Drukgestuurde vloeistofverwerkingssystemen zijn een eenvoudige, kosteneffectieve manier om vloeistofvolumes op nanoliter-schaal te doseren, zegt Paul Kendall, manager Industry Sector LifeTech bij Festo NWE
Besmettelijke ziekten vormen een altijd aanwezige bedreiging in onze samenlevering. Dit is wel gebleken tijdens de huidige uitbraak van het coronavirus. De hedendaagse laboratoria zijn in toenemende mate afhankelijk van geautomatiseerde vloeistofverwerkingssystemen en produceren in snel tempo nieuwe vaccins om de bevolking te beschermen. De voordelen van geautomatiseerde vloeistofverwerkingssystemen zijn bekend, maar deze systemen zijn niet goedkoop en betekenen voor een laboratorium een aanzienlijke investering. Bovendien hebben ze een groot aantal functies die voor de vereisten van veel toepassingen overbodig zijn, wat onnodige kosten betekent.
Voor deze situaties is een ander, kosteneffectiever alternatief beschikbaar: drukgestuurde vloeistofdoseringssystemen. Deze bieden een eenvoudige en snelle manier om vloeistofvolumes op nauwkeurige, betrouwbare en schaalbare wijze van nanoliter- tot milliliterschaal te doseren. Drukgestuurde vloeistofdoseringssystemen hebben de ontwerpflexibiliteit om grote variaties in vloeistofeigenschappen en samenstelling te ondervangen en zijn geschikt voor substanties die zo dun zijn als alcohol of zo dik als honing. Ze zijn ook bestand tegen agressieve en zure substanties.
Deze doseringssystemen zijn mechanisch eenvoudig van opzet en vergen een minimaal aantal onderdelen, wat reinigen gemakkelijk maakt. Een drukregelaar brengt samen met een veiligheidsventiel het reservoir met de vloeistof onder druk. Vervolgens stuurt deze druk de vloeistof door de buizen en het solenoïde doseerventiel. Tot slot doseert het mondstuk de vloeistof in het vat via een naaldpunt met een gekalibreerde opening (zie afbeelding). Het is belangrijk om met de volgende factoren rekening te houden bij het ontwerpen van een op druk gebaseerd systeem, aangezien ze allemaal de kwantiteit en kwaliteit van de doses beïnvloeden:
1. STROOMWEERSTAND
De stroomsnelheid van het systeem wordt bepaald door de druk en ook door de algehele weerstand van het vloeistoftraject. Deze weerstand is afhankelijk van binnendiameter, lengte, geometrie van doseerventiel en fittingen. De grootte van de doseerpunt heeft direct invloed op de snelheid van vloeistoffen. In tegenstelling tot druk en tijd, die met software kunnen worden geregeld en aangepast, moet meteen aan het begin de juiste punt worden gekozen.
2. DRUK
Druk heeft een aanmerkelijk effect op doseringsvolumes en, nog belangrijker, helpt bij het regelen van de snelheid waarmee de vloeistof door de doseringspunt gaat. Druk kan ook worden gebruikt als controle voor vloeistofviscositeit, voor schone, spatvrije doseringen. Ze kan op verschillende manieren worden gegenereerd, bijvoorbeeld met een externe gasbron zoals stikstof, of een compressor om lucht in het gesloten vloeistofreservoir te pompen. De drukbereiken in geautomatiseerde doseringssystemen zijn over het algemeen laag, slechts 100–250 millibar. Toch is het belangrijk om veiligheidsmaatregelen te treffen die bij lekkage of een andere technische storing de druk kunnen ontlasten.
‘Een van de grootste voordelen is schaalbaarheid. Afzonderlijke doseerkoppen kunnen eenvoudig worden gecombineerd tot meerkanaals doseerkoppen die verschillende volumes, vloeistoffen en drukken kunnen verwerken’
3. DOSEERTIJD
De doseringshoeveelheden worden geregeld met magneetventielen, waarbij het gedoseerde vloeistofvolume voornamelijk wordt beïnvloed door de cyclustijd van het ventiel. Ventielen met een korte, zeer herhaalbare responstijd bieden een veel betere doseerprecisie bij hogere snelheden. Het is belangrijk om te weten dat elektromagneten energie genereren wanneer ze open zijn, en hun prestaties veranderen vaak als ze warmer worden. Een hoger stroomventiel kortere tijd bedienen vermindert deze warmte, maar dit vereist een ventiel met uitstekende herhaalbaarheid, zoals de VTOE van Festo (zie afbeelding).
Een van de grootste voordelen van op druk gebaseerde systemen is de schaalbaarheid. Afzonderlijke doseerkoppen kunnen eenvoudig worden gecombineerd tot meerkanaals doseerkoppen die verschillende volumes, vloeistoffen en drukken kunnen verwerken. Vloeistoffen van verschillende klasse kunnen zelfs worden gedoseerd door meerkanaals doseerkoppen op een elektrische as te monteren en zo een brugsysteem te creëren. Echter, wanneer het gaat om systemen met meerdere kanalen, kunnen kleine verschillen tussen de inlaten, ventielen en mondstukken ervoor zorgen dat sommige kanalen grotere volumes afgeven dan andere, met een intrinsieke variabiliteit van punt tot punt van ongeveer 4%.
Bij resoluties van 1 ms of hoger wordt het moeilijk deze kleine variaties te compenseren met de processor die de doseertijd van de solenoïde regelt. Een betere aanpak is de individuele kanalen te kalibreren door de magneetstroom voor intrekken-inhouden te variëren, zodat alle kanalen dezelfde hoeveelheid doseren met dezelfde doseertijden. Festo maakt dit gemakkelijk met de VAEM-ventielbesturingsmodule, die gebruikmaakt van gebruikersvriendelijke software om de punt-naar-punt variabiliteit in de meeste gevallen te verkleinen tot minder dan 1%. Verbeteringen in schaal, snelheid en kwaliteit van farmaceutische en biotechnologische processen door geautomatiseerde vloeistofverwerking hebben geholpen om de tijdschema's te verkorten en snellere resultaten te leveren, en hebben het ontdekken van geneesmiddelen efficiënter gemaakt. Vloeistofdoseringssystemen onder druk kunnen helpen bij het optimaliseren van de doorvoer in automatiseringstaken in laboratoria tegen een fractie van de kosten van complexe robotica.