Die unterschiedlichsten Pumpenarten werden sowohl in der Technik allgemein als auch im täglichen Leben eingesetzt. Prinzipiell lassen sich alle Aggregatzustände fördern. Zu den wichtigsten Pumpentypen gehören die Kolben‑, Kreisel‑, Membran- und Schlauchpumpen. Wenn diese im Rahmen eines Prozesses eingesetzt werden, z. B. zum Fördern von flüssigen Gütern, ordnet man dies der mechanischen Verfahrenstechnik zu.
Ein weiterer, großer Anwendungsbereich v.a. für Schlauchpumpen ist das Dosieren von Flüssigkeiten, z. B. bei Langzeitanwendung bei Perfusion und kontinuierlicher oder Batch- Fahrweise für Fermentation und Zellkulturen in Bioreaktoren. In den letzten Jahren ist das Dosieren von Mikrolitermengen immer wichtiger geworden, weil im Zuge der Prozessoptimierung, z. B. in der Biotechnologie (Regulierung des pH-Wertes), zunehmend biologisch technische Verfahren mit höher konzentrierten Einsatzstoffen entwickelt worden sind. Diese erfordern von der verwendeten Pumpentechnologie eine hohe Präzision, geringe Druck- und Volumenstrompulsation, hohe Beständigkeit gegen unterschiedlichste Flüssigkeiten und möglichst lange Standzeiten.
Diese gewünschten Eigenschaften einer Pumpe weisen moderne, peristaltische Pumpen, wie sie die Firma SPETEC Gesellschaft für Labor- und Reinraumtechnik mbH in Erding bei München seit nun mehr als 25 Jahren herstellt, auf.
Peristaltische Pumpen — Grundprinzip
Peristaltische Pumpen werden auch Schlauchpumpen genannt, weil prinzipiell ein Schlauch verformt wird, damit ein Ansaugeffekt entstehen kann. Diese Arbeitsweise hat den Charakter von wellenförmig verlaufenden Kontraktions- und Entspannungsphasen und lässt sich mit der Muskeltätigkeit menschlicher Hohlorgane, wie Speiseröhre, Magen, Darm und Harn- oder Eileiter, vergleichen. Der Begriff Peristaltik entstammt dem Griechischen (peristaltikós) und bedeutet “in Gang bringen“ sowie auch “umfassend und zusammendrückend“.
Die Aufgabe peristaltischer Pumpen ist die Flüssigkeitsförderung in eine vorgegebene Richtung. Dieser Vorgang basiert auf alternierendem Druck und Entlastung des Schlauches, wodurch die zu transportierende Flüssigkeit in den Schlauch gesogen wird. Ein schuhähnliches Gebilde oder eine Rolle läuft entlang des Schlauches und drückt ihn komplett zusammen. So entsteht eine Abdichtung zwischen der Ansaug- und Austrittsseite der Pumpe, wodurch auch ein Flüssigkeitsverlust verhindert wird. Wenn der Schlauch in seine ursprüngliche Form zurückkehrt, bildet sich ein Vakuum, das die Flüssigkeit in die Pumpe fördert. Aufgrund dieser Pumpwirkung eignen sich peristaltische Pumpen für hoch präzise Dosierungen und kontinuierliche Förderung. Das Fördermedium kommt nicht mit beweglichen Teilen in Berührung; es befindet sich in dem Schlauch, der entsprechend auszuwählen und zu erneuern ist. Je nach Typ der Peristaltikpumpe kann sie mit 1 – 6 Kanälen bestückt sein. Die Anzahl der Rollen ist ein Kriterium für die pulsationsarme, kontinuierliche Förderung. In Abhängigkeit von der Größe des Pumpenkopfes und des Schlauchdurchmessers sind Fördermengen den Bereichen von µL/min bis hin zu L/min möglich.
Einsatz in Forschungsinstituten und Laboratorien
Seit mehr als 25 Jahren konstruiert und baut die Firma SPETEC Gesellschaft für Labor- und Reinraumtechnik in Erding peristaltische Pumpen für unterschiedlichste Anwendungen und stellt auch die hierzu benötigten Schläuche her, die möglichst inert gegen Lösemittel oder Säuren und lange haltbar sind.
Angestrebt wurde bei der Konstruktion eine hohe Genauigkeit der Dosierung, eine hohe Stabilität des technischen Ablaufes und je nach Einsatz eine möglichst geringe Pulsation. Dies ist das Kriterium der beiden Laborpumpenversionen PERIMAX 12 und PERIMAX 16 (Bild 1), die sich durch die Konfiguration und die Rollenanzahl (12/16) des Pumpenkopfes und die stufenlos regelbaren Fördermengen (0,0017 mL/min bis 20 mL/min sowie 0,0034 mL/min bis 40 mL/min) unterscheiden. Die Pumpe mit 16 Rollen weist kein nachweisbares Pulsieren auf, da die 16 Rollen in 32 Rollen unterteilt und phasenversetzt auf einander aufgebaut sind.
Der Einsatz des Pumpentyps PERIMAX hat sich in der instrumentellen, chemischen Analyse, speziell bei den spektrometrischen Methoden mit Lösungen, der Biotechnologie und der Bioanalytik sowie bei Anwendung der Säulenchromatographie bewährt. Grund dafür ist auch die leichte Bedienbarkeit und Wartung der SPETEC-Pumpen. Der ausgewählte Schlauch wird um den Pumpenkopf gelegt und mit beiden Enden an einer speziellen Vorrichtung fixiert. Der Anpressdruck ist mit Hilfe einer Justierschraube am Justierhebel einstellbar. An Drucktasten erfolgen das Ein- und Ausschalten sowie die Wahl für Links- oder Rechtslauf. An einem 10-Gang-Potentiometer ist die Drehgeschwindigkeit des Pumpenkopfes stufenlos regelbar. Diese und die Flüssigkeitsförderrate sind als digitale Anzeige ablesbar. Mit einer Taste kann kurzzeitig die höchste Geschwindigkeit gewählt werden, um beispielsweise eine schnelle Spülung des Schlauches beim Wechsel zu einer anderen Flüssigkeit zu erreichen. Die Antriebseinheit ist bei beiden Pumpen identisch. Ein verschleißarmer Schrittmotor gewährleistet einen konstanten Flüssigkeitstransport. Über einen rückseitigen Stecker können Drehzahl und Laufrichtung extern analog (0 – 5 Volt) gesteuert werden.
Die maßkonstruierten OEM-Pumpenversionen
Die OEM (= Original Equipment Manufacturer)-Pumpen von SPETEC werden nicht in einer Serienfertigung sondern individuell nach Anforderung konstruiert und produziert. Nur wenige Grundkomponenten, wie z. B. Rollenköpfe, Anpressbügel oder Schlauchhalter, die zwecks Kostenminimierung in größeren Stückzahlen hergestellt werden, sind identisch.
Da diese Pumpen für Endprodukte anderer Hersteller gebaut werden, müssen sie maßkonstruiert sein, was bedeutet, dass sie auch in der optischen Gestaltung den Kundenwünschen angepasst werden. Dies betrifft sowohl die Farb- und Formgebung der Grundplatte, auf welcher die Pumpe mit verschiedenen Kanalanzahl montiert ist, als auch die Grundkomponenten, die ebenfalls farblich zu dem Gerät passen sollen, in das die Pumpe eingebaut wird. Das Design erfolgt nach Kundenwunsch. So kann die individuell gestaltete Grundplatte direkt auf dem Gehäuse des Analysengerätes angebracht oder in dessen Konstruktion einbezogen werden. Dadurch wird der Einbau der maßkonstruierten Peristaltikpumpe bei der Endmontage der Analysengeräte leichter und kostengünstiger. Folgerichtig gibt es zahlreiche Varianten (Bild 2) und es kommen ständig neue Versionen hinzu. Für alle Modelle gilt, dass der Antrieb mit Hilfe verschiedener Motortypen, wie z. B. den Gleichstrom‑, Wechselstrom- oder Schrittmotoren, erfolgt, wobei die höchstmögliche Stabilität von Drehgeschwindigkeit und Fördervolumen sowie die geringstmögliche Pulsation angestrebt werden. Die Firma SPETEC legt neben der Individualität der Pumpen auch Wert auf ihre Formschönheit.
Eine typisch kundennahe Neukonstruktion ist die Minipumpe (Bild 3), die dem Trend zu immer kleineren Analysengeräten angepasst wurde. Peristaltikpumpen können heute mit hoher Präzision hergestellt werden, wenn die entsprechende Erfahrung vorliegt. Da die Erzeugung des Ansaugdruckes stark von der Elastizität des benutzten Schlauchmaterials abhängt, hat dieses eine entscheidende Bedeutung für die Konstanz der Fördermenge und das Entstehen von Pulsation. Neben der Qualität des Schlauchmaterials und der Art der Förderflüssigkeit haben auch die Durchmesser von Pumpenkopf und Anpressrollen wesentlichen Einfluss auf die Haltbarkeit der Schläuche. Durch die richtige Auswahl der Konstruktionsparameter kann somit die Lebensdauer des Schlauches wesentlich verlängert werden. Der Durchfluss bleibt dann länger konstant, und die Pulsation lässt sich extrem klein gehalten. Um diese hohen Qualitätsstandards einhalten zu können, ist die Herstellung der Schläuche ein wichtiges Kriterium. Diese Erfahrungen in der Konstruktion und Wahl des Schlauchmaterials hat sich die Firma Spetec in jahrzehntelanger Produktion erworben.
