Una bomba peristáltica , también conocida comúnmente como bomba de rodillos , es un tipo de bomba de desplazamiento positivo que se utiliza para bombear una variedad de fluidos . El fluido está contenido en un tubo flexible colocado dentro de una carcasa de bomba circular. La mayoría de las bombas peristálticas funcionan mediante movimiento rotatorio, aunque también se han fabricado bombas peristálticas lineales. El rotor tiene una serie de "limpiaparabrisas" o "rodillos" unidos a su circunferencia externa, que comprimen el tubo flexible a medida que giran. La parte del tubo bajo compresión se cierra, lo que obliga al fluido a moverse a través del tubo. Además, a medida que el tubo se abre a su estado natural después de que pasan los rodillos, se introduce más líquido en el tubo. Este proceso se llama peristalsis y se utiliza en muchos sistemas biológicos, como el tracto gastrointestinal . Normalmente, habrá dos o más rodillos comprimiendo el tubo, atrapando una masa de líquido entre ellos. La masa de líquido se transporta a través del tubo, hacia la salida de la bomba. Las bombas peristálticas pueden funcionar de forma continua o pueden regularse mediante revoluciones parciales para suministrar cantidades más pequeñas de líquido.
En 1845, en The Mechanics Magazine se describió una forma de bomba peristáltica. La bomba utilizaba una manguera de cuero que no necesitaba abrirse automáticamente cuando la soltaban los rodillos, sino que dependía de que el agua entrante tuviera suficiente presión para llenar el extremo de entrada abierto en cada ciclo. [1] La bomba peristáltica fue patentada por primera vez en los Estados Unidos por Rufus Porter y J. D. Bradley en 1855 (número de patente de EE. UU. 12753) [2] como bomba de pozo, y más tarde por Eugene Allen en 1881 (número de patente de EE. UU. 249285) [3] para transfusiones de sangre . Fue desarrollada por el cirujano cardíaco Dr. Michael DeBakey [4] para transfusiones de sangre [5] mientras era estudiante de medicina en 1932 y más tarde la utilizó para sistemas de derivación cardiopulmonar [6] . En 1992 se desarrolló una bomba de rodillo no oclusiva especializada (patente de EE. UU. 5222880) [7] que utiliza tubos planos blandos para sistemas de derivación cardiopulmonar.
Las bombas peristálticas se utilizan normalmente para bombear líquidos limpios/estériles o altamente reactivos sin exponerlos a la contaminación de los componentes de la bomba expuestos. Algunas aplicaciones comunes incluyen el bombeo de líquidos intravenosos a través de un dispositivo de infusión, aféresis , productos químicos altamente reactivos, lodos con alto contenido de sólidos y otros materiales donde el aislamiento del producto del medio ambiente es fundamental. También se utilizan en máquinas de circulación extracorpórea para hacer circular la sangre durante la cirugía de bypass y en sistemas de hemodiálisis , ya que la bomba no causa hemólisis significativa o ruptura de las células sanguíneas. [ cita requerida ]
La bomba peristáltica ideal debería tener un diámetro infinito en el cabezal de la bomba y el mayor diámetro posible en los rodillos. Una bomba peristáltica ideal de este tipo debería ofrecer la mayor vida útil posible de los tubos y proporcionar un caudal constante y sin pulsaciones.
En la realidad, no es posible construir una bomba peristáltica ideal de este tipo, pero sí es posible diseñar bombas peristálticas que se aproximen a estos parámetros ideales.
Un diseño cuidadoso puede ofrecer caudales constantes y precisos durante varias semanas junto con una larga vida útil de los tubos sin riesgo de rotura de los mismos. [ cita requerida ]
El fluido bombeado entra en contacto únicamente con la superficie interior del tubo. Esto elimina los problemas de compatibilidad del fluido con otros componentes de la bomba, como válvulas, juntas tóricas y sellos, que deben tenerse en cuenta para otros diseños de bombas. Por lo tanto, solo se considera la composición del tubo por el que pasa el medio bombeado para la compatibilidad química. [ cita requerida ]
El tubo debe ser elastomérico para mantener la sección transversal circular después de millones de ciclos de compresión en la bomba. Este requisito elimina una variedad de polímeros no elastoméricos que son compatibles con una amplia gama de productos químicos, como PTFE , poliolefinas , PVDF , etc., de la consideración como material para los tubos de la bomba. Los elastómeros populares para los tubos de la bomba son el nitrilo (NBR) , Hypalon , Viton , silicona , PVC , EPDM , EPDM+ polipropileno (como en Santoprene ), poliuretano y caucho natural . De estos materiales, el caucho natural tiene la mejor resistencia a la fatiga, y EPDM e Hypalon tienen la mejor compatibilidad química. La silicona es popular con los fluidos a base de agua, como en la industria biofarmacéutica, pero tiene un rango limitado de compatibilidad química en otras industrias. [ cita requerida ]
Los tubos de fluoropolímero extruidos como FKM (Viton, Fluorel, etc.) tienen buena compatibilidad con ácidos, hidrocarburos y combustibles derivados del petróleo , pero tienen una resistencia a la fatiga insuficiente para lograr una vida útil efectiva del tubo.
Hay un par de desarrollos de tubos más nuevos que ofrecen una amplia compatibilidad química utilizando tubos revestidos y fluoroelastómeros . [ cita requerida ]
En el caso de los tubos revestidos, el fino revestimiento interior está hecho de un material resistente a los productos químicos, como poliolefina y PTFE, que forma una barrera para que el resto de la pared del tubo no entre en contacto con el fluido bombeado. Estos revestimientos son materiales que a menudo no son elastoméricos, por lo que no se puede fabricar toda la pared del tubo con este material para aplicaciones de bombas peristálticas. Este tubo proporciona una compatibilidad química adecuada y una vida útil para su uso en aplicaciones químicamente exigentes. Hay algunas cosas que se deben tener en cuenta al utilizar estos tubos: cualquier orificio en el revestimiento durante la fabricación podría hacer que el tubo sea vulnerable a ataques químicos. En el caso de los revestimientos de plástico rígido como las poliolefinas, con la flexión repetida en la bomba peristáltica pueden desarrollar grietas, lo que hace que el material a granel vuelva a ser vulnerable a ataques químicos. Un problema común con todos los tubos revestidos es la delaminación del revestimiento con la flexión repetida que indica el final de la vida útil del tubo. Para aquellos que necesitan tubos compatibles con los productos químicos, estos tubos revestidos ofrecen una buena solución. [ cita requerida ]
En el caso de los tubos de fluoroelastómero, el propio elastómero tiene la resistencia química. En el caso de Chem-Sure, por ejemplo, está hecho de un perfluoroelastómero, que tiene la compatibilidad química más amplia de todos los elastómeros. Los dos tubos de fluoroelastómero enumerados anteriormente combinan la compatibilidad química con una vida útil muy prolongada del tubo gracias a su tecnología de refuerzo, pero tienen un coste inicial bastante alto. Hay que justificar el coste con el valor total derivado de la larga vida útil del tubo y compararlo con otras opciones, como otros tubos o incluso otras tecnologías de bombas.
Existen muchos sitios en línea para verificar la compatibilidad química del material de los tubos con el fluido bombeado. Los fabricantes de tubos también pueden tener cuadros de compatibilidad específicos para su método de producción de tubos, revestimiento, material y el fluido que se bombea.
Si bien estos cuadros cubren una lista de fluidos que se encuentran comúnmente, es posible que no incluyan todos los fluidos. Si hay un fluido cuya compatibilidad no se encuentra en ninguna parte, entonces una prueba común de compatibilidad es la prueba de inmersión. Una muestra de 1 a 2 pulgadas del tubo se sumerge en el fluido que se va a bombear durante un período de entre 24 y 48 horas, y se mide la cantidad de cambio de peso antes y después de la inmersión. Si el cambio de peso es mayor al 10% del peso inicial, entonces ese tubo no es compatible con el fluido y no debe usarse en esa aplicación. Esta prueba sigue siendo una prueba unidireccional, en el sentido de que todavía existe una remota posibilidad de que el tubo que pasa esta prueba pueda ser incompatible para la aplicación, ya que la combinación de compatibilidad límite y flexión mecánica puede empujar el tubo al límite, lo que resulta en una falla prematura del tubo.
En general, los recientes desarrollos en tubos han aportado una amplia compatibilidad química a la opción de bomba peristáltica, lo que permite que muchas aplicaciones de dosificación de productos químicos se beneficien en comparación con otras tecnologías de bombas actuales.
El espacio mínimo entre el rodillo y la carcasa determina la compresión máxima aplicada a la tubería. La cantidad de compresión aplicada a la tubería afecta el rendimiento de bombeo y la vida útil de la tubería: una mayor compresión reduce drásticamente la vida útil de la tubería, mientras que una menor compresión puede hacer que el medio bombeado se deslice hacia atrás, especialmente en el bombeo a alta presión, y reduce drásticamente la eficiencia de la bomba, y la alta velocidad del deslizamiento hacia atrás generalmente causa una falla prematura de la manguera. Por lo tanto, esta cantidad de compresión se convierte en un parámetro de diseño importante.
El término "oclusión" se utiliza para medir la cantidad de compresión. Se expresa como un porcentaje del doble del espesor de la pared o como una cantidad absoluta de la pared que se comprime.
Dejar
Entonces
La oclusión suele ser del 10% al 20%, con una oclusión mayor para un material de tubo más blando y una oclusión menor para un material de tubo más duro.
Por lo tanto, para una bomba determinada, la dimensión más crítica de la tubería es el espesor de la pared. Un punto interesante aquí es que el diámetro interior (DI) de la tubería no es un parámetro de diseño importante para la idoneidad de la tubería para la bomba. Por lo tanto, es común que se utilice más de un DI con una bomba, siempre que el espesor de la pared permanezca igual.
Para una velocidad de rotación determinada de la bomba, un tubo con un diámetro interior (DI) mayor proporcionará un caudal mayor que uno con un diámetro interior menor. El caudal es una función del área de la sección transversal del orificio del tubo.
El caudal es un parámetro importante para una bomba. El caudal de una bomba peristáltica está determinado por muchos factores, como:
Aumentar la cantidad de rodillos no aumenta el caudal, sino que lo reduce un poco al reducir la circunferencia efectiva (es decir, la que bombea el fluido) del cabezal. Agregar rodillos tiende a reducir la amplitud de la pulsación del fluido en la salida al aumentar la frecuencia del flujo pulsado.
La longitud del tubo (medida desde el punto de pinzamiento inicial cerca de la entrada hasta el punto de liberación final cerca de la salida) no afecta el caudal. Sin embargo, un tubo más largo implica más puntos de pinzamiento entre la entrada y la salida, lo que aumenta la presión que puede generar la bomba.
El caudal de una bomba peristáltica no es lineal en la mayoría de los casos. El efecto de la pulsación en la entrada de la bomba modifica el grado de llenado de la manguera peristáltica. Si la pulsación de entrada es alta, la manguera peristáltica puede adquirir una forma ovalada, lo que da como resultado un menor caudal. Por lo tanto, una dosificación precisa con una bomba peristáltica solo es posible si la bomba tiene un caudal constante o si se elimina la pulsación de entrada mediante el uso de amortiguadores de pulsaciones diseñados correctamente.
La pulsación es un efecto secundario importante de la bomba peristáltica. La pulsación en una bomba peristáltica está determinada por muchos factores, como:
Las bombas peristálticas de manguera de mayor presión , que normalmente pueden funcionar con hasta 16 bar (230 psi) en servicio continuo, utilizan zapatas (solo se utilizan rodillos en los tipos de baja presión) y tienen carcasas llenas de lubricante para evitar la abrasión del exterior del tubo de la bomba y ayudar a la disipación del calor, y utilizan tubos reforzados, a menudo llamados "mangueras". Esta clase de bomba se suele denominar "bomba de manguera".
La mayor ventaja de las bombas de manguera sobre las bombas de rodillos es la alta presión de funcionamiento de hasta 16 bar. Con las bombas de rodillos, la presión máxima puede alcanzar los 12 bar (170 psi) sin ningún problema. Si no se requiere una alta presión de funcionamiento, una bomba de manguera es una mejor opción que una bomba de manguera si el medio bombeado no es abrasivo. Con los recientes avances realizados en la tecnología de las mangueras en cuanto a presión, vida útil y compatibilidad química, así como los rangos de caudal más altos, las ventajas que tenían las bombas de manguera sobre las bombas de rodillos siguen desapareciendo.
Las bombas peristálticas de menor presión suelen tener carcasas secas y utilizan rodillos junto con tubos extruidos no reforzados. Esta clase de bomba a veces se denomina "bomba de tubo" o "bomba de tubo". Estas bombas utilizan rodillos para apretar el tubo. A excepción de un diseño de bomba excéntrica de 360°, estas bombas tienen un mínimo de 2 rodillos separados 180° y pueden tener hasta 8 o incluso 12 rodillos. Al aumentar el número de rodillos, aumenta la frecuencia del pulso de presión del fluido bombeado en la salida, lo que disminuye la amplitud del pulso. La desventaja de aumentar el número de rodillos es que aumenta proporcionalmente el número de compresiones u oclusiones en el tubo para un flujo acumulado determinado a través de ese tubo, lo que reduce la vida útil del tubo.
Hay dos tipos de diseño de rodillos en las bombas peristálticas:
La presión de funcionamiento de estas bombas está determinada por la tubería y por la capacidad del motor para superar la resistencia del tubo y la presión del fluido.
En microfluídica, a menudo es deseable minimizar el volumen de fluido circulante. Las bombas tradicionales requieren un gran volumen de líquido externo al circuito microfluídico. Esto puede provocar problemas debido a la dilución de analitos y moléculas de señalización biológica ya diluidas. [9] Por esta razón, entre otras, es deseable integrar una estructura de microbombeo en el circuito microfluídico. Wu et al. presentaron en 2008 una microbomba peristáltica accionada neumáticamente que elimina la necesidad de grandes volúmenes de fluido circulante externo. [8]
Las consideraciones para seleccionar los tubos de una bomba peristáltica incluyen la resistencia química adecuada al líquido que se bombea, si la bomba se usará de manera continua o intermitente y el costo. Los tipos de tubos que se usan comúnmente en las bombas peristálticas incluyen:
Para uso continuo, la mayoría de los materiales tienen un rendimiento similar en períodos cortos de tiempo. [10] Esto sugiere que materiales de bajo costo que se pasan por alto, como el PVC, podrían satisfacer las necesidades de aplicaciones médicas de uso único y a corto plazo. Para uso intermitente, la deformación por compresión es importante y la silicona es una opción de material óptima.
