Labortechnik

Warum man Schlauchpumpen kalibrieren sollte

Schlauchpumpen, auch Peristaltik- oder Dosierpumpen genannt, werden im Labor sehr häufig und vielseitig eingesetzt. Zu den Anwendungen zählen zum Beispiel die Förderung und Dosierung von Flüssigkeiten aller Art, von Nährmedien, u.v.m. Da die geförderten Flüssigkeiten nicht mit der Pumpe oder Teilen davon in Berührung kommen, eignen sich Schlauchpumpen auch für die Dosierung aggressiver Medien. Voraussetzung ist, dass das Schlauchmaterial ausreichend resistent ist.

Das Funktionsprinzip einer Schlauchpumpe beruht auf der Erzeugung eines Unterdruckes in einem Schlauch. Hierzu wird der Schlauch in ein Schlauchbett gelegt, das dann mechanisch an sogenannte Schlauchrollen des Pumpenkopfs gedrückt wird. Während der Rotation des Pumpenkopfes laufen am Rotor gelagerte Rollen über den Schlauch, wobei er komprimiert wird und dabei ein Unterdruck entsteht, der wiederum das zu fördernde Medium ansaugt. Die Unterdruckerzeugung funktioniert aber nur, wenn sich der Schlauch alternierend komprimieren und wieder dekomprimieren kann. Daher ist der Rotor nicht in seinem vollen Umfang mit Schlauchrollen bestückt. Sie sind mit Zwischenräumen angeordnet, die bei der Rotation die Dekomprimierung des Schlauches ermöglichen.

Bei gleichbleibender Geschwindigkeit des Pumpenkopfes stellt sich eine Pulsation ein, verursacht durch die abwechselnde Komprimierung und Dekomprimierung des Schlauches. Stärke und Pulsationsdauer sind in der Regel von der Pumpengeschwindigkeit, von der Anzahl und dem Durchmesser der Schlauchrollen und der Beschaffenheit des Schlauches abhängig.

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Der Durchfluss, bzw. das Fördervolumen sind hauptsächlich von folgenden Parametern abhängig:

  • Pumpen- , d.h. Rotationsgeschwindigkeit
  • Pumpzeit
  • Schlauchinnendurchmesser
  • Schlauchwandstärke
  • Schlauchmaterial und dessen Shorehärte
  • Alter und Zustand des Schlauches
  • Viskosität des geförderten Mediums
  • Druckverhältnisse auf der Ansaugseite

Viskosität des Mediums und eventuelle Temperatureinflüsse bei der Dosierung sehr kalter oder heißer Flüssigkeiten, können das Fördervolumen ebenfalls beeinflussen und sind bei Bedarf ebenfalls zu berücksichtigen.

Mit zunehmendem Alter ändert sich die Konsistenz des Schlauchmaterials. Durch die Walkarbeit der Pumpenrollen, ggf. auch durch das geförderte Medium, wird das Schlauchmaterial gestresst; es wird in der Regel weicher, die Wandstärke -und damit verbunden der Durchmesser- ändern sich, Versprödungen und Beschädigungen können ebenso die Folge sein.

Wenn man das Fördervolumen eines lange Zeit in Gebrauch befindlichen Schlauches mit dem eines neuen vergleicht, wird man immer Unterschiede feststellen. Abweichungen von bis zu 10 % sind keine Seltenheit. Vielleicht spielen diese bei bestimmten Anwendungen keine Rolle, aber spätestens dann, wenn die Pumpe genaue Dosierarbeit verrichten soll, wie zum Beispiel beim Befüllen von Nährmedienschalen, die Genauigkeit des Dosiervolumens Einfluss auf sich anschließende Prozesse nimmt und/oder sehr teure Medien dosiert werden sollen. Dann genügt es nicht, sich auf die Anzeige der Dosierpumpe zu verlassen, denn diese gibt meist nur den Sollwert vor und berücksichtigt nicht die Viskosität des Mediums, den Verschleiß und/oder die Beschaffenheit des verwendeten Schlauches.

Um herauszufinden, welches Volumen denn tatsächlich gefördert wird, bietet sich die Kalibrierung der Dosierpumpe an. Hierfür wird das dosierte Volumen (Istwert) mit dem an der Pumpe eingestellten Volumen (Sollwert) verglichen bzw. die Differenz ermittelt. Stellt man eine inakzeptable Abweichung fest, kann man diese über eine Justage der Dosierpumpe (bei der in der Regel die Dosiergeschwindigkeit pro Zeiteinheit verändert wird) meistens verringern oder ganz eliminieren. Verfügt die Pumpe über keinerlei Justagemöglichkeit, muss man entweder zu neuerem Schlauchmaterial greifen, ggf. Durchmesser, Wandstärke oder Shorehärte variieren.

Moderne Pumpen, wie zum Beispiel die DosiPump DP1000, verfügen über eine Software, die eine automatisierte Kalibrierroutine beinhaltet. Der Anwender muss lediglich Soll- und Istwert eingeben, die Justage erfolgt vollautomatisch über die Software. Eine Kalibrierung lässt sich auf relativ einfache Weise durchführen. Zunächst stellt man an der Pumpe das gewünschte Dosiervolumen ein. Anschließend dosiert man die Flüssigkeit bzw. das Medium in einen Messbecher (mit Volumenskala) und vergleicht den eingestellten Wert mit dem gemessenen. Es ist wichtig für die Kalibrierung die Flüssigkeit zu verwenden, die auch später dosiert werden soll, denn unterschiedliche Viskositäten können zu stark abweichenden Ergebnissen führen.

Alternativ kann die Kalibrierung auch gravimetrisch erfolgen. Dieses Verfahren eignet sich besonders für kleine Flüssigkeitsvolumen oder wenn höchste Genauigkeit gefordert ist. Anstelle eines Messbechers verwendet man eine geeignete Waage mit einem entsprechenden, das komplette Volumen aufnehmenden, Dosiergefäß. Dies wird auf die Waage gestellt und diese anschließend tariert (Anzeige „genullt“). Jetzt dosiert man die Flüssigkeit in das Dosiergefäß auf der Waage und liest den Wägewert ab. Da der Wägewert (in mg oder g) aber noch nichts über das Volumen aussagt, muss dieses daraus berechnet werden. Über einen sogenannten Z-Faktor, mit dem später der Messwert multipliziert wird, kann man das Volumen genau berechnen. In den Z-Faktor fließen jedoch Luftdruck und Raum- bzw. Flüssigkeitstemperatur ein und müssen daher mit einem geeigneten Thermometer und Barometer gemessen werden.

Sind all die Parameter bekannt, lässt sich daraus der Z-Faktor bestimmen. Nachfolgendes Beispiel, bei dem wir von einem an der Pumpe eingestellten Sollwert von 100ml ausgehen, soll anhand der Tabelle den Einfluss der Temperatur auf den Z-Faktor und daraus resultierend den Einfluss auf das dosierte Flüssigkeitsvolumen darstellen:

Neben der Kalibrierung der Schlauchpumpe sollte auch darauf geachtet werden, dass möglichst keine Flüssigkeitsreste an den Auslaufspitzen verbleiben und zum Nachtropfen oder zur Verschleppung führen und damit das Volumen wiederum verändern. Moderne Schlauchpumpen verfügen über eine spezielle Funktion, die das Nachtropfen verhindert. Sobald die Dosiermenge erreicht ist, stoppt der Pumpenmotor und dreht gegen die Dosierrichtung etwas zurück. Dadurch werden evtl. in der Auslaufdüse befindliche Flüssigkeitsüberschüsse wieder in den Schlauch zurückgesogen und tropfen nicht nach.

Anhand der technischen Spezifikationen, die für die jeweilige Anwendung geeignete Schlauchpumpe (inklusive passendem Schlauch) zu wählen und diese Einheit in regelmäßigen Abständen zu kalibrieren. Es sollte möglichst immer der vom Hersteller empfohlene Schlauch bzw. Schläuche gleicher Qualität verwendet werden, um diesen Fehlereinfluss zu minimieren. Nicht zu vergessen ist auch eine regelmäßige Wartung des Pumpenkopfes, denn Funktion und Zustand der Schlauchbetten und der Schlauchrollen nehmen ebenfalls Einfluss auf das Dosierergebnis.

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