Dosier- und Pumptechnik

Piezoelemente in der Mikrofluidik

Mit „Piezos“ lassen sich Dosier- und Pumpvorgänge fein justieren und präzise steuern. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung in der Prozess- und Medizintechnik steigen die Anforderungen an die einzelnen Komponenten ständig.

Piezoelektrische Elemente. © PI Ceramic

Das trifft besonders dann zu, wenn kleine Volumina mit hoher Präzision dosiert werden, aber auch bei der Herstellung von Microarrays oder Biochips. Piezobasierte Antriebslösungen bieten hierfür gute Voraussetzungen: Piezoantriebe erzeugen Linearbewegungen sehr präzise und direkt und haben sich bereits in vielen vergleichbaren Anwendungen bewährt. Zugleich lassen sie sich gut an die jeweilige Applikationsumgebung anpassen. Da sie bei kleinem Bauraum hohe Effizienz bieten, können auch Antriebe für mobile Geräte oder die Lab-on-a-Chip-Technik realisiert werden.

Piezoaktoren haben kurze Ansprechzeiten und bewegen sich dabei dynamisch mit Auflösungen im Sub-Nanometerbereich und mit Frequenzen bis zu mehreren tausend Hertz. Da sie keine im klassischen Sinn bewegten Teile haben, sind sie zudem nahezu wartungsfrei. Die Bewegung beruht auf kristallinen Festkörpereffekten, somit gibt es keine rotierende oder reibende Mechanik. Da sie statisch keine elektrische Leistung benötigen, können die „Piezos“ auch im Hinblick auf den Energieverbrauch punkten.

Ihr Einsatzbereich ist also breit gefächert: So sind in Prozess- und Medizintechnik beispielsweise kurze Dosierzyklen realisierbar. Durch die variablen Hübe lassen sich auch Dosier- und Pumpvorgänge fein justieren und präzise steuern.

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PI Ceramic bietet piezoelektrische Komponenten in verschiedenen, auch kundenspezifischen Formen sowie Piezoaktoren und assemblierten Bauelementen. Die langlebigen und robusten Aktoren haben sich bereits in zahlreichen Anwendungsbereichen, z. B. in Mikromembranpumpen, bewährt.

Mikropumpen mit miniaturisierten Piezoelementen

Mikromembranpumpen eignen sich für die präzise Dosierung sowohl von Gasen als auch von Flüssigkeiten. Eine Membran trennt dabei das zu fördernde Medium vom Antrieb und schließt so Beeinträchtigungen der gepumpten Medien durch den Antrieb und umgekehrt aus. Passive Ein- und Auslassventile steuern die Pumprichtung. Als Antriebssystem bieten sich bei den miniaturisierten Varianten dieses Pumpentyps hochdynamische Piezoelemente in Scheibenform oder als Hexagon an, die direkt auf einer Metallscheibe angebracht werden. Auch bei Gegendruck lassen sich hohe Förderraten realisieren, indem die Schaltfrequenzen oder die Amplitude der Piezoauslenkung über eine entsprechende Regelung variiert werden.

Damit sind die Anwendungsmöglichkeiten vielfältig: Sie reichen von Labor- und Medizintechnik über Chemie und Pharmazie bis hin zum Maschinenbau. Dort können piezogetriebene Membranpumpen beispielsweise die benötigten Schmier- und Kühlmittel sehr genau dosieren. Aufgrund ihrer kompakten Abmessungen lassen sich diese Dosiervorrichtungen direkt vor Ort anbringen und reduzieren so meist den Verbrauch. Bei Mikro-Membranpumpen steuern passive Ein- und Auslassventile die Pumprichtung. Der Platzbedarf dieser Antriebslösung ist äußerst gering.

Hohe Flussraten durch Mikrodosierventile

Die sogenannte PipeJet-Technologie setzt beim Dosieren auf eine piezogetriebene Direkt­verdrängung. © PI Ceramic

Mikrodosierventile funktionieren ähnlich wie Pumpen. Die erforderlichen Kräfte sind hier allerdings höher, da gegen eine Schließmechanik gearbeitet werden muss. Die dabei üblichen Dosierfrequenzen im Kilohertzbereich sind i. d. R. nur mit Piezoaktorik realisierbar. Mikrodosierventile erreichen Flussraten von bis zu einigen zehn Litern pro Minute bei hochgenauen Einzel- und Mengendosierungen im Mikro- und Nanoliterbereich. Dabei kommen natürlich auch die geringen Schaltzeiten der Piezoaktorik zum Tragen, die im Milli- bis Mikrosekundenbereich liegen.

Je nach Baugröße arbeiten in den Mikrodosierventilen unterschiedliche Piezokomponenten. So werden kleine Piezoröhrchen für Drop-on-Demand-Verfahren beispielweise in Tintenstrahldruckern eingesetzt. Miniaturisierte Ventile für Dosieraufgaben im Nanoliter-Bereich werden z. B. mit Piezoscheiben realisiert. Ist der Bauraum nebensächlich, können Piezostapelaktoren oder hebelübersetzte Piezoantriebe eingesetzt werden. Diese erzeugen größere Kräfte und eignen sich für längere Stellwege und damit auch für Applikationen, bei denen – abhängig von den Materialeigenschaften – bestimmte Tropfengrößen erreicht werden müssen.

Mikrodosierventile werden auch zur Medikamentendosierung eingesetzt. Ähnliche Anwendungen finden sich ferner im industriellen Bereich bei der Feindosierung von Lötmitteln, Ölen, Fetten, Klebstoffen etc. Dabei eignen sich Mikroventile, ebenso wie Mikropumpen, sowohl für Gase als auch für Flüssigkeiten.

Gleichmäßige Dosierung in Schlauchpumpen

Wenn Flüssigkeiten oder Gase nicht nur präzise, sondern auch möglichst gleichmäßig und stoßfrei dosiert werden sollen, bieten sich Schlauch- oder Peristaltikpumpen an. Dort wird das zu fördernde Medium durch äußere mechanische Verformung eines Schlauches durch diesen hindurchgedrückt. Die mechanische Verformung wird durch Piezoaktoren bewirkt.

Schlauchpumpen lassen sich einfach sterilisieren, arbeiten kontaktlos und sind ohne Ventile in beide Richtungen zu betreiben. Die Pumprichtung wird durch die Ansteuerung der einzelnen Aktoren bestimmt. Diese Art von Pumpe eignet sich für die Labortechnik ebenso wie das Dosieren von Industrieklebern oder Lötmitteln, auch die meisten Infusionspumpen arbeiten nach diesem Prinzip. Als Antriebselement werden je nach Anforderungen an Kraft und Bauraum flache Piezobiegeelemente, kompakte Piezochipaktoren oder Piezostapelaktoren eingesetzt.

Dosierung für Lateral Flow Assays

Besonders interessant ist das piezogetriebene Direktverdrängerverfahren von PipeJet-Dispensern, das sich in entscheidenden Punkten von den meisten üblichen Piezo-Dosierverfahren unterscheidet. Die PipeJet-Technologie setzt beim Dosieren auf eine piezogetriebene Direktverdrängung. Die Fluidleitung besteht aus einem elastischen Polymerschlauch mit definiertem Innendurchmesser. Der eingesetzte Aktor dehnt sich entlang seiner Längsachse aus und kann den Polymerschlauch über einen Kolben bis zu 100-mal stärker verengen als z. B. Ringaktoren. Damit bringt er für die sichere Dosierung schwieriger Medien genügend Kraft auf, und auch partikelbehaftete Flüssigkeiten wie Farben, Bead- oder Zellsuspensionen können problemlos in exakter Tröpfchenform dosiert werden. Ein Anwendungsbeispiel für solche Dispenser in der klinischen Diagnostik sind Lateral Flow Assays. Hier ist eine gezielte Dosierung von Flüssigkeiten erforderlich.

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