Dosiertechnik
Wirkstoff am richtigen Ort
In fast allen modernen Industriezweigen nehmen mikroverkapselte Materialien einen immer größeren Stellenwert ein. In der Medizintechnik oder Pharmazie werden Mikrokapseln schon lange eingesetzt, dabei sollen sie vor allem den Wirkstoff beziehungsweise die Umgebung schützen. Die Verarbeitung und Dosierung solcher schersensitiver Mikrokapseln stellt Medizintechniker immer wieder vor große Herausforderungen.
Mikrokapseln enthalten in der Regel einen Wirkstoff im Inneren, der von einer Hülle umgeben ist. Der Wirkstoff kann fest, flüssig oder gasförmig sein. Die Hüllen oder Wandmaterialien sind in der Regel aus polymeren oder anorganischen Materialien. Mit der richtigen Auswahl des Wand-materials können die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Mikrokapseln also ganz gezielt gesteuert werden. Dies ist beispielweise bei einer handelsüblichen Aspirinkapsel der Fall, deren Wirkstoff eingekapselt ist, um den Magen zu schützen.
Eine weitere Aufgabe von Mikrokapseln ist es, bestimmte Wirkstoffe an ganz bestimmten Wirkungsorten und zeitlich gesteuert freizusetzen. Somit werden Medikamente oder deren Wirkstoffe gezielt transportiert und durch externe Reize wie pH-Wert, Temperatur oder Licht im Körper freigesetzt. Heutzutage ist es beispielsweise möglich, chirurgischen Klebstoff während einer orthopädischen Operation durch Laserstrahlen aus einer Mikrokapsel freizusetzen, was zu einem erfolgreichen Eingriff beitragen kann. Eine weitere Möglichkeit, um die Mikrokapseln zu aktivieren, ist die sogenannte »Elektroporation«, die durch kleine elektrische Stöße die Zellmembran der Mikrokapseln kurzzeitig durchlässig werden lässt und somit den Wirkstoff der Kapsel freigibt. Auch die Nachbehandlung der Patienten wird durch Mikrokapseln wesentlich erleichtert, da man nun mit einer bereits im Körper befindlichen Substanz einen zeitlichen Wiedergabeeffekt auslösen kann. Somit spart sich der Patient nach einer Behandlung mögliche Arztbesuche, um beispielsweise ein Medikament wieder aufzufrischen oder nachzuführen.
Zerstörerische Kräfte
Die Problematik, die sich bei der Verarbeitung von mikroverkapselten Flüssigkeiten ergibt, liegt auf der Hand. Die Entnahme aus den Liefergebinden sowie die anschließende Dosierung und das Applizieren auf den Zielort müssen so gut wie ohne Scherkräfte und Reibung vonstattengehen, um die mikroskopisch kleinen Kugeln nicht zu zerstören. Zur Förderung und Dosierung sind daher beispielsweise Kolbenpumpen ungeeignet, da die durch den Kolbenhub entstehende Druckpulsation die Füllstoffe zerstören.
Drücke über 10 bar gelten als gefährlich für die Medien mit Mikroverkapselung. Auch Zahnradpumpen fallen aufgrund ihrer bauartbedingt auftretenden Scherkräfte als Dosiersystem aus. Schlauchquetschventile, Schlauchpumpen oder Membranpumpen sind zwar scherarme Dosiersysteme, stoßen allerdings in der Dosiergenauigkeit und in Sachen Pulsation an ihre Grenzen. Welche Dosiersysteme lassen sich dann zum Handling, Transport und Auftragen von mikroverkapselten Flüssigkeiten einsetzen?
Die Auswahl muss auf ein scherarmes, hochgenaues und zugleich produktschonendes Verfahren fallen.
Aufgrund der Anforderungen zeigt sich das Endloskolbenprinzip (siehe Bild 1), das Viscotec einsetzt, als geeignete Technik zur Entnahme, Bereitstellung und Dosierung von mikroverkapselten Fluiden. Die volumetrisch arbeitenden Dosierpumpen fördern viskositäts- und gegendruckunabhängig.
Die besondere Dosiergeometrie (Bild 2) sorgt für einen pulsationsfreien Förderstrom. Durch das Zusammenspiel zwischen Rotor und Stator entstehen abgeschlossene Kammern mit identischen Volumina, die sich auch während des Dosierprozesses nicht verändern. Dadurch ist es möglich, feststoffbeladene Medien sehr scherarm und mit sehr geringer Reibung zu dosieren, ohne die Füllstoffe zu zerstören.
Das Medium wird hierbei von der Saug- zur Druckseite der Pumpe gefördert. Eine Dosiergeometrie ohne Hinterschneidungen und optimiertem (minimalem) Totraumvolumen, sorgt für einen konstanten Volumenstrom. Die Dosiermenge wird drehzahlproportional über den Antrieb geregelt und ist somit stufenlos einstellbar sowie pulsationsfrei. Zwischen Rotor und Stator bildet das Pumpensystem eine Dichtlinie. Deshalb benötigt das System keine zusätzlichen Ventile, um beim Dosierstopp ein Nachtropfen oder Auslaufen des Mediums zu verhindern. Mit der Umkehrung der Drehrichtung ist mit den »preeflow«-Systemen sogar ein kontrollierter Mediumabriss gewährleistet. Auch abrasive und chemisch aggressive Materialien stellen für derartige Pumpensysteme kein weiteres Problem
dar. Die preeflow-Dispenser (siehe Bild oben) sind vor allem in der Kleinstmengendosierung durch ihre Dosiereigenschaften wie der Dosiergenauigkeit von ±1% und einer Wiederholgenauigkeit von über 99% recht sinnvoll einsetzbar.
Über den Autor:
Christoph Sacher ist Produktmanager im Geschäftsfeld Komponenten & Geräte bei Viscotec.
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