Peristaltikpumpen und Pumpenschläuche

Welche Schlauch-Pumpen-Kombination passt?

Peristaltikpumpen funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie der Nahrungstransport durch die Speiseröhre. Durch sukzessive Kontraktion von aufeinander folgenden Muskelpaketen entlang der Speiseröhre wird die Nahrung vorwärts bewegt und in den Magen transportiert. Im Fall von Peristaltikpumpen oder Schlauchquetschpumpen entspricht ein elastischer Schlauch der Speiseröhre. Durch äußere mechanische Verformung des Schlauchs wird das Fördermedium durch den Schlauch bewegt. Die Verformung findet jedoch nicht entlang des gesamten Schlauches statt, sondern ist auf einen kreisförmig angeordneten Schlauchabschnitt beschränkt.

1855 erhielt der Amerikaner Rufus Porter (1792 – 1884), ein Universaltalent, gemeinsam mit JD Bradly das erste Patent für eine Peristaltikpumpe, die als Brunnenpumpe mit der Patentnummer US12753A in die Geschichte eingegangen ist. 1881 wurde seinem Landsmann Eugene Edward Allen das Patent, US-Patent Nr. 249285, für eine Peristaltikpumpe zur Bluttransfusion erteilt.

Wie funktionieren Peristaltikpumpen?

Peristaltikpumpen gehören zur Gruppe der Verdrängerpumpen und werden auch als Schlauchquetschpumpen, Roller- oder Rollenpumpen, oft auch einfach als Schlauchpumpen bezeichnet. Sie werden zum Fördern von Flüssigkeiten und Suspensionen verwendet. Das Fördermedium wird durch einen U-förmig geführten Schlauch bewegt. Außen liegt der Schlauch an dem Pumpengehäuse an, innen wird er durch Rollen oder Gleitschuhe, die an einem Rotor angebracht sind, abgeklemmt.

Durch die Rotation bewegt sich die Abklemmstelle entlang des Schlauches und treibt das Fördermedium voran.

Beim Entlasten des Schlauches bewirken die Rückstellkräfte, dass er sich öffnet und wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehrt. Dadurch entsteht ein Unterdruck, der das Fördermedium einsaugt. Damit der Schlauch gequetscht und anschließend wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, muss er weich und elastisch sein. Peristaltikpumpen sind somit nur mit gummielastischen Schläuchen kompatibel.

Förderbewegung einer Schlauchpumpe mit Gleitschuhen
Förderbewegung einer Schlauchpumpe mit Gleitschuhen

Peristaltikpumpen mit Rollen haben eine kleine Kontaktfläche zwischen Rolle und Schlauch. Dadurch entsteht nur sehr wenig Reibung zwischen Schlauchwand und Rolle. Deshalb wird bei dieser Ausführung kein Schmiermittel benötigt. Wegen der geringen Anpressfläche können Schlauchpumpen mit Rollen nur in einem niedrigen Druckbereich bis etwa 2 bar verwendet werden. Bei dieser Ausführung ist der Schlauchwechsel einfach und schnell.

Gleitschuhe besitzen eine größere Anpressfläche als Rollen und können deshalb bei Anwendungen, die höhere Drücke erfordern, eingesetzt werden. Jedoch verursacht die größere Anpressfläche eine erhöhte Reibung zwischen Schlauch und Gleitschuh, was zu einem höheren Anlaufmoment und höherem Schlauchverschleiß führt.

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Um dem entgegenzuwirken, laufen die Gleitschuhe in einem Bad aus Schmiermittel. Der Schlauchwechsel bei Schlauchpumpen mit Gleitschuhen ist aufwendiger, da das Schmiermittel entfernt und die Gleitschuhe ausgebaut werden müssen.

Die Fördermengen hängen von der Drehzahl und von der Dimensionierung des Schlauchs ab. Je schneller der Rotor dreht und je größer der Durchmesser des Schlauchs, desto höher ist die Fördermenge.

Je nach Dimensionierung kann die Fördermenge zwischen wenigen Mikrolitern pro Minute bei Miniatur-Schlauchpumpen bis zu einigen 100 Liter pro Minute bei Industrie-Schlauchpumpen betragen.

Lebensdauer: Nach wie vielen Betriebsstunden müssen Pumpenschläuche ersetzt werden?

Bei hoher Drehzahl wird der Pumpenschlauch stärker beansprucht, wodurch sich seine Lebensdauer verringert. Auch der Anpressdruck der Gleitschuhe, die Temperatur des Fördermediums sowie das Schlauchmaterial beeinflussen die Lebensdauer. Die Lebensdauer eines Pumpenschlauches beträgt bei richtiger Dimensionierung je nach Einsatzbedingungen zwischen 500 und 5000 Betriebsstunden.

Vorteile von Peristaltikpumpen

Im Vergleich zu anderen Pumpen besitzen Peristaltikpumpen weniger mechanische Teile, wodurch der Wartungsaufwand auf einen Schlauchwechsel beschränkt ist. Dadurch sind auch die damit verbundenen Wartungskosten geringer. Da diese Pumpen ohne Ventile und Dichtungen auskommen, reduziert sich die Gefahr von Flüssigkeitslecks. Leckagen treten nur bei rissigen oder porösen Pumpenschläuchen auf.Peristaltikpumpen sind selbstansaugend und trockenlaufsicher. Die Drehrichtung ist umkehrbar, so können Leitungen einfach entleert und gespült werden.

Die einzige Komponente, die mit dem zu fördernden Medium in Kontakt kommt, ist die Innenfläche des Schlauches. Diese kann leicht gespült und sterilisiert werden.

Schlauchpumpen mit Rollen kommen ohne Schmiermittel aus. Viele verschiedene Schlauchmaterialien wie Silikon-Schläuche, Fluorkautschuk-Schläuche oder EPDM/PP-Schläuche (Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk/Polypropylen) stehen zur Verfügung, in zahlreichen Nennweiten und Ausführungen.

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Mit Schlauchquetschpumpen und geeigneten Pumpenschläuchen können Chemikalien, Beton, Schlamm, viskosen oder pastösen Lebensmitteln oder empfindlichen Medien wie zum Beispiel Blut.

Nachteile von Peristaltikpumpen

Die flexiblen Pumpenschläuche verschleißen mit der Zeit. Sie können an Elastizität verlieren und rissig werden. Durch Abrieb wird die Schlauchwand angegriffen und die Wandstärke verringert. Dadurch werden Förderleistung und Förderdruck beeinträchtigt.

Bei einem Abrieb der Schlauchinnenseite kann das zu fördernde Medium kontaminiert werden.

Sind Pumpe, Fördermedium, Schlauchdurchmesser und Schlauchmaterial nicht aufeinander abgestimmt, kann dies zu Schlauchschäden führen. Für bestimmte Anwendungen ist zu beachten, dass die Strömung in dem Schlauch nicht konstant sondern gepulst ist.

Anforderungen an Pumpenschläuche für Peristaltikpumpen

Damit Schläuche in Peristaltikpumpen verwendet werden können, müssen sie beständig gegenüber dem zu fördernden Medium sein. Sie müssen elastisch sein und ein gutes Rückstellvermögen besitzen. Das bedeutet, sie sollten nach einer Verformung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren. Je besser das Rückstellvermögen eines Pumpenschlauchs, desto genauer erfolgt die Dosierung.

Auch eine hohe Abriebfestigkeit ist gefordert, was zur Erhöhung der Lebensdauer des Schlauchmaterials beiträgt. Eine gute Abriebfestigkeit trägt auch dazu bei, dass möglichst wenig Partikel an das zu fördernde Medium abgegeben werden. Zudem sollten sie über eine gute Biegebeständigkeit, das bedeutet eine geringe Rissbildung unter Belastung, sowie über eine geringe Permeabilität verfügen, insbesondere, wenn Gase gefördert werden.

Welche Pumpenschläuche sind für den Einsatz in Peristaltikpumpen geeignet?

Wegen ihrer Elastizität und damit gutem Rückstellvermögen werden hauptsächlich Pumpenschläuche aus Elastomeren oder thermoplastischen Elastomeren verwendet. Viton®-Schläuche aus Fluorkautschuk (FKM oder FKM) eignen sich zum Fördern von Säuren, aliphatischen, aromatischen sowie halogenierten Kohlenwasserstoffen, Kraftstoffen, Ölen, Fetten und Hydraulikflüssigkeiten. Fluorkautschuk ist in einem Temperaturbereich von -35 °C bis +200 °C thermisch beständig. Verwendet werden FKM-Schläuche in der chemischen Industrie zum Fördern aggressiver Chemikalien, in der Bauindustrie zum Fördern von Beton und Schlamm, in der Druck- und Lackindustrie zur Förderung von Farben und Lacken sowie in der Petrochemie zur Förderung von Erdölerzeugnissen.

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Silikon-Schläuche finden Anwendung beim Fördern von verdünnten Säuren und Laugen, Alkoholen, Estern und Ketonen. Der Einsatzbereich dieser Werkstoffe liegt bei Temperaturen zwischen -60 °C bis +200 °C. Sie erfüllen die Anforderungen der Food and Drug Administration (FDA) und des Bundesinstitutes für Risikobewertung (BfR). Für den Einsatz in der Medizintechnik müssen sie die Kriterien der United States Pharmacopeia USP Klasse VI erfüllen. Dazu werden die systemische Toxizität bei Hautkontakt, beim Einatmen und Verschlucken und die intrakutane Reaktivität bei direktem Gewebekontakt getestet, und die Reaktion nach Implantation in Gewebe eines lebenden Organismus wird untersucht. Genauere Informationen zur USP Class VI-Zertifizierung sind in unserem Magazinartikel USP Class VI Zulassung – Was bedeutet das? zu finden.

EPDM/PP-Schläuche auf Basis von Polypropylen (PP) und Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) sind ebenfalls für Schlauchpumpen sehr gut geeignet. Diese Materialien sind beständig gegenüber vielen Säuren, Laugen, Ether, Ester, Ketone und Aldehyde und können bei Temperaturen zwischen -45° C und +135° C eingesetzt werden. Diverse EPDM/PP-Schlauchausführungen erfüllen die FDA-Richtlinien und eignen sich dadurch für die Verwendung in der Medizintechnik sowie in der Pharma- und Lebensmittelindustrie. In Hochdruckschlauchpumpen werden meist gewebeverstärkte Schläuche aus Naturkautschuk (NR), Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) oder Polyvinylchlorid (PVC) verwendet.

Wo Peristaltikpumpen zum Einsatz kommen

Peristaltikpumpen fördern und dosieren dünnflüssige bis hochviskose, empfindliche, neutrale oder aggressive Flüssigkeiten. Sie werden vor allem bei Prozessen verwendet, bei denen das Fördermedium nicht in Kontakt mit der Pumpe kommen darf.

Peristaltikpumpe mit integriertem Steuermodul
Peristaltikpumpe mit integriertem Steuermodul

In der Medizintechnik werden sie als Infusionspumpen, Blutpumpen in Dialysegeräten und in Herz-Lungen-Maschinen als Bypass für Blut eingesetzt. In der Lebensmittelindustrie werden Flüssigkeiten in Getränkeautomaten durch Peristaltikpumpen dosiert. In der milchverarbeitenden Industrie werden Milch und Milchprodukte wie Joghurt oder Quark gefördert und abgefüllt. Auch bei der Förderung von Wein, Most und Maische kommen sie zum Einsatz . In der Farb-, Druck- und Lackindustrie dienen Peristaltikpumpen zur Abfüllung von Farben, Lacken und Tinten sowie deren Förderung in Spritzsystemen. In der Bauindustrie werden sie als Beton- oder Schlammpumpen eingesetzt, in der Petrochemie zur Förderung von Erdölerzeugnissen. In Wasser- und Abwasseranlagen wird zur Regulierung des pH-Wertes dem Wasser Kalkmilch, eine wässrige Calciumhydroxid-Suspension, zugesetzt. Die Dosierung der Kalkmilch erfolgt mit Schlauchpumpen. In der instrumentellen Analytik werden Probelösungen in Analysegeräten wie zum Beispiel in der Flüssigkeitschromatographie, der Atom-Absorption-Spektroskopie oder der optischen Emissionsspektroskopie mit Hilfe von Schlauchpumpen dosiert. Im Alltag nutzen wir Schlauchpumpen als Kondensatpumpen in Klima- und Heizungsanlagen, als Dosierpumpen in Kaffeeautomaten sowie in Geschirrspülmaschinen für Reiniger und Klarspüler.

Schlauchpumpen zeichnen sich gegenüber anderen Pumpen dadurch aus, dass nur die Schlauchinnenseele mit dem Fördermedium in Kontakt kommt. Mit diesem Pumpentyp kann nahezu jedes Medium gefördert werden, solange Schlauchmaterial und Fördermedium kompatibel sind. Je nach Bauart kann ein großer Fördermengenbereich abgedeckt werden. Um möglichst hohe Standzeiten zu erreichen, ist es wichtig, Peristaltikpumpen der Fördermenge entsprechend ausreichend zu dimensionieren und gemäß der Anwendung die richtige Schlauch-Pumpen-Kombination zu wählen.

Bildquellen:
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Förderbewegung einer Schlauchpumpe | © Fluidity.nonstop, CC BY-SA 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0>, via Wikimedia Commons
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