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Mikroventile

So finden Sie die richtige mikrofluidische Systemlösung

| Autor/ Redakteur: Patrick Mohs* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Anpassung der Mikrofluidik auf die jeweilige Labor- oder Diagnostik-Anwendung garantiert ein optimales Ergebnis. Lesen Sie, welche Unterschiede es bei den Funktionsprinzipien gibt und warum eine Bauartenvielfalt bei Ventilen für den Anwender Sinn macht.

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Abb.3: Das Whispervalve Typ 6712 ist ein mediengetrenntes 2/2-Wege-Ventil mit minimalem Innenvolumen bei exzellenter Spülbarkeit.
Abb.3: Das Whispervalve Typ 6712 ist ein mediengetrenntes 2/2-Wege-Ventil mit minimalem Innenvolumen bei exzellenter Spülbarkeit.
(Bild: Bürkert)

Die Mikrofluidik, also die Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen, ist ein sehr junges Anwendungsfeld der Fluidtechnik, das besonders für die Medizintechnik und Diagnostik, Analysegeräte, Beatmungssysteme oder Industrieanwendungen wie Inkjet-Drucker völlig neue Möglichkeiten eröffnet hat. Die wichtigste Voraussetzung für den praktischen Einsatz mikrofluidischer Systeme war die Entwicklung miniaturisierter Ventile, die gleichzeitig langlebig, zuverlässig und hochpräzise sind. Durch die Miniaturisierung kann die Technik noch näher an den Point-of-Use oder im Falle der Medizintechnik an den Point-of-Care herangebracht werden. Das macht sich auch für viele etablierte fluidische Systeme zum Beispiel in Druckern oder Getränkeabfüllmaschinen bezahlt: Komplexe Prozesse können durch einen kleineren günstigeren Systemaufbau realisiert und so auch in kleineren Geräten untergebracht werden.

Durch die kleinen Flussmengen in mikrofluidischen Anwendungen sind die Anforderungen an die Genauigkeit sehr hoch. Die aktive Kontrolle der Durchflüsse ist daher unerlässlich. Der Bedarf an Pumpen- und Ventillösungen die klein, exakt, leise und vor allem noch immer kostengünstig sind, ist groß, wobei die grundlegenden Anforderungen hinsichtlich Dichtheit, Medientrennung und Lebensdauer sich nicht geändert haben. Ventile für die Dosierung von wenigen Mikrolitern müssen fünf wichtige Kriterien erfüllen:

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  • höchste Präzision und Reproduzierbarkeit,
  • exzellente Spülbarkeit und totraumarmes Design,
  • geringes internes Volumen zur Fluidersparnis,
  • hervorragende chemische Beständigkeit gegen alle Medien sowie
  • geringstmöglicher Wärmeeintrag in das Medium.

Reproduzierbar dosieren

Um Genauigkeit, Präzision und Timing für jede Dosieraufgabe sicherzustellen, setzt Bürkert passend zur jeweiligen Anwendung verschiedene Dosierprinzipien ein.

Die wichtigste Applikation in der Dosiertechnik ist das kontrollierte Öffnen und Schließen eines Fluidstrangs mittels eines Ventils. Durch das Öffnen für eine kontrollierte Zeit bei einem festen Druckwert werden reproduzierbare Flüssigkeitsmengen in ein Probengefäß dosiert oder auf ein Substrat aufgebracht. Die so genannte Druck-Zeit-Dosierung bewährt sich z.B. in Abfüll- und Verpackungsprozessen der Pharma- und Kosmetikindustrie. Weitere Anwendungen sind die präzise Mischung von Aromen für die Getränkeabfüllung oder die bereits erwähnten Analysengeräten, bei denen Reagenzien und Proben bis in den Mikroliterbereich dosiert werden müssen.

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Flipperventile: Das Kernstück von Flipperventilen ist eine mit einem Elastomer umhüllte, drehbar in der Fluidkammer gelagerte Metallzunge. Die Flippertechnologie ermöglicht kurze, reproduzierbare Schaltzeiten bei sehr hoher Lebensdauer.

Wippenventile: Bei Wippenventilen liegen die Ventilsitze in einer Ebene und werden mithilfe einer Wippenkonstruktion abwechselnd verschlossen. Die geringe bewegte Masse bewirkt eine besonders hohe Lebensdauer. Mit spaltfreier Konstruktion, geringem internem Volumen und sehr guter Spülbarkeit der Fluidkammer empfehlen sich mediengetrennte Wippenventile besonders für biologische Medien.

Hubankerventile: Dieser Ventiltyp besteht in den Hauptbestandteilen aus einer Spule, einer Schließfeder, einem Ventilgehäusedeckel sowie dem Ventilgehäuse mit Ventilsitz. Mit einer Trennmembran, werden diese Ventile für die Steuerung von Gasen und Flüssigkeiten in Analytikapplikationen eingesetzt. Dank besonders hochwertigen Dicht- und Gehäusewerkstoffen und einer Trennmembran sind diese Ventile ideal, um aggressive und hochreine Medien zu schalten.

Für die Druck-Zeit-Dosierung hat Bürkert eine ganze Reihe von Ventiltypen entwickelt. Typ 6712, das Whispervalve, ist beispielsweise ein Ventil, das minimales 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 Prozessumgebungen akustisch kaum wahrnehmbar, wodurch es für den Einsatz in der Medizintechnik direkt am Patienten ideal geeignet ist. Mit 7 mm Breite, 19 mm Länge und 26 mm Höhe ist das Bauvolumen sehr gering, das Anreihmaß ist passend für 96-well-Mikrotiterplatten. Inzwischen ist der Typ 6712 für die ersten Dosieranwendungen im Submikroliterbereich im Einsatz. Noch schmaler ist mit 4,5 mm Breite das Flipperventil Typ 6650, passend zu 384-well-Mikrotiterplatten. Neben der kompakten Bauform sorgen vor allem die extrem schnellen und präzisen Schaltvorgänge für beste Dosierergebnisse im Mikroliterbereich.

Die Lebensdauer bei 4,5 bar beträgt bis zu 200 Millionen Schaltspiele, druckfest ist es bis 7 bar. Es ermöglicht Dosiermengen unter 0,5 µl pro Schaltzyklus mit exzellenter Wiederholgenauigkeit der einzelnen Dosierungen (CV-Wert). Den Weg in weitere Anwendungsfelder ebnen das mediengetrennte Flipperventil Typ 6144 für den General-Purpose-Bereich mit mehr als 500 Millionen Schaltspielen und einer Druckfestigkeit bis zu 10 bar und das größere Klapp­anker-Magnetventil Typ 0331 für aggressive oder verschmutzte Medien und höhere Durchflussraten bei bis zu 16 bar. Über die Standardprodukte hinaus entwickelt Bürkert für die Druck-Zeit-Dosierung kundenspezifische Systemlösungen, die den kompletten Prozess inklusive Komponenten wie Drucksteuerung, Kalibrierung und Systemkommunikation abbilden.

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