Die Mikrofluidik, also die Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen, ist ein sehr junges Anwendungsfeld der Fluidtechnik, das besonders für die Medizintechnik und Diagnostik, Analysengeräte, 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.

Reproduzierbar dosieren
Um Genauigkeit, Präzision und Timing für jede Dosieraufgabe sicherzustellen, setzt Bürkert passend zur jeweiligen Anwendung verschiedene Dosierprinzipien ein. Die sogenannte Druck-Zeit-Dosierung bewährt sich zum Beispiel in Abfüll- und Verpackungsprozessen der Pharma- und Kosmetikindustrie. Weitere Anwendungen sind die präzise Mischung von Aromen für die Getränkeabfüllung oder die bereits erwähnten Analysengeräte, bei denen Reagenzien und Proben bis in den Mikroliterbereich dosiert werden.

Das WhisperValve 6712 ist das erste mediengetrennte 2/2-Wege-Ventil auf dem Markt mit minimalem Innenvolumen bei exzellenter Spülbarkeit.

Für die Druck-Zeit-Dosierung hat Bürkert eine ganze Reihe von Ventiltypen entwickelt. Typ 6712, das WhisperValve, ist zum Beispiel das erste Ventil auf dem Markt, 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. Sein Anreihmaß ist passend für 96-Well-Mikrotiterplatten. Inzwischen ist der Typ 6712 für die ersten Dosieranwendungen im Submikroliterbereich im Einsatz.

Noch schmaler ist mit nur 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.

Für Anwendungen in Dosierarmen, Pipettierarmen oder Dosierrobotern zahlen sich das niedrige Gesamtgewicht und die kleinen Abmessungen der WhisperValve-Serie aus.

Spritzenpumpen optimal gesteuert
Zur Förderung und Dosierung von kleinen Volumina werden häufig Spritzenpumpen mit Ventilen kombiniert. Sie sind ideal für die genaue Dosierung geringer, spezifischer Flüssigkeitsmengen. Durch die Bewegung des Pumpenkolbens wird ein definiertes Medienvolumen angesaugt und wieder abgegeben. Ein 3/2-Wege-Ventil vor der Pumpe ermöglicht die optimale Umschaltung des Ein- und Auslasskanals zur Dosierung in eine Küvette. Auf gleichem Wege kann periodisch mit einer Reinigungslösung gespült werden. Modifiziert man den Aufbau durch Verwendung eines Kanals zur Pumpe und saugt eine kleine Luftmenge als Medientrennung in die Dosiernadel vor dem Dosiermedium ein, können kleinste Probenmengen ohne Kreuzkontamination dosiert werden. Ein 2/2-Wegeventil wird hierbei zur Steuerung der Spülflüssigkeit im Reinigungszyklus verwendet. Anwendung findet die Spritzenpumpendosierung in der In-vitro- und Molekular-Diagnostik.

Für den Einsatz im Labor oder in Medizinprodukten ist eine möglichst geringe Geräuschentwicklung gefragt. Bürkert hat daher mit dem WhisperValve Typ 6724 eine größere Variante des Typs 6712 entwickelt, die annähernd lautlos schaltet. Das niedrige interne Volumen von nur 29 µl garantiert exzellente Spülbarkeit, präzise Dosiereigenschaften und zuverlässige Ergebnisse bei niedrigem Gewicht, geringer Leistungsaufnahme und kurzer Schaltzeit.

TwinPower-Ventile wie der Typ 6624 brauchen dank des Antriebskonzeptes mit zwei Spulen bei gleicher Leistung deutlich weniger Bauraum als andere Wippenventile.

Mehrere Typen von Wippenventilen ergänzen das Programm für die Spritzenpumpendosierung: Der Typ 0127 gilt als Pionier der mediengetrennten Wippenventile und setzt seit 1993 Standards bei Labor- und Analysengeräten sowie in der Medizintechnik und ist als Typ 6628 auch als 22-mm-Variante lieferbar. Das TwinPower-Ventil Typ 6624 und sein größerer Bruder, der Typ 6626, kommen dank eines neuen Antriebskonzeptes bei gleicher Leistung mit deutlich reduziertem Bauraum aus, ohne die fluidische Performance einzuschränken.

Volumetrisch und exakt
Beim volumetrischen Dosieren schließlich wird mit jedem Hub einer Pumpe ein definiertes Volumen abgegeben. Das Volumen kann dabei nicht verändert werden, allerdings lässt sich die Gesamtdosiermenge über die Anzahl der Pumpenhübe variieren. Das volumetrische Prinzip eignet sich besonders für kontinuierliche Dosieranwendungen, zum Beispiel die genaue Dosierung von Aromen in Getränkeschankanlagen oder überall dort, wo es auf die Dosiergeschwindigkeit ankommt, zum Beispiel beim pharmazeutischen Dosieren. Selbst kleinste Flüssigkeitsmengen lassen sich unabhängig von Viskosität oder Temperatur exakt dosieren. Bürkert liefert mit der Mikromembranpumpe 7604 und der Mikrodosiereinheit 7615 nicht nur die passenden Komponenten für die volumetrische Dosierung, sondern wendet dieses Dosierprinzip in einigen Produkten, den Mikropumpen, selbst an.

Modulare Systemlösung für die Laboranalyse von Bürkert, mit flexibler Bestückung von mediengetrennten Schaltventilen und integrierten Drucksensoren.

Dosieren im Mikroliterbereich
Beim pneumatischen Dosiersystem z.B. besteht die Dosierkammer aus zwei Gehäuseschalen und einer Trennmembran. Durch Einsatz hochwertiger Materialien können auch sehr aggressive Medien gefördert werden. Die Dosierkammer ist selbstansaugend, tot-raumarm und leicht zu spülen. Mit Hilfe eines Controllers wird die Dosierkammer angesteuert. Aufgrund der Trennung von Ansteuerung und Dosierkammer kann die Dosierkammer einfach gewechselt werden. Ein wesentlicher Bestandteil des Systems ist das Cartridge-Ventil Typ 6164, das optimal in Block- und Kunststoffspritzteile integriert werden kann und auf über 100 Millionen Schaltspiele ausgelegt ist.

Um stets die optimale Lösung für jede Anwendung zu finden, entwickelt Bürkert gemeinsam mit dem Kunden oftmals weitere Ventiltypen mit optimierten Eigenschaften. Das reicht bis hin zu Systemlösungen, die als All-inclusive-Paket entwickelt, ausgelegt, montiert, geprüft, verpackt und ab Lager geliefert werden. Dadurch reduziert sich der Aufwand des Kunden für Entwicklung, Versuch, Montage, Einkauf und Logistik.

Patrick Mohs, Product Manager Microfluidics

Patrick Mohs
Product Manager Microfluidics
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Ventilbauarten im Überblick

Flipperventile
Das Kernstück der Flipperventile ist eine mit einem Elastomer umhüllte, drehbar in der Fluidkammer gelagerte Metallzunge. Sie schließt abwechselnd einen der zwei sich gegenüberliegenden Ventilsitze. Flipperventile ermöglichen kurze, reproduzierbare Schaltzeiten bei sehr hoher Lebensdauer.

Wippenventile
Bei Wippenventilen liegen die Ventilsitze in einer Ebene und werden mit Hilfe einer Wippenkonstruktion abwechselnd verschlossen. Die geringe bewegte Masse bewirkt eine besonders hohe Lebensdauer. Als mediengetrennte Version empfehlen sie sich besonders für biologische Medien.

Hubankerventile
Sie bestehen aus einer Spule, einer Schließfeder, einem Ventilgehäuse- deckel sowie dem Ventilgehäuse mit Ventilsitz. Stromlos ist das Ventil durch Feder- und Mediumsdruck geschlossen. Fließt Strom, erzeugt die Spule eine Anzugskraft und das Ventil öffnet. Diese Ventile sind ideal, um aggressive und hochreine Medien zu schalten, die gasförmig oder flüssig sind.