Bioreaktor auf Basis des HMI Santaro 7.0 BX

Das Auge forscht mit

Dem Sprichwort nach verderben viele Köche den Brei – nicht so beim Bioreaktor Minifors 2. Hier ergeben erst die Zutaten aller drei beteiligten Unternehmen ein optisch wie technisch ansprechendes Produkt.

Ein gutes Bier und ein leckeres Brot haben eines gemeinsam: Beide gelingen nur durch den Einsatz der perfekt gezüchteten Hefe. Und damit diese gut wird, setzen Unternehmen auf Hilfsmittel wie den Minifors 2. Der Bioreaktor des Herstellers Infors HT eignet sich aber nicht nur bei Hefen für perfekte Aufzuchtbedingungen, die Einsatzbereiche sind vielfältig.

Ein Bioreaktor sorgt dafür, dass es den Organismen im Reaktorgefäß möglichst gut geht und sie optimale Bedingungen zum Wachsen und Vermehren vorfinden. So müssen unter anderem Temperatur und pH-Wert immer im richtigen Bereich gehalten werden; außerdem sollten Laborpersonal und Wissenschaftler die Prozesse minutiös kontrollieren und gegebenenfalls direkt korrigieren können.

 

Teamarbeit: Nur durch die enge Zusammenarbeit entstand ein Bioreaktor, der sowohl technisch als auch optisch überzeugt

Ziel: Intuitives Komplettpaket

Der Minifors 2 ist ein eher kleiner Bioreaktor, der vorrangig dort eingesetzt wird, wo Prozesse einerseits kennengelernt und andererseits die Organismen charakterisiert werden sollen – im Pharmabereich oder an Hochschulen. Funktionieren die Prozesse im Kleinen, lassen sie sich je nach Szenario skalieren und so die Bioorganismen im industriellen Maßstab vermehren.

Bei der Entwicklung stand als Zielgruppe vorrangig der akademische Bereich und mit ihm eine möglichst einfache Bedienung im Fokus. Dabei ließen sich die Entwickler von Smartphones oder Tablets inspirieren.

»Nahezu jeder ist heute mit Touchbedienung vertraut und wir wollten eine Möglichkeit der Bedienung finden, bei der die Nutzer möglichst wenig Berührungsängste haben«
Dirk Hebel, Produktmanager INFORS HT

Bei Garz & Fricke fand INFORS HT die passende Kombination.

Auf der Suche nach der passender Hardware für das Touch-Interface traf der Hersteller auf viele Angebote, die nicht ihren Vorstellungen entsprachen. »Wir wollten ein Display, das nicht nur in unser Design passt, sondern richtiggehend eingepasst werden kann«, so Hebel weiter. Das schloss viele Hersteller aus: »Bei manchem Angebot war der Rahmen nicht anpassbar, bei anderen die Anschlüsse fix und an der falschen Position. Wieder andere Lösungen kommen als komplett fertige, nicht variable Box.« 

»Sie lieferten das Yocto bereits perfekt auf Board und Funktionen angepasst aus. Wir mussten nicht erst lernen, wie man bestimmte Funktionen erstellt und umstellt, sondern es gibt Tools, die das für uns erledigen.«
Dirk Hebel, Produktmanager INFORS HT

Finger statt Stift

Ausgehend von früheren Produkten und dem Blick auf übliche Einsatzszenarien im Labor gingen die Infors HT-Entwickler zunächst davon aus, einen Touchscreen basierend auf resistiver Technik zu erhalten. Diese Technologie reagiert am besten auf die Eingabe mit einem Stift. Moderner und angenehmer zu bedienen, sind kapazitive Touchscreens, die Eingaben mit bloßem Finger erlauben und auch erkennen, wenn mehrere Finger gleichzeitig genutzt werden, zum Beispiel bei Gesten.

Problem: Die kapazitiven Screen ließen sich bisher mit Handschuhen, wie sie im Labor üblicherweise getragen werden, nur schlecht bedienen. Begründet ist das im Funktionsprinzip, nachdem geringe Ströme fließen, wenn ein Finger eine kapazitive Touch-Oberfläche berührt. Aus diesen Signalen bestimmt die Elektronik die Position eines oder mehrerer Finger. Durch Verbesserung der Bildschirme und der Elektronik konnte Garz & Fricke in Zusammenarbeit mit seinen Zulieferern das Problem jedoch beheben; die Touch-Komponenten erkennen nun auch Eingaben von behandschuhten Fingern.

Für das System »Santaro 7 Zoll boxed« sprach außerdem, dass es sich perfekt in den geplanten Bioreaktor integrieren ließ. Zwar blieb die Baugruppe bis auf die Glasfront standardmäßig, die Front aus 3 mm dickem chemisch gehärtetem Glas jedoch wurde angepasst. So wird sie mit dem Kundendekor rückseitig bedruckt und besitzt einen weißen anstelle eines schwarzen Rands.

Hard- und Software wie sie gebraucht wird

Für das System sprachen außerdem die verfügbaren Hardware-Schnittstellen und Anschlüsse. Beispielsweise arbeiten die Bedieneinheit und die eigentliche Steuereinheit getrennt voneinander und müssen miteinander kommunizieren. Außerdem ist der Rechner netzwerkfähig. Ein entscheidender Punkt, da das Gerät an die firmeneigene EVE-Bioprozess-Plattform-Software angebunden wird. So lassen sich ein oder mehrere Bioreaktoren sowie viele weitere Produkte ansteuern, miteinander vernetzen und überwachen.

Die Rechenleistung ist dank optimierter Software für die eigentlichen Anwendungen nutzbar und wird nicht bereits mit der reinen Darstellung und Steuerung der grafischen Oberfläche aufgebraucht. Das ist unter anderem dem eingesetzten Embedded Linux zu verdanken. »Die Firmware haben wir kundenspezifisch angepasst, in diesem Fall mit einem Boot-Logo und einigen technische Besonderheiten«, sagt Alexander Stade. Garz & Fricke setzt auf den GNU/Linux-Baukasten »Yocto« in Kombination mit dem Grafik-Framework Qt. Yocto ist kein eigenständiges Linux-System, sondern vielmehr ein Ökosystem, aus dem sich die Entwickler bedienen können.

Aus Sicht der Entwickler von Garz & Fricke zeichnet sich Yocto vor allem durch seine standardisierte Architektur und hohe Anpassbarkeit aus. Sinnvolle Vorlagen für die Unterstützung der Hardware als auch für die Integration von komplexen Bibliotheken für die Applikationsunterstützung werden in sogenannten Rezepten verwaltet. Die so erstellte Konfiguration enthält alle Informationen, um das Linux-Image jederzeit versionsgetreu reproduzieren zu können.

Hohe Flexibilität dank Qt

»Sie lieferten das Yocto bereits perfekt auf Board und Funktionen angepasst aus. Wir mussten nicht erst lernen, wie man bestimmte Funktionen erstellt und umstellt, sondern es gibt Tools, die das für uns erledigen.«
Dirk Hebel, Produktmanager INFORS HT

Vernetzung im Labor und darüber hinaus

Eine maßgebliche Anforderung an die Software-Entwicklung für den Minifors 2 war die Unterstützung mehrerer Sprachen. Hierbei unterstützt Qt von Haus aus die Programmierer mit Multi-Linguale-Fähigkeiten, dank derer e-GITS den Wechsel der Sprache »on the fly« realisierte.

So können die Anwender die Sprache am Gerät direkt ohne Neustart wechseln. Wenn eine Sprache in Qt noch nicht verfügbar sein sollte, können die technischen Betreuer des Minifors 2 sie mit Hilfe eines externen Werkzeugs über eine neue Sprachdatei hinzufügen, die dann einfach per USB-Stick auf das Gerät gebracht und dort initialisiert werden kann – ebenfalls ganz ohne Neustart.

Ideale Bedingungen auf engstem Raum: Der Minifors 2 ist eine eher kleiner Bioreaktor, der hauptsächlich an Hochschulen zum Einsatz kommt.

Datenübergabe mit EVE

Ebenfalls in Qt gelöst wurde die Vernetzung über die EVE-Plattform. Dazu implementierte e-GITS die Maschinenkommunikations-Schnittstelle OPC UA. Die Entwickler banden entsprechende Bibliotheken in das System ein und führten spezielle Schnittstellen über Qt nach außen. So funktioniert nun die Übergabe und Weiterleitung von Parametern, Ereignismeldungen und Funktionen geräteübergreifend.