Processo e controllo oggi

14/08/2023 Sistemi di controllo dei fluidi Burkert

Un dosaggio microfluidico accurato è essenziale per la ricerca sulle scienze della vita e sulla genomica, nonché per la somministrazione di cure mediche. Per gli OEM che sviluppano macchine per il dosaggio microfluidico, il controllo accurato delle valvole garantisce risultati precisi. Tuttavia, per specificare il sistema di valvole ottimale, è fondamentale considerare i criteri, dalla compatibilità dei materiali all'integrazione del collettore, per garantire una precisione ripetibile.

Troy Stehr, Industry Account Manager per le applicazioni Lab & MedTech presso lo specialista del controllo dei fluidi Bürkert, discute i requisiti per un controllo microfluidico accurato.

I reagenti sono parte integrante della ricerca nelle scienze della vita e il risultato di come reagiscono chimicamente con altre sostanze, misurando, rilevando o esaminando un risultato, è vitale per lo sviluppo di trattamenti medici. Essenziale per questo processo è il controllo accurato e ripetibile del dosaggio dei reagenti, in volumi microfluidici fino a 1 µl e inferiori. Questi stessi requisiti si applicano alla genomica, come la conduzione di una tecnica di reazione a catena della polimerasi (PCR) per amplificare segmenti di DNA selezionati. Il dosaggio microfluidico accurato e affidabile può anche dipendere dalla vita di molte applicazioni mediche.

Oggi le macchine possono sostituire la movimentazione manuale delle pipette con un dosaggio più accurato e coerente. L'automazione non solo fa risparmiare tempo agli operatori qualificati, ma il dosaggio rapido di più canali migliora anche la produttività. Per ottenere questi risultati, si fa grande affidamento sul sistema di controllo delle valvole di una macchina di dosaggio.

Ciclo aperto o chiuso?

Comprendere la precisione di dosaggio richiesta è in genere il punto di partenza nelle specifiche del sistema di valvole. I pazienti vengono trattati o diagnosticati sulla base dei risultati di laboratorio, quindi il requisito di accuratezza della valutazione prevista determina la precisione di dosaggio che la macchina deve fornire. L'ottimizzazione dell'utilizzo del volume è importante anche per controllare i costi, sia nell'uso che nello smaltimento di alcuni reagenti e sostanze coinvolte molto costosi.

Sufficiente per molte applicazioni microfluidiche, il dosaggio tempo-pressione fornisce una precisione <1% con una precisione volumetrica ripetibile compresa tra il 2 e il 5%. Con questa tecnica, il flusso del fluido viene controllato dall'apertura o dalla chiusura della valvola per un tempo definito per ciascun ciclo di commutazione. Utilizzando aria o gas inerte per pressurizzare il serbatoio del fluido, in combinazione con una valvola di dosaggio, questa tecnica consente un dosaggio controllato fino a volumi µl (microlitri) a una cifra.

Le microvalvole Bürkert per il dosaggio a pressione temporale sono in grado di generare passi di segnale di controllo di ~10μs (microsecondi) per un controllo della valvola ad alta precisione inferiore all'1%. Se è necessaria una precisione ancora maggiore, Bürkert fornisce anche il controllo della valvola a circuito chiuso. Questi sistemi incorporano un sensore che fornisce un feedback sullo stato effettivo della valvola che consente una regolazione costante delle velocità di apertura/chiusura della valvola. In alternativa, un sistema a circuito aperto, come il dosaggio tempo-pressione, funziona esclusivamente in base al comando di ingresso della valvola, indipendentemente dalle modifiche che potrebbero influire sul tempo di commutazione e, di conseguenza, sul volume di dosaggio effettivo.

Precisione del dosaggio μl e nl

I sistemi a circuito chiuso spesso funzionano secondo il principio di Coriolis, in cui le vibrazioni di un tubo che trasporta il liquido vengono misurate con un'uscita risultante proporzionale al flusso. Con questa tecnologia, il controller/misuratore di flusso di massa di Bürkert può raggiungere una precisione di dosaggio a livelli inferiori a 1 ml. Tuttavia, una nuova innovazione è destinata a diventare il primo dispositivo disponibile sul mercato con misurazione μl (microlitri) e precisione di controllo a circuito chiuso, con un sensore di pressione differenziale integrato in un dispositivo insieme a una valvola. Il nuovo sistema di dosaggio di Bürkert misura e controlla fino a 50 nl (nanolitri), con una precisione inferiore all'1% misurata su milioni di cicli completati finora nelle prove.

Fondamentale da controllare nel tempo è la compatibilità tra i mezzi e il blocco del fluido e le guarnizioni del materiale, soprattutto quando sono coinvolti più reagenti e sostanze. A seconda delle proprietà del mezzo, potrebbero essere necessari materiali di tenuta diversi e la loro selezione richiede un'attenta considerazione. Le sfide di compatibilità possono comportare il rigonfiamento delle guarnizioni, fino alla rottura nel tempo, e quando si ha a che fare con la microfluidica, i conseguenti problemi di controllo sono amplificati. All'interno del sistema Bürkert, il PEEK, utilizzato per i corpi delle valvole, e il materiale di tenuta FFKM o EPDM sono gli unici materiali a contatto con il fluido.