WINKLER, Michael (Konrad-Hornschuch-Strasse 15, Weissbach, 74679, DE)
HOFMANN, Peter (Auf der Heide 6, Grafenau, 71120, DE)
WINKLER, Michael (Konrad-Hornschuch-Strasse 15, Weissbach, 74679, DE)
Patentansprüche
1. Modulares Laborgerät zur Analyse und Synthese von Flüssigkeiten, mit
- einem Flüssigkeitsbehälter (50),
- einer zentralen Auswerteelektronikeinheit (30),
- einer Vielzahl von Funktionsmodulen (40), und
- einer Vielzahl von Fluidmodulen (42),
wobei
- die Funktionsmodule (40) in Reihe angeordnet sind und mechanisch und fluidisch miteinander verbunden sind,
- wenigstens ein Fluidmodul (42) fluidisch mit dem Flüssigkeitsbehälter (50) und mit einem oder mehreren der Funktionsmodule (40) verbunden ist, und wobei
- elektrische Verbindungen (52) vorgesehen sind, die die Funktionsmodule (40) und die Fluidmodule (42) mit der zentralen Auswerteelektronikeinheit (30) und/oder miteinander verbinden.
2. Modulares Laborgerät nach Anspruch 1 , bei dem die Funktionsmodule (40) in mehreren Ebenen angeordnet sind.
3. Modulares Laborgerät nach Anspruch 2, bei dem die Funktionsmodule (40) der einzelnen Ebenen durch die elektrischen Verbindungen (52) miteinander verbunden sind.
4. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktionsmodule (40) und die Fluidmodule (42) eine quaderförmige Form aufweisen.
5. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktionsmodule (40) und die Fluidmodule (42) an seitlich aneinander angrenzenden Flächen standardisierte fluidische Verbindungen (44) aufweisen.
6. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktionsmodule (40) und die Fluidmodule (42) an seitlich aneinander angrenzenden Flächen standardisierte elektrische Verbindungen (44) aufweisen.
7. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktionsmodule (40) und die Fluidmodule (42) an seitlich aneinander angrenzenden Flächen standardisierte mechanische Verbindungen aufweisen.
8. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Fluidmodule (42) Mikroventile und/oder Mikropumpen (46) umfassen.
9. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit Steuermodulen, die Mikroventile und/oder Mikropumpen (46) umafssen.
10. Modulares Laborgerät nach Anspruch 9, bei dem die Steuermodule mit den Fluidmodulen (42) und den Funktionsmodulen (40) anreihbar angeordnet sind.
11. Modulares Laborgerät nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Steuermodule standardisierte fluidische Verbindungen zu den Fluidmodulen (42) und den Funktionsmodulen (40) aufweisen.
12. Modulares Laborgerät nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , bei dem die Steuermodule standardisierte elektrische Verbindungen zu den Fluidmodulen (42) und den Funktionsmodulen (40) aufweisen.
13. Modulares Laborgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 12, bei dem die Mikroventile und/oder Mikropumpen (46) manuell ansteuerbar sind.
14. Modulares Laborgerät nach einem der Ansprüche 8 bis 13, bei dem die Mikroventile und/oder Mikropumpen (46) elektronisch mittels der zentralen Auswerteelektronikeinheit (30) ansteuerbar sind.
15. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer Spannungsversorgung (48) und einem externen Anschluß (18) für die
Spannungsversorgung.
16. Modulares Laborgerät nach Anspruch 15, bei dem die Fluidmodule (42), die Funktionsmodule (40), der Flüssigkeitsbehälter (50) und die Spannungsversorgung (48) eine modulare Untereinheit (34) bilden.
17. Modulares Laborgerät nach Anspruch 16, bei dem die zentrale Auswerteelektronikeinheit (30) eine weitere modulare Untereinheit (32) bildet.
18. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner eine fluidische Verbindung (16) zur Umgebung vorgesehen ist.
19. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ferner eine elektrische Verbindung (20) zur Umgebung vorgesehen ist.
20. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Funktionsmodule (40) Vorratsbehälter für Flüssigkeiten umfassen.
21. Modulares Laborgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Gehäuse (10), an dem Bedienelemente (22) vorgesehen sind, und in dem die Fluidmodule (42), die Funktionsmodule (40), der Flüssigkeitsbehälter (50) und die zentrale Auswerteelektronikeinheit (30) angeordnet sind.
22. Verfahren zur Analyse und Synthese von Flüssigkeiten unter Verwendung eines modularen Laborgeräts nach einem der Ansprüche 1 bis 21 , bei welchem die Funktionsmodule (40) und die Fluidmodule (42) von der zentralen Auswerteelektronikeinheit (30) mittels eines Analyse- und/oder Syntheseprogramms gesteuert werden, um ein Analyseprogramm und/oder ein Syntheseprogramm durchzuführen.
23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem der Flüssigkeitsbehälter (50) mit einer Probenflüssigkeit befüllt wird und den Funktionsmodulen (40) Teilmengen der
Probenflüssigkeit mittels der Fluidmodule (42) zugeteilt werden.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 23, bei dem der Flüssigkeitsbehälter (50) in definierten Zeitabständen mit der Probenflüssigkeit befüllt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem das Analyse- und/oder Syntheseprogramm kontinuierlich ausgeführt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem die Auswerteelektronikeinheit (30) eine Warn- oder Alarmmeldung auslöst, wenn bestimmte bei der Analyse und/oder Synthese festgestellte Eigenschaften der Flüssigkeit vorbestimmte Werte unter- oder überschreiten. |
Bürkert Werke GmbH & Co. KG Unser Zeichen: B 4787 WO HD /as
Modulares Laborgerät zur Analyse und Synthese von Flüssigkeiten und Verfahren zur Analyse und Synthese von Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft ein modulares Laborgerät zur Analyse und Synthese von Flüssigkeiten und ein Verfahren zur Analyse und Synthese von Flüssigkeiten.
Die Analyse bzw. Synthese von Flüssigkeiten erfolgt in Labors und wird in zahlreichen einzelnen Prozeßschritten ausgeführt, um beispielsweise alle relevanten physikalischen und chemischen Eigenschaften zu ermitteln. Beispiele für die physikalischen Eigenschaften sind Trübung, Farbe, Partikelgröße. Beispiele für chemische Eigenschaften sind Bestandteile wie Metalle, insbesondere Kalzium und Magnesium (Wasserhärte), Stickstoff und Phosphor (Düngemittelrückstände), Chlor und Natrium. Für Trinkwasser sind Verunreinigungen verschiedenster Art bedeutsam, insbesondere biologische Inhaltsstoffe wie Bakterien oder industrielle Giftstoffe. Hier gelten Vorschriften, die von staatlichen Behörden oder internationalen Organisationen (WHO) erstellt werden. Die überprüfung auf Einhaltung dieser Vorschriften setzt das Vorhandensein von gut eingerichteten Labors und geschultem Personal voraus und erfordert einen erheblichen materiellen und personellen Aufwand.
Es besteht somit ein erheblicher Bedarf für ein kompaktes
Flüssigkeitsanalyse- und Flüssigkeitssynthesesystem, das vielfältige
Prozeßschritte automatisiert durchführt und flexibel für die jeweiligen Anforderungen ausgelegt werden kann.
Ein solches Laborsystem wird durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt.
Gemäß der Erfindung weist das modulare Laborgerät einen Flüssigkeitsbehälter, eine zentrale Auswerteelektronikeinheit, eine Vielzahl von Funktionsmodulen und eine Vielzahl von Fluidmodulen auf. Die Funktionsmodule sind in Reihe angeordnet und mechanisch und fluidisch miteinander verbunden. Wenigstens
ein Fluidmodul ist fluidisch mit dem Flüssigkeitsbehälter und mit einem der Funktionsmodule verbunden, und es sind elektrische Verbindungen vorgesehen, die die Funktionsmodule und die Fluidmodule mit der zentralen Auswerteelektronikeinheit verbinden. Da das erfindungsgemäße modulare Laborgerät eine Vielzahl von Funktionsmodulen und Fluidmodulen umfaßt, die je nach gewünschter Funktion aneinandergereiht und mechanisch und fluidisch miteinander verbunden werden können, kann das modulare Laborsystem auf einfache und kostengünstige Weise flexibel an bestehende Anforderungen angepaßt und im Hinblick auf zukünftige Anforderungen erweitert werden. Zahlreiche Analyse- bzw. Syntheseschritte können parallel in einem Gerät durchgeführt werden, wodurch die Prozeßdauer verkürzt wird.
Durch die vorliegende Erfindung wird ferner ein Verfahren zur Analyse und Synthese von Flüssigkeiten bereitgestellt, das sich durch Zuverlässigkeit, Flexibilität und geringe Prozeßkosten auszeichnet.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Funktionsmodule und die Fluidmodule von der zentralen Auswerteelektronikeinheit mittels eines Analyse- und/oder Syntheseprogramms gesteuert, um ein Analyse- und/oder Syntheseprogramm durchzuführen. Da die einzelnen Module über elektrische Verbindungen mit der zentralen Auswerteelektronikeinheit verbunden sind, kann ein Analyse- und Syntheseablauf zentral gesteuert, Sensorsignale der Funktionsmodule können registriert und ausgewertet und Meß-, Analyse- und Syntheseergebnisse ausgewertet und bewertet werden. Da der Analyse- bzw. Syntheseablauf automatisch durchgeführt wird, können bisherige, in vielen Einzelschritten manuell durchgeführte Prozesse automatisiert und standardisiert werden, was zum einen die Zuverlässigkeit des Prozesses erhöht und zum anderen Prozeßkosten reduziert. Auch eine kontinuierliche überwachung ist möglich.
Weitere Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus der Beschreibung des in den Figuren gezeigten, bevorzugten Ausführungsbeispiels. In diesen zeigen:
- Figur 1 schematisch das bevorzugte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen modularen Laborsystems in einer Seitenansicht;
- Figur 2 schematisch das modulare Laborsystem von Figur 1 in einer Explosionsdarstellung; und
- Figur 3 eine modulare Untereinheit des in den Figuren 1 und 2 gezeigten modularen Laborsystems.
Das in der Figur 1 gezeigte modulare Laborsystem weist ein Gehäuse 10 mit einem Gehäuseoberteil 12 und einem Gehäuseunterteil 14 auf. An dem Gehäuseunterteil 14 sind mehrere fluidische Verbindungen 16 zur Umgebung, ein externer Anschluß 18 für eine (in der Figur 3 gezeigte) Spannungsversorgung 48 und eine elektrische Verbindung 20 zur Umgebung vorgesehen. Wie in Figur 2 zu sehen ist, sind am Gehäuseoberteil 12 mehrere Bedienelemente 22 und eine Kommunikationsschnittstelle 24 vorgesehen. Ferner ist eine Aussparung 26 für eine Anzeigeeinheit 28 in dem Gehäuseoberteil 12 ausgebildet. Die Anzeigeeinheit 28 ist Bestandteil einer zentralen Auswerteelektronikeinheit 30, die eine modulare Untereinheit 32 des modularen Laborsystems bildet. Eine weitere im Gehäuse untergebrachte modulare Untereinheit 34 ist genauer in der Figur 3 dargestellt. Die modulare Untereinheit 34 weist eine Vielzahl von Funktionsmodulen 40 und eine Vielzahl von Fluidmodulen 42 auf. Die Fluidmodule 42 und die Funktionsmodule 40 sind über (hier nicht abgebildete) standardisierte mechanische Verbindungen untereinander und miteinander verbunden. Die Fluidmodule 42 und die Funktionsmodule 40 weisen ferner standardisierte elektrische und fluidische Verbindungen 44 auf, über die sie fluidisch und elektrisch miteinander verbunden sind. Die Fluidmodule 42 umfassen ferner Pumpen- und /oder Ventilelemente 46.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Pumpen- und/oder Ventilelemente 46 Bestandteile der Fluidmodule 42, sie können jedoch auch gemäß der vorliegenden Erfindung in gesonderten Steuermodulen vorgesehen sein. Die Steuermodule sind dann wiederum elektrisch, mechanisch und fluidisch über standardisierte Verbindungen mit den Fluidmodulen und mit den Funktionsmodulen verbindbar.
Die in Figur 3 gezeigte modulare Untereinheit 34 umfaßt ferner eine
Spannungsversorgung 48 und einen Flüssigkeitsbehälter 50. Die Funktionsmodule 40 sind in mehreren Ebenen angeordnet. Die einzelnen Ebenen der modularen Untereinheit 34 sind durch elektrische Verbindungen 52
- A -
miteinander und mit der zentralen Auswerteelektronikeinheit 30 verbunden. Wenigstens einige der Fluidmodule 42 sind fluidisch mit dem Flüssigkeitsbehälter 50 verbunden. Ferner weisen die Fluidmodule 42 auf der den Funktionsmodulen 40 gegenüberliegenden Seite Abdeckungen 54 auf, an denen fluidische Verbindungen 56 vorgesehen sind, die zur Be- oder Entlüftung der Fluidmodule 42, zum Einfüllen von Probeflüssigkeit oder für Analysen oder Synthesen benötigte Reagenzien und Flüssigkeiten genutzt werden können. Die fluidischen Verbindungen 56 sind jeweils mit einer der am Gehäuseunterteil 14 ausgebildeten fluidischen Verbindungen 16 zur Umgebung verbunden.
Die Funktionsmodule 40 können Sensoren umfassen, mit denen die gewünschten Messungen durchgeführt werden können. So können die Funktionsmodule beispielsweise Sensoren zur Messung des pH-Werts, der Leitfähigkeit, der Trübung, der Konzentration von organischen und anorgischen Bestandteilen enthalten. In einem Funktionsmodul 40 kann die Probenflüssigkeit aus dem Flüssigkeitsbehälter 50 bzw. den Fluidmodulen 42 auch mit einer anderen Flüssigkeit wie beispielsweise einer Indikatorflüssigkeit oder einer zweiten Flüssigkeit zur Synthese einer dritten Flüssigkeit vermischt werden. Die Flüssigkeit, mit der die Probenflüssigkeit vermischt wird, kann aus einem anderen Fluidmodul 42 direkt oder über ein anderes Funktionsmodul 40 in das betroffene Funktionsmodul 40 geleitet werden. Zusätzlich kann ein Funktionsmodul 40 auch einen Vorratsbehälter umfassen, in dem die für die Synthese oder Analyse benötigte Flüssigkeit bevorratet werden kann.
Zur Analyse oder Synthese einer Flüssigkeit wird die zu untersuchende oder für die Synthese benötigte Flüssigkeit in den Flüssigkeitsbehälter 50 eingefüllt. Dies kann mittels einer der fluidischen Verbindungen 16 zur Umgebung, die am Gehäuseunterteil 14 ausgebildet sind, geschehen. Aus dem Flüssigkeitsbehälter 50 können Teilproben in Fluidmodule 42 mittels der Pumpen- und Ventilelemente 46 verteilt werden. In diesen Teilproben können dann beispielsweise jeweils Konzentrationen verschiedener Bestandteile parallel bestimmt werden (Nitrat, Schwermetalle, Chlor ...). Es ist jedoch auch möglich, eine definierte Analyseoder Syntheseabfolge seriell durchzuführen. Die einzelnen Fluidmodule 42 sind mit ausgewählten Funktionsmodulen 40 fluidisch und elektrisch über die standardisierten Verbindungen 44 verknüpft. Zur Bestimmung der Konzentrationswerte wird die Flüssigkeit der einzelnen Fluidmodule 42 auf die
jeweiligen Funktionsmodule 40 verteilt. In den Funktionsmodulen 40 kann dann die gewünschte Messung stattfinden. In den Funktionsmodulen 40 kann jedoch auch die Flüssigkeit mit einer anderen Flüssigkeit vermischt werden. Dieses Gemisch kann dann zur Messung an ein weiteres Funktionsmodul 40 weiter- geleitet werden. Weitere mögliche Funktionen eines Funktionsmoduls sind beispielsweise Entmischen, Dosieren, Speichern, Filtrieren und Abscheiden.
Zu einer kontinuierlichen überwachung kann der Flüssigkeitsbehälter 50 in definierten Zeitabständen oder kontinuierlich mit Flüssigkeit befüllt werden.
Die Funktionsmodule 40 und die Fluidmodule 42 werden von der zentralen Auswerteelektronikeinheit 30 mittels eines Analyse- bzw. Syntheseprogramms gesteuert, um ein Analyse- bzw. Syntheseprogramm automatisch auszuführen. Die zentrale Auswerteelektronikeinheit 30 kann eine Warn- oder Alarmmeldung auslösen, wenn bestimmte bei der Analyse bzw. Synthese festgestellte Eigenschaften der Flüssigkeit vorbestimmte Werte unter- oder überschreiten. über die elektrischen Verbindungen 52 werden die einzelnen Module von der zentralen Auswerteelektronikeinheit 30 aus angesteuert, und Sensorsignale werden an die zentrale Auswerteelektronikeinheit weitergeleitet. In der zentralen Auswerteelektronikeinheit werden die Sensorsignale sowie sämtliche Meß-, Analyse- bzw. Syntheseergebnisse registriert, ausgewertet und bewertet. Die Funktionsmodule 40 mit Sensoren umfassen bevorzugterweise eine eigene Elektronikeinheit zur Meßsignalaufbereitung. Die Pumpen- und Ventilelemente 46 lassen sich bevorzugterweise sowohl manuell als auch elektronisch mittels eines definierten Programms durch die zentrale Auswerteelektronikeinheit 30 ansteuern, so daß beliebige Wege durch das aus Funktionsmodulen und Fluidmodulen gebildete Netz programmiert und freigeschaltet werden können.
Das erfindungsgemäße modulare Laborsystem eignet sich für die Anwendung als Tischgerät und kann auch für Messungen im Freien benutzt werden, wenn als Spannungsversorgung beispielsweise eine Batterie verwendet wird.
Da die Funktionsmodule 50, die Fluidmodule 52 und gegebenenfalls die
Steuermodule abhängig von den gewünschten Anforderungen beliebig aneinandergereiht und erweitert werden können, bietet das erfindungsgemäße modulare Laborsystem eine große Flexibilität und kann auf einfache und
kostengünstige Weise an neue Anforderungen angepaßt werden. Durch die zentrale Auswerteelektronikeinheit, in der alle Meß-, Analyse- und Syntheseergebnisse zentral registriert, ausgewertet und bewertet werden, wird ein kostengünstiges und zeitsparendes Verfahren bereitgestellt. Da die Ergebnisse gespeichert werden, können diese auch zu einem späteren Zeitpunkt wieder abgerufen und nachvollzogen werden. Da der Analyse- bzw. Syntheseablauf automatisch durchgeführt wird, können bisherige, in vielen Einzelschritten manuell durchgeführte Prozesse automatisiert und standardisiert werden, was zum einen die Zuverlässigkeit des Prozesses erhöht und zum anderen auch Prozeßkosten reduziert. Auch eine kontinuierliche überwachung ist möglich.