Systemy kontroli i obsługi cieczy metodą ciśnieniową: proste i ekonomiczne rozwiązanie

Choroby zakaźne są nieustannym zagrożeniem dla naszego społeczeństwa - o czym świadczy trwająca epidemia koronawirusa. Współczesne laboratoria w coraz większym stopniu polegają na zautomatyzowanych systemach obsługi płynów w celu szybkiego opracowywania i produkcji nowych szczepionek. Systemy te mają również kluczowe znaczenie w przemyśle life sciences, gdzie postęp w badaniach genomiki częściowo należy przypisać zautomatyzowanym systemom kontroli i obsługi substancji ciekłych, które przyspieszają opracowywanie bezpiecznych i skutecznych leków.

Zalety zautomatyzowanych systemów obsługujących substancje płynne są dobrze znane. Systemy te umożliwiają zwiększenie przepustowości, efektywności i poprawę standardów w zakresie precyzji w procesach farmaceutycznych i biotechnologicznych. Jednak ich wdrożenie wiąże się znaczącą inwestycją dla laboratorium. Ponadto, często systemy mają dużą ilość funkcji, których część nie jest wymagana w wielu aplikacjach - a niewykorzystane funkcje są tylko niepotrzebnym kosztem.

W takich sytuacjach istnieje tańsza alternatywa: systemy dozowania substancji ciekłych sterowane ciśnieniem. Zapewniają proste i szybkie rozwiązanie dla precyzyjnego, niezawodnego i skalowalnego dozowania płynów w zakresie objętości od nanolitrów do mililitrów.

Przenoszenie próbek w postaci ciekłej na mikropłytki oraz do innych małych pojemników nie jest proste ze względu na bardzo zróżnicowane właściwości i skład substancji ciekłych. Na przykład ciecz może mieć tak małą lepkość jak alkohol lub być tak gęsta jak miód. Substancje ciekłe mieć właściwości korozyjne, kwaśny lub zasadowy odczyn. Właściwości substancji mogą się zmieniać w zależności od temperatury, szybkości dozowania i zastosowanego ciśnienia, co jeszcze bardziej komplikuje ich obsługę. Ponadto dozowanie kosztownych - a czasami bardzo reaktywnych - cieczy często wymaga skomplikowanych procedur czyszczenia między poszczególnymi partiami w celu zminimalizowania zanieczyszczeń, co dodatkowo wpływa na wyższe koszty i czas przestojów.

Systemy dozowania substancji ciekłych sterowane ciśnieniem charakteryzują się wyjątkowo elastyczną konstrukcją, która pozwala sprostać tym wyzwaniom. Prosta konstrukcja mechaniczna wymaga minimalnej liczby komponentów, jak pokazano na rysunku 1. Regulator ciśnienia w połączeniu z zaworem bezpieczeństwa zwiększa ciśnienie w zbiorniku zawierającym ciecz. Następnie ciśnienie powoduje przepływ cieczy przez przewód i elektrozawór dozujący. Na końcu dysza dozuje ciecz do pojemnika za pomocą dyszy ze skalibrowanym otworem.

Rysunek 1: Komponenty systemu dozowania substancji ciekłych sterowanego ciśnieniem

Czynniki mające wpływ na objętość lub masę dawki

Podczas projektowania systemu sterowanego ciśnieniem należy wziąć pod uwagę następujące czynniki:

1. Opór przepływu

Natężenie przepływu w systemie jest określone przez ciśnienie oraz całkowity opór przepływu substancji ciekłej. Opór zależy od średnicy wewnętrznej przewodu, długości, kształtu zaworu dozującego i złączek. Najważniejszą zmienną wpływającą na wartość przepływu jest rozmiar dyszy dozującej, która bezpośrednio wpływa na prędkość cieczy. Już na samym wstępie wymagany jest dobór odpowiedniej dyszy, w przeciwieństwie do ciśnienia i czasu, których wartość można modyfikować za pomocą oprogramowania.

Mniejsze dysze zwykle pozwalają na osiągnięcie najlepszej prędkości. Na przykład końcówki igieł ze standardowymi średnicami wew. w zakresie od 0,3 do 1 mm dobrze sprawdzają się w przypadku większości cieczy na bazie wody i umożliwiają dozowanie objętości od poniżej 1 do 1000 µl lub więcej. Dostępne są również specjalne końcówki dostosowane do wymagań indywidualnych aplikacji.

Aby lepiej kontrolować prędkość dozowania i ciśnienie na końcówce dyszy, elementy systemu muszą osiągać wyższe przepływy. W podanym przykładzie zalecane są przewody o średnicy wewnętrznej 2 mm oraz wewnętrzne kanały przelotowe zaworu i bloku powyżej 1,5 mm, ponieważ te wielkości zapewniają dobre współdziałanie ze standardowymi igłami i jednorazowymi końcówkami pipet.

2. Ciśnienie

Ciśnienie ma znaczny wpływ na objętości dozowania i umożliwia sterowanie prędkością cieczy podczas jej przepływu przez końcówkę dozującą. Ciśnienie może być wytwarzane za pomocą zewnętrznego źródła gazu, np. azotu lub sprężarki, która pompuje powietrze do zamkniętego zbiornika cieczy. Chociaż systemy pod ciśnieniem mogą być problematyczne, jeśli chodzi o bezpieczeństwo, to zakresy ciśnień w automatycznych systemach dozujących są dość niskie - tylko 100-250 milibarów. Niemniej ważne jest zastosowanie środków bezpieczeństwa, które umożliwiają zmniejszenie ciśnienia w przypadku przecieku lub innej awarii.

Rysunek 2: Wyniki pomiarów grawimetrycznych głowicy dozującej VTOE z dyszą dozującą o średnicy wewnętrznej 0,6 mm

3. Czas dozowania

Dozowane objętości są kontrolowane przez sterowanie elektrozaworami, przy czym objętość dozowanych substancji ciekłych zależy głównie od czasu otwarcia zaworu. Zawory o krótkim, wysoce powtarzalnym czasie przełączania zapewniają znacznie lepszą precyzję dozowania przy wyższych prędkościach. Należy wziąć pod uwagę, że elektrozawory wytwarzają energię w stanie otwarcia, a ich działanie często zmienia się wraz ze wzrostem temperatury. Działanie zaworu o wyższym przepływie i krótkim czasie otwarcia zmniejsza wydzielanie ciepła, ale wymaga zaworu o wysokiej powtarzalności.

Powinno się unikać niepotrzebnego wytwarzania ciepła i bardzo krótkich czasów otwarcia, gdyż mają wpływ na wydajność dozowania. Niestety, te dwie cechy są przeciwstawne: mniejsze zawory generują mniejszą moc, ale muszą pozostać dłużej otwarte, aby umożliwić przepływ takiej samej objętości jak w przypadku większych zaworów - i odwrotnie. Jednak zastosowanie elektroniki umożliwia otwieranie większego zaworu krótkim impulsem wysokoprądowym, przy czym natężenie prądu zostaje zmniejszone zanim zawór odda ciepło do instalacji.

Skalowanie w górę: wielogłowicowe systemy dozujące

Jedną z największych zalet systemów dozowania substancjami ciekłymi sterowanymi ciśnieniem jest ich skalowalność. Pojedyncze głowice dozujące można łatwo łączyć w wielokanałowe, które mogą dozować różne objętości cieczy, przy różnych ciśnieniach. Płyny o różnych właściwościach mogą być dozowane za pomocą jednej wielokanałowej głowicy łatwo instalowanej np. na napędach elektrycznych tworzących manipulator.

Jednak w przypadku systemów wielokanałowych nawet niewielkie różnice między wlotami, zaworami i dyszami mogą powodować rozbieżności dozowanych objętości. Dokładność na poziomie 1 ms lub większa utrudnia skompensowanie tak małej różnicy za pomocą procesora sterującego czasem dozowania elektrozaworu. Lepszym rozwiązaniem jest kalibracja oddzielnych kanałów przy pomocy zmiany wartości prądu załączania i podtrzymania cewki, w taki sposób, aby wszystkie kanały dozowały taką samą objętość przy takich samych czasach dozowania.

Moduł sterowania zaworami VAEM z Festo oferuje proste w obsłudze oprogramowanie, które umożliwia zredukowanie zmienności dozowania tip-to-tip do mniej niż jednego procenta w większości przypadków.

Fabrycznie zmontowane głowice dozujące Festo VTOE składają się z bloku zaworowego, zaworu 2/2, dyszy dozownika oraz przyłącza dla przewodu. Możliwość montażu do 12 głowic dozujących na jednej szynie

Wnioski

Udoskonalenia w zakresie skali, szybkości i jakości procesów farmaceutycznych i biotechnologicznych, które oferują zautomatyzowane systemy dozowania substancji ciekłych wpływają na skrócenie terminów i szybszą realizację zadań, przy jednoczesnym zwiększeniu efektywności opracowywania leków. Systemy dozowania substancji ciekłych metodą ciśnieniową mogą pomóc zoptymalizować wydajność w aplikacjach automatyki laboratoryjnej, a ich cena to ułamek kosztów skomplikowanej robotyki.

Więcej informacji na temat rozwiązań automatyzacji Festo dla aplikacji dotyczących prac laboratoryjnych i medycznych można znaleźć na stronie internetowej:

www.festo.com/liquidhandling