Pompy perystaltyczne odpowiadają na wyzwania związane z wielokanałowym przepompowywaniem płynów

Pompy perystaltyczne z przewodami rurowymi są elastycznym i ekonomicznym rozwiązaniem w procesach związanych z wielokanałowym przemieszczaniem płynów.

Wprowadzenie do wielokanałowych pomp perystaltycznych

Technicy w laboratoriach badawczych i obiektach przetwórczych często muszą tłoczyć ciecze w kilku kanałach jednocześnie. Przystępne cenowo i kompaktowe rozwiązania przeznaczone do takich procesów pozwalają zaoszczędzić znaczną ilość czasu i zasobów, jednocześnie znacząco podnosząc wydajność.

Synchroniczne sterowanie kilkoma kanałami przepływu może przynosić wymierne korzyści. Zmiana prędkości silnika powoduje jednoczesną i proporcjonalną zmianę przepływu we wszystkich kanałach. Stosowanie jednego silnika napędowego może znacznie obniżać koszt w przeliczeniu na kanał przepływu płynu. Może także zmniejszać całkowite zapotrzebowanie na energię, liczbę ruchomych części oraz wielkość i wymogi przestrzenne układu pompującego. W rezultacie użytkownik otrzymuje układ przepompowywania płynów, który jest ekonomiczny w zakupie oraz niedrogi w eksploatacji i konserwacji.

Pompy perystaltyczne są wyjątkowo wydajnym i efektywnym kosztowo rozwiązaniem do przepompowywania płynów w kilku kanałach. Pompy perystaltyczne są dostępne z szeroką gamą wymiennych głowic, napędów i przewodów.

Wielokanałowe pompy perystaltyczne są z powodzeniem wykorzystywane w różnych gałęziach przemysłu, m.in. w branży farmaceutycznej, przetwórstwie chemicznym, biotechnologii, przemyśle spożywczym, poligrafii, rolnictwie i uzdatnianiu wody. Oprócz przemieszczania płynów w typowych procesach wielokanałowe pompy perystaltyczne sprawdzają się także w zastosowaniach wymagających odmierzania i dozowania.

Główną zaletą pompy perystaltycznej są elastyczne przewody, które pełną funkcję komory pompy. Pompowany płyn pozostaje przez cały czas wewnątrz przewodu, który jest jedynym elementem mającym z nim styczność. Ta cecha znacząco obniża ryzyko zanieczyszczenia oraz zapewnia wysoki stopień kontroli nad zawartością i czystością płynu oraz integralnością całego procesu.

Ponadto minimalizuje czas konserwacji, czyszczenia i wymiany płynów. Pojedyncza pompa może służyć do przemieszczania kilku różnych płynów – wystarczy wymienić przewód. Pompa perystaltyczna umożliwia delikatne przemieszczanie wrażliwych i trudnych w obsłudze płynów, m.in. gazów, cieczy lepkich oraz płynów w fazie mieszanej, takich jak połączenia gaz/ciecz i ciało stałe/ciecz.

Specyfikacja pompy i kryteria wyboru obejmują: natężenie przepływu i charakterystykę płynu, zgodność chemiczną i łatwość wymiany przewodów, elastyczność konstrukcji pompy (np. głowice z możliwością łączenia, głowice kasetowe), dokładność działania (ogólną i przepływu międzykanałowego), wymogi dotyczące momentu obrotowego i funkcje sterowania napędem. Kryteria wyboru pompy opisano szczegółowo poniżej.

Przewody pompy a charakterystyka płynów

Na prędkość i dynamikę przepływu płynu przez pompę perystaltyczną mają wpływ różne czynniki, m.in. wymiary przewodów, konstrukcja rozgałęźnika, geometria kanału okluzyjnego przewodu, liczba rolek oraz całkowita średnica zespołu rolek pompy. W efekcie każde połączenie przewodu i głowicy ma swój unikatowy zestaw właściwości użytkowych.

Przewody

Wielkość przewodów (a konkretnie średnica wewnętrzna, ID) jest wprost proporcjonalna do natężenia przepływu we wszystkich głowicach pomp. Większe przewody oraz wirniki o większej średnicy mają większą objętość „poduszki” płynu (tj. przestrzeni płynu w przewodzie między sąsiednimi rolkami w głowicy pompy). Objętość ta warunkuje wielkość przepływu na jeden obrót głowicy.

Aby zapewnić dokładność działania, niezbędne jest stosowanie precyzyjnych przewodów o wysokim stopniu tolerancji oraz prawidłowa kalibracja pompy. „Wysoka tolerancja” oznacza, że w procesie produkcji średnica wewnętrzna i grubość ścianki są utrzymywane w bardzo wąskich granicach tolerancji. Minimalne różnice w wymiarach przewodów przekładają się bezpośrednio na minimalne różnice w natężeniu przepływu. Kalibracja pompy – poprzez regulację prędkości silnika, czasu przebiegu lub okluzji (siły ściskania przykładanej do przewodu) – dodatkowo ogranicza zmienność i zwiększa powtarzalność. Kalibrację pompy należy zawsze wykonywać w rzeczywistych warunkach użytkowania (uwzględniając rodzaj cieczy, temperaturę itp.).

Większość materiałów, z których wykonane są przewody, ma pewien okres „docierania”, podczas którego pamięć kształtu przewodu i natężenie przepływu płynu dostosowują się do siebie i ulegają stabilizacji. Długość tego okresu różni się w zależności od wielkości przewodu i materiału, z jakiego jest wykonany. Aby osiągnąć wysoką dokładność, przed kalibracją przepływu przez poszczególne kanały należy uruchomić pompę wyposażoną w nowy przewód na co najmniej 10–15 minut.

Rozgałęziacze

Kanały przepływowe pomp wielokanałowych mogą być używane niezależnie lub łączone za pomocą łączników Y. Rozgałęziacz zapewniający wspólny wlot lub wylot dla kilku przewodów zmniejsza liczbę linii hydraulicznych prowadzących od źródła lub do zbiornika odbiorczego. Połączenie kanałów po stronie tłocznej pompy powoduje wzrost natężenia przepływu. Dzięki specjalnej głowicy pompy z przesunięciem połączenie kanałów może ograniczać pulsację przepływu. Należy pamiętać o instalowaniu przewodów o większej średnicy po jednokanałowej stronie rozgałęziacza (przed lub za pompą), aby minimalizować kawitację pompy i ciśnienie wsteczne.

Do takich zastosowań dostępne są zestawy złożone z przewodów silikonowych utwardzanych platyną Masterflex®z podwójnym łącznikiem Y.

Rodzaj płynu

Wymogi dotyczące płynów są takie same w przypadku pomp jedno- i wielokanałowych. Płyny o niskiej lepkości, podobne do wody, łatwo przemieszczają się przewodami o różnej wielkości. Płyny o wyższej lepkości mogą wymagać przewodów o większej średnicy i stosunkowo mniejszej prędkości pompowania (obr/min). Przewody o większym stosunku grubości ścianek do średnicy wewnętrznej (tj. przewody grubościenne) generują większą wysokość ssania (w porównaniu z przewodami cienkościennymi o tej samej średnicy wewnętrznej) i są zalecane do przepompowywania bardziej lepkich płynów.

Rodzaje głowic pomp perystaltycznych

W procesach wymagających przepływu wielokanałowego można stosować trzy typy głowic: głowice jednokanałowe do łączenia, głowice wielokanałowe i głowice kasetowe. Głowice wielokanałowe i kasetowe zapewniają maksymalną liczbę kanałów przewodów na stosunkowo niewielkiej przestrzeni.

Częsta wymiana przewodów w znaczący sposób wpływa na czas konfiguracji i konserwacji pompy. Niektóre głowice łączone wymagają demontażu lub zdjęcia z napędu przed wymianą przewodów. Inne rodzaje głowic przeznaczonych do łączenia, m.in. Masterflex® Easy-Load® oraz większość głowic kasetowych i wielokanałowych, są prostsze w konfiguracji i serwisowaniu. Operator może wyjmować i wymieniać przewody bez konieczności demontażu głowicy pompy.

Głowice jednokanałowe przeznaczone do łączenia

Głowice jednokanałowe przeznaczone do łączenia można wprowadzać do/usuwać z układu w zależności od potrzeb. Głowice pomp z możliwością łączenia są więc odpowiednie w zastosowaniach wymagających częstych elastycznych zmian konfiguracji pompy. Głowice łączone są opcją preferowaną w przypadku przewodów o większych rozmiarach oraz gdy dany proces wymaga dużej wysokości ssania i/lub wysokiego ciśnienia tłoczenia.

W zależności od zakresu prędkości i mocy napędu w standardowych warunkach możliwy jest montaż 2 lub 4 głowic. Dwukanałowa głowica pompy Masterflex® L/S® Easy-Load® II umożliwia obsługę maksymalnie 8 kanałów przy zastosowaniu 4 głowic podłączonych do pojedynczego napędu.

Pojedyncze głowice pomp można montować z innymi głowicami tego samego typu lub z głowicami, które obsługują przewody różnej wielkości. Jest to duża zaleta w przypadku procesów z przepływem proporcjonalnym, ponieważ umożliwia łączenie ze sobą przewodów o różnej wielkości lub różnych rodzajów głowic pomp, aby otrzymać wymagane proporcjonalne natężenie przepływu. Możliwe są proporcjonalne natężenia przepływu powyżej 100:1.

Głowice pomp przeznaczone do łączenia, których konstrukcja obejmuje rolki z przesunięciem, ograniczają moment obrotowy w obwodzie napędu, gdy zamontowane razem są co najmniej dwie głowice. Głowice łączone wyposażone w rolki z przesunięciem przekazują nieco inne objętości z kanału do kanału w przypadku krótkich czasów dozowania/niewielkich objętości (w zależności od pozycji końcowej rolek). To ograniczenie znika, jeśli pompy pracują w sposób ciągły lub przy objętościach dozowania wynoszących kilkaset mililitrów lub więcej.

Głowice wielokanałowe

Głowice wielokanałowe są najnowszą opcją przeznaczoną do procesów, w których płyny przemieszczane są kilkoma kanałami. Głowice tego rodzaju mają zarówno zalety głowic kasetowych, jak i głowic jednokanałowych przeznaczonych do łączenia.

Charakteryzują się stosunkowo niskim przepływem pulsacyjnym w obrębie 2, 4 lub 8 kanałów, bez użycia kaset. Można je ze sobą łączyć, uzyskując maksymalnie 32 kanały w zależności od wielkości przewodów, a także materiału, z jakiego są wykonane, oraz mocy napędu. Przepływ międzykanałowy jest synchroniczny bez konieczności regulacji okluzji. Dzięki tym cechom głowice wielokanałowe mają elastyczność porównywalną z konfiguracją kilku połączonych głowic jednokanałowych oraz synchroniczny przepływ i pojemność kanału typowe dla głowic kasetowych.

Głowice wielokanałowe Masterflex® L/S® są przystosowane do przewodów o mikroprzekroju i rozmiarach obsługiwanych przez pompy Masterflex® L/S®.

Głowice kasetowe

Głowice pomp kasetowych obsługują określoną maksymalną liczbę kanałów. Można korzystać z dowolnej liczby kanałów aż do maksymalnych możliwości głowicy i napędu. Głowice pomp kasetowych są dostępne odrębnie lub jako integralny element konstrukcji pompy. Głowice kasetowe Masterflex® L/S® są głowicami typu modułowego i pasują do większości napędów Masterflex^® L/S^® . Pojedyncza głowica obsługuje maksymalnie 12 pojedynczych kanałów o prędkościach przepływu już od 0,0005 ml/min na kanał.

Pompy kasetowe mają długie rolki, które zapewniają synchroniczne przemieszczanie płynu pomiędzy kasetami. Głowice tego typu mają również większą liczbę rolek niż głowice jednokanałowe, co skutkuje niższym przepływem pulsacyjnym i większą dokładnością przy niewielkich objętościach i niskich natężeniach przepływu. Są zalecane do zastosowań wymagających przepompowywania płynów o niewielkiej objętości/niskim przepływie.

Głowice kasetowe z regulacją okluzji zapewniają najwyższą dokładność międzykanałową spośród wszystkich typów głowic. Precyzyjna regulacja okluzji w poszczególnych kanałach może skutecznie kompensować nieznaczne różnice w wymiarach przewodów, które wywołują niewielkie zmiany przepływu.

Wybór napędu głowicy

Wybrany napęd musi mieć wystarczający moment obrotowy (i/lub moc) i prędkość obrotową, aby spełnić wymogi dotyczące przepływu i wysokości podnoszenia pompy. Napędy, które działają w niższym zakresie prędkości, zazwyczaj zapewniają większy moment obrotowy i mogą obsługiwać większą liczbę połączonych ze sobą głowic i kanałów.

Napędy o stałej prędkości doskonale sprawdzają się w podstawowych zastosowaniach związanych z przepompowywaniem płynów. Różne prędkości i przełożenia umożliwiają uzyskiwanie zróżnicowanych wartości momentu obrotowego, a różne wielkości przewodów determinują zmienność wielkości przepływu.

Napędy o zmiennej prędkości umożliwiają jednoczesną regulację przepływu we wszystkich kanałach, przy czym przepływ w kanałach drugorzędnych jest proporcjonalny do przepływu w kanale głównym. Dostępny jest bardzo szeroki zakres natężeń przepływu poprzez regulację prędkości napędu i dobór przewodów o odpowiedniej wielkości.

Napędy cyfrowe umożliwiają najbardziej precyzyjną i powtarzalną kontrolę prędkości, a tym samym największą dokładność przepływu. W zależności od zakresu funkcji i wydajności napędy cyfrowe mogą także wyświetlać natężenie przepływu, prędkość pompy (obr/min), objętość dozowania oraz objętość skumulowaną (tj. objętość całkowitą obejmującą wielokrotne cykle dozowania). Wyświetlanie natężenia przepływu/objętości jest zwykle możliwe tylko w jednym kanale, chyba że w układzie zainstalowano kilka przepływomierzy.

Procesy płynowe

Pompy o stałej prędkości i okluzji są popularne ze względu na powtarzalność natężenia przepływu, stałe obciążenie przewodów i ogólną łatwość użytkowania. W połączeniu z precyzyjnymi przewodami wytłaczanymi pompy tego typu mogą dostarczać płyny z dokładnością 3–5% pomiędzy kanałami. Taka charakterystyka działania sprawdza się przy przepompowywaniu dużych ilości płynów, w wymiennikach ciepła, przy transferze farby w branży poligraficznej itp. Kompletne systemy pomp Masterflex^® I/P^® o stałej prędkości, przystosowane do mycia w zastosowaniach procesowych, są dostępne w konfiguracjach 3-kanałowych i 4-kanałowych.

Głowice kasetowe i wielokanałowe sprawdzają się przy dokładnym pobieraniu próbek, dozowaniu i odmierzaniu płynów. Zsynchronizowane rolki zapewniają skoordynowane przemieszczanie płynu pomiędzy poszczególnymi kanałami w głowicy pompy. Głowice wielokanałowe zapewniają dokładność przepływu międzykanałowego w przedziale od 1,5 do 2%. Dzięki regulowanej okluzji głowice pomp kasetowych zapewniają dokładność przepływu między kanałami na poziomie 1%. Tak wysoki stopień wydajności i dokładności jest niezbędny w procesach wymagających precyzyjnego dozowania i odmierzania, technikach analitycznych stosowanych w badaniach naukowych i zapewnianiu jakości, a także przy pobieraniu próbek do analiz środowiskowych i monitorowaniu.

Podsumowanie

Przewodyperystaltyczne umożliwiają obsługę płynów o różnej charakterystyce, zapewniając elastyczność konfiguracji w zastosowaniach wielokanałowych. Różnorodność wymiennych przewodów w różnych rozmiarach, a także materiałów, z których wykonane są przewody, oraz głowic pomp i napędów pozwala na dostosowanie systemu pompowania do potrzeb klienta, przy jednoczesnym zapewnieniu najbardziej korzystnej ceny. Wielokanałowe pompy perystaltyczne są przystosowywane do szerokiej gamy procesów, zapewniając ogromną oszczędność czasu, przestrzeni i zasobów.

 

Phil Nyren, Product Manager Fluidics