten
Laborprozess gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2a zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems mit einem externen
Handhabungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2b zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems mit einem internen und einem externen Handhabungssystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2c zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems mit einem externen
Handhabungssystem und einer geschlossenen Schutzscheibe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems mit geschlossener
Schutzscheibe und einer kabellosen Verbindung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 4a-e zeigt eine schematische Darstellung eines Laborsystems in unterschiedlichen
Konfigurationen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Durchführung von Laborprozessen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 6 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens zur Durchführung von
Laborprozessen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Ablauf des Verfahrens bei der Durchführung eines
Teilprozesses gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 zeigt einen weiteren schematischen Ablauf des Verfahrens zur Durchführung von Laborprozessen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen Figur 1 a zeigt die schematische Darstellung einer Laborprozessunterstützungsvorrichtung 2. Diese Laborprozessunterstützungsvorrichtung 2 weist ein Handhabungssystem 3 und eine zentrale Steuereinheit 5 auf. Ferner kann diese Laborprozessunterstützungsvorrichtung 2 Teil eines Laborsystems 1 sein, welches ferner einen Laborabzug 6 und eine Absaugvorrichtung des Laborabzugs 7 umfasst. Des Weiteren können innerhalb des Laborabzugs 6 eine oder mehrere Laboreinrichtung(en) 4 vorhanden sein. Diese Laboreinrichtungen 4 können auf bestimmte Weise angeordnet werden, um einem Laborprozess durchzuführen, auf welchen in den folgenden Figuren detaillierter eingegangen wird. Das Handhabungssystem 3 ist dazu eingerichtet, eine Laboreinrichtung 4 innerhalb des Laborabzuges 6 zu bedienen, wenn dies für den auszuführenden Laborprozess erforderlich ist. Der Laborprozess kann durch die zentrale Steuereinheit 5 geplant werden, welche wiederrum dazu eingerichtet ist, das Handhabungssystem 3 anzuleiten die dementsprechenden Laboreinrichtungen 4 zu bedienen und/oder ein Edukt, ein Produkt, ein Zwischenprodukt und/oder einen Reaktor handzuhaben und innerhalb des Laborabzuges 6 zu transportieren.
Die Laboreinrichtungen 4 können aus einer Vielzahl von möglichen Vorrichtungen, Sensoren und Werkzeugen ausgewählt sein, beispielsweise kann die Laboreinrichtung 4 eine Dosiereinheit, eine Laborwaage, eine Rührvorrichtung, eine Heizvorrichtung, eine Kühlvorrichtung, ein Temperaturmesssensor, ein Drucksensor, ein Füllstandmesssensor, eine Absaugvorrichtung, ein Filtrationsgefäß, ein Reaktionsgefäß, eine Separationseinheit, eine Analytikeinheit, ein Barcode- Scanner, eine Etikettiermaschine, eine Probeentnahmeeinheit und/oder ein Fluidverteiler sein. Des Weiteren sei angemerkt, dass das Handhabungssystem in Figur 1 a als ein Handhabungsroboter mit einem Arm ausgestaltet ist. Dieser Arm kann beispielsweise einen Greifer oder eine Zange an seinem Ende aufweisen, um die Laboreinrichtungen 4 zu bedienen und/oder das Edukt, das Produkt, das Zwischenprodukt und/oder den Reaktor handzuhaben und innerhalb des Laborabzuges 6 zu transportieren. Ferner sei angemerkt, dass das Handhabungssystem 3 den durch die zentrale Steuereinheit 5 geplanten Laborprozess selbstständig durchführen kann oder aber auch mit einem Benutzer (Laboranten) Zusammenarbeiten kann. Beispielsweise können Laborprozesse, welche für einen Menschen gefährlich sein können, selbstständig und in Abwesenheit des Benutzers durch das Handhabungssystem 3 durchgeführt werden. Jedoch sei angemerkt, dass das Handhabungssystem auch Teillaborprozesse durchführen kann oder den Benutzer bei einigen Laborprozessen kooperativ unterstützen kann, z.B. indem das Handhabungssystem 3 dem Benutzer bestimmte Laboreinrichtungen, Edukte, Produkte, Zwischenprodukte und/oder Reaktoren anreicht. Des Weiteren kann das Handhabungssystem 3 selbst Sensoren aufweisen, welche Messdaten über das Handhabungssystem 3 oder den durchgeführten Laborprozess erheben und diese an die zentrale Steuereinheit 5 übertragen bzw. übermitteln.
In dem Laborsystem 1 können beispielsweise Testspecimen mithilfe einer anweisungsgesteuerten automatisiert ablaufenden Syntheseroute durch ein rezeptgesteuertes Handhabungssystem 3 hergestellt werden, welche die manuellen Abläufe des Laborprozesses unterstützt, nachahmt und/oder ausführt. Das Handhabungssystem 3 kann angelernt werden, sodass das Handhabungssystem 3 sich häufig wiederholende Bewegungsabläufe ausführen kann. Hierbei kann die Anlernung direkt durch den Benutzer erfolgen. Dazu wird mit dem manuell geführten Handhabungssystem 3 eine Reihe von Aktivitäten in einer Bewegungsabfolge ausgeführt (Laborprozess). Zu diesen Aktivitäten gehören beispielsweise das Auf- und Abnehmen von Objekten, das Bedienen von Laboreinrichtungen 4 oder das Dosieren von Medien in Gefäße. Beginn und Ende sowie die Position an der diese Aktivität stattfinden soll werden an die zentrale Steuereinheit 5 übermittelt und dort als Bewegungsablauf für einen künftigen automatischen Ablauf gespeichert. Neben dem manuellen Anlernen durch den Benutzer, sind insbesondere auch kameragestützte AR (Augmented Reality) Beamer geeignet das Anlernen zu unterstützen bzw. durchzuführen. Diese Kombination erlaubt neben der optischen Projektion von Ablaufanweisungen für den Benutzer auf beispielsweise die Arbeitsfläche eines Laborabzugs 6 insbesondere auch die Aufnahme von manuellen Abläufen über eine Software zur Erkennung von Bewegungsabläufen (Motion capturing) und der Übermittlung dieses manuellen Ablaufs an das Handhabungssystems 3, welches diese anschließend automatisiert ausführt.
Die Durchführung des Verfahrens wird beispielhaft anhand der Darstellungen erläutert, die in den Figuren 1 b und 1 c gezeigt werden, die sich auf die Herstellung von Feststoffprodukten beziehen.
Figur 1 b zeigt im Wesentlichen das Laborsystem 1 nach Figur 1 a, jedoch sind in Figur 1 b mehrere Laboreinrichtungen 4 zu einem Laborprozess zusammengestellt bzw. gruppiert worden. Ferner in Figur 1 b keine Absaugvorrichtung für den Laborabzug dargestellt, wodurch illustriert ist, dass die Absaugvorrichtung optional für den Laborabzug 6 ist. Die bestimmte Anordnung von Laboreinrichtungen 4 zu einem Laborprozess 8 kann entweder durch das Handhabungssystem 3 erfolgt sein, oder aber die Laboreinrichtungen 4 wurden von einem Benutzer angeordnet, sodass ein Laborprozess durchführbar ist. Ferner ist in Figur 1 b dargestellt, dass innerhalb des Laborabzuges 6 auch Edukte 12 und Produkte 13 gelagert werden können, welche für den durchzuführenden Laborprozess benötigt werden oder welche durch den Laborprozess entstehen. Des Weiteren können die Edukte 12 und Produkte 13 auch in Behältern gelagert werden und das Handhabungssystem 3 kann die Behälter öffnen, schließen und die Stoffe aus diesen entnehmen. Beispielsweise kann das Handhabungssystem 3 auch eine Pipette oder einen Spatel aufweisen, um aus den Behältern die Edukte 12 oder die Produkte 13 zu entnehmen. Der Laborprozess kann hierbei durch das Handhabungssystem 3 selbständig durchgeführt werden oder aber das Handhabungssystem 3 führt den Laborprozess teilweise durch. Die zentrale Steuereinheit 5 kann hierbei das Handhabungssystem 3 entsprechend anleiten bzw. steuern den Laborprozess durchzuführen, z.B. kann die zentrale Steuereinheit 5 das Handhabungssystem anleiten eine Abfolge von mehreren Laboreinrichtungen zu bedienen und/oder mehrere Edukte 12, Produkte 13, Zwischenprodukte oder Reaktoren handzuhaben. Vorteilhafterweise kann ein Benutzer das Handhabungssystem 3 einlernen, indem der Mensch dem Handhabungssystem 3 die gewünschte Bewegungsabfolge zeigt, beispielsweise indem der Mensch das Handhabungssystem 3 in einem „Einlernmodus“ versetzt und anschließend der Mensch den Bewegungsablauf mit dem Handhabungssystem durchführt (es bei der Hand nimmt). Diesen Bewegungsablauf kann die zentrale Steuereinheit 5 speichern und zu einem späteren Zeitpunkt kann die zentrale Steuereinheit 5 das Handhabungssystem 3 entsprechend des eingelernten Bewegungsablaufes steuern. In der Figur 1 b ist eine Gruppe 8 (Anordnung von Laboreinrichtungen 4) von Laboreinrichtungen 4 gezeigt, die vier Laboreinrichtungen 4 umfasst, beispielsweise eine Fällungsstation, eine Zentrifugeneinheit, eine Trocknungseinheit und eine Pelletierungseinheit. In der ersten Prozessstufe werden die flüssigen Ausgangsstoffe zur Fällung gebracht und es werden aus diesen Feststoffe erzeugt, die sich in der Fällungslösung befinden. In der nächsten Prozessstufe werden die Feststoffe von der Lösung abgetrennt. Dazu wird die Fällungslösung in Zentrifugenbecher transferiert, diese Zentrifugenbecher werden anschließend in die Halterung der Zentrifuge eingesetzt und diese anschließend dem Zentrifugenbetrieb ausgesetzt. Durch die Behandlung der Flüssigkeit in der Zentrifuge scheidet sich der Feststoff auf dem Boden der Becher ab. Die über dem Bodensatz stehende Flüssigkeit wird abgetrennt und der Feststoff wird abgeschieden. Das getrocknete Pulver kann anschließend einer Pelletierung unterzogen werden.
Die Dimensionierung des Maßstabs des Laborprozesses wird durch die eingesetzten Laboreinrichtungen 4 bestimmt, die dem Laborsystem 1 zur Verfügung stehen und welche unter dem Laborabzug 6 angeordnet sind. Im vorliegenden Fall ist die Zentrifugeneinheit so gegeben, dass diese mit insgesamt vier Zentrifugenbechern bestückt werden kann, die jeweils ein Fassungsvermögen von 100 mL aufweisen. Somit ist die Behandlung der bei der Fällung erhaltenen Lösung zur Abtrennung von Feststoff auf eine Gesamtmenge von 400 mL pro Zentrifugenlauf begrenzt. In der zentralen Steuereinheit 5 können die entsprechenden Kenngrößen zu den einzelnen Laboreinrichtungen 4 hinterlegt sein. Diese Kenngrößen werden bei der Planung des Laborprozesses durch die zentrale Steuereinheit 5 berücksichtigt. Somit ist die zentrale Steuereinheit 5 in der Lage, den Durchsatz bei der Durchführung des Verfahrens auf die einzelnen Laboreinrichtungen 4 abzustimmen. Somit kann verhindert werden, dass eine zu große Menge an Feststoff ausgefällt wird, für den Fall, dass mittels der Fällungseinheit mehr Feststofflösung pro Zeiteinheit hergestellt werden kann als mittels der Zentrifugeneinheit aufgearbeitet werden kann. Bei der Trocknungseinheit besteht die Möglichkeit, dass mehrere Proben gleichzeitig einer Trocknungsbehandlung unterzogen werden können, sodass die Trocknung in einer effizienten Weise durchgeführt werden kann. Bei der Trocknungsbehandlung sind die Dauer der Trocknung und die Temperaturhöhe wählbar und bestimmen die Gesamtdauer des Trocknungsprozesses. Alle einzelnen Prozesse, d.h. der Fällungsprozess, der Zentrifugierprozess, der Trocknungsprozess und der Pelletierprozess können in der Datenbank der zentralen Steuereinheit 5 hinterlegt sein. Ferner kann die zentrale Steuereinheit 5 den Benutzer über die Dauer des Laborprozesses und die notwendigen Ausgangsstoffe (Edukte) informieren, wobei dies unter Berücksichtigung der Betriebsgrößen erfolgt, die vom Benutzer auswählbar sind und welche durch den Benutzer verändert bzw. angepasst werden können. Bei der Durchführung des Verfahrens erhebt und speichert die zentrale Steuereinheit 5 die Mess- und Regelparameter, die für die einzelnen Laborprozesse charakteristisch sind. Somit führt die zentrale Steuereinheit 5 ein Protokoll, welches in der Datenbank hinterlegt wird und durch den Benutzer abgerufen werden kann. Die in dem Protokoll enthaltenen Informationen sind von Bedeutung, um Verfahrensschritte zu einem späteren Zeitpunkt nachzuarbeiten, Fehler oder Einflussgrößen zu identifizieren, welche für den betrachteten Parameterraum von Bedeutung sind. Als beispielhaft hierfür ist die Dauer und Temperatur bei der Lagerung des Feststoffs in der Fällungslösung vor der Abtrennung zu nennen. Die Lagerungsbedingungen können Alterungseffekte auslösen, welche einen Einfluss auf die katalytischen Eigenschaften des Feststoffs aufweisen können.
Figur 1 c zeigt eine bestimmte Anordnung von Laboreinrichtungen 4 für einen weiteren Laborprozess 9, welcher sich von der in Figur 1 b gezeigten Anordnung unterscheidet. Somit können die in dem Laborabzug 6 vorhandenen Laboreinrichtungen 4 auf eine vielfältige Art und Weise zusammengestellt werden, je nachdem welcher Laborprozess durchgeführt werden soll bzw. wie die zentrale Steuereinheit 5 den Laborprozess plant.
In der Figur 1 c ist eine Gruppe 9 (Anordnung von Laboreinrichtungen 4) von drei Laboraufbauten gezeigt, welche beispielsweise eine Fällungseinheit, eine Filtrationseinheit und eine Kalzinierungseinheit umfasst. Bei der Durchführung des Verfahrens wird im ersten Laborprozess ein Feststoff ausgefällt. In einem zweiten Prozess wird der Feststoff durch Filtration von der Flüssigkeit abgetrennt, aus der der Feststoff ausgefällt wurde. Im vorliegenden Fall waren in der Datenbank der zentralen Steuereinheit 5 zunächst keine Informationen über die Dauer für den Filtrationsprozess hinterlegt. Einflussgrößen, die die Dauer des Filtrationsprozesses beeinflussen, sind die Art des Niederschlags, der mit beim Fällungsprozess erzeugt wird, und die Prozess parameter beim Filtrationsschritt. Ein vorteilhafter Aspekt hier ist, dass die zentrale Steuereinheit 5 auch die Daten zu neu durchgeführten Experimenten in der Datenbank in abrufbarer Weise hinterlegt und darüber hinaus dazu in der Lage ist, diese hinzugefügten Informationen bei weiteren Experimenten in der Planung zu berücksichtigen. Ferner kann die zentrale Steuereinheit 5 dem Benutzer die entsprechenden Informationen zur Verfügung zu stellen. Denkbar ist, dass die Verwendung von speziellen Filtern mit einer bestimmten Porengröße von Bedeutung ist, um sicherzustellen, dass Feststoff zurückgehalten wird und Verstopfungen vermieden werden.
Ferner kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Verfahrensschritt, z.B. in einer Kalzinierungseinheit, außerhalb des Abzugs durchgeführt werden kann. Die Kalzinierungseinheit ist in diesem Fall auch als Laboreinrichtung in der Datenbank der zentralen Steuereinheit 5 hinterlegt. Darüber hinaus wird der Benutzer des Laborsystems über den Zeitpunkt informiert, zu dem die Proben und/oder die Produkte für die Kalzinierung bereitstehen. Die zentrale Steuereinheit 5 kann dabei zumindest die Zeitdauer der Kalzinierung überwachen und die Kalzinierungseinheit kann die Daten während der Kalzinierung erfassen und in der Datenbank speichern bzw. die Daten an diese übertragen.
Figur 2a zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist das Handhabungssystem 3‘ außerhalb des Laborabzuges 6 angeordnet, welches hier als externes Handhabungssystem 3‘ bezeichnet wird. Somit kann das externe Handhabungssystem 3‘ Edukte zu dem Laborabzug 6 oder Produkte von dem Laborabzug 6 weg transportieren. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Handhabungssystem innerhalb des Laborabzuges und ein Handhabungssystem 3‘ außerhalb des Laborabzuges 6 angeordnet sein. Dies ist ferner in Figur 2b dargestellt. Die zentrale Steuereinheit 5 kann hierbei beide, das Handhabungssystem 3 und das externe Handhabungssystem 3‘ steuern. Auch ist in Figur 2b eine bewegliche Schutzscheibe 11 zum selektiven Verschließen des Laborabzuges 6 dargestellt. Somit kann der Laborabzug 6 von der Umwelt abgeschlossen werden, sodass keine Stoffe unkontrolliert aus dem Laborabzug 6 entweichen können. Figur 2c zeigt die Ausführungsform gemäß Figur 2b mit geschlossener Schutzscheibe 1 1.
In einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Handhabungssystem 3, 3‘auf Rädern angeordnet ist und verfahrbar ist. Beispielsweise ist das im Laborabzug positionierte Handhabungssystem 3 nicht verfahrbar, sondern an einer festen Position innerhalb des Laborabzuges 6 angeordnet.
Es sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Laborsystem und Verfahren auch mit Laborprozessen kombiniert werden kann, welche außerhalb eines Laborabzugs 6 durchgeführt werden.
Figur 3 zeigt einen vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Laborabzug 6, wobei der Laborabzug bzw. die in diesem Laborabzug 6 vorhandenen Laboreinrichtungen 4 und/oder das Handhabungssystem eine drahtlose Verbindung 10 zu der zentralen Steuereinheit und/oder zu einer zentralen Datenbank aufweist. Diese drahtlose Verbindung 10 kann beispielsweise über WLAN oder Bluetooth erfolgen, sodass eine sichere, schnelle und standardisierte Datenübertragung erfolgen kann.
Die Figuren 4a bis 4e zeigen diverse Ausgestaltungen von Laborabzügen 6. Hierbei stellen die in den Laborabzügen 6 dargestellten Symbole verschiedenen Laboreinrichtungen 4a - 4g dar. Figur 4a zeigt eine erste Ausführungsform, in welcher der Laborabzug 6 eine Dosiereinheit 4a, z.B. eine Laborwaage, eine Prozesseinheit 4e und dazugehörige Ventil- 4b, Pump- 4c, Temperier- 4f und Messtechnik 4d, z.B. Analysetechnik, aufweist. Ferner kann der Laborabzug 6 einen Barcodescanner 4g aufweisen. Diese Laboreinrichtungen 4a - 4g können durch die zentrale Steuereinheit 5 gesteuert werden und gegebenenfalls mit dieser Daten bzw. Informationen austauschen. Des Weiteren kann der Laborabzug 6 gemäß Figur 4a eine Anzeigeeinheit 14 für weitere Informationen aufweisen. Beispielsweise können über ein Tablet, Smart Glasses oder einen Beamer dem Benutzer des Laborabzugs 6 bzw. dem Laboranten zusätzliche Informationen, wie beispielsweise die durchzuführenden Prozessschritte für den Laborprozess angezeigt werden. Der Betrieb kann dadurch bereits (teil-) automatisiert werden, dass die Prozessablauffolge und die Prozessparameter dem Benutzer automatisiert übermittelt werden. Der Reaktionsraum an sich kann durch die Laboreinrichtungen 4a - 4g gebildet werden. Typische Prozesseinheiten 4e können Rohrreaktoren, Rührkessel, Apparate zur Stofftrennung oder -Vereinigung und Energieumwandlung sein. Es sei angemerkt, dass nicht automatisierte Laboraufbauten üblicherweise vom Benutzer selbst aufgebaut werden und auch selbst manuell bedient werden, hierbei kann jedoch durch die Anzeigeeinheit 14 eine Erleichterung und Verbesserung des Laborprozesses erreicht werden. Diese Laboraufbauten 4a - 4g selbst sind üblicherweise mit nur wenig Automatisierung ausgestattet, da für solche in der Regel kurzzeitig betriebenen Laborprozesse das für die Automatisierung notwendige kosten- und zeitaufwändige Engineering vermieden werden soll.
Figur 4b zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher dem Laborabzug 6 ein Handhabungssystem 3 hinzugefügt wurde. Somit kann der Laborprozess weiter automatisiert werden. Das Handhabungssystems 3 kann hierbei eine direkte Nachahmung der manuellen Bedienung durchführen, um den Laborprozess oder Teile davon durchzuführen. Beispielsweise kann das Handhabungssystem 3 Ventile bedienen, die Einwaage von Feststoffen (mit einer üblichen Laborwaage 4a) durchführen oder eine optische Kontrolle des Füllstands in einer Prozesseinheit 4e durchführen (mit einem optionalen Sensor an einem Arm des Handhabungssystems 3). Mit dieser Art kann die zentrale Steuereinheit 5 einen sequentiellen Ablauf von Aktivitäten (Laborprozess) abbilden und das Handhabungssystem 3 entsprechend steuern diesen durchzuführen. Hierbei kann auch eine herkömmliche Rezeptablaufsteuerungssoftware verwendet werden, da sich der Laborprozess an der manuellen Durchführung durch einen Benutzer orientiert.
Figur 4c zeigt einen Laborabzug 6 gemäß Figur 4b mit einer Absaugvorrichtung 7, welche bei dem Laborprozess entstehende Gase absaugen und sicher entsorgen bzw. filtern kann. Der Laborabzug 6 kann auch durch flexible Rahmengestelle auf Basis eines Montagebaukastens mit schraubbaren Metallprofilen realisiert werden. Es sei angemerkt, dass bei den Prozessen es sich häufig um Synthesen einer Vielzahl unterschiedlicher Materialien (Testspecimen) handeln kann, welche im Rahmen eines übergreifenden Workflows (Arbeitsablaufes) mit Methoden der Hochdurchsatztechnik anschließend bewertet werden.
Figur 4d zeigt ebenfalls einen Laborabzug 6, welcher zudem eine drahtlose Anbindung 10 an die zentrale Steuereinheit und/oder an eine zentrale Datenbank 15 aufweist. Die zentrale Datenbank 15 kann hierbei als eine Cloud, welche über das Internet erreichbar ist, ausgestaltet sein. Ferner kann die in Figur 4d gezeigte Ausführungsform eine Transmitterbox aufweisen, welche die innerhalb des Laborabzugs 6 erhobenen Daten, wie Messwerte und Analyseergebnisse, sammelt und diese als Ganzes an die zentrale Steuereinheit und/oder die zentrale Datenbank 15 übertragen kann. Des Weiteren können die Abmaße des Laborabzugs 6 genormten Maßen für Laborabzüge entsprechen. Dieses ist durch die beiden Bemaßungen a und b dargestellt, damit auch ein Retrofit von existierenden Laboren durch den Tausch der manuellen Abzüge gegen die hier genannten Laborsysteme möglich ist, welche im gleichen geometrischen Rastermaß angeboten werden. Ein solches Rastermaß kann leicht gefunden werden, da Abzüge üblicherweise mit festen Tiefen- und Höhenmaßen a aber flexiblen Breitenmaßen b angeboten werden. Die vorgeschlagene Bauweise berücksichtigt diese Flexibilität in einer Dimension. Ferner können geeignete Software-Schnittstellen definiert werden, sodass Daten mit der zentralen Datenbank 15 ausgetauscht werden können. Dies geschieht beispielsweise mittels einer drahtlosen Verbindung 10, beispielsweise über einen im Laborabzug eingebauten Router oder die Transmitterbox, um die Verlegung von Netzwerkkabel zu vermeiden und die direkte Kommunikation mit dem Handhabungssystem 3 zu erleichtern. Die zentrale Datenbank 15 kann als Cloud Lösung realisiert sein mit Speicher- und Rechenkapazität zur Auswertung großer Datenmengen. Diese zentrale Datenbank kann ferner die erhaltenen Daten auswerten und in diesen Muster erkennen. Hierbei können auch neuronale Netze und künstliche Intelligenz eingesetzt werden.
Figur 4e zeigt eine Ausführungsform, wobei der Laborabzug 6 einen Schaltschrank 16 aufweist, welcher die Stromversorgung innerhalb des Laborabzugs 6 sicherstellt und welcher die Transmitterbox zur drahtlosen Übertragung der Daten an die zentrale Steuereinheit 5 aufweisen kann.
Figur 5 zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren zur Durchführung von Laborprozessen mit Hilfe einer vorhergehend und nachfolgend beschriebenen Laborprozessunterstützungsvorrichtung. In einem ersten Schritt S1 empfängt eine zentrale Steuereinheit einen Auftrag zur Durchführung eines Laborprozesses. In Schritt S2 plant die zentrale Steuereinheit auf Basis des Auftrags den durchzuführenden Laborprozess. Hierzu wählt die zentrale Steuereinheit 5 in Schritt S3 die für diesen Laborprozess benötigten Laboreinrichtungen aus einer Vielzahl von Laboreinrichtungen aus. Anschließend erfolgt in Schritt S4 die Anordnung der einzelnen Laboreinrichtungen entsprechend des Laborprozesses. Diese Anordnung kann manuell durch einen Benutzer unter Anleitung der zentralen Steuereinheit, beispielsweise über eine Anzeigeeinheit, oder aber selbständig durch ein Handhabungssystem, durchgeführt werden. Anschließend wird in Schritt S5 der Laborprozess mit Hilfe des Handhabungssystems durchgeführt. Hierbei kann das Handhabungssystem Teile des Laborprozesses durchführen oder aber den gesamten Laborprozess automatisch durchführen. Abschließend werden die bei der Durchführung des Laborprozesses erzeugten Daten in einer Datenbank der zentralen Steuereinheit gespeichert.
Figur 6 zeigt den schematischen Ablauf des Verfahrens zur Durchführung von Laborprozessen, bei dem ein Auftrag I an die zentrale Steuereinheit weitergeleitet wird, welche die Machbarkeit II des Auftrags prüft und in Abhängigkeit der Machbarkeit entweder eine Information III an den Auftraggeber zurückgibt oder die Durchführung IV des Auftrags vorbereitet. Während der Durchführung des Auftrags wird der Arbeitsbereich in einen Betriebszustand überführt, wobei ausgewählte Laboreinrichtungen aus dem Vorratsbereich V in einer speziellen Anordnung VI zu einer ausgewählten Gruppe von Laboreinrichtungen angeordnet werden. Möglich ist, dass die Komponenten in einer Vielzahl von Gruppen von Laboreinrichtungen angeordnet werden können. Zur Illustration werden die vier Gruppen VI.1 bis VI.4 gezeigt. Die für den Laborprozess erforderlichen Laboreinrichtungen können in jeweiligen für den Laborprozess erforderlichen Anordnung angeordnet werden. Die arabischen Ziffern in den Laboreinrichtungen der jeweiligen Prozessschritte VI-1 bis VI-4 symbolisieren hierbei jeweils die verwendeten Laboreinrichtungen. Es können in einem Laborprozess somit verschiedenen Laboreinrichtungen oder gleiche Laboreinrichtungen mehrmals Vorkommen. Anschließend kann bei jeder Laboreinrichtung sukzessive der Teilprozess bzw. der Prozessschritt durchgeführt werden, welches durch die dicken gebogenen Pfeile dargestellt wird. Nachdem alle Prozessschritte durchgeführt wurden, wird das Ergebnis des Laborprozesses ausgegeben, dieses wird durch den schwarzen nach rechts zeigenden Pfeil symbolisiert. Anschließend oder gleichzeitig kann die Anordnung von Laboreinrichtungen in den Ausgangzustand zurückgesetzt werden und die einzelnen Laboreinrichtungen können abgebaut werden. Dies wird durch den schwarzen nach unten zeigenden Pfeil symbolisiert. Der weiße Doppelpfeil stellt die Regenerierung, die Reinigung bzw. den Austausch der einzelnen Laboreinrichtungen dar, dies kann erforderlich sein, um mit einem neuen Laborprozess zu beginnen.
Figur 7 zeigt den schematischen Ablauf des Verfahrens zur Durchführung von Laborprozessen, wobei das Verfahren einen Dialog l.b mit dem Auftraggeber umfasst, der sich auf die Umsetzung IV.b von Teilen des Auftrags bezieht. Sollte die zentrale Steuereinheit bei der Planung (Machbarkeit II) des Laborprozesses zu dem Schluss gelangen, dass eine komplette Durchführung des Laborprozesses mit den zur Verfügung stehenden Laboreinrichtungen nicht möglich ist, kann die zentrale Steuereinheit prüfen, ob eine teilweise Ausführung des Laborprozesses möglich ist, ist dies gegeben, erfolgt eine entsprechende Mitteilung an den Auftraggeber. Dieser kann anschließend entscheiden, ob er eine teilweise Durchführung wünscht, oder ob er den Auftrag zurückzieht.
Figur 8 zeigt einen weiteren schematischen Ablauf des Verfahrens zur Durchführung von Laborprozessen, welches dem in der Figur 6 gezeigten Schema entspricht. Die Durchführung wird mit IV. n bezeichnet. Das Verfahren gemäß Figur 8 weist mehrere Laboreinrichtungen im Vorratsbereich V.n auf. Mit der vergrößerten Auswahl an Laboreinrichtungen ist es möglich, eine größere Anzahl von unterschiedlichen Gruppen VI. n mit Laboraufbauten zusammenzustellen. Gleichzeitig wird auch in der zentralen Steuereinheit die Information hinterlegt, dass vom Laborsystem eine größere Anzahl von Laborprozessen durch die größere Anzahl an Laboreinrichtungen möglich ist. Somit können die Laborabzüge flexibel an die jeweiligen Aufgaben angepasst und gegebenenfalls erweitert werden.
Bezugszeichenliste
1 Laborsystem
2 Laborprozessunterstützungsvorrichtung
3 Handhabungssystem
3‘ externes Handhabungssystem
4(a-g)- Laboreinrichtung(en)
5 zentrale Steuereinheit
6 Laborabzug
7 Absaugvorrichtung des Laborabzugs
8 bestimmte Anordnung von Laboreinrichtungen für einen Laborprozess
9 bestimmte Anordnung von Laboreinrichtungen für einen weiteren Laborprozess
10 Drahtlosverbindung zur zentralen Steuereinheit und/oder zu zentralen Datenbank 1 1 bewegliche Schutzscheibe und Zugang zum Abzug
12 - Edukt(e)
13 - Produkt(e)
14 - Anzeigeeinheit für weitere Informationen
15 - zentrale Datenbank (Cloud)
16 - Schaltschrank
l-V - Prozessschritte

Claims

Ansprüche
1 . Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) aufweisend:
- ein Handhabungssystem (3); und
- eine zentrale Steuereinheit (5),
wobei das Handhabungssystem (3) dazu eingerichtet ist, eine Laboreinrichtung (4, 4a-4g) zu bedienen,
wobei das Handhabungssystem (3) ferner dazu eingerichtet ist, ein Edukt (12), ein Zwischenprodukt, ein Produkt (13) und/oder einen Reaktor für einen chemischen Prozess eines Laborprozesses handzuhaben, und
wobei die zentrale Steuereinheit (5) dazu eingerichtet ist, den Laborprozess zu planen und das Handhabungssystem (3) entsprechend zu steuern.
2. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß Anspruch 1 ,
ferner mit einer Programmsteuerungseinheit, wobei die Programmsteuerungseinheit einen Speicher aufweist, in dem eine Mehrzahl von Verfahrensmodulen abgelegt ist, wobei jedes Verfahrensmodul wenigstens einen Verfahrensschritt zur Bedienung der Laboreinrichtung (4, 4a- 4g) aufweist, wobei die Programmsteuerungseinheit ausgeführt ist auf der Grundlage eines von einem Benutzer eingebbaren Rezeptes für ein Produkt oder Zwischenprodukt, die zur Herstellung des Produktes oder Zwischenproduktes notwendigen Verfahrensschritte zu identifizieren und die entsprechenden Verfahrensmodule für einen Laborprozess derart auszuwählen und in eine Handlungsreihenfolge zu bringen, dass das Handhabungssystem (3) in der Lage ist das Produkt oder Zwischenprodukt eigenständig herzustellen.
3. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß Anspruch 2,
ferner mit einer Erkennungseinheit, die ausgeführt ist die zur Verfügung stehenden Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) zu erkennen und die auswählbaren Verfahrensmodule auf diejenigen Verfahrensmodule einzuschränken, die Verfahrensschritte beinhalten, die zur Bedienung der zur Verfügung stehenden Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) dienen.
4. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß Anspruch 3,
wobei die Erkennungseinheit ausgelegt ist Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) zu erkennen, die für eine humanoide Bedienung ausgelegt sind und die zur Bedienung dieser Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) notwendigen Verfahrensschritte einer humanoiden Handhabung nachempfunden sind, die mit der für eine humanoide Bedienung ausgelegten Laboreinrichtung kompatibel ist.
5. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei in dem Speicher der Programmsteuerungseinheit eine Mehrzahl von Rezepten abgelegt ist mit jeweils zugewiesenen Verfahrensmodulen, die zum Herstellen des dem jeweiligen Rezept entsprechenden Produktes oder Zwischenproduktes erforderlich sind.
6. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Handhabungssystem (3) einen Handhabungsroboter mit einem Arm aufweist, der dazu eingerichtet ist eine Laboreinrichtung handzuhaben und/oder zu bedienen, die nicht dazu eingerichtet ist von einem automatisierten oder teilautomatisierten System gehandhabt und/oder bedient zu werden.
7. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zentrale Steuereinheit (5) dazu eingerichtet ist, das Handhabungssystem (3) entsprechend des geplanten Laborprozesses zu steuern, eine Abfolge von mehreren Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) zu bedienen und/oder Edukte (12), Zwischenprodukte, Produkte (13) und/oder Reaktoren für einen chemischen Prozess des Laborprozesses handzuhaben.
8. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Handhabungssystem (3) einen Sensor aufweist, welcher dazu eingerichtet ist,
Messdaten über das Handhabungssystem (3) und/oder über den Laborprozess zu erheben und an die zentrale Steuereinheit (5) zur Überwachung und Regelung des Laborprozesses zu übermitteln.
9. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) dazu eingerichtet ist, von einem
Menschen eingelernt zu werden, indem der Mensch das Handhabungssystem (3) führt, eine gewünschte Bewegungsabfolge durchzuführen,
wobei die zentrale Steuereinheit (5) dazu eingerichtet ist, diese Bewegungsabfolge als einen Verfahrensablauf oder einen Verfahrensschritt zu speichern, um das Handhabungssystem (3) nachfolgend entsprechend der gespeicherten Bewegungsabfolge zu steuern.
10. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zentrale Steuereinheit (5) dazu eingerichtet ist, einen Auftrag für einen
Laborprozess zu empfangen und wobei die zentrale Steuereinheit (5) dazu eingerichtet ist, zu überprüfen, ob der Auftrag mit zur Verfügung stehenden Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) und dem Handhabungssystem (3) durchführbar ist, und das Ergebnis der Überprüfung an den Auftraggeber zu übermitteln.
1 1. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Anzeigeeinheit (14), welche dazu eingerichtet ist, einem Menschen
Informationen und/oder eine Anleitung über den durchzuführenden Laborprozess anzuzeigen.
12. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Handhabungssystem (3) dazu eingerichtet ist, selbständig einen Laborprozess innerhalb eines Laborabzugs (6) durchzuführen.
13. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Handhabungssystem (3) dazu eingerichtet ist, ein in einem Behälter befindliches
Edukt (12), Zwischenprodukt und/oder Produkt (13) gezielt aus dem Behälter zu entnehmen.
14. Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zentrale Steuereinheit (5) dazu eingerichtet ist, den Laborprozess zu planen und dementsprechend aus einer Vielzahl von Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) die für den Laborprozess notwendigen Laboreinrichtungen auszuwählen,
wobei die zentrale Steuereinheit (5) ferner dazu eingerichtet ist, das Handhabungssystem (3) zu steuern, die ausgewählten Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) für den Laborprozess zusammenzustellen und den Laborprozess durchzuführen.
15. Laborsystem (1 ), aufweisend:
- wenigstens zwei Laboreinrichtungen (4, 4a-4g); und
- eine Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die wenigstens zwei Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) durch einen Laborprozess miteinander verbunden sind, und
wobei die Laborprozessunterstützungsvorrichtung (2) dazu eingerichtet ist, die wenigstens zwei Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) gemäß dem Laborprozess zu bedienen und/oder das Edukt (12), das Zwischenprodukt, das Produkt (13) und/oder den Reaktor für einen chemischen Prozess des Laborprozesses handzuhaben, um den Laborprozess durchzuführen.
16. Laborsystem (1 ) gemäß Anspruch 15,
wobei die Laboreinrichtung (4, 4a-4g) aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Dosiereinheit, einer Laborwaage, einer Rührvorrichtung, einer Heizvorrichtung, einer Kühlvorrichtung, einem Temperaturmesssensor, einem Drucksensor, einem Füllstandmesssensor, einer Absaugvorrichtung, einem Filtrationsgefäß, einem Reaktionsgefäß, einer Separationseinheit, einer Analytikeinheit, einem Barcode-Scanner, einer Etikettiermaschine, einer Probeentnahmeeinheit, einem Fluidverteiler und Vorratsbehältern für Edukte, Reaktanten und Zwischenprodukte.
17. Laborsystem (1 ) gemäß einem der Ansprüche 15 oder 16,
wobei die Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) jeweils mit der zentralen Steuereinheit (5) in Verbindung stehen, sodass Daten zwischen den Laboreinrichtungen (4, 4a-4g) und der zentralen Steuereinheit (5) ausgetauscht werden,
wobei die zentrale Steuereinheit (5) an eine zentrale Datenbank (15), beispielsweise einen Cloud-Server, angebunden ist.
18. Verfahren zur Durchführung eines Laborprozesses mit Hilfe einer Laborprozessunterstützungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, die folgenden Schritte aufweisend:
- Empfangen (S1 ) eines Auftrags zur Durchführung eines Laborprozesses durch eine zentrale Steuereinheit;
- Planen (S2) des Laborprozesses durch die zentrale Steuereinheit;
- Auswählen (S3) der dafür benötigten Laboreinrichtungen;
- Anordnen (S4) der benötigten Laboreinrichtungen entsprechend des Laborprozesses; - Durchführen (S5) des Laborprozesses mit Hilfe eines Handhabungssystems;
- Erheben und Speichern (S6) der bei der Durchführung des Laborprozesses erzeugen Daten in einer Datenbank der zentralen Steuereinheit.
19. Verfahren zur Durchführung eines Laborprozesses gemäß Anspruch 18;
wobei Planen (S2) des Laborprozesses umfasst:
Identifizieren der zur Herstellung des Produktes oder Zwischenproduktes notwendigen Verfahrensschritte auf der Grundlage eines von einem Benutzer eingebbaren Rezeptes für ein Produkt oder Zwischenprodukt,
Auswählen und in eine Handlungsreihenfolge Bringen entsprechender Verfahrensmodule für einen Laborprozess derart, dass das Handhabungssystem (3) in der Lage ist das Produkt oder Zwischenprodukt eigenständig herzustellen.
20. Programmelement, welches, wenn es auf einer zentralen Steuereinheit einer Laborprozessunterstützungsvorrichtung ausgeführt wird, die
Laborprozessunterstützungsvorrichtung anleitet, die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 und 19 durchzuführen.
21. Computerlesbares Medium, auf welchem das Programmelement gemäß Anspruch 20 gespeichert ist.
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