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Die peristaltische Pumpe: Zwei Stellen gleichzeitig verschlossen, und kein Ventil berührt die Flüssigkeit
Übersetzt
Emma

Erstellt von

Emma

27. September 2026SE
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Die peristaltische Pumpe: Zwei Stellen gleichzeitig verschlossen, und kein Ventil berührt die Flüssigkeit

Drücken Sie einen Schlauch zwischen zwei Fingern zu und schieben Sie sie entlang: Die Flüssigkeit vor ihnen wird weitergedrückt, und der Schlauch federt hinter Ihren Fingern zurück und füllt sich wieder. Das ist das ganze Prinzip einer peristaltischen Pumpe. Ein Rotor trägt Rollen über eine gekrümmte Bahn, die jeweils einen flexiblen Schlauch zusammendrücken und entlang ihm abrollen. Nur die Innenseite des Schlauchs kommt jemals mit der Flüssigkeit in Berührung. Es gibt keine Ventile, die verstopfen könnten, keine Dichtungen, die undicht werden könnten, und nichts zu reinigen außer einem Schlauch, der weggeworfen werden kann. Deshalb ist dies die Pumpe für Blut, für Zellkulturen, zum Dosieren von Chemikalien in eine Wasserversorgung, für Beton und für Druckertinte. Rufus Porter und J. D. Bradley patentierten sie 1855 als Brunnenpumpe und hielten die eine Regel fest, an die sich jede peristaltische Pumpe bis heute halten muss: Der Schlauch muss an **zwei Stellen im selben Augenblick** verschlossen sein. 1881 nutzte Eugene Allen dasselbe Prinzip, um Blut zu bewegen, gerade weil es dafür keine Ventile gibt, an denen das Blut gerinnen könnte. Dieser Abschnitt baut eine solche Pumpe mit einem Schrittmotor nach.
Fortgeschritten
Ungefähr 6 Stunden

Anweisungen

1

Wähle zuerst den Schlauch – er bestimmt alles Weitere

Der Schlauch ist die Pumpe. Sein Innendurchmesser bestimmt den Förderstrom pro Umdrehung, seine Wandstärke bestimmt, wie stark die Rollen quetschen müssen, und sein Material bestimmt, was er fördern kann und wie lange er hält. Verwende für diesen Aufbau **Silikon**-Schlauch: Er stellt nach jedem Quetschen schnell seine runde Form wieder her, und genau das füllt die Kammer hinter der Rolle wieder auf. PVC-Schlauch aus Klar-PVC ist günstiger und steifer – er erholt sich langsamer, nimmt früher eine dauerhafte flache Verformung an und eignet sich nur für langsame, gelegentliche Einsätze. Messen Sie Innendurchmesser und Wandstärke mit einer Schieblehre an einem abgeschnittenen Ende, an mehreren Punkten rund um den Umfang. Ein flach gequetschter Schlauch ist genau **zwei Wandstärken dick**; das ist der Ausgangsspalt zwischen Rolle und Laufbahn. Notieren Sie beide Werte – die Laufbahn wird im nächsten Schritt darauf ausgelegt.

Materialien für diesen Schritt:

SilikonschlauchSilikonschlauch1 Meter

Benötigte Werkzeuge:

Digitaler Messschieber 6 ZollDigitaler Messschieber 6 Zoll
2

Drucke die Bahn, den Rotor und die Rollen

Drucke ein Gehäuse mit einer gekrümmten Bahn mit 25 mm Radius zur Mittellinie des Schlauchs, die **mindestens 180 Grad** umschließt – eine U-Form, bei der der Schlauch auf einem Schenkel eintritt und auf dem anderen austritt. Drucke einen dreiarmigen Rotor, der mit einer Madenschraube auf die 5-mm-Welle des Schrittmotors passt, und montiere an das Ende jedes Arms als Rolle ein Skateboard-Lager auf einer Maschinenschraube. Wälzlager statt fester Stifte sind der Unterschied zwischen einer Pumpe und einem Schlauchschneider: Ein Stift schleift am Schlauch entlang und scheuert ihn durch. Mache die Bahn zu einem separaten Teil, das mit zwei Schrauben in Langlöchern gehalten wird, damit du es in Richtung Rotor verschieben kannst. Diese Einstellung ist die **Okklusion** – wie stark der Schlauch zusammengedrückt wird – und sie ist die einzige Einstellung, die die Pumpe hat. Klemme den Schlauch an beiden Enden der Bahn mit gedruckten Clips fest, sonst wandert er mit den Rollen mit, bis er straff gezogen ist und nicht mehr pumpt.

Materialien für diesen Schritt:

PETG-FilamentPETG-Filament120 g
KugellagerKugellager3 Stück
MaschinenschraubenMaschinenschrauben10 Stück
SchrittmotorSchrittmotor1 Stück

Benötigte Werkzeuge:

FDM-3D-DruckerFDM-3D-Drucker
Digitaler Messschieber 6 ZollDigitaler Messschieber 6 Zoll
Innensechskant-SchlüsselsatzInnensechskant-Schlüsselsatz
AkkubohrschrauberAkkubohrschrauber
BohrersatzBohrersatz
3

Förderleistung pro Umdrehung und die Regel der zwei geschlossenen Stellen

Jupyter-Notebook wird geladen …
4

The drive: a stepper, a speed knob and a reverse button

A stepper motor is the right drive for a dosing pump: it turns a known angle per step, so the volume pumped is simply steps counted. This sketch reads a potentiometer for speed and a button to reverse — reversing is how you clear an air lock or empty a line back into its bottle. Set the driver's current limit before connecting the motor; a stepper run at the wrong current either stalls under the tube's resistance or overheats.
peristaltic_drive.inoarduino
/*
  peristaltic_drive.ino -- run a stepper-driven peristaltic pump at a set speed.

  Hardware: a NEMA 17 stepper on an A4988 (or DRV8825) driver board, a 10 k
  potentiometer for speed, and a push button to reverse.
  Wiring:   driver STEP -> D3, DIR -> D4, EN -> D8 (LOW = enabled)
            pot wiper -> A0, pot ends -> 5V and GND
            button    -> D2 and GND (internal pull-up)
  The driver's own VMOT must come from the 12 V supply, with a 100 uF capacitor
  across it at the board, and its current limit set BEFORE the motor is connected.
*/

const int PIN_STEP = 3;
const int PIN_DIR  = 4;
const int PIN_EN   = 8;
const int PIN_BTN  = 2;
const int PIN_POT  = A0;

const long STEPS_PER_REV = 200L * 16L;   // 1.8 deg motor, 1/16 microstepping
const float RPM_MIN = 2.0;
const float RPM_MAX = 150.0;

unsigned long lastStep = 0;
unsigned long interval = 0;              // microseconds between steps
bool forward = true;
bool lastBtn = HIGH;

void setup() {
  pinMode(PIN_STEP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_EN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP);
  digitalWrite(PIN_EN, LOW);
  digitalWrite(PIN_DIR, HIGH);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // speed from the pot, re-read every loop so turning it takes effect at once
  float rpm = RPM_MIN + (RPM_MAX - RPM_MIN) * analogRead(PIN_POT) / 1023.0;
  interval = (unsigned long)(60.0e6 / (rpm * STEPS_PER_REV));

  // reverse on a button press (edge, not level), to clear an air lock
  bool b = digitalRead(PIN_BTN);
  if (b == LOW && lastBtn == HIGH) {
    forward = !forward;
    digitalWrite(PIN_DIR, forward ? HIGH : LOW);
    Serial.println(forward ? F("forward") : F("reverse"));
    delay(30);                           // crude debounce
  }
  lastBtn = b;

  unsigned long now = micros();
  if (now - lastStep >= interval) {
    lastStep = now;
    digitalWrite(PIN_STEP, HIGH);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(PIN_STEP, LOW);
  }
}

/*
  CALIBRATE, don't trust the arithmetic:
   1. Run into a graduated cylinder for exactly 100 rotor turns (count them on
      the serial print, or time them at a known rpm).
   2. Volume / 100 is your mL per turn. Compare it with the notebook's figure.
   3. Repeat with the outlet lifted 1 m higher. If the figure drops, the
      rollers are not closing the tube fully -- raise the occlusion.
*/

Materialien für diesen Schritt:

Arduino Uno R3Arduino Uno R31 Stück
SchrittmotortreiberSchrittmotortreiber1 Stück
PotentiometerPotentiometer1 Stück
SteckbrückenSteckbrücken1 Set

Benötigte Werkzeuge:

Computer mit Arduino-IDEComputer mit Arduino-IDE
GleichstromnetzgerätGleichstromnetzgerät
5

Okklusion einstellen und gegen eine Wassersäule kalibrieren

Beginnen Sie mit zurückgefahrenem Schlitten, sodass die Rollen den Schlauch kaum berühren. Legen Sie den Einlass in ein Becherglas mit Wasser und einem Tropfen Farbstoff, führen Sie den Auslass in einen Messzylinder und lassen Sie die Pumpe langsam laufen. Fahren Sie den Schlitten jeweils nur ein kleines Stück hinein. Zunächst fördert die Pumpe fast nichts: Die Rollen drücken die Flüssigkeit zwar vorwärts, sie rutscht aber an ihnen vorbei zurück. Wenn der Spalt etwa das Doppelte der Wandstärke erreicht, springt der Durchfluss an. Heben Sie nun den Auslass einen Meter über den Einlass und beobachten Sie den Farbstoff: Kriecht er zwischen den Rollendurchgängen rückwärts, schließen Sie den Schlitten noch etwas weiter. Halten Sie an, sobald er stehen bleibt. Gehen Sie nicht darüber hinaus. Jeder zusätzliche Bruchteil eines Millimeters quetscht den Schlauch bei jedem Durchgang und verkürzt seine Lebensdauer, bringt aber keinen weiteren Durchfluss. Kalibrieren Sie nun: Zählen Sie 100 Umdrehungen in den Messzylinder, dividieren Sie und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Wert im Laborbuch. Die reale Pumpe fördert weniger, weil sich der Schlauch zwischen den Rollen nicht vollständig in seine runde Form zurückbildet. Diese gemessene Zahl, nicht die berechnete, ist diejenige, mit der eine Dosierpumpe betrieben wird.

Materialien für diesen Schritt:

WasserWasser1 Liter
Lebensmittelfarbe (Farbstoff zur Strömungssichtbarmachung)Lebensmittelfarbe (Farbstoff zur Strömungssichtbarmachung)1 Tropfen

Benötigte Werkzeuge:

MesszylinderMesszylinder
StoppuhrStoppuhr
Innensechskant-SchlüsselsatzInnensechskant-Schlüsselsatz
Bandmaß (Rollmeter)Bandmaß (Rollmeter)
6

Pulsation und Schlauchverschleiß

Jupyter-Notebook wird geladen …
7

Der Durchfluss ist abgewichen: Ursache finden

Der Durchfluss einer Schlauchpumpe ist nur so gut wie ihr Schlauch und ihre Okklusion. Dies sind die Fehler, die das kalibrierte Milliliter pro Umdrehung verändern, in der Reihenfolge, in der Sie sie prüfen sollten.

Flow

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8

Geschichte und Kontext

**US 12,753, 'Elastic-Tube Pump', Rufus Porter aus Washington DC und J. D. Bradley aus Brattleboro, Vermont, datiert 17. April 1855.** Porter war der Gründer von Scientific American. Das Patent beschreibt Schlauch aus vulkanisiertem Kautschuk – zu diesem Zeitpunkt erst seit einem Jahrzehnt kommerziell erhältlich –, der um eine zylindrische Fläche befestigt und von einer Rolle überfahren wird. Es benennt die Bedingung, die die Pumpe funktionsfähig macht: Der Schlauch muss *"im selben Augenblick geschlossen"* sein, und zwar an zwei Stellen. Eine der von ihnen angegebenen Methoden bestand darin, den Schlauch um eine volle Windung aufzuwickeln. **US 249,285, 'Instrument for Transfusion of Blood', Eugene E. Allen aus Grand Rapids, Michigan, eingereicht am 23. Juni 1881, erteilt am 8. November 1881.** Ein Gummischlauch mit etwa einem Achtelzoll (ca. 3,2 mm) lichter Weite lag auf einem Gummipolster in einer kleinen Messingdose, und drei oder mehr Glasrollen, auf einem endlosen Riemen geführt, drückten ihn stets zu. Allens Beschreibung begründet dies: Der bewegte Druck *"verzichtet auf alle Saugventile, die sich aufgrund der klebrigen und fibrinösen Beschaffenheit des Blutes stets zusetzen und Gerinnsel erzeugen würden"*. Die Rollenpumpe bewegte danach aus demselben Grund, den Allen angab, Blut in Herz-Lungen- und Dialysemaschinen. **Ehrliche Grenzen.** Sie pulsiert. Ihr Durchfluss hängt von einem Schlauch ab, der verschleißt, daher driftet sie und muss neu kalibriert werden. Der Druck ist begrenzt durch das, was der Schlauch abdichten kann – einige bar bei gewöhnlichem Laborschlauch. Und ein verschlissener Schlauch versagt nicht sanft: Er reißt, und was erförderte, gelangt in den Pumpenkopf.
Schritt 8 - Image 1

Materialien

11

Benötigte Werkzeuge

10

CC0 Gemeinfrei

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