Flüssigkeitsdosierung Präzise Dosierung kleinster Flüssigkeitsmengen mit einem Miniaturquetschventil

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Andreas Loth, Prof. Dr. Heinz Lehr / Sonja Beyer

Quetschung erwünscht? Eindeutig ja! Denn das Prinzip des Schlauchquetschventils bietet für die Dosierung kleiner und kleinster Flüssigkeitsmengen viele Vorteile.

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Händelt Flüssigkeiten präzise: das Quetschventil mit pneumatischem Aktor. (Bild: TU Berlin)
Händelt Flüssigkeiten präzise: das Quetschventil mit pneumatischem Aktor. (Bild: TU Berlin)

Selbst ein kleiner Tropfen kann das sprichwörtliche Fass zum Überlaufen bringen – und in Bereichen wie der Biotechnologie, der Gentechnik und der Pharmazie, wo mit immer geringeren Flüssigkeitsmengen gearbeitet wird, kann bereits ein winziges Tröpfchen zu viel (oder auch zu wenig) zu massiven Abweichungen der Ergebnisse führen. Hinzu kommt, dass viele Anwendungen auf einen hohen Durchsatz angewiesen sind, sodass die eingesetzten robotergestützten Pipettier- und Dosiersysteme Präzision und Geschwindigkeit unter einen Hut bringen müssen. Entscheidend ist dafür nicht zuletzt das Ventil.

Bei den in der Mikrofluidik stark verbreiteten Sitzventilen drückt ein Schließkörper beispielsweise aus Metall oder Nitril-Butadien-Kautschuk gegen den eigentlichen Ventilsitz. Die Betätigung erfolgt bei den meisten Anwendungsfällen mit kleinen Volumenströmen elektromagnetisch. Problematisch ist bei diesem Ventiltyp meist die Reinigung, da geometriebedingt Totzonen existieren oder die Dichtmaterialien Teile der Flüssigkeiten aufnehmen.

Kolben-/Schieberventile schließen zwischen den Ein- und Auslässen durch das Verschieben eines Kolbens in der Kolbenbuchse. Die möglichen Schaltfrequenzen sind aufgrund der auftretenden Reibung gering, und auch hier ist eine sichere Reinigung nur extrem schwer möglich.

Bei den Küken-/Kolbenhähnen, die vielfach in Präzisionsdosiersystemen (Präzisionsspritzenpumpen) Anwendung finden, wird der Flüssigkeitsstrom durch das Verdrehen eines durchbohrten Schließkörpers im Ventilsitz bei mehreren möglichen Schaltstellungen geschaltet. Diese Ventile eignen sich ebenfalls nicht für eine höherfrequente Betätigung, da ihre Dichtigkeit auf einem sehr geringen Spiel zwischen Schließkörper und Ventilsitz beruht. Bei hohen Drehfrequenzen zieht das sowohl thermische Probleme als auch erhöhte Abrasion nach sich.

Eine Alternative zu den Problemen mit Reinigung/Kontamination stellen Schlauchquetschventile dar. Quetschventile werden durch das Zusammendrücken eines flexiblen Abschnitts im Ventil oder des Teilabschnitts eines Schlauchs geschlossen. Dieser Vorgang lässt sich durch das Verschieben eines Quetschkörpers gegen den Schlauch oder durch das Beaufschlagen des Quetschabschnitts mit Druckluft oder einer Flüssigkeit durchführen. Allerdings muss der Anwender die Schläuche bei allen kommerziell erhältlichen Schlauchventilen manuell und mehr oder weniger aufwändig zwischen Quetschkörper und Widerlager einlegen. Auch haben die bekannten Quetschventile eine relativ große Bauform, was einem Einsatz in miniaturisierten bzw. hochintegrierten Systemen im Weg steht.

Um flüssige Substanzen sicher zu dosieren, die Zellen oder Feststoffe enthalten, kommen also lediglich wechselbare Quetschventile in Frage, wie der Vergleich der bekannten Ventilprinzipien zeigt. Deshalb wurde an der Technischen Universität Berlin am Fachgebiet Mikrotechnik für bestehende Dosiersysteme ein neues Schlauchquetschventil als preiswertes Einwegventil entwickelt. Die Dosierung kann damit schnell, präzise und hoch dynamisch gesteuert werden, um kleine und kleinste Flüssigkeitsmengen zu dosieren. Weil das Ventil modular aufgebaut ist, lässt es sich im Spritzgussverfahren kostengünstig massenfertigen, ist einfach auf den jeweiligen Anwendungsfall anzupassen und kann automatisiert montiert werden. Zudem lässt es sich unkompliziert in beliebige bestehende Systeme integrieren.

Das Ventil im Überblick

Das Ventil besteht im einfachsten Fall aus einem flexiblen und reversibel deformierbaren Schlauch sowie einem Ventilkörper mit Kragarm für das reversible Schließen. Wird eine Kraft auf den Kragarm ausgeübt, drückt der Quetschkörper auf den Schlauch und dichtet ihn damit ab. Als Aktoren lassen sich alle Systeme, die eine Linearbewegung erzeugen, einsetzen. Die Wahl des Aktors hängt lediglich vom erforderlichen Hub, der notwendigen Schließkraft und der gewünschten Betätigungsfrequenz ab. Nach unten hin begrenzt ist die Größe des Ventils nur durch die eingesetzten Schläuche. Die gewünschte Flüssigkeitsmenge lässt sich über das Verhältnis von Vordruck zu Öffnungszeit der Ventile bei konstantem Schlauchdurchmesser einstellen, wenn eine diskrete Menge gefordert wird. Über den Vordruck und die Schließweite des Schlauchs lässt sich auch ein kontinuierlicher Volumenstrom einstellen und gezielt variieren.

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Selbst bei extrem kurzen Öffnungszeiten von unter 0,5 ms erlaubt das Ventil noch ein präzises Dosieren bei Frequenzen von über 400 Hz. Abhängig von der Düsenform, der Öffnungszeit und dem Vordruck lassen sich diskrete Flüssigkeitsmengen unter 10 nl präzise dosieren. Sind hohe Dosierfrequenzen und lediglich ein einfaches Öffnen und Schließen gewünscht, lassen sich pneumatische und elektromagnetische Aktoren sehr preis-wert einsetzen. Werden die Anforderungen um die Forderung nach einer präzisen Einstellung eines kontinuierlichen Stroms ergänzt, sind Aktorsysteme mit Piezokeramik oder Linearantriebe die geeignete Wahl. Das Ventil lässt sich an die unterschiedlichsten Aktoren adaptieren. Eine Ankopplung weiterer Baugruppen ist neben der Montage von Leitungen oder Düsen, direkt oder über Standardanschlüsse, unkompliziert möglich. Auch die einfache Ausführung von Mehrwegeanordnungen ist möglich.

Die Entsorgung des Miniaturquetschventils ist umweltschonend und einfach: Nach der Verwendung lassen sich die Einzelkomponenten des Ventils, d.h. Ventilkörper und Schlauch, leicht trennen und separat entsorgen. Zudem haben Dauertests mit mehr als 107 Wiederholungen die Dauerfestigkeit sowohl von Ventilkörper als auch Schlauch bestätigt.

Fazit

Schnelles Schalten und gleichzeitig hohe Präzision: Mit dem patentierten Miniaturquetschventil lassen sich selbst Flüssigkeitsmengen unter zehn Nanolitern genau dosieren. Probleme mit Reinigung und Kontamination schließt das Ventil aus, sodass es sich besonders für zell- oder feststoffhaltige Flüssigkeiten eignet.

* Die Autoren arbeiten am Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik, Fachgebiet Mikrotechnik, der Technischen Universität Berlin.

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