Перистальдік сорғы: түрлері, қолданылуы және қағидалары

Кіріспе

Насос түрі

Перистальтикалық насос, сонымен қатар роликтік насос деп те аталады, – әртүрлі сұйықтықтарды қағу үшін қолданылатын оң ығысулы насос түрі. Сұйықтық дөңгелек насос корпусына орнатылған иілгіш түтікшеде орналасады. Көптеген перистальтикалық насостар айналмалы қозғалыс арқылы жұмыс істейді, бірақ сызықтық перистальтикалық насостар да жасалған. Ротордың сыртқы шеңберіне бірнеше "сүрткіш" немесе "ролик" бекітілген, олар айналғанда иілгіш түтікті қысады. Түтіктің қысылған бөлігі жабылады, бұл сұйықтықты түтік арқылы жылжуға мәжбүр етеді. Сонымен қатар, роликтен өткеннен кейін түтік өзінің табиғи күйіне оралғанда, оған қосымша сұйықтық сорылады. Бұл процесс перистальтика деп аталады және көптеген биологиялық жүйелерде, мысалы, асқазан-ішек трактысында қолданылады. Әдетте, түтікті қысатын екі немесе одан көп роликтің арасында сұйықтық жиналады. Сұйықтық түтік арқылы насос шығысына қарай жылжытылады. Перистальтикалық насостар үздіксіз жұмыс істей алады немесе кішкентай мөлшерде сұйықтық беру үшін жартылай айналымдар арқылы басқарылуы мүмкін.

Тарих

1845 жылы «Механика журналында» перистальтикалық сорғының бір түрі сипатталған. Сорғы былғары шлангты пайдаланған, ол роликтер босатылғанда өздігінен ашылуы қажет болмаған, керісінше, әр циклде ашық кіріс ұшын толтыру үшін жеткілікті қысымы бар кіріс суына сенеген. Перистальтикалық сорғы алғаш рет АҚШ-та Руфус Портер мен Дж. Д. Брэдли 1855 жылы (АҚШ патенті № 12753) құдық сорғысы ретінде, ал кейіннен Евгений Аллен 1881 жылы (АҚШ патенті № 249285) қан құю үшін патенттеген. Бұл әдісті жүрек хирургі доктор Майкл ДеБейки 1932 жылы медицина студенті кезінде қан құю үшін жетілдірді, кейіннен ол жүрек-өкпе айналым жүйелерінде қолданды. 1992 жылы жүрек-өкпе айналым жүйелері үшін жұмсақ, жалпақ түтіктерді пайдаланатын арнайы бітелмейтін роликті сорғы (АҚШ патенті 5222880) жасалды.

Қолданбалар

Перистальтикалық сорғылар көбінесе таза/стерильді немесе жоғары реактивті сұйықтықтарды, оларды сорғы компоненттерімен байланыстырғанда ластану қаупінсіз тасымалдау үшін қолданылады. Олардың жиі қолданылатын салаларына инфузиялық құрылғы арқылы дәрілік сұйықтықтарды сорғылау, аферез, жоғары реактивті химиялық заттар, жоғары концентрациялы суспензиялар және өнімді сыртқы ортадан толығымен оқшаулау қажетті басқа материалдар жатады. Сондай-ақ, олар жүрек-өкпе аппаратында айналымдық хирургия кезінде қанды айналдыруға, гемодиализ жүйелерінде де қолданылады, себебі сорғы қан жасушаларын айқын бұзбайды немесе гемолиз тудырмайды.

Құрылыстың негізгі параметрлері

Идеалды перистальтикалық сорғының сорғы басының диаметрі шексіз, ал роликтердің диаметрі ең үлкен болуы тиіс. Мұндай идеалды перистальтикалық сорғы түтіктердің мүмкіндігінше ұзақ қызмет ету мерзімін ұсынады және тұрақты, пульсациясыз ағын жылдамдығын қамтамасыз етеді. Бірақ мұндай идеалды перистальтикалық сорғыны жасау мүмкін емес. Дегенмен, перистальтикалық сорғыларды осы идеалды параметрлерге жақындату үшін жобалауға болады. Сақты жобалау арқасында бірнеше апта бойы тұрақты және дәл ағын жылдамдығын қамтамасыз етуге және түтіктердің жарылу қаупінсіз ұзақ қызмет ету мерзімін ұзартуға болады.

Химиялық үйлесімділік

Сорылған сұйықтық құбырдың ішкі бетімен ғана жанасады. Бұл клапандар, О-сақиналар және тығыздағыштар сияқты басқа сорғы компоненттерімен сұйықтық үйлесімділігіне қатысты мәселелерді жояды, оларды басқа сорғы конструкцияларында ескеру қажет. Сондықтан, химиялық үйлесімділік үшін тек сорылатын орта арқылы өтетін құбырдың құрамы қарастырылады. Құбырлар миллиондаған циклдар ішінде сорғыда сығылғаннан кейін дөңгелек қимасын сақтау үшін эластомерлік болуы керек. Бұл талап, PTFE, полиолефиндер, PVDF сияқты, химиялық заттардың кең ауқымымен үйлесімді эластомерлік емес полимерлерді сорғы құбыры үшін материал ретінде қарастырудан шығарады. Сорғы құбыры үшін танымал эластомерлер: нитрил (NBR), гипалон, витон, силикон, ПВХ, ЭПДМ, ЭПДМ+полипропилен (Santoprene-дегідей), полиуретан және табиғи каучук. Бұл материалдардың ішінде табиғи каучук ең жақсы шаршауға төзімділікке ие, ал EPDM және Hypalon ең жақсы химиялық үйлесімділікке ие. Силикон биофармацевтикалық саласындағы су негізгі сұйықтықтармен қолданылады, бірақ басқа салаларда химиялық үйлесімділігі шектеулі. ФКМ (Viton, Fluorel және т.б.) сияқты экструзияланған фторполимерлік құбырлар қышқылдармен, көмірсутектермен және мұнай отындарымен жақсы үйлесімді, бірақ тиімді қызмет ету мерзіміне жету үшін шаршауға төзімділігі жеткіліксіз. Флюороэластомерлер мен қапталған құбырларды пайдалана отырып, кең химиялық үйлесімділікті ұсынатын бірнеше жаңа құбырлар бар. Қапталған құбырларда ішкі жұқа қабат полиолефин және ПТФЕ сияқты химиялық тұрақты материалдан жасалады, ол сорғыдағы сұйықтықпен түтіктің қалған қабырғасының жанасуына кедергі жасайды. Бұл қаптамалар көбінесе эластомерлік емес материалдар болып табылады, сондықтан перистальтикалық сорғылардағы қолдану үшін түтіктің барлық қабырғасын осы материалдан жасау мүмкін емес. Бұл құбырлар химиялық тұрғысынан қиын жағдайларда қолдануға болатын жеткілікті химиялық үйлесімділік пен қызмет ету мерзімін қамтамасыз етеді. Бұл құбырларды пайдаланғанда бірнеше нәрсені ескеру қажет: өндіріс кезінде қаптамадағы кез келген тесіктер түтікті химиялық шабуылға осал етуі мүмкін. Полиолефиндер сияқты қатты пластикалық қаптамалар перистальтикалық сорғыда қайта-қайта иіліп, жарықтар пайда болуы мүмкін, бұл түтіктің негізгі бөлігін химиялық шабуылға қайтадан осал етеді. Барлық қапталған құбырлардың ортақ мәселесі – түтіктің қызмет ету мерзімінің аяқталғанын көрсететін қайта-қайта иілу арқылы қаптаманың қабаттасуы. Химиялық үйлесімді құбырлар қажет болған жағдайларда, бұл қапталған құбырлар жақсы шешім ұсынады. Фторэластомерлік құбырларда эластомердің өзі химиялық кедергіге ие. Мысалы, Chem Sure перфторэластомерден жасалған, ол барлық эластомерлердің ішінде ең кең химиялық үйлесімділікке ие. Жоғарыда аталған екі фторэластомерлік құбыр химиялық үйлесімділікті және олардың арматуралық технологиясынан туындайтын ұзақ қызмет ету мерзімін біріктіреді, бірақ бастапқы құны жоғары. Құбырдың ұзақ қызмет ету мерзімінен туындайтын жалпы құнмен құнын негіздеп, басқа құбырлармен немесе басқа сорғы технологияларымен салыстыру қажет. Құбыр материалдарының сорылатын сұйықтықпен химиялық үйлесімділігін тексеру үшін көптеген онлайн сайттар бар. Құбыр өндірушілері сондай-ақ құбырдың өндіріс әдісіне, қаптамасына, материалына және сорылатын сұйықтыққа сәйкес келетін үйлесімділік кестелерін ұсына алады. Бұл кестелер көбінесе кездесетін сұйықтықтардың тізімін қамтиды, бірақ оларда барлық сұйықтықтар болмауы мүмкін. Егер үйлесімділігі еш жерде көрсетілмеген сұйықтық болса, үйлесімділікті тексерудің жалпы әдісі – суға батыру сынағы. Түтіктің 1-2 дюймдік үлгісі 24-48 сағатқа сорылатын сұйықтыққа батырылады және батыру алдындағы және кейінгі салмақтың өзгеруі өлшенеді. Егер салмақтың өзгеруі бастапқы салмақтың 10% -дан артық болса, онда бұл түтік сұйықтықпен үйлесімсіз және оны осы қолдануда пайдалануға болмайды. Бұл сынақ әлі де бір жақты сынақ болып табылады, себебі осы сынақтан өткен түтік те қолдану үшін үйлесімсіз болуы мүмкін, өйткені шекаралық үйлесімділік пен механикалық иілудің үйлесімі түтіктің мерзімінен бұрын бұзылуына әкелуі мүмкін. Жалпы, соңғы құбырлардың дамуы перистальтикалық сорғы опциясына кең химиялық үйлесімділікті әкелді, бұл көптеген химиялық дозалау қолданыстары үшін басқа қазіргі сорғы технологияларынан артықшылық бере алады.

The pumped fluid contacts only the inside surface of the tubing. This eliminates fluid compatibility concerns with other pump components such as valves, O rings, and seals, which must be considered for other pump designs. Therefore, only the composition of the tubing that the pumped medium travels through is considered for chemical compatibility. The tubing needs to be elastomeric to maintain the circular cross section after millions of cycles of squeezing in the pump. This requirement eliminates a variety of non elastomeric polymers that have compatibility with a wide range of chemicals, such as PTFE, polyolefins, PVDF, etc. from consideration as material for pump tubing. The popular elastomers for pump tubing are nitrile (NBR), Hypalon, Viton, silicone, PVC, EPDM, EPDM+polypropylene (as in Santoprene), polyurethane and natural rubber. Of these materials, natural rubber has the best fatigue resistance, and EPDM and Hypalon have the best chemical compatibility. Silicone is popular with water based fluids, such as in bio pharma industry, but has a limited range of chemical compatibility in other industries. Extruded fluoropolymer tubes such as FKM (Viton, Fluorel, etc.) have good compatibility with acids, hydrocarbons, and petroleum fuels, but have insufficient fatigue resistance to achieve an effective tube life. There are a couple of newer tubing developments that offer broad chemical compatibility using lined tubing and fluoroelastomers. With lined tubing, the thin inside liner is made of a chemically resistant material such as poly olefin and PTFE that form a barrier for the rest of the tubing wall from coming in contact with the pumped fluid. These liners are materials that are often not elastomeric, therefore the entire tube wall cannot be made with this material for peristaltic pump applications. This tubing provides adequate chemical compatibility and life to be used in chemically challenging applications. There are a few things to keep in mind when using these tubes any pinholes in the liner during manufacturing could render the tubing vulnerable to chemical attack. In the case of stiff plastic liners like the polyolefins, with repeated flexing in the peristaltic pump they can develop cracks, rendering the bulk material again vulnerable to chemical attack. A common issue with all lined tubing is the delamination of the liner with repeated flexing that signals the end of the tube's life. For those with the need for chemically compatible tubing, these lined tubings offer a good solution. With fluoroelastomer tubing, the elastomer itself has the chemical resistance. In the case of e. g. Chem Sure, it is made of a perfluoroelastomer, that has the broadest chemical compatibility of all elastomers. The two fluoroelastomer tubes listed above combine the chemical compatibility with a very long tube life stemming from their reinforcement technology but come at a pretty high initial cost. One has to justify the cost with the total value derived over the long tube life and compare with other options such as other tubing or even other pump technologies. There are many online sites for checking the chemical compatibility of the tubing material with the pumped fluid. The tubing manufacturers may also have compatibility charts specific to their tubing production method, coating, material, and the fluid being pumped. While these charts cover a list of commonly encountered fluids, they may not have all the fluids. If there is a fluid whose compatibility is not listed anywhere, then a common test of compatibility is the immersion testing. A 1 to 2 inch sample of the tubing is immersed in the fluid to be pumped for anywhere from 24 to 48 hours, and the amount of weight change from before and after the immersion is measured. If the weight change is greater than 10% of the initial weight, then that tube is not compatible with the fluid, and should not be used in that application. This test is still a one way test, in the sense that there is still a remote chance that the tubing that passes this test can still be incompatible for the application since the combination of borderline compatibility and mechanical flexing can push the tube over the edge, resulting in premature tube failure. In general, recent tubing developments have brought broad chemical compatibility to the peristaltic pump option that many chemical dosing applications can benefit over other current pump technologies.

Ішкі диаметрі

Насостың белгілі бір айналу жылдамдығында, ішкі диаметрі үлкен (ID) түтік, кішкентай ішкі диаметрі бар түтікке қарағанда жоғары өтімділік көрсетеді. Өтімділік түтіктің көлденең қимасының ауданына тәуелді.

Ағындылық

Ағындық – насос үшін маңызды параметр. Перистальтикалық сорғыдағы ағындық жылдамдық көптеген факторларға байланысты анықталады, мысалы:
Түтіктің ішкі диаметрі үлкен болса, ағындық жылдамдық жоғары болады. Насос басының сыртқы диаметрі үлкен болса, ағындық жылдамдық жоғары болады. Насос басының айналу жылдамдығы жоғары болса, ағындық жылдамдық жоғары болады. Кіреберіс пульсациясы шлангтың толтыру көлемін азайтады. Роликтер санын арттыру ағындық жылдамдықты арттырмайды, керісінше, бастың тиімді (яғни сұйықтық сорғылайтын) шеңберін азайту арқылы ағындық жылдамдықты біршама төмендетеді. Роликтерді қосу, шығыстағы сұйықтық пульсациясының амплитудасын азайтуға бейім, импульсті ағымның жиілігін арттыра отырып. Түтіктің ұзындығы (кіреберіс жанындағы бастапқы қысым нүктесінен шығыс жанындағы соңғы босату нүктесіне дейін өлшенген) ағындық жылдамдыққа әсер етпейді. Дегенмен, ұзын түтік кіреберіс пен шығыс арасындағы қысым нүктелерін көбейтеді, бұл сорғының тудыратын қысымын арттырады. Перистальтикалық сорғының ағыны көбінесе сызықтық емес. Сорғының кіреберісіндегі пульсацияның әсері перистальтикалық шлангтың толтыру дәрежесін өзгертеді. Жоғары кіреберіс пульсациясы кезінде перистальтикалық шланг овал пішінге ие болуы мүмкін, нәтижесінде ағын азаяды. Сондықтан, перистальтикалық сорғымен дәл өлшеу тек сорғының ағындық жылдамдығы тұрақты болғанда немесе дұрыс жасалған пульсация демпферлерін қолдану арқылы кіреберіс пульсациясы жойылғанда ғана мүмкін болады.

Пульсация

Пульсация – перистальтикалық сорғының маңызды қосымша әсері. Перистальтикалық сорғыдағы пульсация көптеген факторларға байланысты, мысалы:
Ағын жылдамдығы: Ағын жылдамдығы жоғары болған сайын пульсация да көбірек болады. Құбыр ұзындығы: Ұзын құбырлар көбірек пульсация тудырады. Сорғы жылдамдығы: Жоғары айналу жиілігі көбірек пульсацияға себеп болады. Сұйықтың меншікті салмағы: Сұйықтың тығыздығы жоғары болса, пульсация да артады.

Шлангтармен сору

Жоғары қысымды перистальтикалық шланг сорғылары, үздіксіз жұмыс кезінде әдетте дейін жұмыс істей алады, аяқ киімдерді (төмен қысымды типтерде ғана дөңгелектер қолданылады) пайдаланады және сорғы түтігінің сыртқы бетін тозудан қорғау және жылуды таратуға көмектесу үшін майлау материалдарымен толтырылған корпустарға ие, сондай-ақ көбінесе "шлангтар" деп аталатын нығайтылған түтіктерді қолданады. Бұл сорғы класы көбінесе "шланг сорғысы" деп аталады. Шланг сорғыларының роликті сорғыларға қарағанда ең үлкен артықшылығы – 16 барға дейін жететін жоғары жұмыс қысымы. Роликті сорғыларда максималды қысымға ешқандай қиындықсыз қол жеткізуге болады. Егер жоғары жұмыс қысымы қажет болмаса, сорғыланатын орта тозғыш болмаса, шланг сорғысына қарағанда түтік сорғысы жақсырақ таңдау болады. Қысымға, қызмет ету мерзіміне және химиялық үйлесімділікке арналған түтік технологиясындағы соңғы жетістіктер, сондай-ақ жоғары өнімділік диапазондарының кеңеюіне байланысты, шланг сорғыларының роликті сорғыларға қарағандағы артықшылықтары азаюда.

Микротірістік сорғылар

Микрофлюидикада сұйықтың айналымдағы көлемін азайту жиі қажет болады. Дәстүрлі сорғылар микрофлюидтік тізбектен тыс сұйықтықтың үлкен көлемін қажет етеді. Бұл аналиттердің және бастапқыда аз концентрацияланған биологиялық сигнал молекулаларының одан әрі сұйытылуына байланысты проблемаларға әкелуі мүмкін. Осы және басқа да себептерге байланысты, микросорғы құрылымын микрофлюидтік тізбекке енгізу ыңғайлы. Ву және авторлар тобы 2008 жылы пневматикалық түрде басқарылатын перистальтикалық микросорғы ұсынды, ол үлкен сыртқы айналымдағы сұйық көлемін қажет етпейді. Бұл ПВХ сияқты ең төмен бағалы материалдардың қысқа мерзімді, бір реттік қолданылатын медициналық қолданулардың қажеттіліктерін қанағаттандыруы мүмкін екенін көрсетеді. Үзілісті пайдалану үшін қысылуға төзімділік маңызды, ал силикон – ең қолайлы материал болып табылады.