미세유체 응용 분야에서 OEM 시린지 펌프보다 OEM 압력 컨트롤러를 선택해야 하는 5가지 이유

진단 또는 생명 과학 시스템에 미세유체 기술을 기반으로 한 OEM 흐름 제어 구성 요소를 통합할 때 OEM 시린지 펌프가 널리 사용됩니다. 하지만 OEM 시린지 펌프는 성능과 신뢰성 측면에서 모두 강한 한계를 보입니다. 시린지 펌프의 대안은 압력 컨트롤러입니다. 여기서 미세유체 액체 처리를 위해 산업용 시린지 펌프에서 OEM 압력 컨트롤러로 전환해야 하는 주요 이유를 강조합니다.

1. 비교할 수 없는 성능을 위한 압력 제어

안정적이고 정밀한 유량과 빠른 안정화 시간을 가진 것은 종종 액적 미세유체학, 약물 스크리닝, 세포 분석 또는 세포생물학 및 현미경 검사를 위한 동적 세포 배양과 같은 미세유체 및 밀리유체 응용 분야에서 필수적입니다. 

향상된 안정성과 안정화 시간을 위한 압력 제어 

미세유체 액적을 생성하는 시스템에서, 빠른 안정화 시간(즉각적인 압력 변화의 특정 비율(예: 95%)에 도달하기까지의 시간으로 정의됨)은 일반적으로 목표 유량에 직접 도달하고, 그 후 그와 관련된 필요한 액적 크기에 도달하는 데 필요합니다. 이는 고가의 시약이나 세포를 포함할 수 있는 생성된 액적을 활용될 수 없는 과도기 단계를 최소화하는 데 도움이 되며, 궁극적으로는 미세유체 프로토콜의 낭비와 비용을 줄입니다. 반면에 안정적인 유량은 균일한 액적 크기를 보장하며, 프로토콜의 장기적인 신뢰성을 확보합니다.

a. 안정화 시간: 시스템의 실제 유량은 얼마입니까? 

OEM 시린지 펌프 및 안정화 시간

산업용 시린지 펌프는 스테퍼 모터에 의해 유도되는 간단한 선형 운동의 원천으로, 이 모터가 피스톤이 구동되는 속도를 제어합니다. 유량은 피스톤의 속도와 단면적으로 직접 계산됩니다. 안정화 시간은 시린지 펌프의 기계적 특성뿐만 아니라 미세유체 시스템의 유체 저항에도 의존합니다. 설정된 유량을 구현하거나 수정할 때 유체 시스템 내의 압력이 증가하여 액체를 밀어내기보다는 시스템을 변형시킵니다.  

시스템의 유체 저항과 탄성에 따라 안정화 시간은 밀리초의 1/100에서 몇 분까지 다양합니다. 산업용 시린지 펌프에 유량을 설정할 때 설정된 유량 값이 표시되지만, 실제 유량이나 그 유량에 도달하기까지의 필요 시간에 대한 정보는 제공되지 않습니다. 미세유체 장치에서 실제 유량에 대한 정보 부족은 실험 및 프로토콜 실패의 주된 원인 중 하나입니다. 

OEM 압력 컨트롤러를 통한 가장 빠른 응답 시간 

압력 컨트롤러를 사용하면 액체가 들어있는 저장소나 탱크에 압력을 가할 수 있습니다. 압력 컨트롤러를 사용할 때, 압력이 거의 즉각적으로 저장소에 적용됩니다.  예를 들어, Fluigent 기기에 사용되는 밸브는 응답 시간이 30밀리초 미만으로, 시린지 펌프에 사용되는 모터보다 낮습니다. F-OEM 및 FASTAB 기술과 같은 반응형 시스템은 안정화 시간이 빠릅니다. 아래 그래프는 표준 시린지 펌프와 함께 사용한 Fluigent F-OEM 압력 컨트롤러의 응답 시간을 보여줍니다. 대부분의 유체 시스템에서는 목표 압력이 몇 초 이내에 달성됩니다(주로 압력 소스와 관련된 가스 유량, 가압될 공압 부피에 따라 다름).  

그림 1: 압력 기반 유량 컨트롤러 간 응답 시간 

b. 정밀하게 조정된 압력으로 인해 비교할 수 없는 안정성 

시린지 펌프의 유동 안정성은 모터가 제공하는 최소한의 기계적 단계에 기인합니다. 피스톤의 증분이 주입된 부피와 상관관계가 있기 때문에 이 최소한의 움직임은 최소한의 주입 부피를 유도합니다. 스테퍼 모터는 외부 요인이 아닌 기술과 관련된 낮은 유량에서 펄스 또는 진동을 유발할 수 있습니다. 그 결과, 시장에 출시된 대부분의 시린지 펌프는 0.35% 이하의 안정성을 달성하기 어렵습니다. 이에 반해, 고급 시린지 펌프는 작은 직경의 저용량 시린지(약 10ml)를 사용함으로써 안정성을 향상시킬 수 있지만, 이는 주입해야 할 액체의 부피와 펌프가 달성할 수 있는 최대 유량에 영향을 미치게 됩니다.  

저장소나 탱크를 압력 컨트롤러로 가압할 때, 시료가 미세유체 시스템으로 원활하게 주입됩니다. 이 기술은 일반적으로 솔레노이드 밸브를 사용하여 적용 압력을 매우 정밀하게 조정할 수 있습니다. 유체와 접촉하는 기계적 부품이 없기 때문에 압력 컨트롤러는 가장 정밀한 시린지 펌프로도 달성할 수 없는 무맥동 흐름을 생성할 수 있습니다. Fluigent 컨트롤러를 사용하면 0.1% 미만의 CV로 압력 안정성을 얻을 수 있습니다. 이를 통해 새로운 응용분야에 요구되는 새로운 수준의 안정성을 확보할 수 있습니다.  

그림 2: 압력 안정성을 기반으로 하는 유량 컨트롤러 

c. 유량 센서를 사용한 더 높은 액체 유량의 정확도 및 조절 능력: 압력 구동 유량 제어 

빠르고 정확한 유량 모니터링 및 조절을 위한 인라인 유량 센서 

유량을 직접 측정하고자 할 때는 시스템에 액체 유량 센서를 추가할 수 있습니다. 유량 센서는 유체 프로토콜의 정상적인 작동을 보장하고, 유량/부피 모니터링이나 프로토콜 실패의 식별 및 예방에도 유용합니다. 유량 센서는 알고리즘이 적용되어 압력을 통해 유량을 조절하는 “피드백 루프” 시스템을 개발할 수 있도록 압력 컨트롤러를 보완합니다. Fluigent는 특허받은 “자가 학습” 알고리즘을 통한 압력 기반 유량 조절을 제공하여 실험이 진행 중일 때도 시료 부피의 분배와 시료 유량을 조절할 수 있습니다. 아래 그래프는 Fluigent의 압력 기반 유량 제어와 표준 OEM 시린지 펌프의 유량 안정성을 비교합니다. 조절 알고리즘과 유량 센서를 결합하여 < 5%의 유량 안정성을 달성할 수 있으며, 시린지 펌프에서는 약 10%까지의 안정성이 관찰됩니다.  

그림 3: OEM 시린지 펌프(회색)와 OEM 압력 기반 유량 컨트롤러(파란색) 비교 

유체 라인에 유량 센서 없이 고성능 압력 구동 유량 제어가 필요합니까? 

미세유체를 활용하는 생물학 응용 분야가 성장함에 따라, 유체 라인에서 완전히 멸균되고 일회용 환경에 대한 필요성이 점점 더 커지고 있습니다. Fluigent는 비침습적 유량 센서를 유체 응용 분야에 전용으로 제공하는 유일한 회사입니다.    

Fluigent의 표준 OEM 압력 기반 유량 제어 솔루션은 고정밀 압력 컨트롤러(Fluigent PX 또는 F-OEM)와 비침습적 유량 센서를 포함하여, 유체 경로의 요소나 유체 교정 없이도 탁월한 유량 조절 능력을 제공합니다. NIFS는 비접촉 실시간 유량 모니터링 및 조절을 가능하게 합니다.

이 독특한 시스템으로 인해 Fluigent는 다른 미세유체 압력 구동 유량 제어 공급업체들과 산업용 시린지 펌프 공급업체들보다 앞서 나가고 있습니다. 

그림 4: 시린지 펌프 시스템 대 Fluigent 압력 기반 유량 제어 시스템 

	Fluigent 압력 컨트롤러	OEM 시린지 펌프
정확성	< 0.1% CV 전체 스케일(FS)	~ 1%
압력 분해능 (최소 압력 스텝)	0.03% FS	N/A
응답 시간	압력 컨트롤러: < 30ms	N/A
안정화 시간	압력: < 2초 유량: < 5초	유체 시스템에 따라 몇 초에서 몇 분 소요
출구 압력 범위	양의 범위: 0~25mbar, 0~69mbar, 0~345mbar, 0~1000mbar, 0~2000mbar, 0~7000mbar 음의 범위: 0~-25mbar, 0~-69mbar, 0~-345mbar, 0~-800mbar 푸시-풀: -800 ~ +1000mbar	N/A
액체 유량 범위	0~10 mL/분	> 200 mL/분
주입량	최대 1L	< 140mL(최대 시린지 크기로 제한됨)
유량 모니터링 및 조절	유량 센서 사용: < 5% 측정값	실시간 모니터링 없음
멸균 환경과의 호환성/오염 위험	적합함 멸균 저장소 있음. 액체와 접촉하는 기계 부품 없음 NIFS를 사용하여 유체 라인에 별도의 시스템 없이도 유량 제어 가능	가능함 일회용 플라스틱 시린지 사용 가능하나 성능이 저하됨 유리 시린지: 각 실험마다 멸균/세척 단계 필요
장기 프로토콜과의 호환성	적합함 안정적인 압력 공급	시린지 저장소로 인한 제한 사용된 시린지 펌프와 시린지는 시간에 따라 불안정성 발생 가능함
유지보수	필요 없음	시린지 정렬, 씰 유지보수

2. 더 이상 큰 주입량을 위해 안정성을 타협하지 않아도 됩니다. 구현 및 재충전 시간을 절약하세요.  

위에서 설명한 바와 같이, 시린지의 부피(더 정확히는 단면적)가 클수록 유량의 안정성은 낮아집니다. 그 결과, 시린지 펌프 사용자는 주입을 위해 안정성과 최소 부피 사이에서 선택해야 하며, 이는 대상 응용 분야에 따라 항상 가능한 것은 아닙니다. 게다가, 미세유체 산업용으로 특화된 대부분의 시린지 펌프는 60mL를 초과하지 않아 완충용액이 필요한 응용 분야에 큰 제약이 될 수 있습니다.  

압력 컨트롤러 사용 시 더 큰 용기를 사용할 수 있습니다. Fluigent 압력 시스템을 사용하면 압력으로 인한 우수한 유량 안정성에 영향을 주지 않고 최대 1L 용량의 병을 사용할 수 있습니다. 압력 기반 시스템을 사용한 충전 및 재충전 과정이 간단합니다. 

3. 미세유체 시스템을 위한 비용 효율적인 솔루션 

처음에는 압력 구동 유량 제어 시스템이 압력 소스와 유량 센서(필요한 경우)의 추가로 인해 시스템 전체의 비용을 고려할 때 시린지 펌프 시스템보다 비용이 더 많이 소요되는 것처럼 보일 수 있습니다. 하지만 압력 컨트롤러의 일부 장점과 지속적인 기술 개선은 궁극적으로 시스템의 최종 비용에 다음과 같은 영향을 미칩니다. 

여러 저장소에 공급하는 한 개의 채널

한 개의 압력 컨트롤러를 사용하여 여러 저장소에 압력을 가하는 것이 가능합니다. 이 작업은 시린지 펌프로는 유량이 균등하게 분배되지 않기 때문에 실현 가능성이 낮습니다.  

더 나은 반응 시간 덕분에 시약 소비와 낭비 절감

위에서 설명한 바와 같이, 유량이 안정되지 않은 과도기에는 데이터를 이용할 수 없으며, 이 시기에 사용된 시약은 손실됩니다. 이 과도기를 최소화함으로써 시약 소비를 최적화하고 실험 비용을 줄일 수 있습니다. 

전체 비용을 절감하기 위한 올인원 압력 소스 및 제어

Fluigent가 개발한 최신 기술인 소형 올인원 미세유체 마이크로펌프는 가벼우면서도 컴팩트한 형태(L*l*H = 7*5*4cm)로 통합된 압력 공급 및 제어(양압 및 음압)를 제공하며, 저렴한 비용으로 독특한 수준의 소형화를 실현하는 비용 효율적인 기술입니다.  

4. 청소 문제 및 오염으로 인한 위험 감소  

고정밀 시린지 펌프 사용 시 플라스틱 시린지의 변형성이 안정성에 영향을 미치기 때문에 일회용이 아닌 유리, 강철, 세라믹 시린지가 필요합니다. 일회용이 아닌 시린지는 일반적으로 멸균 처리되어 배송되지 않습니다.  이는 유체 경로가 반드시 멸균되어야 하는 많은 생물학적 응용 분야에서 한계점입니다. 또한, 재사용 가능한 시린지를 사용할 경우에는 번거로운 청소 과정이 필요하며, 이는 실험 실패로 이어질 수 있는 추가적인 오염 위험을 더욱 증가시킵니다.  

압력 컨트롤러 사용 시 기계적 부품이 액체와 접촉하지 않습니다. 필요에 따라 멸균된 표준 일회용 튜브나 저장소를 사용할 수 있습니다. 따라서 OEM 시린지 펌프 대비 압력 컨트롤러를 사용함으로써 오염 위험을 완화시킬 수 있습니다.  

5. 압력 컨트롤러로 유지보수 감소 

액체 처리 구성 요소를 통합한 미세유체 시스템을 개발할 때는 모든 부품의 수명 주기와 함께 시스템의 수명을 연장하기 위해 필요한 유지보수를 고려하는 것이 중요합니다. 시린지 펌프를 사용할 경우, 성능 저하나 프로토콜 실패를 방지하기 위해 시간이 많이 소요되는 유지보수 절차가 필요합니다.  

정렬 단계: 시린지의 잘못된 정렬 및 설치는 정밀도와 정확도에 모두 영향을 미칩니다. 또한, 과도한 설치력으로 인해 시린지 씰 손상의 원인이 됩니다. 시린지를 교체할 때마다 정렬을 수행해야 합니다.  
씰링 유지보수: 시간이 지나도 펌프 씰이 적절하게 유지 관리되지 않으면 누출이 발생할 수 있으며 분배 정확도가 떨어질 수 있습니다. 플런저 씰에는 사용 및 유체 노출로 인해 시간이 지남에 따라 마모되는 실리콘 오일 윤활제의 얇은 막이 종종 포함되어 있습니다. 성능 문제나 손상을 방지하기 위해 주기적으로 재윤활이 필요합니다.

압력 컨트롤러를 사용하면 유체와 접촉하지 않아 유지보수가 크게 줄어듭니다. 깨끗한 압력 소스를 확보하는 것만으로도 보통 압력 컨트롤러가 몇 년 동안 제대로 작동하는 데 충분합니다. 산업용 시린지 펌프와 달리, 프로토콜을 시작하기 전에 정렬이나 교정 단계가 필요하지 않습니다. 압력 컨트롤러는 시스템의 수명을 연장시켜 Fluigent 지원에 소요되는 시간을 줄여줍니다. 

정확한 액체 제어 및 자동화 분야에서 전문가이자 선두주자인 Fluigent는 생명 과학부터 진단에 이르기까지 제조업체에 혁신적인 OEM 기기와 맞춤형 서비스를 제공합니다. 

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