hyperBATH - Neuartiges Mehrstellen-Reaktionssystem mit integrierter Sensorik und eingebetteter Cloudanbindung zur aggregierten Datenauswertung

Im Forschungsvorhaben hyperBATH entwickeln die 2mag AG im Verbund mit der essentim GmbH und der TU Dresden, Professur für Bioverfahrenstechnik, ein neuartiges Trockenbadsystem mit mobilen Sensoren (Sens-o-Spheres), moderner Datenbankanbindung und LADS-basierten Schnittstelle.
Herkömmliche magnetische Rührsysteme stützen ihre Messwerterfassung derzeit fast ausschließlich auf einen extern angebrachten Sensor. Die so gelieferten Werte weichen - selbst im physiologischen Bereich zwischen 20 und 40 °C - nachweislich um bis zu 2 K vom direkt gemessenen Wert im Reaktionsvolumen ab. Die Messkette mit einer entsprechend notwendigen (Temperatur-)Regelung ist deshalb oft träge, von Über- und Unterschwingen gekennzeichnet, weist eine statische Regelabweichung auf bzw. ist umständlich zu parametrieren. Das durch die 2mag AG zu entwickelnde Trockenbad wird die Möglichkeit bieten, wenigstens 4 Reaktoren mit einem Volumen von bis zu 500 mL mit stellplatzindividuellen Parametern zu rühren, die Temperatur zu regeln und den pH-Wert zu dokumentieren. Die Temperatur soll mit einer Präzision von 0,1 K geregelt werden, dabei eine hohe Dynamik aufweisen und gleichzeitig ein Überschwingen über den Sollwert vermeiden. Die Sollwerte für jeden einzelnen Inkubationsplatz sollen individuell hinsichtlich der Rührerdrehzahl wie auch der Temperatur einzustellen sein. Die sich daraus ergebende Differenzen der Solltemperaturen zwischen den einzelnen Inkubationsplätzen soll bis zu 20 K betragen können. Dies stellt insbesondere an die thermische Entkopplung der einzelnen Inkubationsplätze eine große Herausforderung dar.
Die Temperatur- und pH-Wertmessung soll direkt in der Reaktionsflüssigkeit erfolgen, ohne dass störende Einbauten wie Sonden zum Einsatz kommen. Dies ermöglicht eine präzise Bestimmung der Temperatur ohne thermische Verluste über die Reaktorwand einbeziehen zu müssen. Ein weiterer Vorteil liegt in der Unabhängigkeit vom genutzten Reaktor. Dies ermöglicht dem Experimentator frei zu entscheiden, welches Reaktionsgefäß genutzt werden soll. Die Messung soll durch kugelähnliche, mobilen Sensoren realisiert werden. Die neuartigen Multisensoren für Temperatur und pH-Wert sollen auf den bisher durch den TU Dresden entwickelten Sens-o-Spheres basieren. Die batteriebasierten Messkugeln haben einer Größe von ca. 9 mm Durchmesser und messen die Temperatur. Die Messdaten werden über eine Funkschnittstelle online an einen Empfänger gesendet, wobei es sich um eine starre Kopplung an eine Basisstation bereit. Die Zuordnung der Sensoren zu den jeweiligen im Labor ablaufenden Versuchen geschieht dabei ID-basiert.

hyperBATH_design — Abb. 1: Designstudie für das neuartige System hyperBATH bestehend aus dem Trockenbad mit einzeln ansteuerbaren Inkubationsplätzen (rechts) sowie dem Gateway-Gerät zur IoT-Integration mit Lademöglichkeit für das Sensorsystem (links).

Für den Einsatz im Trockenbadsystem soll die Funktionalität der Sensoren um einen pH-Wertsensor erweitert, wobei die Größe der Sensorkugeln die 10 mm im Durchmesser nicht überschreiten soll. Somit soll einer der kleinsten temperaturkompensierten pH-Wertsensoren weltweit zu Verfügung stehen. Für den Einsatz im biologischen Umfeld werden die Sensoren vollständig und bioinert gekapselt sein. Für eine Wiederverwendung nach dem Einsatz im Reaktor, sollen die Sensorkugeln per Induktion mit einer Ladespannung versorgt werden können.