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Flüsterventile sorgen für Ruhe im System

| Autor/ Redakteur: Peter Reinhardt / Peter Reinhardt

Die Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen ist ein Muss in zahlreichen Anwendungen der Medizintechnik. Mikrofluidische Systeme finden einerseits Anwendung in Diagnose- und Analysegeräten im Labor, aber auch in Beatmungssystemen direkt im Patientenzimmer. Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Geräuschentwicklung sind dabei von entscheidender Bedeutung.

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Als Systemlösung für die Analyse von Blutproben wurde diese universelle Dosiereinheit entwickelt.
Als Systemlösung für die Analyse von Blutproben wurde diese universelle Dosiereinheit entwickelt.
( Bild: Bürkert )

Die Mikrofluidik, also die Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen, ist ein sehr junges Anwendungsfeld der Fluidtechnik. Besonders im Bereich der Medizintechnik und Diagnostik bietet sie ein breites Anwendungsfeld. Die wichtigste Voraussetzung für den praktischen Einsatz mikrofluidischer Systeme ist die Entwicklung miniaturisierter Ventile, die gleichzeitig langlebig, zuverlässig und hochpräzise sind.

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Genauigkeit, Präzision und Timing für jede Dosieraufgabe

Um Genauigkeit, Präzision und Timing für jede Dosieraufgabe sicherzustellen, setzt Bürkert, der Spezialist für Fluid Control Systems, passend zur jeweiligen Anwendung verschiedene Dosierprinzipien ein. Die sogenannte Druck-Zeit-Dosierung bewährt sich zum Beispiel in Abfüll- und Verpackungsprozessen der Pharma- und Kosmetikindustrie, aber auch in Analysegeräten, bei denen Reagenzien und Proben bis in den Mikroliterbereich dosiert werden.

Für die Druck-Zeit-Dosierung hat der Anbieter eine ganze Reihe von Ventiltypen entwickelt. Typ 6712, das Whispervalve, ist zum Beispiel das erste Ventil auf dem Markt, das geringes Innenvolumen bei exzellenter Spülbarkeit mit hoher Schaltgeschwindigkeit vereint. Mit weniger als 36 dB ist dieses Hubankerventil deutlich leiser als andere elektromagnetische Ventile und in vielen Prozess- umgebungen akustisch kaum wahrnehmbar. Sein Anreihmaß ist passend für 96-Well-Mikrotiterplatten. Inzwischen ist der Typ 6712 für die ersten Dosieranwendungen im Submikroliterbereich im Einsatz. Noch schmaler ist mit gerade mal 4,5 mm Breite das Flipperventil Typ 6650, passend zu 384-Well-Mikrotiterplatten.

Förderung und Dosierung von kleinen Volumina

Zur Förderung und Dosierung von kleinen Volumina werden häufig Spritzenpumpen mit Ventilen kombiniert. Sie sind ideal für die genaue Dosierung geringer, spezifischer Flüssigkeitsmengen. Durch die Bewegung des Pumpenkolbens wird ein definiertes Medienvolumen angesaugt und wieder abgegeben. Ein 3/2-Wege-Ventil vor der Pumpe ermöglicht die optimale Umschaltung des Ein- und Auslasskanals zur Dosierung in eine Küvette. Auf gleichem Wege kann periodisch mit einer Reinigungslösung gespült werden. Modifiziert man den Aufbau durch Verwendung eines Kanals zur Pumpe und saugt eine kleine Luftmenge als Medientrennung in die Dosiernadel vor dem Dosiermedium ein, können kleinste Probenmengen ohne Kreuzkontamination dosiert werden. Ein 2/2-Wegeventil wird hierbei zur Steuerung der Spülflüssigkeit im Reinigungszyklus verwendet. Anwendung findet die Spritzenpumpendosierung in der In-vitro- und Molekular-Diagnostik.

Whispervalve-Ventile sind für die Medizintechnik prädestiniert

Für den Einsatz im Labor oder in Medizinprodukten sind besonders leise Ventile gefragt. Bürkert hat daher mit dem Whispervalve Typ 6724 eine größere Variante des Typs 6712 entwickelt, die annähernd lautlos schaltet.

Mehrere Typen von Wippenventilen ergänzen das Programm für die Spritzenpumpendosierung: Der Typ 0127 gilt als Pionier der mediengetrennten Wippenventile und setzt seit 1993 Standards bei Labor- und Analysegeräten sowie in der Medizintechnik und ist als Typ 6628 auch als 22-mm-Variante lieferbar. Das Twinpower-Ventil Typ 6624 und sein größerer Bruder, der Typ 6626, kommen dank eines neuen Antriebskonzeptes bei gleicher Leistung mit deutlich reduziertem Bauraum aus, ohne die fluidische Performance einzuschränken.

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Überblick
Ventilbauarten für die Mikrofluidik
  • Flipperventile: Kernstück ist eine Elastomer-umhüllte, drehbar in der Fluidkammer gelagerte Metallzunge. Sie schließt abwechselnd einen der zwei sich gegenüberliegenden Ventilsitze. Flipperventile ermöglichen kurze, reproduzierbare Schaltzeiten bei sehr hoher Lebensdauer.
  • Wippenventile: Die Ventilsitze liegen in einer Ebene und werden mittels Wippenkonstruktion abwechselnd verschlossen. Die geringe bewegte Masse bewirkt eine besonders hohe Lebensdauer. Als mediengetrennte Version empfehlen sich Wippenventile besonders für biologische Medien.
  • Hubankerventile: Sie bestehen aus Spule, Schließfeder, Ventilgehäusedeckel sowie dem Ventilgehäuse mit Ventilsitz. Stromlos sind die Ventile durch Feder- und Mediumsdruck geschlossen. Fließt Strom, erzeugt die Spule eine Anzugskraft, das Ventil öffnet. Diese Ventile sind ideal, um aggressive und hochreine Medien (gasförmig oder flüssig) zu schalten.
  • Volumetrisch und pneumatisch dosieren

    Beim volumetrischen Dosieren schließlich wird mit jedem Hub einer Pumpe ein definiertes Volumen abgegeben. Das Volumen kann dabei nicht verändert werden, allerdings kann die Gesamtdosiermenge über die Anzahl der Pumpenhübe variiert werden. Das volumetrische Prinzip eignet sich besonders für kontinuierliche Dosieranwendungen, bei denen es auf die Dosiergeschwindigkeit ankommt. Somit ist es prädestiniert für den Einsatz beim pharmazeutischen Dosieren. Selbst kleinste Flüssigkeitsmengen lassen sich unabhängig von Viskosität oder Temperatur exakt dosieren.

    Beim pneumatischen Dosiersystem zum Beispiel besteht die Dosierkammer aus zwei Gehäuseschalen und einer Trennmembran. Durch Einsatz von hochwertigen Materialien können auch sehr aggressive Medien gefördert werden. Die Dosierkammer ist selbstansaugend, totraumarm und leicht zu spülen. Mit Hilfe eines Controllers wird die Dosierkammer angesteuert. Aufgrund der Trennung von Ansteuerung und Dosierkammer kann die Dosierkammer einfach gewechselt werden. Ein wesentlicher Bestandteil des Systems ist das Cart- ridge-Ventil 6164, das bestens in Block- und Kunststoffspritzteile integriert werden kann und auf über 100 Millionen Schaltspiele ausgelegt ist. pr

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