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Welcher Motor für die Pipette passt

Antriebstechnik
Was bei der Auswahl des Motors für eine automatische Pipette zählt

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Elektrische Pipetten bieten bei Routinearbeiten im Labor ergonomische Vorteile. Der richtige Antrieb im Schaft trägt zur Präzision bei und beeinflusst auch das Gewicht (Bild: Portescap)
In Forschungslaboren läuft alles auf Hochtouren, wenn neue Arzneimittel oder Impfstoffe entwickelt werden. Die Pipette zum Dosieren von Flüssigkeiten ist hier immer mit dabei – und wird für präzises und wiederholbares Arbeiten automatisiert. Passende Motoren unterstützen die Funktion.

Valentin Raschke
Portescap, Westchester Pennsylvania/USA

Zum Messen und Dosieren von mitunter winzigen Mengen an Flüssigkeit in Laboren sind Pipetten unerlässlich. Im Jahr 2020 kam im Kampf gegen die Covid-19-Pandemie eine neue Pipettentechnologie auf: Die Luftverdränger-Mikropipette hat sich zu einem der beliebtesten Produkte für die Probenvorbereitung beim Erregernachweis entwickelt.

In so einer Luftverdränger-Pipette befindet sich ein Kolben, der sich aufwärts oder abwärts bewegt und so einen Unter- oder Überdruck an der Luftsäule erzeugt. So kann der Anwender die gewünschte Menge mit einer aufgesteckten Einweg-Pipettenspitze aufnehmen und abgeben. Die Flüssigkeit kommt nicht mit dem wiederverwendbaren Pipettenteil in Kontakt, denn die Luftsäule trennt beide.

Elektrische Luftverdränger-Pipetten haben Vorteile gegenüber manuellen Pipetten: Wer jene wiederholt über einen längeren Zeitraum – häufig mehrere Stunden – einsetzt, stellt rasch eine Ermüdung an seiner Hand fest. Elektronische Pipetten sind eine ergonomische Alternative: Über die digitale Bedienoberfläche gibt der Anwender das Volumen vor – und entsprechend die Bewegung des motorgetriebenen Kolbens. Damit lässt sich der Probendurchsatz deutlich steigern. Auch bleiben Präzision und Genauigkeit dauerhaft auf dem gleichen Niveau, was bei der Probenvorbereitung im Labor wichtig ist.

Motor ist für die Pipette eine wichtige Komponente

Der Motor ist in solchen Geräten ein wichtiges Designelement, denn er hat einen großen Einfluss auf die Präzision. Der Konstrukteur muss Motorleistung, -größe und -gewicht sowie die Auswirkungen der Motortechnologie auf die Steuerelektronik berücksichtigen. Die beiden beliebtesten Optionen für diese Anwendung sind Schritt- und Gleichstrommotoren. Beide haben Vor- und Nachteile.

Gleichstrommotoren sind einfache elektrische Maschinen, die sich beim Anlegen von Gleichstrom drehen und keine komplexe Elektronik für die Steuerung benötigen. Es muss jedoch berücksichtigt werden, wie die Drehbewegung des Motors in die Linearbewegung umgewandelt wird – diese ist erforderlich, um den Kolben zu betätigen. Dies wird meist durch eine Leitspindel und ein Getriebe erreicht. Beide machen das Antriebssystem insgesamt schwerer und größer. Darüber hinaus benötigt eine Lösung mit Gleichstrommotor einen Rückführmechanismus in Form eines optischen Sensors oder Encoders, um die lineare Kolbenposition genau steuern zu können. Da der Rotor eine gewisse Trägheit aufweist, könnte ein zusätzliches Bremssystem sinnvoll sein, um die Positioniergenauigkeit zu verbessern.

Argumente für den Gleichstrommotor in der Pipette

Ergonomisch ist eine Lösung mit Gleichstrommotor für den Benutzer vorteilhaft und macht ein Pipettiersystem präziser und genauer. Die zusätzlich erforderlichen Komponenten können sich aber als kostspielig herausstellen.

Eine Alternative ist der Schrittmotor-Linearaktuator. Er lässt sich einfach in die Konstruktion integrieren und verbessert die Leistung bei vergleichsweise geringeren Kosten. So ein Antrieb besteht aus einem Can-Stack-Schrittmotor mit einem Gewinderotor und integrierter Leitspindel. Die Baugröße ist gering, und der Antrieb liefert direkt die gewünschte lineare Bewegung. Da der Aktuator um einen Schrittmotor herum verbaut wird, bewegt sich die Leitspindel in einzelnen Schritten nach oben und unten, wenn elektrische Impulse angelegt werden.

Vorteile des Schrittmotors in der Pipette

Ein Vorteil des Schrittmotor-Linearaktuators ist, dass er sich in einem offenen Regelkreis ansteuern lässt. Kostspielige Rückkopplungsgeräte und Bremssysteme zur Positionierung sind hier nicht erforderlich. Durch einen kleinen Schrittwinkel und die Auswahl einer geeigneten Gewindespindelsteigung positioniert das System mit hoher Auflösung. Durch den Antrieb des Schrittmotor-Linearaktuators im Mikroschrittbetrieb lässt sie sich noch weiter verbessern.

Bei der Spezifikation des Schrittmotor-Linearaktuators ist die richtige Auslegung des Schrittmotors besonders wichtig. Fehler können hier dazu führen, dass Schritte verloren gehen. Das würde beim Dosieren zu Ungenauigkeiten führen. Sowohl Schritt- als auch Gleichstrommotoren haben also beim Einsatz in elektronischen Pipetten Vor- und Nachteile, die bereits in den ersten Stadien der Produktentwicklung berücksichtigt werden sollten.

www.portescap.com

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