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Maß­kon­stru­ier­te Peris­tal­tik­pum­pen in der Bio­tech­no­lo­gie und ‑ana­ly­tik

14. Dezember 2015
in Anlagen & Komponenten, Chemie, Labor, Pharma, Pumpen & Kompressoren
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Bild 2: Zahlreiche Varianten von maßkonstruierten Peristalikpumpen

Die unter­schied­lichs­ten Pum­pen­ar­ten wer­den sowohl in der Tech­nik all­ge­mein als auch im täg­li­chen Leben ein­ge­setzt. Prin­zi­pi­ell las­sen sich alle Aggre­gat­zu­stän­de för­dern. Zu den wich­tigs­ten Pum­pen­typen gehö­ren die Kolben‑, Kreisel‑, Mem­bran- und Schlauch­pum­pen. Wenn die­se im Rah­men eines Pro­zes­ses ein­ge­setzt wer­den, z. B. zum För­dern von flüs­si­gen Gütern, ord­net man dies der mecha­ni­schen Ver­fah­rens­tech­nik zu.

Ein wei­te­rer, gro­ßer Anwen­dungs­be­reich v.a. für Schlauch­pum­pen ist das Dosie­ren von Flüs­sig­kei­ten, z. B. bei Lang­zeit­an­wen­dung bei Per­fu­si­on und kon­ti­nu­ier­li­cher oder Batch- Fahr­wei­se für Fer­men­ta­ti­on und Zell­kul­tu­ren in Bio­re­ak­to­ren. In den letz­ten Jah­ren ist das Dosie­ren von Mikro­li­ter­men­gen immer wich­ti­ger gewor­den, weil im Zuge der Pro­zess­op­ti­mie­rung, z. B. in der Bio­tech­no­lo­gie (Regu­lie­rung des pH-Wer­tes), zuneh­mend bio­lo­gisch tech­ni­sche Ver­fah­ren mit höher kon­zen­trier­ten Ein­satz­stof­fen ent­wi­ckelt wor­den sind. Die­se erfor­dern von der ver­wen­de­ten Pum­pen­tech­no­lo­gie eine hohe Prä­zi­si­on, gerin­ge Druck- und Volu­men­strom­pul­sa­ti­on, hohe Bestän­dig­keit gegen unter­schied­lichs­te Flüs­sig­kei­ten und mög­lichst lan­ge Standzeiten. 

Die­se gewünsch­ten Eigen­schaf­ten einer Pum­pe wei­sen moder­ne, peris­tal­ti­sche Pum­pen, wie sie die Fir­ma SPETEC Gesell­schaft für Labor- und Rein­raum­tech­nik mbH in Erding bei Mün­chen seit nun mehr als 25 Jah­ren her­stellt, auf.

Peris­tal­ti­sche Pum­pen — Grundprinzip

Peris­tal­ti­sche Pum­pen wer­den auch Schlauch­pum­pen genannt, weil prin­zi­pi­ell ein Schlauch ver­formt wird, damit ein Ansaug­ef­fekt ent­ste­hen kann. Die­se Arbeits­wei­se hat den Cha­rak­ter von wel­len­för­mig ver­lau­fen­den Kon­trak­ti­ons- und Ent­span­nungs­pha­sen und lässt sich mit der Mus­kel­tä­tig­keit mensch­li­cher Hohl­or­ga­ne, wie Spei­se­röh­re, Magen, Darm und Harn- oder Eilei­ter, ver­glei­chen. Der Begriff Peris­tal­tik ent­stammt dem Grie­chi­schen (peris­tal­ti­kós) und bedeu­tet “in Gang brin­gen“ sowie auch “umfas­send und zusammendrückend“.

Die Auf­ga­be peris­tal­ti­scher Pum­pen ist die Flüs­sig­keits­för­de­rung in eine vor­ge­ge­be­ne Rich­tung. Die­ser Vor­gang basiert auf alter­nie­ren­dem Druck und Ent­las­tung des Schlau­ches, wodurch die zu trans­por­tie­ren­de Flüs­sig­keit in den Schlauch geso­gen wird. Ein schu­h­ähn­li­ches Gebil­de oder eine Rol­le läuft ent­lang des Schlau­ches und drückt ihn kom­plett zusam­men. So ent­steht eine Abdich­tung zwi­schen der Ansaug- und Aus­tritts­sei­te der Pum­pe, wodurch auch ein Flüs­sig­keits­ver­lust ver­hin­dert wird. Wenn der Schlauch in sei­ne ursprüng­li­che Form zurück­kehrt, bil­det sich ein Vaku­um, das die Flüs­sig­keit in die Pum­pe för­dert. Auf­grund die­ser Pump­wir­kung eig­nen sich peris­tal­ti­sche Pum­pen für hoch prä­zi­se Dosie­run­gen und kon­ti­nu­ier­li­che För­de­rung. Das För­der­me­di­um kommt nicht mit beweg­li­chen Tei­len in Berüh­rung; es befin­det sich in dem Schlauch, der ent­spre­chend aus­zu­wäh­len und zu erneu­ern ist. Je nach Typ der Peris­tal­tik­pum­pe kann sie mit 1 – 6 Kanä­len bestückt sein. Die Anzahl der Rol­len ist ein Kri­te­ri­um für die pul­sa­ti­ons­ar­me, kon­ti­nu­ier­li­che För­de­rung. In Abhän­gig­keit von der Grö­ße des Pum­pen­kop­fes und des Schlauch­durch­mes­sers sind För­der­men­gen den Berei­chen von µL/min bis hin zu L/min möglich.

Ein­satz in For­schungs­in­sti­tu­ten und Laboratorien

Seit mehr als 25 Jah­ren kon­stru­iert und baut die Fir­ma SPETEC Gesell­schaft für Labor- und Rein­raum­tech­nik in Erding peris­tal­ti­sche Pum­pen für unter­schied­lichs­te Anwen­dun­gen und stellt auch die hier­zu benö­tig­ten Schläu­che her, die mög­lichst inert gegen Löse­mit­tel oder Säu­ren und lan­ge halt­bar sind.

Ange­strebt wur­de bei der Kon­struk­ti­on eine hohe Genau­ig­keit der Dosie­rung, eine hohe Sta­bi­li­tät des tech­ni­schen Ablau­fes und je nach Ein­satz eine mög­lichst gerin­ge Pul­sa­ti­on. Dies ist das Kri­te­ri­um der bei­den Labor­pum­pen­ver­sio­nen PERIMAX 12 und PERIMAX 16 (Bild 1), die sich durch die Kon­fi­gu­ra­ti­on und die Rol­len­an­zahl (12/16) des Pum­pen­kop­fes und die stu­fen­los regel­ba­ren För­der­men­gen (0,0017 mL/min bis 20 mL/min sowie 0,0034 mL/min bis 40 mL/min) unter­schei­den. Die Pum­pe mit 16 Rol­len weist kein nach­weis­ba­res Pul­sie­ren auf, da die 16 Rol­len in 32 Rol­len unter­teilt und pha­sen­ver­setzt auf ein­an­der auf­ge­baut sind.

Laborpumpenversionen PERIMAX 12 und PERIMAX 16
Labor­pum­pen­ver­sio­nen PERIMAX 12 und PERIMAX 16

 

Der Ein­satz des Pum­pen­typs PERIMAX hat sich in der instru­men­tel­len, che­mi­schen Ana­ly­se, spe­zi­ell bei den spek­tro­me­tri­schen Metho­den mit Lösun­gen, der Bio­tech­no­lo­gie und der Bio­ana­ly­tik sowie bei Anwen­dung der Säu­len­chro­ma­to­gra­phie bewährt. Grund dafür ist auch die leich­te Bedien­bar­keit und War­tung der SPE­TEC-Pum­pen. Der aus­ge­wähl­te Schlauch wird um den Pum­pen­kopf gelegt und mit bei­den Enden an einer spe­zi­el­len Vor­rich­tung fixiert. Der Anpress­druck ist mit Hil­fe einer Jus­tier­schrau­be am Jus­tier­he­bel ein­stell­bar. An Druck­tas­ten erfol­gen das Ein- und Aus­schal­ten sowie die Wahl für Links- oder Rechts­lauf. An einem 10-Gang-Poten­tio­me­ter ist die Dreh­ge­schwin­dig­keit des Pum­pen­kop­fes stu­fen­los regel­bar. Die­se und die Flüs­sig­keits­för­der­ra­te sind als digi­ta­le Anzei­ge ables­bar. Mit einer Tas­te kann kurz­zei­tig die höchs­te Geschwin­dig­keit gewählt wer­den, um bei­spiels­wei­se eine schnel­le Spü­lung des Schlau­ches beim Wech­sel zu einer ande­ren Flüs­sig­keit zu errei­chen. Die Antriebs­ein­heit ist bei bei­den Pum­pen iden­tisch. Ein ver­schleiß­ar­mer Schritt­mo­tor gewähr­leis­tet einen kon­stan­ten Flüs­sig­keits­trans­port. Über einen rück­sei­ti­gen Ste­cker kön­nen Dreh­zahl und Lauf­rich­tung extern ana­log (0 – 5 Volt) gesteu­ert werden.

Die maß­kon­stru­ier­ten OEM-Pumpenversionen

Die OEM (= Ori­gi­nal Equip­ment Manufacturer)-Pumpen von SPETEC wer­den nicht in einer Seri­en­fer­ti­gung son­dern indi­vi­du­ell nach Anfor­de­rung kon­stru­iert und pro­du­ziert. Nur weni­ge Grund­kom­po­nen­ten, wie z. B. Rol­len­köp­fe, Anpress­bü­gel oder Schlauch­hal­ter, die zwecks Kos­ten­mi­ni­mie­rung in grö­ße­ren Stück­zah­len her­ge­stellt wer­den, sind identisch. 

Da die­se Pum­pen für End­pro­duk­te ande­rer Her­stel­ler gebaut wer­den, müs­sen sie maß­kon­stru­iert sein, was bedeu­tet, dass sie auch in der opti­schen Gestal­tung den Kun­den­wün­schen ange­passt wer­den. Dies betrifft sowohl die Farb- und Form­ge­bung der Grund­plat­te, auf wel­cher die Pum­pe mit ver­schie­de­nen Kanal­an­zahl mon­tiert ist, als auch die Grund­kom­po­nen­ten, die eben­falls farb­lich zu dem Gerät pas­sen sol­len, in das die Pum­pe ein­ge­baut wird. Das Design erfolgt nach Kun­den­wunsch. So kann die indi­vi­du­ell gestal­te­te Grund­plat­te direkt auf dem Gehäu­se des Ana­ly­sen­ge­rä­tes ange­bracht oder in des­sen Kon­struk­ti­on ein­be­zo­gen wer­den. Dadurch wird der Ein­bau der maß­kon­stru­ier­ten Peris­tal­tik­pum­pe bei der End­mon­ta­ge der Ana­ly­sen­ge­rä­te leich­ter und kos­ten­güns­ti­ger. Fol­ge­rich­tig gibt es zahl­rei­che Vari­an­ten (Bild 2) und es kom­men stän­dig neue Ver­sio­nen hin­zu. Für alle Model­le gilt, dass der Antrieb mit Hil­fe ver­schie­de­ner Motor­ty­pen, wie z. B. den Gleichstrom‑, Wech­sel­strom- oder Schritt­mo­to­ren, erfolgt, wobei die höchst­mög­li­che Sta­bi­li­tät von Dreh­ge­schwin­dig­keit und För­der­vo­lu­men sowie die geringst­mög­li­che Pul­sa­ti­on ange­strebt wer­den. Die Fir­ma SPETEC legt neben der Indi­vi­dua­li­tät der Pum­pen auch Wert auf ihre Formschönheit.

Bild 2: Zahlreiche Varianten
Bild 2: Zahl­rei­che Vari­an­ten von maß­kon­stru­ier­ten Peristaltikpumpen

Eine typisch kun­den­na­he Neu­kon­struk­ti­on ist die Mini­pum­pe (Bild 3), die dem Trend zu immer klei­ne­ren Ana­ly­sen­ge­rä­ten ange­passt wur­de. Peris­tal­tik­pum­pen kön­nen heu­te mit hoher Prä­zi­si­on her­ge­stellt wer­den, wenn die ent­spre­chen­de Erfah­rung vor­liegt. Da die Erzeu­gung des Ansaug­dru­ckes stark von der Elas­ti­zi­tät des benutz­ten Schlauch­ma­te­ri­als abhängt, hat die­ses eine ent­schei­den­de Bedeu­tung für die Kon­stanz der För­der­men­ge und das Ent­ste­hen von Pul­sa­ti­on. Neben der Qua­li­tät des Schlauch­ma­te­ri­als und der Art der För­der­flüs­sig­keit haben auch die Durch­mes­ser von Pum­pen­kopf und Anpress­rol­len wesent­li­chen Ein­fluss auf die Halt­bar­keit der Schläu­che. Durch die rich­ti­ge Aus­wahl der Kon­struk­ti­ons­pa­ra­me­ter kann somit die Lebens­dau­er des Schlau­ches wesent­lich ver­län­gert wer­den. Der Durch­fluss bleibt dann län­ger kon­stant, und die Pul­sa­ti­on lässt sich extrem klein gehal­ten. Um die­se hohen Qua­li­täts­stan­dards ein­hal­ten zu kön­nen, ist die Her­stel­lung der Schläu­che ein wich­ti­ges Kri­te­ri­um. Die­se Erfah­run­gen in der Kon­struk­ti­on und Wahl des Schlauch­ma­te­ri­als hat sich die Fir­ma Spe­tec in jahr­zehn­te­lan­ger Pro­duk­ti­on erworben.

Bild 3: Minipumpe für Analysegeräte
Bild 3: Mini­pum­pe für Analysegeräte

 

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