WO2006045477A1 - Vorrichtung zum schütteln von medien - Google Patents

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WO2006045477A1
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tray
sensor
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sensors
sensor electronics
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Inventor
Reinhard Baumfalk
Stefan Obermann
Christian Schmelig
Len Goren
Kenneth P. Clapp
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Sartorius Ag
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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F31/00—Mixers with shaking, oscillating, or vibrating mechanisms
    • B01F31/20—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes
    • B01F31/22—Mixing the contents of independent containers, e.g. test tubes with supporting means moving in a horizontal plane, e.g. describing an orbital path for moving the containers about an axis which intersects the receptacle axis at an angle

Definitions

  • the invention relates to a device for shaking media, which are arranged on a tray, consisting of a housing with a shaking mechanism, via which the tray is set in shaking movements, and at least one sensor connected to a sensor electronics unit having a sensor.
  • laboratory shakers are used for this purpose.
  • the laboratory shakers have a substantially horizontal tray on which the medium to be examined, for example in a shake flask, is located.
  • the tray is thereby offset by a shaking mechanism arranged in a housing in a circular motion, a longitudinal movement or in a tilting movement.
  • sensors are used.
  • sensor electronics In addition to the increasing need to equip each shake flask on a tray with sensors or a sensor for sizes such as oxygen content or pH value, in order to collect data for process development here, more and more sensors with the associated cabling, sensor electronics have to be placed on the tray and data lines are housed.
  • a shaker for biological fermentation is known.
  • the sensors or measuring heads are arranged separately from the tray, so that the tray moves relative to the measuring heads.
  • this is only possible by non-contact, optical measurement methods and separates the arrangement of sensors on the tray or on or in a shake flask.
  • Object of the present invention is therefore to provide a device for shaking media that monitor a metrological monitoring of arranged on a shelf, especially in shake flasks held in motion by arranged on the tray sensors and thereby mechanical problems such Cable break of test leads for measured value processing to avoid.
  • the sensor electronics are separated from the control unit and arranged on the tray, there are no movement problems with connecting cables to the sensors between sensor and sensor electronics, since the sensor electronics compared to the sensors none Subjected relative movement.
  • a plurality of sensors are arranged on the tray and a central data bus is provided on the tray via which the communication between sensors and a central interface on the tray using the sensor electronics, the central interface wirelessly with a stationary interface, for example, on the housing communicates. Due to the central data bus, it is possible to wirelessly carry out the communication between the sensors and the stationary control unit via only one central interface on the shelf and via the stationary interface corresponding thereto.
  • the central interface to a signal transmitter whose signals are received by a signal receiver of the fixed interface.
  • the central interface to a communication receiver, which receives signals from a communication transmitter of the fixed interface. Signal receiver and communication transmitter of the fixed interface are connected to the control unit via a data line.
  • the control unit has a microprocessor for processing the measured data and for controlling.
  • the control unit can also be formed by a computer.
  • collected and processed by the sensor electronics measurement signals of the sensors via the central Data bus directed to the central interface can be done by using radio frequencies over the known RFID (Radio Frequency Identification) technology. But it is also a wireless communication via the well-known Bluetooth technology possible.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • the media are in shake flasks arranged on the tray.
  • a wireless sensor adjacent to the shaking flask is provided.
  • the wireless sensor can be designed as an optical sensor. It is also possible to form a sensor as a probe which can be arranged in the shaker piston with a wire connection to the sensor electronics.
  • the sensor electronics and / or mechanics can be further accommodated spatially in the tray.
  • the underside of the tray can be designed so that it has the dimensions and breakpoints of commercial Schüttler trays, so that an easy installation and retrofitting of laboratory shakers is possible.
  • the surface of the tray can be equipped with the usual threaded hole grids, so that usual holders or coasters for shake flasks can be installed.
  • the energy supply of the sensors and the sensor electronics takes place wirelessly on the tray.
  • This has the advantage that even with the energy or power supply no problems with moving cables occur.
  • a power supply to data lines much less sensitive to interference due to interruptions responded and the power supply only two moving cables necessary In principle, a wired connection could also be used.
  • a stationary energy transmitter is provided on the housing and an energy receiver is provided on the tray.
  • the energy could be transmitted inductively or through an RFID connection.
  • a generator which is driven by the movement of the tray.
  • Figure 1 A schematic representation of an apparatus for shaking media
  • Figure 2 is a block diagram of a device for shaking media.
  • a device 1 for shaking media essentially consists of a housing 2, a tray 3, sensors 4, 5, a sensor electronics 6 and a control unit 7.
  • the housing 2 in this case has a shaking mechanism, not shown, which displaces the tray 3 in shaking movements.
  • the shaking motion may be a circular movement, a horizontal or vertical longitudinal movement, a tilting movement or a combination of movements.
  • the tray 3 has wireless sensors 4, which are formed for example as optical sensors and the shaker piston 8 are arranged adjacent, and wired sensors 5 on.
  • the wired sensors 5 are formed, for example, as insertable into the shaker 8 probes.
  • the sensors 4, 5 are connected to the sensor electronics 6, which is integrated in the tray 3. Measurement signals from the sensors 4, 5 are collected by the respectively assigned sensor electronics 6, processed and forwarded via a central data bus 10 to a central interface 11 likewise arranged on the tray 3. From the central interface 11 is a wireless communication with a fixed interface 12, which is arranged on the housing 2 in the example.
  • the communication between the central interface 11 and fixed interface 12 takes place in the example according to the RFID (Radio Frequency Identification) technology. It enables fast and automatic data acquisition via radio waves, for example with the help of transponders and corresponding reading and transmitting devices.
  • the communication between central interface and stationary Interface can also be done by radio according to the well-known Bluetooth interface standard.
  • the fixed interface 12 is connected to the control unit 7 via a wire connection.
  • the control unit 7 can also be designed as a separate PC. From the control unit 7 in a corresponding, reverse direction control signals to the sensor electronics 6 and the sensors 4, 5 are sent.
  • the central interface 11 has a signal transmitter 13 whose signals are received by a signal receiver 14 of the stationary interface 12.
  • the central interface 11 further comprises a communication receiver 15 receiving signals from a communication transmitter 16 of the fixed interface 12.
  • the energy supply of the sensors 4, 5 and the sensor electronics 6 takes place wirelessly via a housing 2 fixedly arranged energy transmitter 17 and a tray
  • the energy supply or energy transfer can via an RFID

Abstract

Vorrichtung zum Schütteln von Medien Vorrichtung zum Schütteln von Medien (1), die auf einem Tablar (3) angeordnet sind, bestehend aus einem Gehäuse (2) mit einer Schüttelmechanik, über die das Tablar (3) in Schüttelbewegungen versetzbar ist, und mit mindestens einem mit einer eine Sensorelektronik (6) aufweisenden Steuereinheit (7) verbundenen Sensor (4, 5), wobei der mindestens eine Sensor (4, 5) und die mit dem Sensor verbundene Sensorelektronik (6) auf dem Tablar (3) angeordnet sind und drahtlos mit der ortsfest angeordneten Steuereinheit (7) kommunizieren.

Description

Vorrichtung zum Schütteln von Medien
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schütteln von Medien, die auf einem Tablar angeordnet sind, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Schüttelmechanik, über die das Tablar in Schüttelbewegungen versetzbar ist, und mit mindestens einem mit einer eine Sensorelektronik aufweisenden Steuereinheit verbundenen Sensor.
Soweit im Labor zu untersuchende Medien, beispielsweise für biologische Fermentationsprozesse, in Bewegung gehalten werden müssen, werden hierzu Laborschüttler verwendet. Die Laborschüttler weisen ein im Wesentlichen horizontales Tablar auf, auf dem sich das zu untersuchende Medium, beispielsweise in einem Schüttelkolben, befindet. Das Tablar wird dabei von einer in einem Gehäuse angeordneten Schüttelmechanik in eine kreisende Bewegung, eine Längsbewegung oder in eine Kippbewegung versetzt. Um das in Bewegung gehaltene Medium zu untersuchen, werden Sensoren benutzt. Zusätzlich mit dem steigenden Bedürfnis jeden Schüttelkolben auf einem Tablar mit Sensoren bzw. einer Sensorik für Größen wie Sauerstoffgehalt oder ph-Wert auszustatten, um hier bereits Daten für die Prozessentwicklung zu sammeln, müssen auf dem Tablar derzeitig immer mehr Sensoren mit den zugehörigen Verkabelungen, Sensorelektronik und Datenleitungen untergebracht werden.
Eines der Hauptprobleme für die Indikation von Sensorik auf einem Laborschüttler ist die Tatsache, dass sich die zu untersuchenden Medien in Bewegung befinden müssen, so dass die Übertragung von Sensorsignalen der Sensoren zur Sensorelektronik; bzw. zu einer Steuereinheit über permanent bewegte, geknickte Kabel notwendig ist, was besonders bei den zahlreichen Messleitungen ein mechanisch-elektrisches Problem durch möglichen Kabelbruch darstellt.
Aus der WO 02/101000 A2 ist eine Schüttelmaschine zur biologischen Fermentation bekannt. Bei dem bekannten Schüttler sind die Sensoren bzw. Messköpfe getrennt von dem Tablar angeordnet, so dass sich das Tablar gegenüber den Messköpfen bewegt. Dies ist allerdings nur durch berührungslose, optische Messmethoden möglich und scheidet die Anordnung von Sensoren am Tablar bzw. an oder in einem Schüttelkolben aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Schütteln von Medien anzugeben, die eine messtechnische Überwachung der auf einem Tablar insbesondere in Schüttelkolben angeordneten Medien, die in Bewegung gehalten werden, durch auf dem Tablar angeordnete Sensoren zu überwachen und dabei mechanische Probleme, wie Kabelbruch von Messleitungen zur Messwertverarbeitung, zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gelöst, dass der mindestens eine Sensor und die mit dem Sensor verbundene Sensorelektronik auf dem Tablar angeordnet sind und drahtlos mit der ortsfest angeordneten Steuereinheit kommunizieren.
Dadurch, dass die Sensorelektronik von der Steuereinheit getrennt und auf dem Tablar angeordnet ist, bestehen zwischen Sensor und Sensorelektronik keine Bewegungsprobleme mit Verbindungskabeln zu den Sensoren, da die Sensorelektronik gegenüber den Sensoren keiner Relativbewegung unterliegt. Dadurch, dass die Sensorelektronik drahtlos mit der ortsfesten, beispielsweise am Gehäuse angeordneten Steuereinheit kommuniziert, besteht auch zwischen Sensorelektronik und Steuereinheit kein Kabelproblem.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind auf dem Tablar eine Mehrzahl von Sensoren angeordnet und ist auf dem Tablar ein zentraler Datenbus vorgesehen, über den mit Hilfe der Sensorelektronik die Kommunikation zwischen Sensoren und einer zentralen Schnittstelle am Tablar erfolgt, wobei die zentrale Schnittstelle drahtlos mit einer ortsfesten Schnittstelle, beispielsweise am Gehäuse, kommuniziert. Durch den zentralen Datenbus ist es möglich, die Kommunikation zwischen den Sensoren und der ortsfesten Steuereinheit über nur eine zentrale Schnittstelle am Tablar und über die mit dieser korrespondierenden ortsfesten Schnittstelle drahtlos durchzuführen. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die zentrale Schnittstelle einen Signalsender auf, dessen Signale von einem Signalempfänger der ortsfesten Schnittstelle empfangen werden. Weiterhin weist die zentrale Schnittstelle einen Kommunikationsempfänger auf, der Signale von einem Kommunikationssender der ortsfesten Schnittstelle empfängt. Signalempfänger und Kommunikationssender der ortsfesten Schnittstelle sind mit der Steuereinheit über eine Datenleitung verbunden. Die Steuereinheit weist zur Verarbeitung der Messdaten und zur Steuerung einen Mikroprozessor auf. Die Steuereinheit kann aber auch von einem Computer gebildet werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden von der Sensorelektronik gesammelte und aufbereitete Messsignale der Sensoren über den zentralen Datenbus zur zentralen Schnittstelle geleitet. Die Kommunikation zwischen der zentralen Schnittstelle und der ortsfesten Schnittstelle kann dabei mittels Verwendung von Radiofrequenzen über die bekannte RFID (Radio Frequency Identification) -Technik erfolgen. Es ist aber auch eine drahtlose Kommunikation über die ebenfalls bekannte Bluetooth-Technik möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befinden sich die Medien in auf dem Tablar angeordneten Schüttelkolben. Zur Messung des Mediums in einem Schüttelkolben ist dabei ein dem Schüttelkolben benachbarter, drahtloser Sensor vorgesehen. Der drahtlose Sensor kann dabei als optischer Sensor ausgebildet sein. Auch ist es möglich, einen Sensor als eine in dem Schüttelkolben anordenbare Sonde mit einer Drahtverbindung zur Sensorelektronik auszubilden. Die Sensorelektronik und / oder -mechanik kann dabei weitergehend im Tablar räumlich untergebracht sein. Die Unterseite des Tablars kann dabei so gestaltet sein, dass sie die Maße und Haltepunkte handelsüblicher Schüttlertablare aufweist, so dass eine einfache Installation und Nachrüstung von Laborschüttlern möglich ist. Die Oberfläche des Tablars kann mit den üblichen Gewindelochrastern ausgestattet sein, so dass übliche Halter oder Coaster für Schüttelkolben installiert werden können.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Energieversorgung der Sensoren und der Sensorelektronik auf dem Tablar drahtlos. Dies hat den Vorteil, dass auch bei der Energie- bzw. Spannungsversorgung keine Probleme mit zu bewegenden Kabeln auftreten. Da allerdings eine Spannungsversorgung gegenüber Datenleitungen wesentlich unempfindlicher gegen Störungen aufgrund von Unerbrechungen reagiert und zur Energieversorgung nur zwei bewegliche Kabel notwendig wären, könnte grundsätzlich auch eine drahtgebundene Verbindung verwendet werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist am Gehäuse ein ortsfester Energiesender und am Tablar ein Energieempfänger vorgesehen. Die Energie könnte dabei induktiv oder durch eine RFID-Verbindung übertragen werden. Insbesondere bei einer kreisförmigen Bewegung des Tablars ist es möglich, die Energieversorgung der Sensoren und der Sensorelektronik über einen Generator durchzuführen, der von der Bewegung des Tablars angetrieben wird.
Weiterhin ist es von Vorteil, eine stromsparende Sensortechnik, d.h. optische und / oder miniaturisierte Messtechnik, zu verwenden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft veranschaulicht sind.
In den Zeichnungen zeigen:
Figur 1: Eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Schütteln von Medien und
Figur 2 : ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Schütteln von Medien.
Eine Vorrichtung 1 zum Schütteln von Medien besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2, einem Tablar 3, Sensoren 4, 5, eine Sensorelektronik 6 und einer Steuereinheit 7. Das Gehäuse 2 weist dabei eine nicht weiter dargestellte Schüttelmechanik auf, die das Tablar 3 in Schüttelbewegungen versetzt. Bei der Schüttelbewegung kann es sich dabei um eine kreisende Bewegung, um eine horizontale oder vertikale Längsbewegung, um eine Kippbewegung oder um eine Kombination von Bewegungen handeln.
Auf dem Tablar 3 sind übliche nicht dargestellte Halter zum Halten der Schüttelkolben 8, in denen sich das zu schüttelnde Medium 9 befindet, angebracht.
Das Tablar 3 weist drahtlose Sensoren 4, die beispielsweise als optische Sensoren ausgebildet und den Schüttelkolben 8 benachbart angeordnet sind, sowie drahtgebundene Sensoren 5 auf. Die drahtgebundenen Sensoren 5 sind beispielsweise als in die Schüttelkolben 8 einsteckbare Sonden ausgebildet.
Die Sensoren 4,5 sind mit der Sensorelektronik 6 verbunden, die in das Tablar 3 integriert ist. Messsignale von den Sensoren 4,5 werden von der jeweils zugeordneten Sensorelektronik 6 gesammelt, aufbereitet und über einen zentralen Datenbus 10 einer ebenfalls am Tablar 3 angeordneten, zentralen Schnittstelle 11 zugeleitet. Von der zentralen Schnittstelle 11 erfolgt eine drahtlose Kommunikation mit einer ortsfesten Schnittstelle 12, die im Beispiel am Gehäuse 2 angeordnet ist. Die Kommunikation zwischen zentraler Schnittstelle 11 und ortsfester Schnittstelle 12 erfolgt im Beispiel nach der RFID (Radio Frequency Identification) -Technik. Sie ermöglicht eine schnelle und automatische Datenerfassung über Radiowellen, beispielsweise mit Hilfe von Transpondern und entsprechenden Lese- und Sendegeräte. Die Kommunikation zwischen zentraler Schnittstelle und ortsfester Schnittstelle kann auch per Funk nach den bekannten Bluetooth-Schnittstellen-Standard erfolgen.
Die ortsfeste Schnittstelle 12 ist über eine Drahtverbindung mit der Steuereinheit 7 verbunden. Die Steuereinheit 7 kann auch als ein separater PC ausgebildet sein. Von der Steuereinheit 7 können in entsprechender, umgekehrter Richtung Steuersignale zu der Sensorelektronik 6 bzw. den Sensoren 4, 5 gesendet werden.
Die zentrale Schnittstelle 11 weist einen Signalsender 13 auf, dessen Signale von einem Signalempfänger 14 der ortfesten Schnittstelle 12 empfangen werden. Die zentrale Schnittstelle 11 weist weiterhin einen Kommunikationsempfänger 15, der Signale von einem Kommunikationssender 16 der ortsfesten Schnittstelle 12 empfängt, auf.
Die Energieversorgung der Sensoren 4, 5 und der Sensorelektronik 6 erfolgt drahtlos über einen am Gehäuse 2 ortsfest angeordneten Energiesender 17 und einem am Tablar
3 angeordneten Energieempfänger 18. Die Energieversorgung bzw. Energieübertragung kann dabei über eine RFID-
Verbindung erfolgen. Grundsätzlich ist aber auch eine induktive Energieübertragung möglich. Auch ist es möglich, dass die Energieversorgung der Sensoren 4, 5 und der
Sensorelektronik 6 über einen nicht dargestellten Generator erfolgt, der von der Bewegung des Tablars 3 angetrieben wird.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Schütteln von Medien, die auf einem
Tablar angeordnet sind, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Schüttelmechanik, über die das Tablar in
Schüttelbewegungen versetzbar ist, und mit mindestens einem mit einer eine Sensorelektronik aufweisenden Steuereinheit verbundenen Sensor, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor (4, 5) und die mit dem Sensor ((4, 5) verbundene Sensorelektronik (6) auf dem Tablar (3) angeordnet sind und drahtlos mit der ortsfest angeordneten Steuereinheit (7) kommunizieren.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Sensoren (4,5) auf dem Tablar (3) angeordnet sind, dass auf dem Tablar (3) ein zentraler Datenbus (10) vorgesehen ist, über den mit Hilfe der Sensorelektronik (6) die Kommunikation zwischen Sensoren (4, 5) und einer zentralen Schnittstelle (11) am Tablar (3) erfolgt, und dass die zentrale Schnittstelle (11) drahtlos mit einer ortsfesten Schnittstelle (12) kommuniziert.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Schnittstelle (11) einen Signalsender (13) aufweist, dessen Signale von einem Signalempfänger (14) der ortsfesten Schnittstelle (12) empfangen werden, der mit der Steuereinheit (7) verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Schnittstelle (11) einen Kommunikationsempfänger (15) aufweist, der Signale von einem Kommunikationssender (16) der ortsfesten
Schnittstelle (12) empfängt, der mit der Steuereinheit (7) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ortsfeste Schnittstelle (12) am Gehäuse (2) angeordnet ist und über eine Datenleitung mit der Steuereinheit ' (7) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (7) von einem Computer gebildet wird.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Sensorelektronik (6) gesammelte und aufbereitete Messsignale der Sensoren (4, 5) über den zentralen Datenbus (10) zur zentralen Schnittstelle (11) leitbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Kommunikation mittels RFID-Technik ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die drahtlose Kommunikation mittels Bluetooth- Technik ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Medien (9) sich in auf dem Tablar (3) angeordneten Schüttelkolben (8) befinden.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des Mediums (9) ein dem Schüttelkolben (8) benachbarter, drahtloser Sensor (4) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der drahtlose Sensor (4) als optischer Sensor ausgebildet ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (5) als eine im Schüttelkolben (8) anordenbare Sonde mit einer Drahtverbindung zur Sensorelektronik (6) ausgebildet ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung der Sensoren (4, 5) und der
Sensorelektronik (6) als drahtlose Energieversorgung ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass am Gehäuse (2) ein ortsfester Energiesender (17) und am Tablar (3) ein Energieempfänger (18) vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine induktive Energieversorgung vorgesehen ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass für die Energieversorgung eine RFID-Verbindung installiert ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Energieversorgung der Sensoren (4, 5) und der Sensorelektronik (6) ein von der Bewegung des Tablars (3) antreibbarer Generator vorhanden ist.
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