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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen, beispielsweise
von Emulsionen oder Schäumen.
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Die
Emulgierung ist ein zentraler Schritt in einer Vielzahl von Produktionsverfahren
auf dem Gebiet der Ernährungsindustrie,
kosmetischen Industrie und pharmazeutischen Industrie. Bei der Emulgierung
werden zwei ineinander unlösbare
Flüssigkeiten,
beispielsweise Öl
und Wasser, vermengt, um ein Gemenge zu erzeugen, bei dem die eine
Flüssigkeit in
der Form kleiner Tröpfchen
in der anderen verteilt ist.
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Zur
Herstellung von Emulsionen verwendete Apparate lassen sich in zwei
große
Gruppen unterteilen, nämlich
turbulenzinduzierende Systeme und Systeme mit kontrollierter Tropfengeneration.
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Hinsichtlich
der turbulenz-induzierten Systeme werden für den industriellen Einsatz
beispielsweise Rotor-Stator-Systeme
verwendet, bei denen ein Rotor verwendet wird, um in den Flüssigkeiten
zu rühren,
um das Gemenge zu erzeugen. Derartige Systeme sind beispielsweise
von der Firma Microtec Co., Ltd. (http://nition.com/en) erhältlich.
Ferner werden Hochdruck-Homogenisierer, beispielsweise von der Firma
Niro Inc. (http://www.niroinc.com"), oder auf Ultraschall basierende Systeme,
z.B. Dr. Hielscher GmbH (http://www.hielscher.com), verwendet. Diese
Geräte
können
universell zum Dispergieren mehrerer nichtmischbarer Phasen eingesetzt
werden. Dazu werden große
Scherkräfte
in die Phasengrenzen induziert, um eine Vermengung zu erlangen. Die
Größenverteilung
der dispersen Phase schwankt bei dieser Methode allerdings sehr
stark, da stochastisch verteilte Abrisseffekte in turbulenten Strömungen für die Tropfengeneration
verantwortlich sind. Ein weiterer Nachteil dieser mechanischen Dispergier-Prozesse
ist der Energieeintrag in das Phasengemisch. Dadurch wird die Temperatur
der Emulsion erhöht
und wärmeempfindliche
Komponenten, wie sie oft in der pharmazeutischen Produktion zu finden sind,
können
zerstört
werden.
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Die
Nachteile der turbulenz-induzierenden Systeme, nämlich eine breite Tropfengrößenverteilung
sowie eine Erwärmung
der Emulsion, können durch
Systeme umgangen werden, bei denen Strukturen in der Größenordnung
der zu erzeugenden Tropfen für
eine geometrisch kontrollierte Tropfengeneration genutzt werden.
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Ein
bekanntes Beispiel zur Erzeugung monodisperser Emulsionen ist ein
Membran-Reaktor, der beispielsweise vom Fraunhofer Institut für Grenzflächen und
Bioverfahrenstechnik (http://www.igb.fraunhofer.de) offenbart wird.
Ein Beispiel eines solchen Membran-Reaktors ist in 1 gezeigt, wobei eine kontinuierliche
Phase 10 zwischen zwei porösen Membranen 12 und 14 durchgeleitet
wird, durch deren Mikroporen 16 eine zu dispergierende
Phase 18 in die kontinuierliche Phase gedrückt wird.
Die disperse Phase wird dann von der senkrecht dazu strömenden,
kontinuierlichen Phase beim Austritt aus den Poren 16 abgeschert
und es bilden sich Tropfen 20. Dadurch wird eine Emulsion 22 aus
der kontinuierlichen Phase 10 und der dispersen Phase 18 erzeugt.
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In
jüngerer
Zeit wurde die Produktion von stabilen Mikroemulsionen, die Verteilungen
mit kleinen Tröpfchengrößen aufweisen,
durch mikrofluidische Systeme offenbart, siehe T. Thorsen, R. W.
Roberts, F. H. Arnold und S. R. Quake, Phys. Rev. Lett. 86, S. 4.163 – 4.166
(2001). Auch die Erzeugung von Doppelemulsionen durch mikrofluidische
Systeme wurde offenbart, siehe A. S. Utada, E. Lorenceau, D. R.
Link, P. D. Kaplan, H. A. Stone, D. A. Weitz, Science, 308, S. 537 – 541 (2005).
In dem Fall, dass die Tröpfchengröße auf den
Bereich der Kanalabmessungen eingestellt ist, wird ein kontinuierlicher
Fluss in getrennte Flüssigkeitsabteile
unterteilt, von denen jedes ein winziges Reaktionsgefäß darstellt,
wo ein schnelles diffuses und sogar konvektionsunterstütztes Mischen
stattfindet, siehe A. Günther,
M. Jhunjhunwala, M. Thalmann, M. A. Schmidt und K. F. Jensen, Langmuir,
21, S. 1.547 – 1.555
(2005), und L. S. Roach, H. Song, R. F. Ismagilov, Anal. Chem.,
77, S. 785 – 796
(2005).
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Durch
derartige Techniken können
Emulsionen mit einer sehr schmalbandigen Verteilung der Tropfengrößen, sogenannte
monodisperse Emulsionen, hergestellt werden.
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Derartige
mikrotechnisch gefertigte fluidische Strukturen im Sub-Millimeterbereich,
die als mikrofluidische Systeme bezeichnet werden, ermöglichen
die kontrollierte Produktion und Manipulation einzelner Tropfen,
sodass Emulsionen mit einer sehr schmalbandigen Verteilung der Tropfengrößen und somit
hochmonodisperse Emulsionen hergestellt werden können.
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T.
Nisiako, T. Torii und T.Higuchi „Rapid Preparation Of Monodispersed
Droplets With Confluent Laminar Flows", in Proceedings of the sixteenth annual
international conference on micro electro mechanical systems – MEMS 2003,
S. 331 – 334,
beschreiben eine T-förmige
Kanalstruktur, wie sie in 2 gezeigt
ist. Dabei wird eine erste Phase 30 als kontinuierliche
Phase durch einen ersten Fluidkanal 32 zu einer Verbindungsstelle 34 geleitet,
während durch
einen weiteren Fluidkanal 36 eine zweite Phase 38 als
disperse Phase zu der Verbindungsstelle 34 geleitet wird.
Um die Phasen zuzuführen,
werden dabei Spritzen und Spritzenpumpen verwendet. An der Kontaktierungsstelle
kommt es aufgrund der speziellen hydrodynamischen Bedingungen, beispielsweise der
hohen Scherkräfte,
in den Mikrokanälen
zu einer Abfolge von Tropfenabrissen der dispersen in die kontinuierliche Phase,
sodass in einem Auslasskanal 40 eine Emulsion aus der ersten
und der zweiten Phase erzeugt wird.
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Q.Y.
Xu und M. Nakajima, „The
generation of highly monodisperse droplets through the breakup of hydrodynamically
focused microthread in a microfluidic device", Applied Physics Letters, Bd. 85, Nr.
17, S. 3.726 – 3.728,
2004, offenbaren eine alternative Kanalstruktur zur Tröpfchenerzeugung.
Eine solche Kanalstruktur ist in 3 gezeigt
und umfasst einen mittleren Kanal 42, über den eine disperse Phase, beispielsweise
Sojabohnenöl,
zugeführt
wird, sowie zwei seitliche Kanäle 44 und 46, über die
eine kontinuierliche Phase, beispielsweise eine SDS-Lösung (Sodium-Dodezyl-Sulfat) zugeführt wird.
Zum Zuführen
der Phasen werden dabei Mikrospritzenpumpen zum Pumpen der dispersen
Phase und der kontinuierlichen Phase verwendet. An der Verbindungsstelle der
drei Kanäle 42, 44 und 46,
an der ein Kontakt zwischen den zugeführten Phasen stattfindet, kommt
es wiederum aufgrund der speziellen hydrodynamischen Bedingungen
in den Mikrokanälen
zu einem kontrollierten Tropfenabriss der Dispersen in die kontinuierliche
Phase in dem stromabwärts
liegenden Fluidbereich.
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Hinsichtlich
der physikalischen Grundlagen der Tröpfchenbildung bei den in den 2 und 3 gezeigten Kanälen wird auf die oben genannten
Publikationen von Nisiako und Xu verwiesen.
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Unabhängig von
den genannten Methoden zur Erzeugung von Emulsionen sind aus dem
Stand der Technik Mikrofluidsysteme bekannt, die zur Handhabung
von Flüssigkeiten
Zentrifugalkräfte
nutzen, siehe J. Ducrée,
H-P. Schlosser, S. Haeberle, T. Glatzel, T. Brenner, R. Zengerle,
Proc. of μTAS
2004, Malmö,
Schweden, S. 554 – 556.
Tröpfchenbasierte Analytiken
und entsprechende Mikroprozesstechniken sind ferner beispielsweise
bei S. Okushima, T. Nisisako, T. Torii, T. Higuchi, Proc. of μTAS 2004, Malmö, Schweden,
S. 258 – 260,
beschrieben.
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Aus
der
DE 60,202,531
T2 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zusammensetzung
bekannt, die mindestens zwei Phasen umfasst, eine erste Phase, die
eine kontinuierliche Phase ist, und eine zweite Phase, die eine
dispergierte Phase ist. Das Verfahren umfasst das Vorsehen des Materials
der kontinuierlichen in fluider Form und das Vorsehen eines Materials
für die
dispergierende Phase, wobei das Material für die dispergierende Phase
zum Material der kontinuierlichen Phase zugesetzt wird, was zu einer
mindestens zwei Phasen umfassenden Zusammensetzung führt. Die
dispergierte Phase wird einer Verformungsbehandlung und gleichzeitig
oder nachfolgend einer Fixierbehandlung unterzogen, wobei die Verformungsbehandlung
aus einer Dehnströmung
oder einer Kombination von Scherströmung und Dehnströmung ausgewählt wird.
Ferner offenbart diese Schrift eine Vorrichtung, die eine Strömungskammer
umfasst, in welcher eine Dehnströmung
oder eine Kombination aus Scherströmung und Dehnströmung auf
den Inhalt ausgeübt
wird, wobei die Strömungskammer
ein Mittel zum Zuliefern der kontinuierlichen Phase, Mittel zum
Zusetzen eines Materials für
die zu dispergierende Phase, Mittel zum Steuern der Strömungsgeschwindigkeit
und -art, Mittel zum Auslassen der kontinuierlichen Phase, Mittel
zur Reduktion der Strömungsstärke und
Mittel zum Erhalt einer Fixierung aufweist.
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Die
WO 01/45830 A1 befasst sich mit einer Vorrichtung, die ein Reaktionsgefäß zum Aufnehmen einer
ersten Phase aufweist, wobei in dem Reaktionsgefäß zumindest eine Membran zum
Aufnehmen einer zweiten Phase enthalten ist, wobei die Membran angepasst
ist, um sich zu drehen, wobei die zweite Phase auf die Drehung hin
steuerbar in die erste Phase dispergiert.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
und ein Verfahren zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander
unlösbaren
Phasen zu schaffen, die eine gesteuerte und reproduzierbare Tropfengröße ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren
gemäß Anspruch 13
gelöst.
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Die
vorliegende Erfindung basiert somit gegenüber bekannten Techniken auf
der Ausnutzung der Zentrifugalkraft, um mindesten zwei nicht mischbare
Phasen in einem rotierenden System zu kontaktieren, um Emulsionen,
wenn es sich bei den beiden Phasen um Flüssigkeiten handelt, zu erzeugen.
Flüssige
Phasen werden dabei zentrifugal durch die Rotation zu dem Kontaktbereich
zugeführt.
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Erfindungsgemäß können ferner
Schäume, beispielsweise
monodisperse Flüssig-Gas-Phasen-Dispersionen,
erzeugt werden, wenn es sich bei einer Phase um eine Flüssigkeit
und bei einer Phase um ein Gas handelt. Das Zuführen einer Gasphase in eine
flüssige
Phase ist über
zentrifugales Pumpen nicht direkt möglich, da die Gasphase in Präsenz der wesentlich
dichteren Flüssigphase
radial nach innen, statt nach außen, gepumpt würde. Um
Flüssig-Gas-Dispersionen
herzustellen, ist bei Ausführungsbeispielen
der Erfindung daher eine Einrichtung vorgesehen, die ein Zuführen des
Gases über
den oder die zugeordneten Fluidkanäle ermöglicht. Eine solche Einrichtung
könnte
beispielsweise durch eine mitrotierende Pumpe (On-Board-Pumpe) gebildet sein.
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Ferner
könnte
ein Ansaugen des Gases nach dem Wasserstrahlpumpenprinzip an einer
radial äußeren Stelle
des Kanals mit hoher Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms erfolgen.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich somit mit der Produktion von
Tropfen bzw. Emulsionen in rotierenden Kanälen sowie der Prozessierung
nichtmischbarer Phasen in rotierenden Modulen. Erfindungsgemäß wird zumindest
eine und im Fall von zwei Flüssigkeiten
beide Phasen durch Zentrifugalkräfte
in Fluidkanälen
transportiert und die Phasen werden an mindestens einem Ort zusammengeführt, wobei
ein kontrollierter Tropfenabriss von mindestens einer Phase stattfindet.
Dieser Vorgang kann seriell wie parallel wiederholt ablaufen.
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Das
erfindungsgemäße Pumpen
mittels der Zentrifugalkraft ermöglicht
einen kontinuierlichen Betrieb, d. h. ein pulsfreies Kraftfeld auf
die interagierenden Fluide. Dabei wird die Rotationsfrequenz in
der kontinuierlichen Drehbewegung über das Trägheitsmoment des Rotors gegenüber Drehzahlschwankungen
des Antriebs stabilisiert. Oszillationen wie bei einem Antrieb über Spritzenpumpen
oder Verdrängerpumpen
werden hierdurch vermieden.
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Dies
bedeutet gleichbleibende Bedingungen für alle Tropfenabrissprozesse
und somit eine Reproduzierbarkeit der Vorgänge bzw. der erzeugten Tropfen.
Hierbei ist auch das Pumpen hochviskoser Medien mittels der Zentrifugalkraft
möglich.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
erfolgt ein kontinuierliches Zudosieren der Phasen in einen Einlassbereich der
Fluidkanäle,
wobei ein solcher Einlassbereich beispielsweise durch ein Reservoir
auf einer Oberseite eines Rotors gebildet sein kann. Die Flüssigkeiten
können
dann über
geeignete Führungsstrukturen im
Rotor zu geschlossenen Kanälen,
die die Fluidkanäle,
deren radial äußere Enden
in den Kontaktbereich münden,
darstellen, zugeführt
werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann ein kontinuierliches, radiales Ausstoßen der prozessierten
Flüssigkeit
aus dem Rotor in eine Auffangvorrichtung erfolgen. Alternativ kann
die Flüssigkeit
in einer Kavität
auf dem Rotor, gegebenenfalls zusammen mit einem gezielten Abführen derselben,
aufgefangen werden. Somit sind erfindungsgemäß keine druckdichten Fluidschnittstellen
notwendig, da zu prozessierende Medien im Freistrahl in das Prozessmodul
geleitet und gegebenenfalls aus demselben herausgeleitet werden
können.
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Bei
bevorzugten Ausführungsbeispielen
umfasst die erfindungsgemäße Kanalstruktur
drei Zufuhrkanäle
in der Form einer „Sheath-Flow"-Struktur, bei der
die zu dispergierende Phase an einer Kontaktierungsstelle von zwei
gegenüberliegenden
Seiten mit der kontinuierlichen Phase kontaktiert wird. Die vorliegende
Erfindung ermöglicht
ferner die Herstellung mehrphasiger Tropfen, bei denen mindestens zwei
mischbare oder auch nicht mischbare Phasen in einem Tropfen eingeschlossen
sind. Um dies zu erreichen, kann über einen der Zufuhrkanäle ein Gemisch
zweier mischbarer oder nicht mischbarer Phasen zugeführt werden.
Die Herstellung von 2-phasigen
Tropfen ist nach dem Sheath-Flow Prinzip auch über das Hinzufügen weiterer
Zulaufkanäle
möglich, welche
weitere Phasengrenzen im Kontaktierungsbereich schaffen. Ferner
können
auch Doppel-Emulsionen nach dem Sheath-Flow-Prinzip erzeugt werden,
indem noch weitere Phasen in, beispielsweise zwei, weiteren Zuführungskanälen zum
Kontaktierungsbereich hinzugefügt
werden. Diese können
beispielsweise zur Einkapselung einer inneren Phase gegenüber dem
kontinuierlichen Medium (Vesikel) dienen.
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Die
zur Implementierung der Erfindung erforderlichen Kanalstrukturen
können
entweder direkt in einem Rotor, beispielsweise einer Scheibe, gebildet sein,
oder können
in einem Modul gebildet sein, das in einen Rotor eingesetzt wird.
Eine weitere Prozessierung der Tropfen auf dem Rotor bzw. dem rotierenden
Modul, beispielsweise ein erneutes Spalten der Tropfen, ist ebenfalls
möglich.
Darüber
hinaus können
durch eine integrierte Extraktion der Phasen, bei spielsweise durch
Sedimentation und/oder Dekantieren, neue Prozessabläufe ermöglicht werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht
dabei neben der Herstellung von Emulsionen auch die Herstellung von
Dispersionen aus Gasen und Flüssigkeiten,
d. h. Schäumen.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
der Zentrifugalkraft zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander
unlösbaren
Phasen ermöglicht
eine genaue Kontrolle und Reproduzierbarkeit der Tropfengröße über durch
geometrische Strukturen festgelegte hydrodynamische Randbedingungen.
Darüber hinaus
können
identische Strukturen parallel betrieben werden, was zu einer Parallelisierung
auf dem Prozessmodul führt.
Bei der Erfindung liegen dabei neue „zentrifugale" Bedingungen des
Tropfenabrisses vor, was den Zugang zu neuen Bereichen von experimentellen
Parametern ermöglicht,
beispielsweise der Tropfengröße, der
Tropfenfrequenz, des Tropfenabstands bei gegebenen Viskositäten, Dichten
und Ober/Grenzflächenspannungen
der zu dispergierenden Flüssigkeiten.
Schließlich
kann durch das zentrifugale Pumpen ein Wärmeeintrag in die Flüssigkeiten
vollständig
vermieden werden.
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Um
den zentrifugalen Flüssigkeitstransport zu
ermöglichen
münden
jeweils radial äußere Enden der
Kanäle, über die
Flüssigkeiten
zu einem Kontaktbereich zugeführt
werden, in den Kontaktbereich, während
radial innere Enden des Kanals oder der Kanäle, die zum Abführen von
Flüssigkeiten
bzw. einer Flüssig-Gas-Emulsion
dienen, in den Kontaktbereich münden.
Unter „radial äußerem" Ende ist dabei ein
Ende zu verstehen, das radial weiter außen liegt als ein anderes Ende
des jeweiligen Kanals, sodass ein zentrifugal getriebener Flüssigkeitstransport
von dem anderen Ende zu dem radial äußeren Ende möglich ist.
In gleicher Weise ist unter einem „radial inneren" Ende ein Ende zu
verstehen ist, das radial weiter innen liegt als ein anderes Ende
des jeweiligen Kanals, sodass ein zentrifugal getriebener Flüssigkeitstransport
von dem radial inneren Ende zu dem anderen Ende möglich ist.
Diese Bezeichnungen stellen somit keine absolute Bedingung dahingehend dar,
dass die Kanäle
nicht Bögen
aufweisen könnten, deren
Bogenbereiche abschnittsweise radial weiter außen bzw. innen liegen als die
jeweiligen Einmündungen,
solange ein zentrifugaler Flüssigkeitstransport,
wie er oben beschrieben ist, möglich
ist.
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Die
vorliegende Erfindung schafft somit ein neuartiges zentrifugales
mikrofluidisches Verfahren für
die kontinuierliche Herstellung von hochmonodispersen Gemengen von
zwei ineinander unlösbaren Phasen,
beispielsweise von Wassertröpfchen
in einem Ölfluss.
Die vorliegende Erfindung kann dabei ohne weiteres auf zentrifugalen
Plattformen mit weiteren Prozessierungstechniken integriert werden, beispielsweise
einer zentrifugalen Tröpfchensedimentation,
was neuartige Anwendungen auf der Gebiet der tröpfchenbasierten Analyse und
der Mikroprozesstechnik ermöglicht.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Membran-Reaktor gemäß dem Stand
der Technik;
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2 und 3 Kanalstrukturen
gemäß dem Stand
der Technik;
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4 eine
schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
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5 eine
schematische Draufsicht einer Kanalstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 bis 8 schematische
Darstellungen zur Erläuterung
der Funktionalität
der vorliegenden Erfindung; und
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9 experimentelle
Ergebnisse einer Implementierung der Erfindung.
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Bezug
nehmend auf 4 wird nachfolgend der grundsätzliche
Aufbau eines Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung erläutert,
wobei auf eine beispielhafte Kanalstruktur zur Erzeugung eines Gemenges
von zwei ineinander unlösbaren
Phasen nachfolgend Bezug nehmend auf 5 näher eingegangen
wird.
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Das
in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung weist eine Antriebseinheit 100 auf, die beispielsweise
durch einen Drehmotor mit einer zugeordneten Steuerung gebildet
ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Rotationskörper 102,
der durch die Antriebseinheit 100 um eine Drehachse Z rotierbar
ist. Die Antriebseinheit 100 umfasst dabei eine geeignete
Vorrichtung zur Halterung des Rotationskörpers 102. Die Vorrichtung
umfasst ferner ein erstes Fluidinjektionsmodul 104 und
ein zweites Fluidinjektionsmodul 106. Darüber hinaus
ist eine Fluidauffangeinrichtung 108 vorgesehen, die den
Rotationskörper 102 ringförmig umgibt.
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In
dem Rotationskörper 102 ist
zumindest eine Kanalstruktur, die eine Erzeugung eines Gemenges
von zwei ineinander unlösbaren
Phasen ermöglicht,
vorgesehen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist jedoch vorzugsweise eine Mehrzahl von entsprechenden Kanalstrukturen 110,
die in dem Rotationskörper
sternförmig
und radial nach außen verlaufend
angeordnet sind, vorgesehen, die über getrennte oder gemeinsame
Reservoire gespeist werden können.
Der Rotationskörper 102 besteht
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
aus einem Substrat 102, das aus einem beliebigen geeigneten Material,
beispielsweise Kunststoff, Silizium, Glas oder dergleichen, gebildet
sein kann. In dem Substrat 102 sind die Kanalstrukturen 110 strukturiert.
Das Substrat 102a ist mit einem Deckel 102b versehen, der Öffnungen 112 zur
Fluidverbindung mit Fluidreservoiren 114 und 116,
die auf dem Rotationskörper 102 gebildet
sind, aufweist. Die Reservoire 114 und 116 sind
ringförmig
auf dem Rotationskörper 102 gebildet,
sodass dieselben während
einer Rotation eine kontinuierliche Befüllung über die Fluidinjektionseinrichtungen 104 und 106 ermöglichen.
Die Reservoire sind außerdem
so geformt, dass ein zentrifugales Überlaufen bis zu einer bestimmten
Drehfrequenz, die oberhalb der für
die Tropfenherstellung notwendigen Drehzahl liegen sollte, vermieden
wird.
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Die
Kanalstrukturen 110 sind radial nach außen offen, sodass Flüssigkeit
aus denselben radial nach außen
in die Auffangeinrichtung 108 durch Zentrifugalkraft ausgestoßen werden
kann. Die Auffangeinrichtung 108 kann ferner mit einer
geeigneten Ablaufeinrichtung versehen sein, um das erzeugte Gemenge
aus derselben abzuführen,
wie durch einen Pfeil 120 angedeutet ist. Auch kann die
Dispersion in einem mitrotierenden Reservoir aufgefangen werden.
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Im
Betrieb wird durch die Fluidinjektionseinrichtung 104 kontinuierlich
eine erste Flüssigkeit
in das Reservoir 114 eingebracht, während durch die Fluidinjektionseinrichtung 106 kontinuierlich
eine zweite Flüssigkeit
in das Reservoir 116 eingebracht wird. Die Reservoire 114 und 116 sind
dabei ausgestaltet, um bei einer Rotation des Rotationskörpers 102 um
die senkrecht zu demselben stehende Rotationsachse Z die Flüssigkeiten
in den Reservoiren zu halten. Während
der Rotation des Rotationskörpers 102 um
die Achse Z gelangen die Flüssigkeiten
durch Zentrifugalkraft unterstützt
durch Gravitationskraft in die Kanalstrukturen 110, wo
sie durch die Zentrifugalkraft Fz radial
nach außen
getrieben werden. Die von den Reservoiren 114 und 116 abgehenden
Fluidkanäle
münden
dabei jeweils an einem radial äußeren Ende
in einen Kontaktbereich, in den ferner ein radial inneres Ende eines
dritten Fluidkanals mündet.
Dort, wo sich die Flüssigkeiten
in dem Kontaktbereich treffen, bewirken durch die Rotation zentrifugal-hydrodynamisch
induzierte Druck- und/oder Scherkräfte einen Tropfenabriss in
einer der zugeführten Flüssigkeiten,
sodass eine Emulsion aus den beiden Flüssigkeiten durch den dritten
Kanal zentrifugal nach außen
getrieben wird und am radial äußeren Ende
des Rotationskörpers
in die Auffangeinrichtung 108 ausgestoßen wird.
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Die
Vorrichtung, die Bezug nehmend auf 4 beschrieben
wurde, umfasst somit eine Antriebseinheit und ein Prozessmodul,
wobei das Prozessmodul aus mindestens zwei Fluideingängen bzw.
mindestens zwei Reservoiren und einem mikrostrukturierten Substrat
besteht, welches um eine Rotationsachse Z senkrecht zur Substratoberfläche rotieren
kann. Die Fluideingänge
sind dabei so gestaltet, dass eine kontinuierliche Zuführung von
mehreren Flüssigkeitsströmen unter
Rotation möglich
ist.
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Bei
dem in 4 gezeigten Beispiel werden die Fluide nach der
Prozessierung kontinuierlich aus dem Prozessmodul in die Auffangeinrichtung 108 ausgestoßen und
gegebenenfalls über
eine geeignete Einrichtung 120 abgeführt. Alternativ könnten die Fluide
nach der Prozessierung in weiteren Reservoiren auf dem Modul aufgefangen
werden.
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Bei
dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kanalstrukturen
in dem Rotor 102 gebildet. Alternativ könnten die Kanalstrukturen in
einem Kanalmodul integriert sein, das in einen Rotor einsetzbar
ist. Der Rotor könnte
dann beispielsweise die Reservoirstrukturen und/oder Auffangreservoire und/oder
Strukturen, die einen radialen Ausstoß der prozessierten Fluide
ermöglichen,
aufweisen.
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Wie
dargelegt wurde, werden die Fluide, bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
nicht ineinander lösbare
Flüssigkeiten, über vertikale
Verbindungskanäle
bzw. Öffnungen 112 in
dem Deckel 102b auf dem Substrat geführt und in die Mikrokanäle der Kanalstruktur,
die das Erzeugen einer Emulsion bewirkt, eingekoppelt. Unter Rotation
werden die Fluide zentrifugal nach außen transportiert, wobei die zu
dispergierenden Phasen in getrennten und unterschiedlich geformten
Mikrokanälen
zu einer Kontaktierungsstelle geleitet werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
für eine
solche Kanalstruktur zum Bewirken einer Suspension bzw. eines Gemenges
von zwei ineinander unlösbaren
Phasen ist in 5 gezeigt. Spezieller zeigt 5 schematisch
einen Ausschnitt des Rotors 102 mit der Kanalstruktur zur
Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen. Die Kanalstruktur weist
einen Fluidkanal 130 auf, dessen radial äußeres Ende
in eine Kontaktierungsstelle bzw. einen Kontaktierungsbereich 132 mündet, sowie
zwei Fluidleitungen 134 und 136, deren radial äußere Enden ebenfalls
in den Kontaktierungsbereich 132 münden. Die radial äußeren Enden
der Fluidkanäle 134 und 136 münden bezüglich des
Fluidkanals 130 von zwei gegenüberliegenden Seiten in den
Kontaktbereich, sodass der Fluidkanal 130 zwischen den
Fluidkanälen 134 und 136 angeordnet
ist. Ein radial inneres Ende eines Auslasskanals 138 mündet ebenfalls
in den Kontaktierungsbereich 132, vorzugsweise gegenüber dem
Fluidkanal 130. Der Fluidkanal 130 ist beispielsweise
mit dem Reservoir 106 verbunden, um von demselben die zu
dispergierende Phase zu erhalten. Die Fluidkanäle 134 und 136 sind
beispielsweise mit dem Reservoir 104 verbunden, um von demselben
die kontinuierliche Phase zu erhalten. Bei einer Rotation des Rotors 102,
wie durch eine Rotationsfrequenz ν in 5 angezeigt
ist, wird in den Fluidkanälen 130, 134 und 136 ein
zentrifugaler Fluss bewirkt. Spezieller wird in dem Fluidkanal 130 das
zu dispergierende Fluid über
einen Fluidfluss Φd zugeführt,
während über die
Kanäle 134 und 136 das kontinuierliche
Fluid mit einem Fluidfluss Φc zugeführt
wird. Die in 5 gezeigte Kanalstruktur stellt eine
sogenannte „Sheath-Flow"-Struktur dar. Die
zu dispergierende Phase Φd wird in dem Kontaktierungsbereich 132 mit
den kontinuierlichen Phasen Φc von beiden Seiten kontaktiert, wodurch
ein Tropfenabriss induziert wird.
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Die
unterschiedliche Ausführung,
d. h. Länge und
Querschnitt, der Kanäle
definiert die hydrodynamischen Widerstände Rd und
Rc der Zuleitungskanäle sowie den hydrodynamischen
Widerstand Raus des Abflusskanals 138, wie auf der linken
Seite von 5 angedeutet ist. Durch diese
hydrodynamischen Widerstände
und durch die Rotationsgeschwindigkeit können die Flussgeschwindigkeiten der
beiden Phasen an der Kontaktierungsstelle 132 gesteuert
werden. Zusammen mit dem pulsfreien zentrifugalen Pumpen lässt sich
somit der Tropfenabriss an der Kontaktierungsstelle mit hoher Präzision und
Wiederholgenauigkeit kontrollieren.
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Rein
schematisch sind in 5 dabei zwei abgerissene Tropfen 140 dargestellt,
die einen Tropfendurchmesser d und einen Abstand Δ voneinander aufweisen.
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Vier
Phasen des Tropfenabrisses sind in einer stroboskopischen Rahmensequenz
in den 6a – 6d gezeigt.
Die Sequenz wurde dabei unter Verwendung von Wasser als zu dispergierende Phase
und Sonnenblumenöl
als kontinuierliche Phase aufgenommen.
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Wie
beschrieben wurde, wird die durch den Fluidkanal 130 durch
Zentrifugalkraft Fv zugeführte disperse
Phase von zwei Seiten mit Flüssen
der durch die Kanäle 134 und 136 zugeführten kontinuierlichen
Phase kontaktiert und in einen gemeinsamen Kanal 138 geleitet.
Dies geschieht unter einem definierten Anstellwinkel, um eine einschnürende Wirkung
der beiden Seitenströme
auf die aus dem Mittelkanal 130 kommende disperse Phase
zu erreichen und den Tropfenabriss an der Kontaktierungsstelle zu
begünstigen.
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Neben
der Kanalanordnung ist auch die Benetzungseigenschaft der Kanäle von Bedeutung.
Die kontinuierliche Phase Φc benetzt die Kanäle bevorzugt im Vergleich zu
der dispersiven Phase Φd. Somit muss die dispersive Phase durch
die Zentrifugalkraft Fz aktiv aus dem Mittelkanal 130 gezogen
werden. Ab einer bestimmten Größe der in
den Kontaktie rungsbereich ragenden Front der dispersiven Phase Φd kommt es aufgrund der einschnürenden Wirkung
der Seitenströme Φc sowie der Grenzflächenspannung zwischen den beiden
Phasen zu einem Tropfenabriss, wie den 6b – 6d zu
entnehmen ist. Der erzeugte Tropfen 140 wird anschließend über den Auslasskanal 138 und
vorzugsweise einen an denselben anschließenden Kanalbereich 150 mit
deutlich geringerem Flusswiderstand (siehe 5) in Richtung
des äußeren Randes
des Rotationskörpers 102 geleitet
und durch das an diesem Ende offene Kanalende ausgestoßen. Alternativ
kann derselbe in einem Reservoir auf dem Rotationskörper 102 aufgefangen
werden, wobei zu diesem Zweck eine Auslassöffnung vorgesehen sein kann,
siehe Öffnung 152 in 5.
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Sowohl
die Tropfengröße als auch
die Art der Mehrphasen-Strömung kann
durch gezielte Änderungen
der geometrischen Parameter der Kanalstruktur sowie der Rotationsfrequenz
eingestellt werden. Diesbezüglich
zeigen die 7a – 7c unterschiedliche „Sheath-Flow"-Kanalstrukturen
mit jeweiligen Einlasskanälen 130, 134 und 136,
bei einem Betrieb mit unterschiedlichen Rotationsfrequenzen ν. Durch Variation
der geometrischen Parameter und der Rotationsfrequenzen können unterschiedliche Emulsionstypen
hergestellt werden. Wie den Darstellungen der 7a – 7c zu
entnehmen ist, wurden drei unterschiedliche Formen von Mehrphasenströmungen erzeugt.
Gemäß den 7a und 7b liegen
isolierte Tröpfchen 160,
d. h. räumlich
isolierte, in Suspension fließende
Tropfen vor. Ferner können gequetschte
Tröpfchen 162,
d. h. Tröpfchen
die in der Vertikalen an den Kanalwänden anliegen, erzeugt werden,
wie in 7c gezeigt ist. Darüber hinaus
ist es möglich,
einen segmentierten Fluss zu erzeugen, d. h. Tropfen, die in der
Vertikalen und der Horizontalen (quer zum Fluss) an den Kanalwänden anliegen. Dies
kann beispielsweise unterstützt
werden, indem flussabwärts
in dem Auslasskanal eine Verjüngung vorgesehen
ist, wie im linken Bereich des Auslasskanals 164 in 7c gezeigt
ist.
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Die 7d – 7f zeigen
jeweils die gleichen Kanäle
wie die 7a – 7c bei
einem Betrieb mit höheren
Frequenzen.
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Die
Mikrokanäle
können
in einem Polymersubstrat, beispielsweise aus COC (Cyclic Olefin
Copolymer), gebildet sein, in dem die kontinuierliche Phase (beispielsweise
unpolares Öl)
stärkere
Benetzungseigenschaften zeigt als die zu dispergierende Phase (beispielsweise
Wasser). Somit muss der Wasserpfropfen aktiv durch Zentrifugalkraft
aus dem mittleren Kanal 130 gezogen werden, entgegen der Kraft
Fσ der
Oberflächenspannung.
Bei kleinen Drehfrequenzen ruht der Wasserpfropfen somit in dem mittleren
Kanal, sodass der Arbeitsbereich, über dem eine Tropfenbildung
stattfindet, eine untere Grenzfrequenz νlow aufweist.
Oberhalb dieser unteren Grenzfrequenz tritt der Wasserpfropfen aus
dem mittleren Kanal aus und bricht ab, sobald die Masse des Tröpfchens
eine kritische Masse übersteigt.
Die obere Grenze des Arbeitsbereich νhoch ist
durch den Punkt bestimmt, an dem bedingt durch den Tropfendurchmesser
d und den Tropfenabstand Δ die
Tropfen beginnen, sich zu berühren
und zusammenzuwachsen. Diesbezüglich
liegt der Betrieb in den 7d und 7e oberhalb
der Grenzfrequenz zum Erzeugen einzeln getrennter Tropfen, da dort
eine Berührung zwischen
Tropfen, siehe Bezugszeichen 170, oder ein Zusammenwachsen
von Tropfen, siehe Bezugszeichen 172, stattgefunden hat.
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Hinsichtlich
der Erzeugung der Tropfen kann festgehalten werden, dass der Tröpfchenerzeugungsprozess
durch die hydrodynamischen Widerstände Rc,
Rd und Raus, den
radialen Positionen der Zuführungskanäle und des
Auslasskanals sowie die Geometrie des tropfenführenden Kanals und die Rotationsgeschwindigkeit
beeinflusst wird. Die für
unterschiedliche Fluide zur Erzeugung von Emulsionen oder Schäumen zu
verwendenden Kanalgeometrien sowie Rotationsgeschwindigkeiten sind
für Fachleute ohne
weiteres durch entsprechende Berechnungen bzw. Simulationen bestimmbar.
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Ein
Beispiel für
eine Möglichkeit,
die erzeugten Tropfen auf der rotierenden Plattform weiter zu verarbeiten,
ist in den 8a und 8b gezeigt. Dabei
geht ein Tropfenführungskanal 180,
der beispielsweise durch den Bereich 150 in 5 gebildet sein
kann, in einen Fluidkanal 182 über, dessen radial äußeres Ende
in einen zweiten Kontaktbereich 184 mündet. Ferner münden in
den weiteren Kontaktbereich 184 radial äußere Enden von Zuführungskanälen 186 und 188. Über die
Zuführungskanäle 186 und 188 wird
eine kontinuierliche Phase Φc zugeführt, während über den
Kanal 182 eine Tropfen 140 enthaltende Emulsion
zugeführt
wird. Somit wirkt die kontinuierliche Phase Φc von
außen
auf einen in dem Kontaktierungsbereich 184 befindlichen
Tropfen 140' ein,
sodass dieser Tropfen in zwei getrennte Tropfen 190 unterteilt
werden kann. Auch dieser Prozess wird durch eine „Sheath-Flow"-Struktur eingeleitet
und lässt
sich präzise
steuern. Dabei ist gemäß 8b die
Frequenz etwas zu hoch eingestellt, da dort kein sauberes Aufteilen
in zwei Tropfen stattfindet, sondern vielmehr ein zusätzlicher
Satellitentropfen erzeugt wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Tröpfchenbildung
wurde unter Verwendung eines tensidfreien Sonnenblumenöls und tintegefärbtem Wasser (2
Vol.-%) untersucht.
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Dabei
wurden zwei Parameter, eine charakteristische Tröpfchenfläche A und der Tröpfchenabstand Δ, der ein
Maß für die Tröpfchenproduktionsrate
ist, experimentell ausgewertet. Der Durchmesser d sowie das Volumen
der Tröpfchen
wurde teilweise aus A angenähert,
da die Tröpfchen
teilweise mit einem unbekannten Ausmaß zwischen der oberen und der
unteren Kanalwand gequetscht waren, wobei der Kanal eine Tiefe von
etwa 200 μm
aufwies.
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Drei
unterschiedliche Funktionen konnten durch Variieren des Designs
der Struktur realisiert werden. Diesbezüglich können vollständig freifließende und
isolierte Tröpfchen
unter Verwendung eines hohen Φc und eines kleinen Raus erzeugt
werden. Vertikal gequetschte Tröpfchenzüge können unter Verwendung
einer geringen Flussrate Φc und eines großen Raus realisiert werden,
während
ein segmentierter Fluss durch eine Verengung in dem tröpfchentragenden
Kanal implementiert werden kann. Wie bereits ausgeführt wurde,
beeinflusst neben der Kanalgeometrie auch die Frequenz der Drehung
den Abstand und den Durchmesser des Tröpfchens, wobei zu zunehmenden
Drehfrequenzen hin die Tröpfchenerzeugungsrate
ansteigt, während
ihre Größe sinkt. Die
diesbezüglichen
Ergebnisse für
den Tröpfchendurchmesser
d und den Tröpfchenabstand Δ sind in den 9a und 9b als
eine Funktion der Rotationsfrequenz ν gezeigt. Dabei beziehen sich
die Kurven 200 und 202 auf isolierte Tröpfchen,
während
sich die Kurven 204 und 206 auf gequetschte Tröpfchen beziehen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft somit eine Vorrichtung und ein Verfahren,
die die Erzeugung von monodispersen Tröpfchenzügen (CV < 2%) ermöglichen. Die durchgeführten Experimente
ermöglichen eine
Tröpfchenerzeugung
mit Tröpfchenvolumen zwischen
5 und 22 nL innerhalb eines Arbeitsbereichs, wobei deren Größe und Abstand
durch die Kanalgeometrie und die Drehfrequenz gesteuert werden kann.
Ferner ermöglicht
die vorliegende Erfindung eine weitere wichtige Operation, nämlich das hydrodynamische
Teilen von Tröpfchen.
Die zentrifugale Plattform ermöglicht
ferner neue Funktionen in Multiphasen-Mikrofluidanwendungen, wobei
hier besonders auch eine Sedimentation hervorzuheben ist.
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Beispielhafte
Nachbearbeitungen von erfindungsgemäß erzeugten Gemengen können die
Auspolymerisierung dispergierter Tropfen umfassen, was zu Fest-Flüssig-Emulsionen
mit monodispersen Festphasenteilchen führen kann.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
wurden oben anhand einer sogenannten „Sheath-Flow"-Kanalstruktur erläutert. Die
vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Kanalstruktur
beschränkt, sondern
kann auch unter Verwen dung alternativer Kanalstrukturen, die ein
Ablösen
von Tröpfchen
ermöglichen,
implementiert werden, beispielsweise durch eine T-förmige Kanalstruktur,
wie sie in 2 der vorliegenden Anmeldung
gezeigt ist.