Fluidmanagement für Labor- und Medizintechnik Wie man das richtige Quetschventil auswählt

Ob Durchflusszytometrie, in-vivo- oder in-vitro-Anwendungen – häufig werden in diesen Applikationen Quetschventile eingesetzt, um den Durchfluss der verschiedenen Fluide zu steuern und zu regeln. Hierbei stehen Geschwindigkeit und die effiziente Dosierung der Medien im Fokus. Was bei der Wahl des Quetschventils in der Medizin- und Labortechnik darüber hinaus zu beachten ist, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Es gibt zwei Haupttypen von Quetschventilen, die in der medizinischen und wissenschaftlichen Welt verwendet werden: externe und interne. Beide können je nach Applikation vorteilhaft sein. Die Kernfunktion eines Quetschventils wird mithilfe eines flexiblen Durchflusselements gewährleistet, welches durch einen Kolben oder Quetschblock komprimiert wird. Die meisten Ventile dieser Art sind magnetbetätigt, auch wenn in manchen Anwendungen auf handbetätigte Quetschventile zurückgegriffen wird.

Jürgen Prochno, Geschäftsführer der Lee Miniaturhydraulische Komponenten GmbH mit Sitz in Sulzbach/Taunus, erläutert die zentralen Unterschiede und Auswahlkriterien: „Externe Quetschventile zeichnen sich dadurch aus, dass die Schläuche leicht ausgetauscht werden können; interne Quetschventile sind wiederum versiegelt und wartungsfrei. Die Auswahl des Ventils für eine labor- oder medizintechnische Instrumentenanwendung hängt von mehreren Faktoren ab. Zu berücksichtigen sind das interne Volumen, das Verschleppungsvolumen, der Probendurchsatz, der Wartungsaufwand, die Lebensdauer und die geplanten Medien in Verbindung mit den daraus resultierenden Materialien.“

Internes Volumen und Verschleppungsvolumen

Das interne Volumen von Durchflusskomponenten spielt in der Auslegung von Medizin- und Labortechnik eine große Rolle. Die Kon­strukteure achten darauf, dass die Instrumente und Geräte möglichst wenige kostenintensive Reagenzien oder kleine Patientenprobengrößen benötigen und sich Flüssigkeitsverluste auf ein Minimum reduzieren.

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Das interne Volumen eines Quetschventils – sowohl externer als interner Ventile – wird durch den Innendurchmesser als auch die Länge des Ventilschlauches bestimmt. Der Innendurchmesser von Quetschventilschläuchen richtet sich im Allgemeinen nach der für eine bestimmte Anwendung erforderlichen Durchflusskapazität. Die meisten medizinischen und wissenschaftlichen Anwendungen wählen einen Schlauch-Innendurchmesser von 1,5 mm oder weniger, was einem Durchfluss von weniger als 50 ml/min entspricht. Spielt das interne Volumen eine wichtige Rolle in der Auslegung des Geräts, sollte ein sehr präzises Ventil mit einer Gesamtdurchflussbegrenzung gewählt werden. Tabelle 1 vergleicht das Volumen und den Durchfluss von Schläuchen verschiedener Innendurchmesser.

Bei der Wahl des Schlauch-Innendurchmessers muss jedoch auch die Schlauchlänge berücksichtigt werden. Bei internen Quetschventilen sind die Schläuche und der Kolben Teil der Anschlussarmatur und verfügen in der Regel über eine minimale Schlauchlänge – und somit über das geringste Innenvolumen im Verhältnis zum Schlauchinnendurchmesser. Dieser Vorteil macht sich insbesondere bei 3-Wege-Ventilen bemerkbar, da hingegen bei externen Quetschventilen der Verbindungspunkt (Y-Verbindung) außerhalb des Ventils liegt.

Als Verschleppungsvolumen bezeichnet man die Menge des Flüssigkeitsvolumens, die nach dem Umschalten eines Ventils im Schlauch verbleibt. Bei 2-Wege-Quetschventilen ist dies in der Regel unbedenklich. Bei 3-Wege-Quetschventilen kann sich das Restvolumen jedoch mit anderen Flüssigkeiten vermischen und diese Menge wird beim Spülvorgang ungenutzt verschwendet. Daher ist es sehr wichtig, dieses Volumen zu minimieren. Interne Quetschventile bieten hier große Vorteile, da das Volumen zwischen dem Quetschpunkt und dem Y-förmigen Kombinationspunkt minimal ist.

Wartung, Lebensdauer und Werkstoffe

Bei der Konstruktion von medizin- und labortechnischen Geräten spielen Wartungsanforderungen und Kosten eine große Rolle. Auch hier sind interne Quetschventile die bessere Wahl gegenüber externen, da sie in der Regel für 5 Mio. oder mehr Schaltzyklen ausgelegt sind. Im Vergleich dazu müssen bei externen Quetschventilen die Schläuche in der Regel alle 200.000 bis 500.000 Zyklen ausgetauscht werden, auch wenn das externe Magnetventil als solches eine ähnliche Lebensdauer wie interne Quetschventile hat.

Der Unterschied zwischen der Lebensdauer der Schläuche von internen und externen Quetschventilen lässt sich anhand der Eigenschaften der gängigen Schlauchmaterialien erklären. Preiswerte Silikon- und flexible PVC-Schläuche, die häufig für externe Quetschventile verwendet werden, verschleißen leicht und müssen häufig ersetzt werden. Elastomerschläuche aus EPDM oder aus Fluorelastomer FKM, die üblicherweise in internen Quetschventilen verwendet werden, bieten eine signifikant höhere Lebensdauer, sind jedoch kostenintensiver.

Der deutliche, materialbedingte Unterschied in der Lebensdauer der Schläuche ist ein entscheidender Faktor bei der Wahl des Quetschventils für Medizin- und Laboranwendungen. Externe Quetschventile eignen sich am besten für Anwendungen, bei denen ein Austausch der Durchflusswege erforderlich ist, insbesondere bei medizinischen In-vivo-Anwendungen. Beispielsweise werden in Dialysegeräten die Schläuche für den Bluttransport ausgetauscht, um das Kontaminierungsrisiko zu eliminieren. Ein internes Quetschventil ist mit seinem wartungsfreien Design die bessere Wahl für in-vitro-diagnostische Anwendungen, bei denen zwischen den Patientenproben eine Reinigungslösung verwendet werden kann.

Ein weiterer entscheidender Faktor bei der Auswahl des Quetsch­ventils sind die im Durchflussweg verwendeten Materialien. Externe Quetschventile haben nur ein einziges medienberührtes Material: die Quetschschläuche. Die verfügbaren Schlauchoptionen variieren beträchtlich; die Auswahl der Schläuche basiert auf der Kompatibilität mit biologischen Flüssigkeiten und organischen Lösungsmitteln. Für die jeweilige Anwendung müssen somit in jedem Fall individuelle Tests durchgeführt werden. Die Schlauchanschlüsse müssen ausgewählt und separat qualifiziert werden. Interne Quetschventile – mit integrierten Schlauchanschlüssen wie Schlauchverschraubungen oder Gewindeanschlüssen – haben in der Regel mehr als einen medienberührten Werkstoff. Diese medienberührenden Materialien von internen Ventilen werden sorgfältig und auf Basis der maximalen Kompatibilität mit einer Vielzahl von Anwendungen ausgewählt, da eine nachträgliche Anpassung schwierig oder sogar nicht möglich ist. Kompatibilitätsprobleme treten aufgrund dieses Vorgehens bei diesen Ventilen somit seltener auf.

Vorteile interner Quetschventile

Die Wahl eines internen oder externen Quetschventils für die analytische Chemie, Diagnostik, medizinische Geräte oder Next Generation Sequencing muss sorgfältig geprüft werden. Im Allgemeinen sind interne Quetschventile die richtige Wahl, wenn ein geringes internes Volumen, ein geringes Verschleppungsvolumen und eine lange Lebensdauer wichtige Faktoren sind.

Externe Quetschventile sind eine Lösung für Anwendungen, bei denen der einfache Austausch von Schläuchen von hoher Priorität ist. Beide Ventiltypen bieten saubere Durchflusswege, ein relativ geringes internes Volumen (im Vergleich zu anderen Ventiltypen) und eine ausgezeichnete Kompatibilität mit Flüssigkeiten, die in der medizinischen und wissenschaftlichen Industrie häufig verwendet werden. Tabelle 3 zeigt die Unterschiede zwischen internen und externen Quetschventilen.

Xover: das neue Lee-Quetschschlauchventil

LEE hat jüngst das 3-Wege-Magnetventil der Serie Xover LXR entwickelt. Jürgen Prochno stellt die Vorteile heraus: „Das Xover erweitert unser bekanntes und bewährtes Portfolio interner Quetschschlauchventile. Es kombiniert die Vorteile eines Quetschventils mit der viel­seitigen, wartungsfreien Leistung eines chemisch inerten Isolationsventils. Es wurde für schnelle, effiziente Umschaltleistung und eine lange Lebensdauer entwickelt.“

Das Ventil hat kein Totvolumen und ein extrem geringes internes Volumen von nur 11 µl sowie ein sehr geringes Verschleppungsvolumen von 3,7 µl. Der Energiebedarf liegt lediglich bei 2,1 W. Die Reaktionszeit liegt bei weniger als 40 ms. Der Betriebsdruckbereich reicht von Vakuum bis 30 psig, die mögliche Betriebstemperatur liegt zwischen 16 und 48 °C. Damit ist das Xover LXR für anspruchsvolle Anwendungen in Labor- oder Diagnostiksystemen geeignet.

* P. Becker Becker Storytelling, 55278 Uelversheim

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