DE10361411B4

DE10361411B4 - Mischervorrichtung und Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE10361411B4
Application number: DE10361411A
Authority: DE
Inventors: Roland Prof. Dr. Zengerle; Jens Dr. Ducrée; Hans-Peter Schlosser; Thilo Brenner; Thomas Glatzel
Original assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2003-12-29
Filing date: 2003-12-29
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2023-12-30
Also published as: DE10361411A1

Abstract

Mischervorrichtung zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten mit folgenden Merkmalen:
einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200), die eine erste Ausstoßöffnung (20; 206) zum Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit und eine zweite Ausstoßöffnung (24; 210) zum Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aufweist;
einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) zum Empfangen der ausgestoßenen ersten und zweiten Flüssigkeit (78, 80),
wobei die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200) und die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) relativ zueinander drehbewegbar sind, um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit auf einer Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) zu erzeugen, und
wobei ein Abstand zwischen den Ausstoßöffnungen und der die Flüssigkeiten empfangenden Wand derart ist, dass die Energie, mit der die Flüssigkeiten aus den Ausstoßöffnungen ausgestoßen werden, ausreicht, um ein Sprühen derselben auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung zu ermöglichen, und dass die auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufgebrachte Schichtung...

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mischervorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten.
Die Erfindung betrifft insbesondere solche Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zum Mischen zweier Reagenzien bzw. Flüssigkeiten eine dünne Schichtung der zu mischenden Reagenzien gebildet wird, um einen nachfolgenden diffusiven Mischprozeß zwischen den beiden Reagenzien zu beschleunigen. Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei zum Mischen beliebiger Flüssigkeiten und insbesondere zum Mischen zweier Reagenzien in biologischen und chemischen Labors.
Das Mischen zweier Reagenzien A und B wird in biologischen und chemischen Labors üblicherweise mit sogenannten Magnetrührern durchgeführt. Die beiden zu mischenden Reagenzien werden zusammen in ein Gefäß gefüllt. Ein magnetischer Rührstab wird dazu gegeben, der durch ein rotierendes Magnetfeld in Rotationsbewegung versetzt wird. Den eigentlichen Mischprozeß kann man sich dabei in zwei Teilprozessen vorstellen. Zum einen führt der am Gefäßboden rotierende Rührstab in dem Mischgefäß zur Verwirbelung der beiden Ausgangssubstanzen. Dadurch wird die Grenzfläche zwischen den beiden Stoffen A und B kontinuierlich vergrößert. Zum anderen erfolgt die eigentliche Durchmischung aufgrund der Diffusion der Moleküle durch diese Grenzfläche hindurch. Dabei ist der absolute, durch Diffusion erzeugte molekulare Strom um so größer je größer die Grenzfläche und je größer die lokalen Konzentrationsunterschiede sind. Je größer der molekulare Strom ist, desto schneller erfolgt also die Durchmischung. Im Laufe der Zeit werden alle Konzentrationsunterschiede ausgeglichen. Allerdings kann diese Zeitkonstan te bei herkömmlichen Labormischern sehr groß sein und beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Sekunden bis zu mehreren Minuten liegen.
Völlig analog ist die Situation, wenn anstelle eines Magnetrührers etwa ein elektromagnetisch angetriebener Rührstab eingesetzt wird.
Problematisch wird der Einsatz dieser herkömmlichen Prinzipien beispielsweise, wenn kleinste Mengen von Reagenzien gemischt werden sollen, beispielsweise weniger als ein Milliliter Ausgangssubstanz, oder wenn die zu mischenden Substanzen stark exotherm miteinander reagieren. In letzterem Fall können sich sogenannte Hot-Spots innerhalb des Gemisches bilden. Hot-Spots sind Bereiche, in denen aufgrund einer guten, lokalen Durchmischung und der exothermen Reaktion der zu durchmischenden Stoffe die Temperatur bereits stark angestiegen ist, wogegen in anderen Bereichen aufgrund fehlender Durchmischung noch niedrigere Temperaturen vorliegen. Dies führt zu stark inhomogenen Temperaturverteilungen und erschwert eine homogene, reproduzierbare Prozeßführung ganz enorm. In Konsequenz erhält man beispielsweise bei chemischen Reaktionen, die durch Mischung zweier Ausgangsstoffe eingeleitet werden, häufig eine ungenügende Ausbeute an dem gewünschten Produkt mit einer relativ hohen Menge an unerwünschten Nebenprodukten.
Neben den beschriebenen makroskopischen Labormischern sind beispielsweise auch eine Reihe von Mikromischern bekannt. In Mikrodimensionen ist die Vergrößerung der Grenzflächen zwischen den beiden Ausgangsstoffen etwa durch ein „Umrühren" aufgrund der niedrigen Reynoldszahlen und der deshalb fehlenden Turbulenzbildung jedoch nicht möglich. Deswegen setzen die meisten Mischprinzipien hier auf ein sogenanntes „Mischen durch Laminieren". Dabei werden die zwei Ausgangssubstanzen A und B durch geschickte Medienführung als laminiertes Schichtsystem ABABAB.... in einen gemeinsamen Reaktionskanal eingeführt. Eine solche Vorgehensweise ist bei spielsweise aus M. Koch u.a.: „Two simple micromixers based on silicon", Journal of Micromechanics and Microengineering; 8(1998), S. 123–126 bekannt.
Je dünner die Schichtungen in dem Kanal sind, desto schneller läuft die Durchmischung der beiden Stoffe durch Diffusion ab. Die charakteristische Zeitkonstante τ für eine Durchmischung berechnet sich zu
Dabei ist d eine charakteristische Schichtdicke innerhalb der laminierten Schichtfolge ABABAB... und D ist die Diffusionskonstante der Moleküle.
Aus Gleichung (1) kann man ersehen, daß die Durchmischung um so schneller geht, je geringer die charakteristische Schichtdicke in dem laminierten Schichtaufbau wird. In speziellen Ausführungen von Mikromischern wurden durch das sogenannte Laminieren charakteristische Mischzeiten von weniger als 10 Mikrosekunden (10^–5 s) erreicht. Diesbezüglich wird beispielsweise auf D.E. Hertzog u.a.: „Microsecond Microfluidic Mixing For Investigation of Protein Folding Kinetics", 7^th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (μTAS 2003), 5. bis 9. Oktober 2003, Squaw Valley, USA, S. 891–894, verwiesen.
Für den Betrieb derartiger Mikromischer sind allerdings sehr feine und daher häufig relativ teuere Mikrostrukturen sowie aufwendige, externe Pumpsysteme erforderlich. Beides zusammen stellt eine sehr große Hürde für den Alltagseinsatz dieser Systeme in biologischen und chemischen Labors dar.
Es ist ein Mischprinzip bekannt, bei dem eine in einem Mischbecher befindliche Probe durch einen Dreharm einer schnellen Rotation unterworfen wird, während der Mischbecher mit geringerer Geschwindigkeit in Gegenrichtung rotiert.
Die DE 75 14 424 U1 bezieht sich auf eine Misch- und/oder Fördervorrichtung für fließfähiges Gut, die einen Zylinder aufweist, in dem ein Rotor, der auf seiner Umfangsfläche Schlitze aufweist, drehbar gelagert ist. Die Schlitze sind derart ausgebildet, dass bei einer Rotation des Rotors in dem Zylinder abwechselnd ein erstes und ein zweites Gut durch dieselben gefördert und in radial in dem Zylinder gebildete Löcher getrieben wird.
Aus der US 48 34 545 A ist eine Vorrichtung zum Mischen mehrerer Fluide bekannt, bei der konische Oberflächen eines Rotationskörpers und eines stationären Mischkopfes benachbart zueinander angeordnet sind. An einer radial äußeren Position sind Zuführungsöffnungen vorgesehen, um unterschiedliche Fluide zwischen die konischen Oberflächen einzubringen, wodurch ein Mischzwischenraum entsteht, in dem durch Scherkräfte die Fluide bei Rotations des Rotationsbauglieds gemischt werden.
Die FR 28 40 546 A1 offenbart ein Verfahren zum kontinuierlichen und dynamischen Mischen von mindestens zwei Fluiden, bei dem ein Rotor eines Mikromischers rotationsmäßig angetrieben wird, wobei der Rotor eine Welle aufweist, die Drehflügel aufweist, die in Gruppen angeordnet sind. Ein Stator umfasst einen Einlass für ein erstes Fluid und einen Einlass für ein zweites Fluid sowie einen Auslass.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mischvorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten zu schaffen, die bei einem geringen Aufwand ein schnelles Mischen ermöglichen und somit für den Alltagseinsatz in biologischen und chemischen Labors geeignet sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Mischervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten nach Anspruch 20 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
In anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung einen Rotationslaminator zum Mischen von zwei oder mehreren Flüssigkeiten bzw. Ausgangsreagenzien durch Herstellung eines sehr dünnen, laminierten Schichtsystems.
Die relative Drehbewegung bzw. Rotationsbewegung zwischen der Flüssigkeitsempfangseinrichtung und der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung ermöglicht, daß kontinuierlich Flüssigkeiten von der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung gesprüht werden können. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen werden im Gegensatz zu bekannten Mikromischern die flüssigen Ausgangsstoffe durch Zentrifugalkräfte angetrieben, so daß keine externen Pumpsysteme erforderlich sind. Dies wird erreicht, indem eine Rotation der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung um eine Rotationsachse bewirkt wird. Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt somit die Herstellung von sehr kostengünstigen, einfach bedienbaren Mischern für den Laboralltag.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist eine Mehrzahl erster Ausstoßöffnungen und eine Mehrzahl zweiter Ausstoßöffnungen vorgesehen, um eine Schichtung mit einer erhöhten Anzahl von übereinander geordneten Schichten zu erzeugen. Die Ausstoßöffnungen können dabei vorzugsweise durch längliche Spalte gebildet sein, wobei die Relativbewegung der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung quer zu den länglichen Spalten ist, wobei die flächige Ausdehnung der erzeugten Schichten von der Länge der Spalte und der Flugbahn der ausgestoßenen Flüssigkeit zwischen Ausstoßöffnung und Flüssigkeitsempfangseinrichtung abhängt.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung eine zylindrische äußere Oberfläche auf, in der die Ausstoßöffnungen gebildet sind, wobei die Flüssigkeitsempfangseinrichtung eine Wand aufweist, die als zylindrische Oberfläche ausgebildet ist, die der zylindrischen äußeren Oberfläche der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung gegenüber liegt. Ferner sind in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung vorzugsweise Flüssigkeitsreservoire gebildet, die mit den Ausstoßöffnungen fluidisch verbunden sind. Die Flüssigkeitsreservoire können vorzugsweise eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen, die nach oben offen ist, so daß eine kontinuierliche Befüllung der Flüssigkeitsreservoire durch einen stationären Dispenser selbst bei rotierender Flüssigkeitsausstoßeinrichtung möglich ist.
Um die Flüssigkeiten von den Flüssigkeitsreservoiren zu den Ausstoßöffnungen verteilen zu können, sind in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Ausgleichsbereiche vorgesehen, die wiederum bevorzugt eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen. Ferner ist vorzugsweise jeder Ausstoßöffnung ein Anstaubereich zugeordnet, der einen deutlich geringeren Flußwiderstand besitzt als die Ausstoßöffnung, die beispielsweise als Spalt mit einer Spaltlänge, Spaltbreite und Spaltweite ausgeführt sein kann, um einen definierten Druck an jeder Ausstoßöffnung erzeugen zu können.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung oder die Flüssigkeitsempfangseinrichtung um eine im wesentlichen vertikal angeordnete Rotationsachse rotierbar, wobei die Flüssigkeitsempfangseinrichtung als eine zylindrische Wandung ausgebildet ist, deren Zylinderachse ebenfalls im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Somit kann die auf der Wandung erzeugte Schichtung aus übereinander angeordneten Flüssigkeiten durch Gravitationskraft an der Wandung herunterlaufen und sich in einem Sammelbereich sammeln. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Mischervorrichtung angepaßt, um mit herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Zentrifugen betrieben zu werden. Zu diesem Zweck kann der rotierbare Teil der erfindungsgemäßen Mischervorrichtung mit einer Aufnahmeeinrichtung versehen sein, um diesen Teil an der Spindel einer herkömmlichen Zentrifuge anzubringen. Der nicht-rotierbare Teil kann mit einer Einrichtung versehen sein, um denselben an einer stationären Halterung anzubringen.
Erfindungsgemäß werden zu mischende Ausgangssubstanzen zunächst in voneinander getrennte Reservoire eingefüllt und dann durch getrennte Ausstoßöffnungen einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf die Oberfläche einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung ausgestoßen bzw. gesprüht. Durch eine relative Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung wird auf der Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung eine dünne Schichtung der zu mischenden Ausgangssubstanzen gebildet.
Gegenüber herkömmlichen Labormischern besitzen erfindungsgemäße Mischervorrichtungen und Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Ausgangssubstanzen bzw. Flüssigkeiten folgende Vorteile. Die zu mischenden Ausgangssubstanzen sind zunächst vollständig voneinander getrennt und kommen erst nach dem Ausstoßen aus den jeweiligen Ausstoßöffnungen bzw. nach dem Auftreffen auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung miteinander in Kontakt. Nach dem Verlassen der Ausstoßöffnungen bzw. Düsen werden die zu mischenden Substanzen in definierter und einfach kontrollierbarer Weise in einem Mischbereich der Flüssigkeitsempfangseinrichtung, die als Mischgefäß bezeichnet werden kann, aufeinander laminiert. Da durch die vorliegende Erfindung sehr geringe Schichtdicken in der Flüssigkeitsschichtung bzw. dem Laminat erreicht werden können, erfolgt der zweite Abschnitt des Mischens, nämlich die eigentliche Durchmischung durch Diffusion, innerhalb kürzester Zeit. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß der Mischprozeß ein kontinuierlicher Prozeß sein, d. h. anders als beim Mischen in einem Becherglas mit einem Magnetrührer kann man die beiden zu mischenden Stoffe auch kontinuierlich zuführen und die Produkte kontinuierlich entnehmen. Somit eignet sich der Mischprozeß beispielsweise auch für einen Einsatz bei der Produktion chemischer und pharmazeutischer Produkte. Da die vorliegende Erfindung darüber hinaus das Erzeugen einer gleichmäßigen Schichtung ermöglicht, kann das Auftreten von sogenannten Hot-Spots zuverlässig unterbunden werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung;
2 eine schematische Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung;
3 eine schematische Darstellung im Teilquerschnitt eines Rotationslaminators unter Verwendung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung;
4a eine schematische Darstellung eines Rotationslaminators unter Verwendung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung;
4b eine schematische Querschnittdarstellung eines bei dem Rotationslaminator gemäß 4a verwendeten Rotationskörpers;
5–9 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung;
10 eine schematische Darstellung einer Ausstoßöffnung in Form eines Spalts; und
11 und 12 schematische Darstellungen zur Veranschaulichung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mischervorrichtung.
Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt eine erfindungsgemäße Mischervorrichtung eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung in Form eines Rotationskörpers 10 und eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung in der Form eines stationären Mischgefäßes 12. Wie gezeigt ist, sind der Rotationskörper 10 und das Mischgerät 12 konzentrisch um eine gemeinsame Achse 14 angeordnet, welche die Rotationsachse des Rotationskörpers 10 darstellt.
Der Rotationskörper 10 umfaßt ein erstes Flüssigkeitsreservoir 16 für eine Flüssigkeit A und ein zweites Flüssigkeitsreservoir 18 für eine Flüssigkeit B. Wie dargestellt ist, sind die Flüssigkeitsreservoire 16 und 18 als um die Achse 14 konzentrisch angeordnete ringförmige Strukturen ausgebildet. Ferner umfaßt der Rotationskörper Flüssigkeitsausstoßöffnungen 20 zum Ausstoßen der ersten Flüssigkeit A, die mit dem ersten Flüssigkeitsreservoir fluidisch verbunden sind, wie durch Fluidkanäle 22 in 1 angedeu tet ist. Der Rotationskörper 10 umfaßt ferner zweite Ausstoßöffnungen 24, die mit dem zweiten Flüssigkeitsreservoir 18 fluidisch verbunden sind, wie durch Fluidkanäle 26 in 1 angedeutet ist. Die ersten und zweiten Ausstoßöffnungen 20 und 24 sind in abwechselnder Reihenfolge nebeneinander in gleicher Höhe auf der äußeren zylindrischen Oberfläche des Rotationskörpers 10 gebildet. Obwohl in 1 schematisch drei erste Ausstoßöffnungen 20 und vier zweite Ausstoßöffnungen 24 gezeigt sind, kann der Rotationskörper eine beliebige Anzahl von Ausstoßöffnungen aufweisen, die um den gesamten Umfang der äußeren zylindrischen Oberfläche desselben verteilt sein können. Darüber hinaus ist es möglich, mehrere Reihen von Ausstoßöffnung übereinander in dem Rotationskörper anzuordnen, durch die gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten ausgestoßen werden können.
Der äußeren zylindrischen Oberfläche des Rotationskörpers 10 gegenüberliegend ist eine innere zylindrische Oberfläche 28 des Mischgefäßes 12, die als Mischbereich bezeichnet werden kann.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfaßt der Rotationskörper 10 eine mittige kreisförmige Ausnehmung 30, mit der derselbe beispielsweise an der Spindel eines Motors angebracht sein kann, so daß der Motor und die Spindel als Antrieb für den Rotationskörper 10 wirken.
Um unter Verwendung einer solchen Mischvorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, ein Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten durchzuführen, werden die zu mischenden Ausgangssubstanzen A und B zunächst in die voneinander getrennten Reservoire 16 und 18 innerhalb des Rotationskörpers bzw. Rotors 10 eingefüllt. Wird der Rotationskörper in eine Rotationsbewegung versetzt, so erfahren die zu mischenden Ausgangssubstanzen eine Zentrifugalbeschleunigung. Wird eine definierte, kritische Drehzahl überschritten, so werden die Ausgangssubstanzen in die Außenbereiche des Rotationskörpers 10 bewegt. Genauer gesagt werden die verschiedenen, zu mischenden Substanzen durch ein geeignetes Kanalsystem (durch die Fluidkanäle 22 und 26 angedeutet) den Ausstoßöffnungen 20 und 24, die auch als Düsen bezeichnet werden können, im Außenbereich des Rotationskörpers 10 zugeführt und aufgrund der Zentrifugalbeschleunigung durch die Düsen aus dem Rotationskörper nach außen weggeschleudert. Die nach außen weggeschleuderten bzw. gesprühten Flüssigkeiten bei einer Drehung des Rotationskörpers 10 im Uhrzeigersinn sind in 1 angedeutet.
Diese derart ausgestoßenen zu mischenden Reagenzien treffen in Form von dünnen Schichten auf die gegenüberliegende Wand 28 des Mischgefäßes 12, so daß sich beim Mischen von zwei Reagenzien A und B an der Wand 28 des Mischgefäßes 12 eine Schichtfolge ABABABAB usw. bildet. Die einzelnen Schichtdicken der jeweiligen Domänen können sehr gering sein, so daß ein nachfolgendes Diffusionsmischen der Moleküle in den aufeinander laminierten Schichten beschleunigt stattfinden kann. Je geringere Schichtdicken im Mischbereich 28 des Mischgefäßes 12 erzeugt werden, desto kürzer ist die charakteristische diffusive Mischzeit der beiden Ausgangsstoffe, die, wie eingangs ausgeführt, von der Diffusion und somit den Schichtdicken der erzeugten Schichtung abhängt.
Neben der Durchmischung durch Diffusion zwischen den laminierten Schichten wird der Mischprozeß durch zusätzliche Wirbelbildung und Durchdringung der Schichtung aufgrund der kinetischen Energie der auf das Mischgefäß 12 auftreffenden Tröpfchen verstärkt. Hierbei kann der rein diffusionsbegrenzte Mischprozeß verwendet werden, um eine obere Grenze für die charakteristische Mischzeit abzuschätzen.
Eine schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung ist in 2 gezeigt. Insbesondere unterscheidet sich bei der in 2 gezeigten Ausführungsform die Anordnung von Flüssigkeitsreservoiren 36 und 38 in einem Rotationskörper 40 von der in 1 gezeigten. Bei der in 2 gezeigten Aus führungsform sind die Flüssigkeitsreservoire 36 und 38 als bogenförmige Winkelsegmente konzentrisch zu der Achse 14 angeordnet. Wiederum sind die Ausstoßöffnungen 20 und 24 fluidisch mit den Flüssigkeitsreservoiren 36 und 38 verbunden, wie durch als Linien dargestellte Fluidkanäle 42 angedeutet ist.
Eine schematische Querschnittansicht, die einen Rotationslaminator unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung zeigt, wird nun Bezug nehmend auf 3 beschrieben.
Der Rotationslaminator umfaßt einen Rotationskörper 50, der eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung darstellt, ein Mischgefäß 52, das eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung darstellt, eine Abdeckung 54 für das Mischgefäß 52 und eine Antriebseinrichtung für den Rotationskörper 50, die einen Motor 56 und eine durch den Motor 56 angetriebene Spindel 58 umfaßt. Ferner ist in 3 eine Steuerung für den Motor gezeigt, die beispielsweise einen Ein-/Ausschalter 60 und einen Drehzahlregler 62 aufweisen kann.
Der Rotationskörper 50 ist für eine Drehung mit derselben an der Spindel 58 angebracht, während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel das Mischgefäß 52 starr an einer Halterung bzw. einem Gehäuseabschnitt 64 der Antriebseinrichtung angebracht sein kann. Eine Gegenhalteeinrichtung 66, die eine drehbare Lagerung der Spindel 58 ermöglicht, kann vorgesehen sein, die gleichzeitig die Abdeckung 54 relativ zu dem Mischgefäß 52 halten kann.
Der Rotationskörper 50, der im Querschnitt gezeigt ist, umfaßt ein erstes Flüssigkeitsreservoir 70 und ein zweites Flüssigkeitsreservoir 72, die wiederum ringförmig in dem Rotationskörper 50 gebildet sind. Im Außenbereich des Rotationskörpers 50 sind wiederum erste Ausstoßöffnungen 20, die mit dem Reservoir 70 fluidmäßig verbunden sind, und zweite Ausstoßöffnungen 24, die mit dem Reservoir 72 fluid mäßig verbunden sind, vorgesehen. Die Ausstoßöffnungen können beispielsweise in Form von Flüssigkeitsspalten gebildet sein, wie später Bezug nehmend auf 10 näher erläutert wird. Zwischen den Ausstoßöffnungen 20 und 24 und den jeweiligen Flüssigkeitsreservoiren 70 und 72 sind Fluidkanalstrukturen 74 und 76, die eine fluidische Verbindung herstellen, vorgesehen. Wie später Bezug nehmend auf die 5 bis 9 näher erläutert wird, können diese Fluidkanalstrukturen Ausgleichsbereiche für eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeiten aus den Reservoiren auf die Düsen und Anstaubereiche zur Erzeugung definierter Drücke an den Düsen aufweisen. Wie ferner in 3 angedeutet ist, kann der Rotationskörper 50 durch eine Mehrzahl von übereinander angeordneten Scheiben gebildet sein.
Im Betrieb werden wiederum zunächst unterschiedliche Flüssigkeiten in die Reservoire 70 und 72 eingebracht, woraufhin der Rotationskörper 50 über den Motor 56 und die Spindel 58 mit einer Rotation beaufschlagt wird, die eine ausreichende Drehzahl aufweist, um Flüssigkeit durch die Kanalstrukturen 74 und 76 zu den Ausstoßöffnungen 20 und 24 (durch Zentrifugalkraft) zu treiben und einen Flüssigkeitsausstoß 78, 80 aus den Düsen 20, 24 zu bewirken. Die ausgestoßene Flüssigkeit 78, 80 trifft wiederum auf die innere zylinderförmige Wandung 82 des Mischgefäßes 52, wo eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der Flüssigkeiten erzeugt wird. Das auf der inneren Wandung 82 des Mischgefäßes 52 erzeugte Gemisch sammelt sich durch Gravitationskraft am Boden des Mischgefäßes in einem dort gebildeten Sammelbereich 84. Das Mischgefäß kann mit einer geeigneten Einrichtung versehen sein, um das Gemisch aus dem Sammelbereich 84 zu entnehmen, beispielsweise eine verschließbare Entnahmeöffnung. Alternativ ist die Anordnung zerlegbar, so daß nach dem Herausnehmen des Rotors auch das Mischgefäß entnommen werden kann und das Gemisch aus dem Sammelbereich 84 ausgegossen werden kann.
Um ein Austreten von Flüssigkeit aus den Reservoiren eines ruhenden Rotationskörpers zu verhindern, kann ein Ventilmechanismus vorgesehen sein. Denkbar sind hier aktive, von außen elektrisch steuerbare Ventile oder passive Ventile, die beispielsweise den Flüssigkeitsstrom erst oberhalb einer kritischen Drehzahl zulassen. Beiden Varianten ist gemein, daß die zu mischenden Reagenzien bzw. Flüssigkeiten A und B erst nach Erreichen der gewünschten Drehzahl laminiert werden und so die gesamte Flüssigkeit im optimalen Drehzahlbereich gemischt werden kann.
Als passive Ventile können beispielsweise Zentrifugalventile an den jeweiligen Ausstoßöffnungen vorgesehen sein, die als Kugel-Federsysteme ausgelegt werden können. Dabei wird im Ruhezustand eine Kugel durch eine Feder auf einen Dichtsitz der Ausstoßöffnung gepreßt. Bei Überschreiten einer kritischen Drehzahl wird die Kugel aufgrund deren Zentrifugalbeschleunigung gegen die Feder nach außen bewegt und gibt den Ventilsitz frei. Die Ventilmechanismen können so ausgelegt werden, daß beide Flüssigkeiten gleichzeitig zu fließen beginnen.
Eine weitere Ausführungsform passiver Ventile ist ein Reservoir mit einem Überlauf, wie nachfolgend Bezug nehmend auf die 4a und 4b erläutert wird.
Bei dieser Ausführungsform umfaßt der Rotationskörper 90 wiederum ein erstes Flüssigkeitsreservoir 92 und ein zweites Flüssigkeitsreservoir 94, die beispielsweise als Winkelkreissegmente (2) in dem Rotationskörper 90 gebildet sein können. Ferner sind den Reservoiren 92 bzw. 94 zugeordnet Überlaufstrukturen 96 und 98 vorgesehen. Ferner sind die Reservoire 92 und 94 wieder über entsprechende Fluidkanalstrukturen 74 und 76 mit den jeweiligen Ausstoßöffnungen 20 und 24 verbunden. 4b zeigt eine vergrößerte Querschnittdarstellung des entsprechenden Rotationskörpers 90. Bei diesem Rotationskörper sammeln sich die Flüssigkeiten beim Einfüllen im Bodenbereich 100 der beiden Flüssigkeitsreservoire 92 und 94. Erst nach Erreichen einer bestimmten Drehzahl können die Flüssigkeiten eine bestimmte Steighöhe erreichen und somit die Überläufe 96 und 98 überschreiten. Vorzugweise weisen die Überläufe 96 und 98 hierzu geneigte innere Oberflächen 102 auf. Die in den 4a und 4b gezeigte Ausführungsform kommt ohne bewegliche Ventilkomponenten aus und ist daher besonders kostengünstig zu realisieren.
Ein Ausführungsbeispiel für einen Rotationskörper mit in demselben gebildeten Fluidkanalstrukturen zum Verbinden von Reservoiren und Ausstoßöffnungen wird nun Bezug nehmend auf die 5 bis 9 beschrieben, wobei 5 eine schematische Schnittdarstellung zeigt, 6 eine schematische Schnittdarstellung in auseinandergezogener Form zeigt, 7 eine schematische perspektivische Ansicht des Rotationskörpers in auseinandergezogener Form zeigt und die 8 und 9 schematische perspektivische Ansichten von zwei Scheiben des Rotationskörpers zeigen.
Da die in den 5 bis 9 gezeigte Mischvorrichtung im wesentlichen einen identischen Aufbau zu der in 3 gezeigten Mischvorrichtung aufweisen kann, sind dort wiederum gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Wie am besten in den 6 und 7 zu erkennen ist, umfaßt der Rotationskörper 50 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel vier Scheiben 50a, 50b, 50c und 50d, die übereinander angeordnet sind. In der obersten Scheibe 50a sind Bereiche des ersten Flüssigkeitsreservoirs 70 und des zweiten Flüssigkeitsreservoirs 72 als Ringstrukturen ausgebildet. In der zweiten und dritten Scheibe 50b und 50c sind die zur Verbindung der Flüssigkeitsreservoire mit den Ausstoßöffnungen vorgesehenen Fluidkanalstrukturen gebildet. Die untere Scheibe 50d dient als untere Abdeckplatte. Diese untere Abdeckplatte 50d ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem Halterungsbereich 110 des Mischgefäßes 52 drehbar verbunden.
Der Rotationskörper 50 weist wiederum eine mittige Ausnehmung 30 auf, über die derselbe an der Spindel eines Motors angebracht sein kann. In dem Halterungsabschnitt 110 des Mischgefäßes 52 ist eine zentrale kreisförmige Ausnehmung 112 vorgesehen, durch die eine Spindel 58 eines Antriebsmotors verlaufen kann, ohne das Mischgefäß 52 anzutreiben. Zu diesem Zweck kann der Durchmesser der Ausnehmung 112 größer sein als der der Ausnehmung 30. Alternativ könnte ein Kugellager in der Ausnehmung 112 vorgesehen sein, um ein drehbares Lager für die Spindel zu liefern.
Wie am besten in 8 zu sehen ist, mündet das äußere Flüssigkeitsreservoir 72 in einem in der zweiten Scheibe 50b gebildeten Ring 120, der als Teils des Flüssigkeitsreservoirs oder als Ausgleichsbereich zum Verteilen der Flüssigkeit aus dem Reservoir 72 zu in dem Rotationskörper gebildeten zweiten Düsen 24 (siehe 9) angesehen werden kann. Dazu ist der Ring 120 in Form und Anordnung mit dem Ring 72 zusammenpassend gebildet. Die Ausstoßöffnungen 24 in Form jeweiliger Flüssigkeitsspalte, wobei ein derartiger Spalt schematisch in 10 gezeigt ist, sind mit jeweiligen Anstaubereichen 122 versehen, die ein definiertes Flüssigkeitsvolumen fassen, so daß bei Vorliegen einer bestimmten Drehzahl ein definierter Druck an den Düsen 24 erzeugt wird. Zu diesem Zweck existiert zwischen dem Anstaubereich und der Düse jeweils ein Übergang zwischen einem kleineren Flusswiderstand und einem größeren Flusswiderstand. Die Anstaubereiche 122 sind über Durchgangslöcher 124 in der zweiten Scheibe 50b mit dem Ausgleichsbereich 120 bzw. dem Flüssigkeitsreservoir 72 verbunden.
In der zweiten Platte 50b ist ferner ein innerer Ring 130 strukturiert, der in Form und Anordnung mit dem ersten Flüssigkeitsreservoir 70 zusammenpaßt. Ferner sind Durchgangsöffnungen 128 durch die zweite Scheibe 50b im Bereich des Rings 130 vorgesehen. Über die Durchgangsöffnungen 128 ist der Ring 130, der zusammen mit dem in der ersten Schei be 50a gebildeten Ring das erste Flüssigkeitsreservoir bildet, mit einem Ausgleichsbereich 132, der in der dritten Scheibe 50c gebildet ist, fluidisch verbunden. Alternativ könnte der Ring 130 die zweite Scheibe 50b vollständig durchdringend vorgesehen sein, so daß der Ring 132 einen Teil des ersten Flüssigkeitsreservoirs 70 bilden würde. Mit dem Ausgleichsbereich 132 fluidisch verbunden sind jeweilige, den ersten Ausstoßöffnungen bzw. Düsen 20 zugeordnete Anstaubereiche 134, die dem gleichen Zweck dienen wie die den zweiten Ausstoßöffnungen 24 zugeordneten Anstaubereiche 122.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß die Form und Anordnung des in der dritten Scheibe 50c gebildeten ringartigen Ausgleichsbereichs 132 mit der Form und Anordnung des in der zweiten Scheibe 50b gebildeten Rings 130 übereinstimmt. Ferner sei angemerkt, daß die in den 5 und 6 gezeigten Schnittdarstellungen jeweils einem Schnitt entlang der Linie X-X in den 8 und 9 entspricht.
Die Bezug nehmend auf die 5 bis 9 beschriebenen Fluidkanalstrukturen zum Verbinden von Fluidreservoiren und Ausstoßöffnungen sind lediglich beispielhafter Natur, wobei beliebige Fluidkanalstrukturen verwendet werden können, so lange durch dieselben ein definierter Druck an den Ausstoßöffnungen bereitgestellt werden kann, um reproduzierbar ein Laminat mit geringen Schichtdicken auf der Innenwand des Mischgefäßes 52 erzeugen zu können.
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des Rotors auch das Mischgefäß in Rotation versetzt werden. Ein Ausstoß der Ausgangsstoffe aus der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung kann dabei durch Beaufschlagung von Flüssigkeitsreservoiren, die entsprechend mit Ausstoßöffnungen fluidisch verbunden sind, mit Druck generiert werden. Bei einer derartigen Ausführungsform können durch unterschiedliche Antriebsdrücke auch unterschiedliche Viskositäten von zu mischenden Ausgangsstoffen bzw. Reagenzien kompensiert werden. Höher viskose Medien werden in einem solchen Fall mit einem höheren Druck beaufschlagt, wodurch identische Durchflüsse für niedrig- und hochviskose Ausgangsstoffe erreicht werden können.
Ein Ausführungsbeispiel mit rotierbaren Mischgefäß kann beispielsweise realisiert werden, indem ein Mischgefäß mit einer Form, wie sie beispielsweise in 6 gezeigt ist, über die zentrale Ausnehmung 112 auf der Spindel eines Antriebsmotors befestigt wird, um sich mit derselben zu drehen, während die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung nicht für eine Drehung mit der Spindel mit dieser verbunden wird.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Flüssigkeitsempfangseinrichtung mit einer Rotation beaufschlagt wird, wird nun bezugnehmend auf die 11 und 12 beschrieben. 11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung in auseinandergezogener Form (Schnitt entlang der Linie X-X in 12), während 12 eine perspektivische Ansicht einer Scheibe der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung zeigt. Elemente, die denen des bezugnehmend auf die 5 und 9 beschriebenen Ausführungsbeispiels entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das in den 11 und 12 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst eine starre Flüssigkeitsausstoßvorrichtung 200, die drei Scheiben 50a, 50b und 50e aufweist. Der Aufbau der Scheiben 50a und 50b kann dem der bezugnehmend auf die 5 bis 9 beschriebenen Scheiben 50a und 50b entsprechen.
In der oberen Oberfläche der Scheibe 50e der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung 200 ist eine Ringstruktur 202 gebildet, die in Form und Anordnung an die in der Scheibe 50b gebildete Ringstruktur 130 angepasst ist und über die in der Scheibe 50b gebildeten Fluiddurchführungen 128 mit der Ringstruktur 130 fluidisch verbunden ist. Die Ringstruktur mündet in jeweilige Anstaubereiche 204, die in der Scheibe 50e gebildet sind. Die Anstaubereiche 204 sind mit Düsen 206 fluidisch verbunden, die bei dem gezeigten Beispiel in Form von länglichen Spalten in der Scheibe 50e gebildet sind. Die Düsen 206 münden auf der Unterseite der Scheibe 50d. Die Anstaubereiche 204 besitzen einen kleineren Flusswiderstand als die Düsen 206, so dass ein definierter Druck an den Düsen 206 erzeugt werden kann, wenn durch eine Druckerzeugungseinrichtung (nicht gezeigt) ein Druck auf eine in dem Reservoir 70 befindliche Flüssigkeit ausgeübt wird.
Ferner sind in der Scheibe 50e Anstaubereiche 208 gebildet, die mit der in der Scheibe 50b gebildeten Ringstruktur 120 über Fluiddurchführungen 124 fluidisch verbunden sind. Den Anstaubereichen zugeordnet und mit denselben fluidisch verbunden sind in der Scheibe 50e gebildete Düsen 210, die auf der Unterseite der Scheibe 50e münden.
Die Düsen 206 und 210 sind in abwechselnder Reihenfolge entlang des Umfangs der Scheibe 50e gebildet und auf diese Weise nebeneinander angeordnet.
Das in den 11 und 12 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst ferner eine rotierende Empfängerplatte 212, die eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung darstellt. Die Empfängerplatte 212 kann für eine Drehung mit derselben über eine zentrale Ausnehmung 214 auf der Spindel (in 11 nicht gezeigt) eines Antriebsmotors (in 11 nicht gezeigt) gelagert sein. Zu diesem Zweck kann die Empfängerplatte 212 an dem Halterungsbereich 110 des Gefäßes 52 drehbar gelagert sein.
Im zusammengesetzten Zustand sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausstoßöffnungen der Düsen 206 und 210 gegenüberliegend zu der oberen Oberfläche der Empfängerplatte 212 angeordnet. Unter Ausüben eines Drucks auf in den Reservoiren 70 und 72 befindliche Flüssigkeiten geben die benachbarten Düsen 206 und 210 der statischen Ausstoßvorrichtung 200 Flüssigkeiten A und B auf die darunter liegende rotierende Empfängerplatte 212 ab. Auf der oberen Oberfläche der Empfängerplatte 212 werden die Flüssigkeiten in Form dünner Schichten laminiert. Das gesamte Schichtlaminat wird durch Zentrifugalkräfte anschließend auf die ruhende Wand 82 des Mischgefäßes 52 geschleudert, von wo sie durch Gravitationskraft in den Sammelbereich 84 läuft.
Die Bezug nehmend auf die 11 und 12 beschriebene Ausführungsform weist folgende Vorteile auf. Die Empfangsplatte kann sehr einfach aufgebaut sein und daher mit sehr geringer Unwucht sehr kostengünstig hergestellt werden. Aufgrund des geringen Gewichts kann die Empfängerplatte schneller beschleunigt werden und erlaubt auch größere Drehzahlen als dies mit deutlich schwereren und komplizierter gestalteten Platten der Fall wäre. Ferner können durch eine gezielte, individuelle Druckbeaufschlagung der Reservoire unterschiedliche Durchflüsse und somit unterschiedliche Mischverhältnisse auf einfache Weise eingestellt werden. Entsprechende Einrichtungen zum Erzeugen einer entsprechenden Druckbeaufschlagung der Reservoire sind Fachleuten bekannt und bedürfen hier keiner weiteren Erläuterung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit sowohl die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung als auch die Flüssigkeitsempfangseinrichtung mit einer Rotation beaufschlagt werden, wobei entscheidend lediglich eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Einrichtungen ist. Es ist offensichtlich, daß bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zumindest der jeweils mit einer Rotation beaufschlagte Körper, d. h. die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und/oder die Flüssigkeitsempfangseinrichtung, rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Ferner ist vorzugsweise, wenn die Flüssigkeitsempfangseinrichtung stationär ausgebildet ist, die Wandung derselben, auf der die Flüssigkeiten empfangen werden, rotationssymmetrisch ausgebildet.
Die vorliegende Erfindung ist darüber hinaus nicht auf das Mischen von lediglich zwei Flüssigkeiten begrenzt. Vielmehr können mehr als zwei Flüssigkeitsreservoire mit mehr als zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung vorgesehen sein, wobei für jedes der Reservoire eine oder mehrere Ausstoßöffnungen vorgesehen sind, so daß mehr als zwei Flüssigkeiten gemischt werden können.
Wie oben beschrieben wurde, ermöglicht die vorliegende Erfindung das Mischen von zwei oder mehr Ausgangsreagenzien durch die Herstellung eines sehr dünnen, laminierten Schichtsystems. Um ein solches Schichtsystem zu erzeugen, kann die hardwareseitige Auslegung beispielsweise eines Rotationslaminators, wie er oben bezugnehmend auf die 5 bis 9 beschrieben wurde, nach unterschiedlichen, zum Teil konträren Gesichtspunkten erfolgen, also beispielsweise in Richtung eines maximalen Durchsatzes oder in Richtung einer minimalen, charakteristischen Mischzeit. Die grundlegenden Formeln für eine Auslegung sollen nachfolgend dargestellt werden, wobei eine Ausstoßöffnung in Form eines Düsenspalts, wie er in 10 gezeigt ist, betrachtet wird. Als Ausstoßöffnung bzw. Düsenspalt ist dabei der Fluidbereich zwischen der äußeren Mündung und dem Anstaubereich anzusehen, wie in 9 angedeutet ist. Ein solcher Düsenspalt besitzt eine Spaltweite sw, eine Spaltlänge sl und eine Spaltbreite sb und wird im Betrieb von einem Fluß Φ durchströmt.
Dieser durch eine einzelne Düse austretende Fluß Φ_Düse kann aus dem Strömungswiderstand der Düse R_D sowie dem an der Düse anliegenden Druck Δp berechnet werden:
Der Druck Δp errechnet sich über die Zentrifugalbeschleunigung der Flüssigkeit und ergibt sich insbesondere aus der Frequenz f des Rotationskörpers sowie der Geometrie des Fluidsystems:
Dabei steht ρ für die Dichte der Flüssigkeit, f für die Drehfrequenz des Rotors, r_m für die mittlere radiale Position der an der Düse anstehenden Flüssigkeit und l_plug für die Länge der an der Düse anstehenden Flüssigkeitssäule. Der Strömungswiderstand einer spaltartigen Düse berechnet sich zu:
Dabei steht η für die dynamische Viskosität der durch die jeweilige Ausstoßöffnung auszustoßenden Ausgangssubstanz.
Insgesamt ergibt sich also für den Durchfluß durch eine einzelne spaltartige Düse:
Die durch die Düse ausgestoßene Flüssigkeitsmenge führt nun auf der Wand des Mischgefäßes zu einer Schicht der Dicke d. Diese kann errechnet werden, indem die durch die Düse austretende Flüssigkeitsmenge dem an der Wand des Mischbehälters auflaminierten Flüssigkeitsvolumen gleichgesetzt wird, also über:
Dabei gibt r_Gefäß den Radius der Wand des Mischbehälters an. Es ergibt sich also die laminierte Schichtdicke d zu:
Über Gleichung (1) läßt sich somit die charakteristische Mischzeit abschätzen, wogegen sich der Durchsatz des Mischers aus Gleichung (5) multipliziert um die Anzahl der Düsen berechnen läßt. Für folgende Zahlenwerte

• ρ = 10³ kg/m³
• f = 100 Hz (6.000. U/min)
• r_m = 0,04 m (40 mm)
• r_Gefäß = 0,05 m (50 mm)
• l_plug = 0,02 m (20 mm)
• sl = 0,01 m (10 mm)
• sw = 0,01 m (10 mm)
• sb = 5 10^–5 m (50 μm)
• η = 10^–3 Pa s (dynamische Viskosität)
• D = 2,6 10^–9 m²/s (Diffusionskonstante von Wasser) ergibt sich die Schichtdicke der an der Wand des Mischgefäßes laminierten Schicht sowie die charakteristische Mischzeit zu:
• d = 15,7 × 10^–6 m = 15,7 μm
• τ = 0,095 s = 95 ms

Bei 16 rotationssymmetrisch angeordneten Düsen und einer Spalthöhe sh von 10 mm berechnet sich der Durchfluß pro Düse sowie der Durchsatz des gesamten Mischers pro Reagenz zu

• ϕ_Düse = 4,9 ml/s
• ϕ_Mischer = 16 × 4,9 ml/s = 78,4 ml/s

Somit wurde oben gezeigt, daß unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ein einzigartiger, kostengünstiger Rotationslaminator implementiert werden kann, mit dem im Laboralltag Reagenzien im Millisekundenbereich vermischt werden können, der bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ohne externe Pumpsysteme auskommen kann, und der einen beträchtlichen Durchsatz aufweisen kann.
Abschließend sei angemerkt, daß eine Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und eine relativ zu der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung bewegliche Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufweist, vorteilhaft zusammen mit herkömmlichen Zentrifugen oder ähnlichen herkömmlichen Antrieben Verwendung finden kann. Zu diesem Zweck können insbesondere Halteeinrichtungen in der Ausnehmung 30 der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung bzw. in der Ausnehmung 112 oder 214 der Flüssigkeitsempfangseinrichtung vorgesehen sein, um diese Einrichtungen für eine Drehung an der Spindel einer herkömmlichen Zentrifuge anzubringen. Bei einem solchen Einsatz können sämtliche Antriebs- und Steuerungselemente durch die bekannte Zentrifuge implementiert sein.
Der Abstand zwischen den Ausstoßöffnungen und der die Flüssigkeiten empfangenden Wand des Mischgefäßes ist nicht kritisch, so lange die Energie, mit der die Flüssigkeiten aus den Ausstoßöffnungen ausgestoßen werden, ausreicht, um ein Sprühen der Flüssigkeiten auf die Empfangseinrichtung zu ermöglichen und so lange die auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufgebrachte Schichtung die Relativbewegung zwischen Ausstoßeinrichtung und Empfangseinrichtung nicht stört.

Claims

Mischervorrichtung zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten mit folgenden Merkmalen: einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200), die eine erste Ausstoßöffnung (20; 206) zum Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit und eine zweite Ausstoßöffnung (24; 210) zum Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aufweist; einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) zum Empfangen der ausgestoßenen ersten und zweiten Flüssigkeit (78, 80), wobei die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200) und die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) relativ zueinander drehbewegbar sind, um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit auf einer Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) zu erzeugen, und wobei ein Abstand zwischen den Ausstoßöffnungen und der die Flüssigkeiten empfangenden Wand derart ist, dass die Energie, mit der die Flüssigkeiten aus den Ausstoßöffnungen ausgestoßen werden, ausreicht, um ein Sprühen derselben auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung zu ermöglichen, und dass die auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufgebrachte Schichtung die Relativbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung nicht stört.
Mischervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Einrichtung (56, 58) zum Erzeugen der relativen Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200) und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) aufweist.
Mischervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) eine zylindrische äußere Oberfläche aufweist, in der die erste und zweite Ausstoßöffnung (20, 24) gebildet sind, und bei der die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52) eine zylindrische Oberfläche aufweist, die der zylindrischen äußeren Oberfläche der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung gegenüber liegt.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) um eine Rotationsachse (14) rotierbar ist, wobei die erste Flüssigkeit und die zweite Flüssigkeit durch die aufgrund der Rotation wirkende Zentrifugalkraft aus der ersten und der zweiten Ausstoßöffnung (20, 24) ausstoßbar sind.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der aktive oder passive Ventile (96, 98) für die Ausstoßöffnungen (20, 24) vorgesehen sind, so daß ein Ausstoß der Flüssigkeiten erst ab einer bestimmten Drehzahl stattfindet.
Mischervorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Ventile passive Ventile sind, die durch Zentrifugalventile, die ab einer bestimmten Drehzahl öffnen, oder Überlaufstrukturen (96, 98), die durch die Flüssigkeiten erst ab einer bestimmten Drehzahl überstiegen werden können, gebildet sind.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (212) um eine Rotationsachse rotierbar ist, wobei die Mischervorrichtung ferner eine Druckbeaufschlagungseinrichtung aufweist, um die Flüssigkeiten durch eine Druckbeaufschlagung aus den Ausstoßöffnungen auszustoßen.
Mischervorrichtung nach Anspruch 7, bei der die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (212) eine sich von der Rotationsachse radial erstreckende Empfangsoberfläche aufweist und bei der die Ausstoßöffnungen (206, 210) in einer der sich radial erstreckenden Empfangsoberfläche gegenüberliegenden Oberfläche der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (200) gebildet sind.
Mischervorrichtung nach Anspruch 8, die ferner ein Behältnis (52) mit einer zylindrischen Oberfläche (82) aufweist, die einer äußeren zylindrischen Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (212) gegenüberliegt, so dass die auf der Flüssigkeitsempfangseinrichtung erzeugte Schichtung bei einer Rotation durch Zentrifugalkraft auf die zylindrische Oberfläche (82) des Behältnisses (52) geschleudert wird.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 50; 200) für jede Ausstoßöffnung (20, 24; 206, 210) einen Anstaubereich (122, 134; 204, 208) aufweist, um einen definierten Druck an jeder Ausstoßöffnung (20, 24; 206, 210) erzeugen zu können.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die eine Mehrzahl erster Ausstoßöffnungen (20; 206) und eine Mehrzahl zweiter Ausstoßöffnungen (24; 210) aufweist, die in einer abwechselnden Reihenfolge nebeneinander angeordnet sind.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) ein erstes Flüssigkeitsreservoir (16; 36; 70; 92), das mit einer oder mehreren ersten Ausstoßöffnungen (20) fluidisch verbunden ist, und ein zweites Flüssigkeitsreservoir (18; 38; 72; 94), das mit einer oder mehreren zweiten Ausstoßöffnungen (24) fluidisch verbunden ist, aufweist.
Mischervorrichtung nach Anspruch 12, bei der die Flüssigkeitsreservoire (16, 18; 70, 72) eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen.
Mischervorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, bei der die Flüssigkeitsreservoire (16, 18; 36, 38; 70, 72; 92, 94) jeweils mit einer Mehrzahl von Ausstoßöffnungen (20, 24; 206, 210) verbunden sind, wobei die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung Ausgleichsbereiche (120, 132) aufweist, um die erste Flüssigkeit aus dem ersten Flüssigkeitsreservoir (16; 36; 70; 92) auf die ersten Ausstoßöffnungen (20; 206) zu verteilen und/oder die zweite Flüssigkeit aus dem zweiten Flüssigkeitsreservoir (18; 38; 72; 94) auf die zweiten Ausstoßöffnungen (24, 210) zu verteilen.
Mischervorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Ausgleichsbereiche (120, 132) eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung durch eine Mehrzahl übereinander angeordneter strukturierter Scheiben (50a–50e) gebildet ist.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die Ausstoßöffnungen (20, 24; 206, 210) durch längliche Spalte gebildet sind und die Relativbewegung der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90; 200) und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52; 212) quer zu den länglichen Spalten ist.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52) die Wand zum Empfangen der Flüssigkeiten und einen Sammelbereich (84), in dem sich die Flüssigkeiten durch Schwerkraft sammeln, aufweist.
Mischervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, die angepaßt ist, um mit kommerziell erhältlichen Zentrifugen oder ähnlichen Antrieben betrieben zu werden.
Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten mit folgenden Schritten: Ausstoßen einer ersten Flüssigkeit aus einer ersten Ausstoßöffnung (20) einer Flüssigkeitsausstoßeinrich tung (10; 40; 50; 90) auf eine Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52); Ausstoßen einer zweiten Flüssigkeit aus einer zweiten Ausstoßöffnung (24) der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52); und Bewirken einer relativen Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung (10; 40; 50; 90) und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52), um eine Schichtung aus übereinander angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit auf einer Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung (12; 52) zu erzeugen, wobei ein Abstand zwischen den Ausstoßöffnungen und der die Flüssigkeiten empfangenden Wand derart ist, dass die Energie, mit der die Flüssigkeiten aus den Ausstoßöffnungen ausgestoßen werden, ausreicht, um ein Sprühen derselben auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung zu ermöglichen, und dass die auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufgebrachte Schichtung die Relativbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung nicht stört.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Schritt des Bewirkens einer relativen Drehbewegung den Schritt des Beaufschlagens der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung mit einer Rotation umfaßt, derart, daß durch die dadurch bedingte Zentrifugalkraft die erste und die zweite Flüssigkeit aus den Ausstoßöffnungen (20, 24) ausgestoßen werden.