Bild1a: µ- Prozessdosierpumpen MDP1f für die pulsationsfreie, präzise Förderung von Fluiden.
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Bild 1b: µ- Prozessdosierpumpen HDP3f (rechts) für die pulsationsfreie, präzise Förderung von Fluiden.
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Bild 2: Nicht nur der Mischer machts
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Bild 3: Prinzipdarstellung des First In First Out Prinzip (FIFO) für eine Kolbenpumpe
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Bild 4: Prinzip der Entlüftung bei FIFO Kolben
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Bild 5: Kontinuierliches Förderprinzip mit zwei Kolbenantrieben
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Special: Welche Pumpen braucht die Mikroreaktionstechnik?!
Merkmale wie höchste Förderpräzision mit Abweichungen von < 1µl, Pulsationsfreiheit, hoher Druck, hohe Betriebssicherheit für die industriellen Anwendungen sind die Messlatten für die Entwicklung von innovativen Pumpen für die Mikroreaktionstechnik.
Nahezu alle namhaften Pharma- und Chemiekonzerne haben die Vorteile der Mikroreaktionstechnik und der Membrantechnologien für ihre Prozesse erkannt und arbeiten an der Umstellung Ihrer Produktion auf Basis der Mikroreaktionstechnik . Extrem schnelles Mischen, hocheffizienter Wärmetausch, niedrige Anlagenkosten, hohe Anlagensicherheit und gute Regelbarkeit sind neben der sehr guten Produktqualität überzeugende Argumente für die Mikroreaktionstechnik. Zudem bietet sie die Möglichkeit flexible Kleinanlagenkonzepte (table factory) für die Herstellung kleiner Produktionsmengen umzusetzen.
Inzwischen zeigen die Erfahrungen der Forscher und Anwender, dass ohne Pumpen mit den oben genannten Eigenschaften die geforderte hohe Produktqualität aus einem Mikroreaktionssystem nicht, oder nur eingeschränkt herstellbar ist. Bei den verfahrenstechnischen Grundoperationen wie Mischen, Dispergieren, Begasen, Fällen, Wärmeübertragung z.B. für die Herstellung von ionischen Flüssigkeiten und auch bei den Membrantechnologien stößt man ohne eine geeignete Pumpentechnologie schnell an die Grenzen.
Die MMT Micro Mechatronic Technologies GmbH aus Siegen hat in Zusammenarbeit mit namhaften Pharma- und Chemieunternehmen und der RWTH Aachen eine spezielle Pumpentechnologie für die Mikroreaktionstechnik entwickelt. Die µ-Prozessdosierpumpen MDP1f mit Fördermengen von 4l/h bei Drücken von 30-50 bar und dem großen Bruder die HDP3f für das Upscaling der Anlagentechnologie mit Fördermengen von bis zu 40l/h und Drücken von 100 bar und mehr, erfüllen als Spezialisten die Erfordernisse der Mikroreaktionstechnik wie Pulsationsfreiheit, höchste Fördermengenkonstanz auch bei prozessbedingten Gegendrücken und den hohen Druck. (Bild 1a und 1b)
Förderpräzision:
Kein µm an Verformung darf auf dem Weg des Kraftflusses vom Servomotor bis zur Kolbenfläche verloren gehen. Die elektronisch kommutierte, hochgenaue Drehbewegung des Servomotor sichert die über eine Präzisionsmechanik die pulsationsfreie Fluidförderung durch die Kolben der Pumpe. Die Förderpräzision mit Abweichungen von < 1 Mikroliter ist in der Regel genauer, als üblicherweise im Prozess eingesetzte Durchflusssensoren und Waagen und machen somit eine Messung des Volumenstrom überflüssig. Fördermengenschwankungen und Pulsationen wirken sich insbesondere beim Mischen und beim Beschicken von Membranen aus. Diese Fördermengenpräzision muss die Pumpe auch dann beibehalten, wenn sich aus dem nachfolgenden Prozess hohe Druckschwankungen ergeben. (Bild 2)
Selbstentlüftung und Sterilisation durch FIFO Prinzip möglich:
Kolbenpumpen haben in der Regel den Nachteil, dass das Fluidelement welches zuerst der Zylinderraum eintritt, diesen zuletzt wieder verlässt. Der durchbohrte Kolben der µ-Prozessdosierpumpe HDP3f stellt dies auf den Kopf. Das Fluidelement, das den Zylinderraum als erstes Betritt, verlässt ihn als erstes auch wieder. Damit findet eine für Kolbenpumpen ungewöhnliche, sequenzielle Durchströmung des Zylinders statt (First In First Out „FIFO“-Prinzip). Diese gestattet es dem Anwender, den Zylinderraum ohne Demontage durch Spülung mit Fluiden oder Dampf zu reinigen bzw. zu entkeimen. (Bild 3)
Die oben dargestellte µ-Prozessdosierpumpe HDP3f hat neben den oben aufgeführten Merkmalen noch eine Reihe von weiteren wichtigen Merkmalen für den Anwender. Selbstentlüftung (Bild 4), Mehrflutigkeit , sequentielle Förderung, flusskonstante Kolben-umsteuerung, Medienbeständigkeit , inline Sterilisierbarkeit , schneller Produktwechsel durch Kolbengruppentausch…etc schaffen Flexibilität und Sicherheit. Die Mehrflutigkeit ermöglicht es, die Kolbenflächenverhältnisse dem geforderten Mischungsverhältnis von bis zu 3 verschiedenen Fluiden anzupassen, sodass mit einer Pumpe bis zu 3 Eluenten extrem präzise gemischt werden können.
Die stoßfreie Umschaltung einer Kolbenpumpe.
Rotatorisch arbeitende Pumpen wie z.B. Zahnradpumpen, Kreiselpumpen etc. zeigen eine mehr oder weniger hohe Abhängigkeit der Fördermenge vom Betriebsdruck und der Medientemperatur (Fördermengendrift). Dies erfordert immer den Einsatz von präzisen Durchflussmessungen in Verbindung mit schnellen Regelungen wenn Fördergenauigkeit vom Anwenderprozess gefordert wird.
Genauer fördern da volumetrische Pumpen wie z.B. Kolbenpumpen. Eine hochpräzise Antriebsbewegung in Verbindung mit einer verformungs- und spielfreien Mechanik und µ-genau gefertigten Kolben sichern den Fluidstrom µl-genau ohne Durchflussmessung. Auch in den Endlagen der Kolben kann heute ohne Umschaltstoß ein Fluidstrom mit der gleichen Genauigkeit wie auf dem normalen Fahrbereich des Kolben gepumpt werden.
In Verbindung mit einem servomotorischen Antrieb je Kolbengruppe ist es mittels elektronischer Rampenkonfiguration möglich den Umschaltstoß zu verhindern. Während ein Antriebssystem kurz vor erreichen der Kolbenendlage linear langsamer wird und somit auch linear abnehmend weniger fördert, beschleunigt gleichzeitig ein zweites Antriebssystem eine oben gefüllt wartende Kolbengruppe und fördert genau die für den konstanten Fluss erforderliche Menge in die gemeinsame Leitung (Bild 5). Am Ende der linearen Bremsrampe bleibt das fördernden Kolbensystem stehen und fährt dann als Saughub mit höherer Kolbengeschwindigkeit in die obere Warteposition.
Die oben beschriebenen Kolbenpumpen mit ihren optimierten Eigenschaften haben der Mikroreaktionstechnik bereits in einigen Fällen zu dem lange fälligen technologischem Durchbruch verholfen.
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