Ein Vergleich von Mikrofluidik-Druckreglern für Ihr maßgeschneidertes System
In diesem umfassenden Artikel zum Vergleich von Fluidiksteuerungssystemen werden die Unterschiede zwischen 3 Kategorien von Druckreglern eingehend getestet und diskutiert:
- Kostengünstige Modelle
- Standardmodell
- Hochwertige Druckregler
Unser Fokus liegt auf der Evaluierung der Produktleistung sowie der gründlichen Prüfung ihrer reibungslosen Integration in mikrofluidische Systeme. Dabei berücksichtigen wir Aspekte wie Benutzerfreundlichkeit und Integrationsmöglichkeiten.
Wie ist das richtige mikrofluidische Flusskontrollsystem zu wählen?
| Kostengünstiger Druckregler | Standardmodell Druckregler | Premium Druckregler (FLUIGENT) | |
| Genauigkeit | Mittel | Gut | Ausgezeichnet |
| Stabilität | Schlecht bis mittel | Mittel | Ausgezeichnet |
| Reaktionszeit und Druckentlastung | + | ++ | +++ |
| Sensor-Kalibrierung | Nicht verfügbar | Nicht verfügbar | Available |
| PID/Algorithmus Leistung | Nein (nur analoge E/A) | Gut | Ausgezeichnet |
| Betriebsbereit | Nein (DAQ) | Nein | Ja |
| Integration von Flusssensoren | Nicht verfügbar | Nicht verfügbar | Available |
| Regelung der Flussmenge | Nein | Nein | Ja, durch den Fluigent-Algorithmus |
| Mikrofluidisches Ventil Integration und Automatisierung | Nein | Nein | Ja |
| Rauschfrei | Nein | Ja | Ja |
| Preis | Niedrig | Mittel | Mittel bis hoch |
| Kompatibilität mit Mikrofluidik-Anwendungen | Gering | Mittel | Hoch |
| Typische Anwendungen | Versorgung mit konstantem Druck: Bebenventile, Halbleiter | Zellkultur und grundlegende Tröpfchen-Mikrofluidik | Tröpfchenmikrofluidik, Zellkultur (OOAC), fortgeschrittene Fluoreszenzmikroskopie, mikrofluidische Spektroskopie |
Tabelle 1: Vergleich von Druckreglern für mikrofluidische Anwendungen
Die Mikrofluidik-Technologie wird in der akademischen Forschung für eine Vielzahl von Anwendungen in den Biowissenschaften, der Chemie und der Lebensmittelindustrie eingesetzt. Auch in der Industrie für Analysegeräte und Bioreaktoren wird sie immer beliebter, da sie eine neue Ebene der Analyse eröffnet und mehrere Vorteile bietet, darunter zuverlässigere Ergebnisse bei gleichzeitiger Minimierung des Reagenzienverbrauchs.
Die Mikrofluidik spielt eine wichtige Rolle bei Anwendungen, wie z.B. für die Zellbiologie, die präzise Perfusion und Organ-on-a-Chip-Studien, digitale PCR, Organoide oder die Tröpfenerzeugung für Doppelemulsion.
Vorteile der Fluidkontrolle für die Industrie
In der Welt der Mikrofluidik ist die Flusskontrolle für zuverlässige Ergebnisse unerlässlich. Auf dem Markt sind verschiedene Technologien erhältlich, darunter Spritzenpumpen, peristaltische Pumpen und Druckregler.
Druckregler sind in der Mikrofluidik bevorzugte Technologien, da sie im Vergleich zu Spritzenpumpen eine höhere Leistung und Zuverlässigkeit bieten. Allerdings sind nicht alle auf dem Markt erhältlichen Druckregler gleich, und einige von ihnen sind nicht für die Mikrofluidik geeignet.
Jeder Gerätetyp verfügt über eine Reihe von Merkmalen und Fähigkeiten, die unterschiedlichen Budgetvorgaben und Forschungsanforderungen gerecht werden.
Der passende Druckregler für die Mikrofluidik?
Übersicht Druckregler von FLUIGENT
Wir haben 3 verschiedene Arten von Druckreglern identifiziert, die auf dem Markt erhältlich sind und aus denen die Benutzer wählen können. Die folgenden Vergleiche beziehen sich auf ihre Kosteneffizienz und Qualität.
- Kostengünstige Druckregler sind die einfachste und günstigste Option. Sie haben in der Regel eine geringere Leistung im Vergleich zu dem Standardmodell und hochwertigeren Optionen.
- Standardmodell: bieten ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Preis und Leistung.
- Premium-Druckregler bieten ein Höchstmaß an Genauigkeit und Stabilität. Sie sind für Anwendungen konzipiert, bei denen Präzision und Zuverlässigkeit von größter Bedeutung sind. Die hier verwendeten Druckregler sind der Fluigent Flow EZ und der F-OEM.
Zunächst vergleichen wir die 3 Druckregler in Bezug auf ihre Leistung (Genauigkeit, Stabilität, Reaktionszeit), ihre Benutzerfreundlichkeit und die Integrationsmöglichkeiten. Abschließend diskutieren wir die möglichen Anwendungen für jedes Gerät.
Auswahl eines Druckreglers anhand der Leistung
Bei der Auswahl eines Druckreglers vergleicht man die technischen Spezifikationen. Es gibt mehrere wichtige Parameter, die zu berücksichtigen sind, wie z. B. die Produktgenauigkeit, die Reproduzierbarkeit des Experiments oder die Reaktionszeit des Gerätes.
Einige Hersteller geben Informationen basierend auf dem Sensor oder Ventil an, aus dem der Druckregler besteht, während andere die Daten auf der Grundlage von Praxistests bereitstellen.
Neben den technischen Daten ist für die allgemeine Leistung eines Druckreglers auch sein Regelungsalgorithmus entscheidend. Einfache Druckregler bieten nur eine analoge Kommunikation auf der Grundlage von Spannungen. Während einige PID-Regler die Möglichkeit bieten, Live-Feedback-Schleifen zu geben und den Druck auf der Grundlage des Drucksensor-Feedbacks anzupassen. Dies wirkt sich letztlich auf die Druckstabilität, die Genauigkeit, die Reaktionszeit und die Druckübergänge aus.
Hier vergleichen wir kostengünstige, Standardmodelle und hochwertige mikrofluidische Druckregler hinsichtlich ihrer Genauigkeit, Ansprechzeit und Druckveränderungen im Bereich von 0-1 bar.
Wie genau und stabil ist Ihr Druckregler?
Die Genauigkeit ist ein entscheidender Faktor bei der Auswahl eines Druckreglers. Ein Druckregler mit hoher Genauigkeit gewährleistet, dass der gewünschte Drucksollwert erreicht wird. Darüber hinaus ist die Druckstabilität ein entscheidender Faktor bei der Auswahl eines Druckreglers, da viele Anwendungen auf einen stabilen Fluss angewiesen sind.
Wir führen eine Genauigkeits– und Stabilitätsanalyse durch, indem wir einen Druck von 750 mbar einstellen. Es wird mit einem externen kalibrierten Drucksensor gemessen und der eingestellte Druck von 750 mbar mehr als 10 Stunden stabil gehalten.
Auf diese Weise können wir feststellen, wie sich die Geräte unter kontinuierlicher Inbetriebnahme verhalten, um mögiche Drift- oder Stabilitätsprobleme zu erkennen, die erst bei längerem Betrieb sichtbar werden.
Abbildung 1: Vergleich von Genauigkeit und Stabilität bei Verwendung von kostengünstigen, mittleren und hochwertigen Druckreglern
Abbildung 1 zeigt die Druckgenauigkeit und -stabilität für die kostengünstigen, Standardmodelle und hochwertigen Druckregler. Betrachtet man den Mittelwert, so kann man feststellen, dass sowohl die kostengünstigen als auch die Standardmodelle im Vergleich zum Zielwert von 750 mbar eine Abweichung von mehr als 2 mbar aufweisen. Dies hängt wahrscheinlich damit zusammen, dass beide Produkte keine Möglichkeit zur Live-Kalibrierung haben, was zu einer Verschiebung gegenüber dem Zielwert führt und letztlich Rauschen erzeugt (siehe Abbildung 2).
Mit Premium-System: Verbesserte Stabilität und Genauigkeit auf lange Sicht
Mit dem Premium-Druckregler liegt der Durchschnittswert bei 749,81 mbar, +/- 0,082 mbar. Der Premium-Druckregler ist das genaueste Gerät mit einer Abweichung von weniger als 0,2 mbar gegenüber dem Sollwert und damit das leistungsfähigste Produkt in Bezug auf die Genauigkeit.
Ein weiterer Parameter, den wir hier analysieren können, ist die Stabilität. Wir stellen fest, dass mit dem kostengünstigen System zu Beginn des Experiments 750 mbar erreicht werden, aber in weniger als einer Stunde können wir eine Verschiebung des angelegten Drucks beobachten. Nach zusätzlichen 30 min werden 749 mbar gemessen. Nach mehreren Stunden sind es 748 mbar. Mit dem Standardmodell wird ein ähnlicher Druckabfall, allerdings in geringerem Ausmaß (747,5 bis 747 mbar) beobachtet.
Bei Verwendung des Premium-Druckreglers bleibt der Druck von ca. 749,8 mbar über 8 Stunden lang stabil, ohne dass es zu Abweichungen kommt. Darüber hinaus beobachten wir eine verbesserte Stabilität und Genauigkeit auf lange Sicht, da der Druck konstant und mit lobenswerter Stabilität innerhalb des erforderlichen Druckbereichs gehalten wird.
Reaktionszeit: Wie schnell wollen Sie den Druck ändern?
Die Reaktionszeit ist ein weiterer wichtiger Faktor, der bei der Auswahl eines Druckreglers zu berücksichtigen ist. Ein Druckregler mit guter Leistung ist in der Lage, schnell auf Druckänderungen zu reagieren und die Stabilität zu wahren.
Die Reaktionszeit eines Druckreglers ist ein kritischer Faktor in der Mikrofluidik, da die Prozesse in diesen Systemen präzise und oft heikel sind. Ein Druckregler mit einer schnellen und genauen Reaktionszeit stellt sicher, dass sich das System bei Änderungen der Sollwerte oder externen Bedingungen schnell anpassen und den gewünschten Druck mit minimalen Überschreitungen oder Schwingungen aufrechterhalten kann. Dies ist für die Aufrechterhaltung der Integrität von Experimenten oder Prozessen von entscheidender Bedeutung, da Verzögerungen oder Ungenauigkeiten bei der Druckanpassung zu beeinträchtigten Daten, unwirksamer Flüssigkeitssteuerung und möglicherweise zur Beschädigung empfindlicher mikrofluidischer Komponenten führen können.
Wir führen hier 2 Reaktionszeittests durch: Druckanstieg (400 mbar -> 500 mbar) und Druckabfall (500 mbar -> 400 mbar).
Wir definieren die Ansprechzeit als die Zeit, die benötigt wird, um 98 % des Zielwerts zu erreichen und innerhalb einer Toleranz von 2 % des Zielwerts zu bleiben. Beachten Sie, dass wir diesen Test nicht mit dem kostengünstigen Druckregler durchführen können, da er nur über analoge E/A gesteuert wird und kein PID-System enthält.
Abbildung 3: Reaktionszeit mit Mitteldruckregler und Premium-Druckregler
| Ansprechzeit 400 bis 500 mbar | Ansprechzeit 500 bis 400 mbar | |
| Standardmodell-Controller | 0.8 s | 0.7 s |
| Premium-Druckcontroller | 0.8 s | 0.1 s |
Tabelle 2: Vergleich von Druckreglern für mikrofluidische Anwendungen
Schnellere Reaktionszeit mit dem Premium-Druckregler
Abbildung 3 zeigt die Druckbeaufschlagung und Druckentlastung mit dem Standardmodell und dem Premiumregler. Bei Verwendung des Standardmodells beträgt die Zeit bis zum Erreichen von 98 % des Zielwerts 0,8 Sekunden, bei Verwendung des Premium-Druckreglers 0,8 Sekunden. Bei der Druckentlastung beträgt die Zeit bis zum Erreichen von 98 % des Zielwerts 0,7 Sekunden, bei Verwendung des Premium-Druckreglers 0,1 Sekunden.
Dies zeigt, dass das Standardmodell und der Premium-Druckregler eine ähnliche Reaktionszeit bei der Druckbeaufschlagung für einen Übergang bei 100 mbar haben, während die Druckentlastung mit dem Premium-Druckregler etwa 10 Mal schneller erfolgt.
Darüber hinaus sind beim Standardmodell nach Erreichen einer stabilen Phase geringfügige Druckschwankungen zu beobachten, die ebenfalls auf die Leistung des Regelalgorithmus zurückzuführen sind.
Wenn ein Fluidikprotokoll gestoppt werden muss, hängt die Druckentlastungszeit außerdem vom verwendeten Druckregler ab. Abbildung 4 zeigt die Druckentlastungszeit von 500 mbar auf 400 mbar bei Verwendung des mittleren und des hohen Druckreglers. Es ist zu erkennen, dass das Standardmodell 0,7 s und der Premium-Druckregler 0,1 s benötigt.
Abbildung 4: Reaktionszeit bei Verwendung eines Standardmodells und eines Premium-Druckreglers
Die Druckentlastungszeit hat einen großen Einfluss auf mikrofluidische Protokolle, da während der Druckentlastungszeit weiterhin Flüssigkeiten eingespritzt werden, obwohl das Experiment beendet ist. Wertvolle Flüssigkeiten, die während der Druckentlastungszeit injiziert werden, werden verschwendet, was sich letztlich auf die Kosten des Experiments auswirkt. Je nach verwendetem System und dem damit verbundenen Strömungswiderstand kann die Druckentlastungszeit mehr als eine Zehntelsekunde betragen!
Je stabiler, desto besser: Produktalgorithmus und PID beeinflussen letztendlich die Leistung
Wie in den obigen Abschnitten erwähnt, sind die Produktspezifikationen nicht alles. PID und Algorithmen wirken sich ebenfalls auf die Leistung aus. Abbildung 5 zeigt die Druckkrümmung während eines Übergangs von einem höheren Druck für den Mitteldruckregler. Beim Übergang auf 100 mbar ist ein gewisses Rütteln zu beobachten, das beim Premium-Druckregler nicht auftritt (Abbildung 5).
Bei unserer vergleichenden Analyse zwischen den Druckreglern stellten wir deutliche Leistungsunterschiede fest, insbesondere in Bezug auf die Genauigkeit und Stabilität. Beide kostengünstigeren Druckregler wiesen stärkere Schwankungen auf und benötigten eine längere Reaktionszeit. Außerdem stabilisierten sie sich im Vergleich zu ihrem Gegenstück in einem weniger präzisen Druckbereich.
Das Premium-Produkt hingegen wies ein bemerkenswert gleichmäßigeres und stabileres Übergangsprofil auf. Es erreicht effizienter und stabiler, die gewünschten Werte.
Diese überlegene Leistung bei der Aufrechterhaltung einer stabilen Druckkontrolle unter verschiedenen Bedingungen unterstreicht die fortschrittliche Technik und das Design des Premiumprodukts.
Diese Eigenschaften sind besonders wichtig bei Mikrofluidik-Anwendungen, bei denen eine exakte Druckkontrolle entscheidend für die Integrität und Genauigkeit der Ergebnisse ist.
Mikrofluidik erfordert Fachwissen für die Integration
Zeit bis zur Markteinführung: Ist Ihr Druckregler einsatzbereit und leicht zu integrieren?
Bei einfachen Druckreglern sind in der Regel keine gebrauchsfertige Software und High-Level-Funktionen vorhanden. Für die preisgünstigen und Standardmodelle war eine Umwandlung von analogen zu digitalen Daten notwendig, um eine ordnungsgemäße Datenerfassung und -auswertung zu ermöglichen.
Dieser zusätzliche Schritt muss im Hinblick auf die interne Entwicklung und die Markteinführungszeit berücksichtigt werden. Im Folgenden wird ein Vergleich der mikrofluidischen Druckregler auf der Grundlage ihrer Einsatzfähigkeit vorgestellt:
- Kostengünstiger Druckregler: Es muss ein zusätzliches DAQ-Gerät für die Steuerung des Systems entwickelt werden. Die Tatsache, dass kein Analog-Digital-Wandler erforderlich ist, deutet auf ein fortschrittlicheres und integriertes Design hin, das sich besser an moderne digitale Schnittstellen und Standards anpassen lässt.
- Standardmodell Druckregler: Obwohl kein zusätzliches Messgerät erforderlich ist (die gesamte interne Elektronik ist in das Gerät integriert), muss eine kundenspezifische Software-Schnittstelle entwickelt werden, um die Messungen zu starten.
- Premium-Druckregler: Gebrauchsfertige Software mit fortschrittlichem SDK, das in verschiedenen Sprachen (Python, C++, C#) verfügbar ist.
Die mikrofluidische Umgebung: Druckregler für Flusskontrolle, Ventilmanagement und Automatisierung
Was ist der Unterschied zwischen Flussregelung und Druckregelung?
Viele Prozesse in der Mikrofluidik erfordern eine präzise Überwachung und Regelung der Flussraten sowie die Integration von Ventilen zur Automatisierung komplexer Arbeitsabläufe, um Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Eine effiziente Überwachung der Flussrate ermöglicht präzise Volumeninjektionen, während die Automatisierung von Ventilen für Aufgaben wie die Probenvorbereitung, das Multiplexing oder Reinigungsprozesse unerlässlich ist.
In unserem Artikel erfahren Sie mehr über die Herausforderungen der Automatisierung von Fluidikventilen und die Vorteile unserer F-OEM-Flusssteuerungsplattform.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Druckreglern erfordert die Integration und Steuerung von mikrofluidischen Flusssensoren und -ventilen fortschrittliche Regelungsfähigkeiten, die Fachwissen in den Bereichen Elektronik, Mechanik und Mikrofluidik erfordern.
Die Synchronisierung zwischen allen mikrofluidischen Komponenten ist entscheidend für eine reibungslose Automatisierung. Bei klassischen Druckreglern muss die Integration vom Mikrofluidik-Experten vorgenommen werden, was zu einem potenziell kostspieligen, zeitaufwändigen und ressourcenabhängigen Prozess führt. Dies kann sich auf die Markteinführungszeit auswirken und die Zuverlässigkeit des endgültigen Systems beeinträchtigen.
Unser erstklassiger mikrofluidischer Druckregler zeichnet sich durch eine nahtlose Schnittstelle zu hauseigenen mikrofluidischen Flusssensoren und Ventilen aus. Die Steuerung dieser Komponenten erfordert keine zusätzliche Entwicklung durch spezielle Software und SDK und bietet eine optimierte Lösung, die die Effizienz und Zuverlässigkeit erhöht, ohne die Markteinführungszeit zu beeinträchtigen.
- Kostengünstiger Druckregler: Entwicklung erforderlich
- Standardmodell: Entwicklung erforderlich
- Hochwertiger Druckregler: Sofort einsatzbereit mit Fluigent-Flusssensoren und -Ventilen + Software
Was sind die typischen Anwendungen, die mit den oben genannten Druckreglern durchgeführt werden können?
Wie oben dargestellt, weist jeder Druckregler eine unterschiedliche Leistung auf, die je nach Parameter von schlecht/mittel bis hervorragend reicht. Die Regelung von mikrofluidischen Flüssen geht mit einigen Herausforderungen und umfasst viele verschiedene Anwendungen. Die folgende Übersicht befasst sich mit ein paar dieser Anwendungen.
- Kostengünstiger Druckregler: Der kostengünstige Druckregler hat eine durchschnittliche bis schlechte Leistung in Bezug auf Genauigkeit oder Stabilität. Außerdem ist keine PID-Regelung verfügbar. Dadurch ist das Produkt auf Anwendungen beschränkt, bei denen der Druck nicht sehr stabil sein braucht. Es eignet sich für Analysegeräte mit geringer Präzision und Flussraten von mehr als hundert Millilitern pro Minute. Typische Anwendungen sind Gaschromatographie und Halbleiterprozesse. In der Mikrofluidik kann er für die Beaufschlagung von Druck zum Öffnen/Schließen von Ventilen verwendet werden, wie z.B. quake valve processes.
- Standardmodell: Das Standardmodell hat eine durchschnittliche bis gute Leistung in Bezug auf Genauigkeit und Stabilität. Es steht ein einfacher PID-Regler zur Verfügung, der für weniger anspruchsvolle mikrofluidische Anwendungen nützlich sein kann. Er kann für die mikrofluidische Zellperfusion und -kultur sowie in einigen Fällen der Tröpfchenmikrofluidik nützlich sein, wo die Produktion stabil und ohne häufige Änderungen der Flussrate bleiben sollte. Er ist jedoch auf komplexe mikrofluidische Protokolle beschränkt oder auf Prozesse, die einen minimalen Einsatz von Probenreagenzien erfordern.
- Premium Druckregler: Der Premium-Druckcontroller von Fluigent wurde entwickelt, um alle Anforderungen von Mikrofluidik-Anwendungen zu erfüllen. Folglich ist die allgemeine Leistung hervorragend, einschließlich ausgezeichneter Genauigkeit, Stabilität und Reaktionszeit. Sein patentierter Regelalgorithmus ermöglicht die Einstellung des Drucks während jedes mikrofluidischen Protokolls, und die Integration von Flusssensor und Ventil ist standardmäßig implementiert, so dass komplexe mikrofluidische Protokolle durchgeführt werden können. Zu den Anwendungen gehören unter anderem die Tröpfchenmikrofluidik für digitale PCR- und Verkapselungsanwendungen, die Zellbiologie für Organ-on-a-Chip und Zellkulturen, die Zellsortierung und Flusszytometrie sowie die fortschrittliche Fluoreszenzmikroskopie, bei der alle Multiplexing-Protokolle automatisiert werden müssen, während die bisherigen Probenreagenzien eingespart werden.