Neumática en el laboratorio

Lo que vas a aprender:

  • Los beneficios de usar presión para dispensar fluidos en un laboratorio automatizado.
  • Elementos básicos de un dispensador de control de presión.
  • Consideraciones de diseño al usar sistemas neumáticos.
  • Eche un vistazo a algunos de los sistemas y productos actuales.

Desde diagnósticos in vitro hasta productos farmacéuticos, muchas aplicaciones biomédicas y de ciencias de la vida dependen de un manejo de líquidos preciso y repetible. Normalmente, estos procesos implican dispensar volúmenes de nanolitros de líquido en cientos de microplacas que contienen hasta 1536 pocillos. En estas condiciones, el pipeteo manual es, en el mejor de los casos, impreciso y difícil de lograr en aplicaciones de alto rendimiento. Si bien los robots de manejo de líquidos superan este desafío, a menudo contienen características innecesarias y tienen un precio elevado.

Afortunadamente, hay otra opción. Los dispensadores de líquidos neumáticos controlados por presión proporcionan una manera simple, rápida y rentable de crear y dispensar de manera confiable volúmenes precisos de nanolitros a mililitros de fluidos escalables.

Estos son los conceptos básicos para diseñar dispensadores presurizados, incluido cómo administrar el flujo, la presión y otras variables de control para aumentar el rendimiento en estas aplicaciones críticas.

Desafíos de control de fluidos

La capacidad de controlar, regular y medir pequeñas cantidades de fluidos es fundamental para una variedad de procesos biomédicos, de ciencias de la vida y otros procesos de laboratorio automatizados, desde la dosificación de reactivos hasta el procesamiento de muestras. En estas industrias, la precisión es clave. En las aplicaciones de descubrimiento de fármacos, por ejemplo, solo un pequeño porcentaje de los errores de dosificación pueden hacer que un tratamiento potencial sea ineficaz o tóxico.

Al mismo tiempo, el transporte de muestras líquidas a microplacas y otros recipientes pequeños presenta desafíos. Por un lado, las propiedades y composiciones de los fluidos varían ampliamente. Por ejemplo, la viscosidad puede variar desde ligera como el alcohol hasta espesa como la miel. Los fluidos también pueden ser altamente corrosivos, ácidos o básicos.

Para complicar las cosas, las propiedades del fluido pueden cambiar según la temperatura, la velocidad de dispensación, la presión aplicada y otras variables. Además, la dosificación de estos líquidos costosos y, a veces, altamente reactivos, a menudo requiere procedimientos de limpieza cuidadosos entre lotes para minimizar la contaminación y la obstrucción de las piezas húmedas, lo que aumenta aún más los costos y el tiempo de inactividad.

Dispensador presurizado

Los dispensadores de líquidos operados a presión son mecánicamente simples y solo requieren un regulador de presión y una válvula de alivio, que presurizan un depósito lleno de líquido, algunas tuberías, una válvula dispensadora de solenoide y una boquilla a través de un La punta calibrada coloca el líquido en el recipiente. agujero.

La resistencia al flujo y la presión determinan en gran medida el flujo. La resistencia depende de varias variables, incluido el diámetro interior (ID) del tubo, la longitud, la geometría de la válvula dispensadora y los accesorios.

La presión ayuda a controlar la velocidad del fluido a medida que pasa por el cabezal dispensador. Se puede producir utilizando una fuente de gas externa, como nitrógeno, o bombeando aire a través de un compresor a un tanque de almacenamiento cerrado. Las presiones en los dispensadores de fluidos de laboratorio médico suelen estar entre 100 y 250 mbar, por lo que no suponen un gran riesgo para la seguridad. Sin embargo, el dispensador debe contar con medidas de seguridad para aliviar la presión en caso de fuga u otra falla técnica.

La variable más importante que afecta el flujo es el cabezal dosificador. La punta de trabajo (también llamada canal) puede incluir dispositivos de fijación como tubos y agujas hipodérmicas. También pueden ser desechables o de metal o plástico reutilizables.

El tamaño de la punta afecta directamente la velocidad a la que se dispensa el líquido. A diferencia de la presión y el tiempo, que se pueden controlar y modificar mediante software, la punta no. Los diseñadores deben seleccionar la punta correcta para una aplicación específica. En general, las puntas más pequeñas proporcionan un mayor control de la velocidad del fluido para un volumen dado de líquido.

La punta pequeña y la alta velocidad producen una mejor separación de gotas a costa de un mayor tiempo de dosificación y posiblemente algunas salpicaduras.

Festo, por ejemplo, utiliza puntas con un diámetro interior de entre 0,3 y 1 mm. Esta gama es adecuada para la mayoría de los fluidos y dispensar volúmenes de 1 a 1000 µl. Dependiendo de la aplicación, se pueden desarrollar indicaciones personalizadas.

Además, es importante que los componentes aguas arriba del dispensador tengan caudales más altos, ya que mejora la capacidad de controlar la velocidad de dosificación y la presión de la punta. Si hay restricciones de flujo aguas arriba, se vuelve más difícil controlar el flujo donde más importa (la punta).

En Festo, el diámetro interior de las tuberías suele ser de 2 mm, mientras que los canales interiores de las válvulas y los colectores tienen un diámetro de 1,5 mm o más. Estas dimensiones son para agujas estándar y puntas de pipeta desechables.

La válvula solenoide y su tiempo de ciclo determinan la cantidad de fluido que se suministra (volumen de dispensación). Ajustar la sincronización de la válvula permite al operador controlar la cantidad dispensada. El tiempo de respuesta corto y la válvula altamente repetible proporcionan una dosificación más precisa a velocidades más altas.

Tenga en cuenta que el rendimiento del solenoide generalmente cambia con el calentamiento. De hecho, el primer o segundo ciclo de cualquier válvula tiende a ser unas milésimas de segundo más lento. Esta es la razón por la cual los dosificadores de precisión a menudo ciclan la válvula una o dos veces antes de una ejecución de dosificación.

Las variaciones de voltaje también pueden tener un impacto serio en la repetibilidad. Algunas válvulas, como la VYKA de Festo, utilizan bobinas de baja impedancia y control de corriente para aumentar su resistencia a los cambios de tensión y funcionan con tensiones que oscilan entre 12 y 26 V.

Los diseñadores deben evitar la generación de calor innecesaria en los dispensadores neumáticos y tiempos de apertura reducidos, los cuales pueden alterar el rendimiento. Para las válvulas comerciales, el tiempo de apertura no debe ser inferior a 10 milisegundos. El uso de componentes estándar por menos de 10 ms generalmente es una mala idea. También se requiere cuidado si el tiempo es inferior a 50 ms y se requiere precisión. Sin embargo, con un diseño y control adecuados, es posible diseñar un dispensador de altura ajustable con un tiempo de apertura de 1 milisegundo.

Desafortunadamente, este calor bajo y tiempos de apertura cortos pueden interactuar entre sí: una válvula más pequeña produce menos calor, pero debe permanecer abierta por más tiempo para pasar el mismo volumen que una válvula más grande. Una forma de evitar esto es usar la electrónica para abrir el solenoide con un pulso corto de captación de corriente alta, luego bajar a una corriente de retención más baja para mantener la válvula abierta. Esto reduce la corriente general utilizada por la válvula, reduciendo así cualquier efecto de calentamiento.

Como regla general para los dispensadores neumáticos, ajuste la boquilla en la posición adecuada para dispensar la cantidad adecuada, luego ajuste la presión para obtener una buena separación de las gotas sin salpicar. Finalmente, ajuste la sincronización del solenoide para ajustar el volumen correcto.

Dispensador de cola multicabezal

Uno de los mayores beneficios de los dispensadores a presión es su escalabilidad. Se pueden combinar fácilmente varios cabezales montándolos en rieles o placas de montaje para crear cabezales multicanal que puedan manejar diferentes volúmenes, fluidos y presiones.

En el caso de los dispensadores multicanal, las pequeñas diferencias entre las entradas, las válvulas y las boquillas pueden hacer que algunos canales dispensen volúmenes más altos que otros, lo que da como resultado una variabilidad inherente de punta a punta de alrededor del 4 %. A una resolución de 1 ms o superior, es difícil compensar estos pequeños cambios con cualquier procesador que controle el tiempo de dosificación del solenoide. Una mejor práctica es calibrar los canales individuales variando las corrientes del solenoide de sumidero y retención para que todos los canales dosifiquen la misma cantidad utilizando el mismo tiempo de dosificación.

Los dispensadores de líquidos presurizados pueden aumentar el rendimiento en aplicaciones de laboratorio automatizadas al proporcionar una forma mecánicamente simple y rentable de medir volúmenes de fluidos en nanolitros con velocidad, precisión y confiabilidad. Permiten a los ingenieros construir fácilmente equipos de manejo de líquidos de alto nivel a una fracción del costo de la robótica compleja.

Neumático en acción

Cabezal dosificador VTOE

Este dispensador contiene ocho pipetas de circuito abierto y cabezales dispensadores VTOE en un solo riel, lo que permite la dispensación paralela de diferentes fluidos y volúmenes. Las puntas dosificadoras VTOE son muy precisas cuando se manejan pequeños volúmenes de fluido. Las pruebas gravimétricas han demostrado que el cabezal tiene una alta linealidad en un amplio rango de tiempos de pulso, lo que demuestra una alta precisión con un coeficiente de variación (CV) del 1 % en el rango de 10 a 1000 µl.

PGVA

Los generadores de presión/vacío PGVA de Festo manejan la presión de las pipetas automáticas y les permiten aspirar y administrar volúmenes de líquido en el rango de mililitros con una precisión de hasta ±2 %. La presión y el vacío son generados por una bomba de 50 dB y almacenados internamente en contenedores separados. El aire se filtra a una pureza de 0,001 µm. El flujo es servocontrolado por reguladores piezoeléctricos de ahorro de energía precisos y rápidos con una vida extremadamente larga.

El compresor, el control proporcional, el filtro de aire, el silenciador, el recipiente de presión/vacío, el transductor de presión y la fuente de alimentación de 24 V están alojados en un gabinete que mide 8 x 3 x 8 pulgadas. Sea cual sea el propósito y la finalidad, no es necesario reemplazar el filtro. Pero si la unidad se usa en ambientes extremos, el elemento de filtro industrial se puede reemplazar.

Pipeta de circuito abierto

Las pipetas de circuito abierto, como estas de Festo, se pueden utilizar para la aspiración y dispensación de líquidos a presión en sistemas de equipos automatizados. Se pueden combinar hasta 96 para aplicaciones de alto volumen. Los sensores detectan los cambios de presión de un ciclo de dosificación al siguiente para detectar automáticamente las puntas bloqueadas. El sensor también puede detectar pequeños cambios en el flujo a medida que la punta se acerca a la superficie del líquido, lo que permite una determinación precisa y repetible del nivel de líquido en un vial o recipiente.

Estas pipetas de circuito abierto no tienen retroalimentación del sensor para el rendimiento. No pueden detectar cambios ambientales como la presión o la temperatura. No están calibrados y requieren que el operador ajuste los parámetros (presión, tiempo) para lograr el volumen de entrega deseado.

A finales de 2022, Festo ofrecerá pipetas de circuito cerrado. Se programan utilizando la interfaz web integrada y se dirigirán a aplicaciones que requieren alta precisión. Estarán equipados con varios sensores y bucles de retroalimentación que les permitirán verificar y ajustar el volumen.

Sam Stoney es el gerente del sector de la industria y Joshua Lamontagne es el gerente de marketing de productos para el sector de ciencias biológicas. Festo .

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