Automatisierte Reaktionsüberwachung und -beeinflussung mit Mikrocontrollern auf dem Weg zum "Internet of Lab"

Abstract

Zur Durchführung einer chemischen Reaktion, insbesondere in der Mikrofluidik, sind viele Komponenten, wie Pumpen, Reaktoren, Thermostaten, Phasentrenner oder Probensammler, erforderlich. Mit Hilfe von marktüblichen Mikrocontrollern, beispielsweise mit ARM-Architektur, lassen sich eine Vielzahl dieser Komponenten digital vernetzen. Mehrere mikrocontrollergesteuerte Geräte werden von einem PC als zentrale Einheit gesteuert. Dieser ist dazu in der Lage, alle notwendigen Aktoren (Pumpen, elektrochemische Zellen, Phasentrenner, Probensammler, Analysegeräte usw.) autonom zu steuern. Die Controller-Intelligenz kann zum Screening von Reaktionsparametern und zur Optimierung der Reaktion während des Betriebs verwendet werden. Vor allem in tröpfchenbasierten Systemen besteht darüber hinaus die Notwendigkeit, die Tröpfchen über den gesamten Reaktionsablauf automatisiert zu überwachen, individuell behandeln zu können und während der Reaktionsaufarbeitung von der kontinuierlichen Phase zu trennen. Herkömmliche Phasentrenner sind nicht dazu in der Lage, variable Mischungsverhältnisse zu trennen, wie dies bei auf Tröpfchen basierenden Systemen notwendig ist. Hierfür kommt ein mit einem Mikrocontroller ausgestatteter autonomer Phasentrenner zum Einsatz. Durch die Verknüpfung aller Sensoren und Aktoren des Systems mit einer zentralen Steuerungseinheit und deren Bedienmöglichkeit über das Internet entsteht das sogenannte Internet of Lab, welches ressourcenschonend zur Optimierung chemischer Reaktionen eingesetzt wird.

To perform a chemical reaction, especially in micro-flow, requires several single devices, e.g. pumps, reactors, heater, cooler, phase separator or sample collectors. These devices are assembled upon the needs which are necessary to control the chemical reaction and to get useful results. Common available micro controller, e.g. with ARM architecture, allow to act as smart as an auto-pilot for chemical reactions. Several micro controller steered devices are controlled by a PC as a central unit. Such kind of a smart and intelligent controller is able to drive all necessary actuators (pumps, electrochemical cell, phase separator, sample collector, analytic devices, etc.) independent from a chemist as human operator. The controller intelligence can be used for screening of reaction parameter and to optimize the reaction on-the-fly. Especially in droplet-based systems, there is the need of separating the droplets from the continuous phase while reaction workup. Common phase separation is not able to divide variable compound ratios as can be in droplet-based systems. For example, an autonomous operating phase separator is connected to a common sample collector device. Together with a pre-arranged set of process parameter the so-called Internet of Lab is used to optimize chemical reactions on demand.