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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Trennen von Gas und Flüssigkeit, insbesondere in mikrofluidischen Systemen, umfassend einen ersten Kanal mit einer ersten Längsachse zum Zuführen des Gases und der Flüssigkeit, einen zweiten Kanal zum Abführen des Gases und der Flüssigkeit, und eine Trenneinheit zum selektiven Transport des Gases und der Flüssigkeit vom ersten Kanal in den zweiten Kanal, wobei die Trenneinheit zwei oder mehr Kapillarkanäle aufweist, die den ersten und den zweiten Kanal fluidisch verbinden.
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Derartige Vorrichtungen und Verfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden zum Abtrennen einer dispersen Phase, insbesondere zum Separieren von Gasblasen aus Flüssigkeiten in mikrofluidischen Systemen wie „Lab-on-Chip“-Anwendungen verwendet, wo es wichtig ist, gasblasenfreie Flüssigkeiten zur Verfügung zu stellen.
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In der
WO 2004/087283 A1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Trennen eines ersten Fluids von einem zweiten Fluid beschrieben. Hier wird ein kombinierter Fluss des ersten und des zweiten Fluids über einen ersten Kanal einer Trennvorrichtung mit Kapillarkanälen zugeführt, wobei die Kapillarkanäle den ersten Kanal mit einem zweiten Kanal fluidisch verbinden. Die Trennung der beiden Fluide geschieht über eine Steuerung der Druckdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal unter Berücksichtigung der Kapillarkräfte in den Kapillarkanälen. Das erste Fluid wird über den ersten und das zweite Fluid über den zweiten Kanal aus der Vorrichtung abgeführt. Nachteilig hieran ist die aufwendige Prozessführung, da die Drücke im ersten und im zweiten Kanal gezielt eingestellt und aufeinander abgestimmt werden müssen. Ähnlich verhält es sich mit der in der
GB 2 417 913 A und der
GB 2 452 407 A gezeigten Vorrichtung.
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In der
WO 2005/028066 A1 wird eine Vorrichtung zur Gas- oder Flüssigkeitsabscheidung aus mikrofluidischen Durchfluss-Systemen offenbart. Diese Vorrichtung umfasst ein Schlauchsystem, das zur Gasabscheidung fluidisch mit der Vorrichtung verbunden ist. Die Vorrichtung weist eine hohle hydrophobe Zuleitung auf, in der eine ebenfalls hydrophile Ableitung geführt wird, wobei sowohl die Zuleitung als auch die Ableitung als Hohlfasermembrane ausgebildet sind. Hierbei können die Gasblasen die hydrophile Hohlfasermembran nicht durchqueren und entweichen unkontrolliert durch die hydrophobe Hohlfasermembran in die Umgebung. Sie gelangen nicht in die Ableitung, so dass sie keinem weiteren verfahrenstechnischen Prozess unterzogen werden können.
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Die
US 2002/0121195 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Trennen von Gas und Flüssigkeit, bei der ein Luftreservoir in einem Flüssigkeits-Kreislauf angeordnet ist und die einen hydrophoben Filter umfasst, den Flüssigkeit, aber kein Gas durchqueren kann.
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Die
DE 694 09 736 T2 lehrt ein Verfahren zum Prüfen der Unversehrtheit poröser Strukturen, die auch zur Bestimmung der Porengrößenverteilung einer porösen Membranstruktur verwendet wird. Eine definierte Kanalstruktur wird jedoch nicht offenbart.
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In der
WO 93/22029 A 1 wird eine Fluidfilteranordnung vorgestellt, mit der eine Flüssignahrung von Mikroorganismen und Gas befreit werden soll. Die Vorrichtung weist hierzu in einem Filterelement einen Bereich mit einer flüssigkeitsdurchlässigen Membran (12) und benachbart hierzu einem gasdurchlässigen Bereich auf (17, 18).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zumindest zu reduzieren und eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass sie einfacher verwendet und ohne aufwendige Steuerungsmaßnahmen in verfahrenstechnische Prozesse integriert werden kann. Ferner soll sie ermöglichen, eine weitgehend blasenfreie Flüssigkeit bereitzustellen.
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Gelöst wird die Aufgabe dadurch, dass der erste Kanal als ein nur über die Trenneinheit entleerbarer Totkanal ausgebildet ist. Der Totkanal weist eine erste innere Stirnfläche auf und bildet eine Art „Sackgasse“, so dass der erste Kanal ausschließlich zum Zuführen des Gases und der Flüssigkeit in die Vorrichtung und zur Trenneinheit dient. Der Totkanal kann nur über die Trenneinheit entleert werden. Die Flüssigkeit und das Gas müssen die Trenneinheit durchqueren, um in den zweiten Kanal zu gelangen, der ausschließlich zum Abführen der Flüssigkeit und des Gases aus der Vorrichtung dient. Allein mit einer Steuerung oder Regelung des Förderdrucks im ersten Kanal kann selektiv die Flüssigkeit oder das Gas sequentiell in den zweiten Kanal gefördert werden. Dabei ist der Druck in dem ersten Kanal zunächst so zu wählen, dass die Flüssigkeit aufgrund des Kapillareffektes durch die Kapillarkanäle in den zweiten Kanal hindurchtritt, das Gas aber aufgrund der Oberflächenspannung entweder vor oder in den Kapillarkanälen zurückgehalten wird, je nachdem ob die Kanalwände benetzen oder nicht. Auf diese Weise sammelt sich das Gas in dem ersten Kanal, bis alle Kapillarkanäle durch die sich bildende Gasblase versperrt (blockiert) sind. Erst durch einen Druckanstieg, mit dem die Oberflächenspannung überwunden werden kann, wird die Gasblase dann durch die Kapillarkanäle entleert und der Trennprozess kann von neuem beginnen. Dadurch kann die Vorrichtung einfacher in einen Prozess zur weiteren Behandlung der Flüssigkeit und des Gases eingebunden und gesteuert werden. Die Komplexität des Prozesses und seiner Steuerung oder Regelung wird damit vermindert.
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Bevorzugt sind die Kapillarkanäle in Richtung der ersten Längsachse (L1) beabstandet voneinander angeordnet. Eine Beabstandung in Längsrichtung des ersten Kanals gewährleistet eine sichere Prozessführung. Dies schließt auch eine zusätzliche Beabstandung quer zur Längsachse nicht aus. Eine Beabstandung allein quer zur Längsachse und damit zur Hauptflussrichtung könnte indes ein unkontrolliertes Ansammeln des Gases zur Folge haben.
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Der zweite Kanal ist als ein Totkanal ausgebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat nur einen Eingang und nur einen Ausgang, so dass die Anzahl der Schnittstellen oder Anschlüsse zu weiteren verfahrenstechnischen Prozesseinheiten reduziert wird. Hierdurch wird eine weitere Reduzierung der Komplexität der Integration der Vorrichtung in verfahrenstechnische Prozesse erreicht, womit der Steuerungs- und Regelungsaufwand reduziert wird. Weiterhin kann diese Ausgestaltung symmetrisch aufgebaut sein, so dass die Förderrichtung des Gases und der Flüssigkeit durch die Vorrichtung frei gewählt werden kann. Dies erhöht die prozesstechnische Flexibilität der Vorrichtung.
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Erfindungsgemäß weisen der erste Kanal eine erste innere Stirnfläche und der zweite Kanal eine zweite innere Stirnfläche und die Kapillarkanäle eine Mantelfläche auf, wobei die erste und/oder die zweite Stirnfläche zumindest abschnittsweise bündig mit der Mantelfläche jeweils eines der Kapillarkanäle abschließen. Hiermit wird erreicht, dass insbesondere der erste Kanal vollständig entleert wird und keine Toträume entstehen, wo sich Reste der Flüssigkeit oder des Gases sammeln und einen negativen Einfluss nehmen könnten. Denkbar wäre in diesem Zusammenhang das unkontrollierte Wachstum von Mikroorganismen in diesen Toträumen, das zu einer Kontamination der gesamten Vorrichtung führen könnte, womit sie für eine Vielzahl von Lab-on-Chip-Anwendungen unbrauchbar wird. Weiterhin wird die Kanallänge auf das notwendige Minimum reduziert, so dass die mechanische Stabilität der Vorrichtung nicht unnötig geschwächt wird. Da durch diese Ausführung der Platzbedarf für die Kanäle in der Vorrichtung ebenfalls minimiert wird, kann der Platz für eine weitere Anwendung genutzt werden, so dass die Vorrichtung weiter miniaturisiert und mehrere Vorrichtungen auf engstem Raum angeordnet werden können.
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Erfindungsgemäß weisen die Kapillarkanäle Durchtrittsquerschnitte von unterschiedlicher Form und/oder Größe und/oder eine unterschiedliche Länge auf wobei zumindest ein Kapillarkanal einen größeren Durchtrittsquerschnitt aufweist als die in Strömungsrichtung dahinter bzw. davor liegenden und/oder eine geringere Länge auf als die in Strömungsrichtung dahinter bzw. davor liegenden.
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Die Durchtrittsquerschnitte der Kapillarkanäle können beispielsweise kreis- oder ellipsenförmig oder mehreckig sein. Auch können sich die Größen der Durchtrittsquerschnitte entlang der Strömungsrichtung des Gases und der Flüssigkeit ändern, so dass sie beispielsweise konusförmig sind. Sowohl die Form und Größe der Durchtrittsquerschnitte als auch die unterschiedlichen Längen beeinflussen die notwendige Energie, welche benötigt wird, um die Gasblasen durch die Kapillaren zu fördern. Es kann so erreicht werden, dass die Gasblasen bei einem bestimmten Druck der Flüssigkeit nur einen Teil der Trennvorrichtung verschließen und so ein Blockieren der Förderung der Flüssigkeit und des Gases durch die Vorrichtung vermieden wird. Andererseits kann ein Blockieren der Förderung durch die Vorrichtung aus prozesstechnischer Sicht gewünscht sein. Mit einer einfachen Erhöhung des Förderdrucks der Flüssigkeit kann die Förderung wieder aktiviert werden. Die Erhöhung des Förderdrucks kann impulsartig, also nur für eine kurze Zeit, erfolgen. Andere zeitliche Verläufe der Erhöhung des Förderdrucks sind ebenfalls denkbar.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei welcher der zweite Kanal eine zweite Längsachse aufweist, verlaufen die erste und zweite Längsachse parallel zueinander und weisen einen Abstand zueinander auf. Im Bereich, in dem die beiden Kanäle überlappen, ist die Trenneinheit angeordnet. Diese Ausgestaltung lässt sich besonders einfach fertigen, da die Kanäle weitgehend frei von Krümmungen, Verengungen und Absätzen gestaltet werden können.
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Bevorzugt weist der in Strömungsrichtung durch den ersten Kanal gesehen letzte Kapillarkanal, einen größeren Durchtrittsquerschnitt auf als die in Strömungsrichtung davor liegenden. Beispielsweise können die Durchtrittsquerschnitte der Kapillarkanäle in Strömungsrichtung entlang des ersten Kanals auch kontinuierlich zunehmen. Mit zunehmendem Durchtrittsquerschnitt der Kapillarkanäle sinkt der Kapillardruck und somit die Energie, die notwendig ist, die Gasblasen durch die Kapillarkanäle zu fördern. Dies wirkt bei einem Druckimpuls zum Entleeren des ersten Kanals einem Druckverlust innerhalb des ersten Kanals entgegen und es wird sichergestellt, dass durch den Druckimpuls die angesammelte Gasblase nicht nur bis zum ersten Kapillarkanal aus dem ersten Kanal herausbefördert wird sondern in Strömungsrichtung darüber hinaus bis zu dem erweiterten (letzten) Kapillarkanal. Auf diese Weise können Gasblasen im ersten Kanal gesammelt werden, bis diese ein große Gasblase bilden, die alle Kapillarkanäle der Trennstruktur abdeckt, worauf hin das Gas als große Gasblase in den zweiten Kanal überführt und darin weitertransportiert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist der in Strömungsrichtung durch den ersten Kanal gesehen erste Kapillarkanal, einen größeren Durchtrittsquerschnitt auf als die in Strömungsrichtung dahinter liegenden. Beispielsweise können die Durchtrittsquerschnitte der Kapillarkanäle in Strömungsrichtung entlang des ersten Kanals auch kontinuierlich abnehmen. In dieser Ausgestaltung liegt also der Kapillarkanal mit dem größten Durchtrittsquerschnitt maximal weit von der ersten inneren Stirnfläche des ersten Kanals entfernt. Es wird in Strömungsrichtung der Flüssigkeit und des Gases gesehen am Anfang der Trenneinheit eine Art Durchbruchstelle geschaffen. Bei einer vollständigen Befüllung des ersten Kanals mit einer Gasblase, wird diese bei einer Überschreitung des in dem ersten Kapillarkanal wirkenden Druckes durch die Durchbruchstelle gedrückt, womit sichergestellt wird, dass der zweite Kanal vollständig entleert wird. Vorzugsweise wird die Durchbruchstelle so ausgelegt, dass bereits eine leichte Erhöhung des Förderdrucks ausreicht, um eine Blockierung dieses Kapillarkanals durch eine Gasblase aufzuheben.
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In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der in Strömungsrichtung durch den ersten Kanal gesehen letzte Kapillarkanal, eine geringere Länge auf als die in Strömungsrichtung davor liegenden. Beispielsweise können die Längen der Kapillarkanäle in Strömungsrichtung entlang des ersten Kanals auch kontinuierlich abnehmen. Auch dies wirkt bei einem Druckimpuls zum Entleeren des ersten Kanals einem Druckverlust innerhalb des ersten Kanals entgegen und es wird sichergestellt, dass durch den Druckimpuls die angesammelte Gasblase nicht nur bis zum ersten Kapillarkanal aus dem ersten Kanal herausbefördert wird sondern in Strömungsrichtung darüber hinaus bis zu dem verkürzten (letzten) Kapillarkanal.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der in Strömungsrichtung durch den ersten Kanal gesehen erste Kapillarkanal, eine geringere Länge (LKK) auf als die in Strömungsrichtung dahinter liegenden. Beispielsweise können die Längen der Kapillarkanäle in Strömungsrichtung entlang des ersten Kanals auch kontinuierlich zunehmen. In dieser Ausgestaltung liegt also der Kapillarkanal mit der geringsten Länge maximal weit von der ersten inneren Stirnfläche des ersten Kanals entfernt. Auch auf diese Weise wird in Strömungsrichtung der Flüssigkeit und des Gases gesehen am Anfang der Trenneinheit eine Art Durchbruchstelle geschaffen.
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Auch ist es möglich den ersten und den letzten Kapillarkanal durch Verkürzung und/oder Aufweitung jeweils so auszugestalten, dass der benötigte Überdruck zum Entleeren des ersten Kanals in beiden, verglichen mit den übrigen Kapillarkanälen, gleichermaßen verringert ist. Dadurch ist bei geeigneter Drucksteuerung möglich sowohl den ersten als auch den zweiten Kanal vollständig zu entleeren.
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Vorteilhafterweise ist eine Druckmesseinheit zum Ermitteln des Drucks der Flüssigkeit im ersten und/oder im zweiten Kanal vorgesehen. Ein ansteigender Druckverlauf ist ein Maß dafür, wie viele Kapillarkanäle bereits von der angesammelten Gasblase verschlossen sind. Ein steigender Druck zeigt dabei eine steigende Anzahl von verschlossenen Kapillarkanälen an. Der Druck kann daher auch als Prozessgröße verwendet werden, da man direkt ablesen kann, wie viele Kapillarkanäle versperrt sind und insbesondere ab wann die Kapillarkanäle vollständig versperrt und somit die Förderung durch die Vorrichtung blockiert sein wird.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen der Position und/oder der Größe einer Gasblase innerhalb der Vorrichtung. Wie oben beschrieben, bildet das in der Flüssigkeit enthaltene Gas, welches in der entlang des ersten und des zweiten Kanals gefördert wird, Gasblasen, die sich in Förderrichtung gesehen vor den Kapillarkanälen ansammeln und sich dort zu einer immer größer werdenden Gasblase vereinigen. Mit zunehmender Größe dieser Gasblase werden immer mehr Kapillarkanäle versperrt, so dass der Druck der Flüssigkeit im ersten Kanal ansteigt. Aufgrund des Druckverlaufes lässt sich eine Aussage machen, wie viele Kapillarkanäle durch die Gasblase verschlossen sind. Entsprechend lässt sich die Größe der Gasblase bestimmen. Da bekannt ist, dass sie sich in Förderrichtung gesehen vor den Kapillarkanälen bildet, kennt man auch deren genaue Position in dem Mikrofluidikchip. Wird die Gasblase durch eine Erhöhung des Förderdrucks durch die Kapillarkanäle in den zweiten Kanal gefördert, lässt sich bei bekannter Fördergeschwindigkeit der Zeitpunkt bestimmen, zu dem die Gasblase den Ausgang des zweiten Kanals erreichen wird. Entsprechend kann ein Stellglied angesteuert werden, mit dem die Gasblase einem ersten und die Flüssigkeit einem zweiten, vom ersten unabhängigen Behandlungsprozess zugeführt wird. Auf diese Weise ist es erfindungsgemäß auf einfache Weise möglich, nicht nur das Gas von der Flüssigkeit zu trennen, sondern auch, das Gas und die Flüssigkeit zwei unterschiedlichen Behandlungsprozessen zuzuführen.
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Da die Größe der Gasblase bekannt ist, lässt sich auch der Zeitpunkt bestimmen, an dem die Gasblase den Ausgang des zweiten Kanals vollständig durchlaufen hat. Entsprechend kann das Stellglied auch wieder zum richtigen Zeitpunkt in die ursprüngliche Position zurückgestellt werden, so dass die dann den Ausgang wieder durchlaufende Flüssigkeit dem entsprechenden Behandlungsprozess zugeführt werden kann.
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Weiterhin kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen der Position und/oder der Größe eines Flüssigkeitsabschnitts (Plug oder Tropfen) innerhalb der Vorrichtung verwendet werden. Dies geschieht prinzipiell analog zur Bestimmung der Größe und Position der Gasblasen in der Vorrichtung. Sobald sämtliche Kapillarkanäle durch die Gasblase versperrt sind, ist die Bildung des Flüssigkeitsabschnittes in dem zweiten Kanal abgeschlossen und dessen in Transportrichtung hinteres Ende durch die Gasblase definiert. Diese Information kann dazu genutzt werden den Flüssigkeitstropfen durch einen (zeitgesteuerten) Druckimpuls gezielt an die nächste funktionale Station in dem Chip oder der Apparatur weiterzufördern. Gleichzeitig kann bei bekanntem oder gemessenem Volumenstrom die in dem Flüssigkeitstropfen enthaltene Menge Flüssigkeit, also die Größe des Flüssigkeitsabschnittes bestimmt werden.
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Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung als Absperrelement. Je nach Dimensionierung der Kanäle und Anzahl der Kapillarkanäle wird bei einer Förderung unter Aufrechterhaltung eines konstanten Förderdruckes die Förderung durch die Vorrichtung gestoppt, wenn ein bestimmtes, dem Volumen des ersten Kanals zwischen dessen Stirnfläche und dem in Strömungsrichtung ersten Kapillarkanal entsprechendes Gasvolumen in die Vorrichtung eingebracht ist. Es wird also eine Abschaltung der Förderung in Abhängigkeit vom eingebrachten Gasvolumen ermöglicht.
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Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung zum Bestimmen des Gasgehaltes einer Flüssigkeit. Das in die Vorrichtung eingebrachte Volumen an Flüssigkeit kann einfach ermittelt werden. Je nachdem, wie lange es dauert, bis die Förderung durch die Gasblasen gestoppt wird, kann das Gasvolumen in das Verhältnis zum in diesem Zeitraum in die Vorrichtung eingebrachte Volumen an Flüssigkeit gesetzt werden. Hieraus lässt sich der Gasgehalt der Flüssigkeit bestimmen.
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Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der Vorrichtung zum Trennen von Gas und Flüssigkeit. Wie oben bereits beschrieben, werden mit Hilfe der Trenneinheit ein weitgehend gasfreier und zusammenhängender Flüssigkeitsabschnitt und eine zusammenhängende Gasblase bereit gestellt. Da, wie oben ebenfalls beschrieben, die Position und Größe sowohl der Gasblase und des Flüssigkeitsabschnitts bekannt sind, kann ein Schaltglied am Ausgang des zweiten Kanals entsprechend angesteuert werden, welches die Flüssigkeit einem ersten und das Gas einem zweiten verfahrenstechnischen Prozess zuführt. So kann die Flüssigkeit beispielsweise einem verfahrenstechnischen Prozess zugeführt werden, bei dem keine Gasblasen vorhanden sein dürfen. Dies kann beispielsweise bei der Erwärmung einer Flüssigkeit verlangt sein. Enthält diese Gasblasen, dehnen sie sich aus und verschieben die sie umgebende Flüssigkeit. Dadurch kann eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Fluid nicht mehr gewährleistet werden. Dies kann durch eine vorherige Separation von Gas/Flüssigkeit und anschließender Abtrennung eines garantiert blasenfreien Flüssigkeitsvolumens sichergestellt werden.
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Mögliche Anwendungsfälle sind daher insbesondere thermische Prozesse wie die Polymerase-Kettenreaktion, bei der fast immer Gas entsteht. Gasentwicklung tritt auch bei elektrochemischen Reaktionen meist rund um Elektroden auf. Gaseinschlüsse werden regelmäßig auch beim Wiederauflösen von Trockenreagenzien, der Probenbefüllung, dem Befüllen von Festphasen wie bei der DNA Aufreinigung, und dergleichen erzeugt.
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Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung und die erfindungsgemäßen Verfahren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen im Detail erläutert, ohne dass hieraus Beschränkungen der vorliegenden Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele ableiten zu wollen. Es zeigen
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung in einem ersten Zustand,
- 2 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiten Zustand,
- 3 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem dritten Zustand,
- 4 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem vierten Zustand,
- 5 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem fünften Zustand,
- 6 das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem sechsten Zustand,
- 7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung,
- 8 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung,
- 9 ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung,
- 10 ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsdarstellung.
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Das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' umfasst ein Gehäuse 12, in dem sich ein erster Kanal 14 und ein zweiter Kanal 16 befinden. Der erste Kanal 14 weist eine erste Längsachse L1 und der zweite Kanal 16 eine zweite Längsachse L2 auf, welche parallel zueinander verlaufen und einen Abstand A zueinander aufweisen. Der erste Kanal 14 hat einen Eingang 18, durch den eine Flüssigkeit, welche einen bestimmten Gasanteil aufweisen kann, in die Vorrichtung 10' eingebracht werden kann. Ferner weist der erste Kanal 14 eine erste innere Stirnfläche 20 auf, welche sich im Inneren der Vorrichtung 10' befindet. Der zweite Kanal 16 hat einen Ausgang 22, durch den die Flüssigkeit aus der Vorrichtung 10' abgeführt werden kann. Der zweite Kanal 16 weist eine zweite innere Stirnfläche 24 auf, welche sich im Inneren der Vorrichtung 10' befindet.
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Zwischen dem ersten und dem zweiten Kanal 14, 16 ist im Gehäuse 12 eine Trenneinheit 26 angeordnet. Diese weist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Anzahl von Kapillarkanälen 28 mit einem Durchtrittsquerschnitt 30, einer Mantelfläche 31 und einer Länge LKK auf. Diese Kapillarkanäle 28 verbinden den ersten und den zweiten Kanal 14, 16 fluidisch miteinander. Weiterhin weisen der erste und der zweite Kanal 14, 16 eine Druckmesseinheit 32 zum Ermitteln des Drucks der Flüssigkeit in dem jeweiligen Kanal 14, 16 auf. Je nachdem, auf welcher Seite der Trenneinheit 26 die Pumpeinrichtung (nicht dargestellt) zum Erzeugen eines Förderstromes angeordnet ist, kommt entweder die eine oder die andere Druckmesseinrichtung zum Einsatz. Versperrt eine Gasblase die Kapillarkanäle 28, zeigt die Druckmesseinrichtung 32 im ersten Kanal 14 einen Druckanstieg an, wenn eine in Stromrichtung vor der Trenneinheit 26 angeordnete Pumpeinrichtung die Flüssigkeit durch die Trenneinheit drückt. Wenn eine in Stromrichtung hinter der Trenneinheit 26 angeordnete Pumpeinrichtung die Flüssigkeit durch die Trenneinheit saugt, zeigt die Druckmesseinrichtung 32 im zweiten Kanal 16 einen Druckabfall an.
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Das Prinzip ist nicht auf eine bestimmte Anzahl von Kapillarkanälen 28 beschränkt, allerdings müssen mindestens zwei Kapillarkanäle 28 vorhanden sein, die in Bezug auf die Strömungsrichtung des Gases und der Flüssigkeit im ersten Kanal 14 an beabstandeten Stellen den ersten Kanal 14 mit dem zweiten Kanal 16 fluidisch verbinden.
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Durch ein nicht dargestelltes Fördermittel, beispielsweise eine Pumpe, kann eine Flüssigkeit, die einen bestimmten Gasanteil aufweisen kann, durch den Eingang 18 in den ersten Kanal 14 gefördert werden. Die Förderrichtung ist durch den Pfeil P1 dargestellt. Die Flüssigkeit wird also entlang des ersten Kanals 14 zur Trenneinheit 26 hin gefördert und durchquert dann die Kapillarkanäle 28, was durch die Pfeile PKK angedeutet ist. Anschließend durchläuft die Flüssigkeit den zweiten Kanal 16 entlang der durch den Pfeil P2 dargestellten Richtung und verlässt die Vorrichtung 10' durch den Ausgang 22.
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Um die Bildung von Toträumen zu verhindern, schließt die Stirnfläche 20 bündig mit der Mantelfläche 31 des angrenzenden Kapillarkanals 28 ab. Somit wird gewährleistet, dass der erste Kanal 14 vollständig entleert wird und keine Flüssigkeits- oder Gasreste übrig bleiben.
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Wie in 2 dargestellt, wird mit der Förderung der Flüssigkeit auch eine erste Gasblase 34 entlang des ersten Kanals 14 in Richtung der Trenneinheit 26 gefördert, bis sie die erste innere Stirnfläche 20 des ersten Kanals 14 erreicht. Das Gas kann selbstverständlich auch fein verteilt in der Flüssigkeit vorliegen und sich erst vor den Kapillarkanälen zu einer größeren Gasblase der gezeigten Gestalt ansammeln. Die Kapillarkanäle 28 sind jedenfalls so dimensioniert, dass die erste Gasblase 34 bei einem normalen Förderdruck der Flüssigkeit die Kapillarkanäle 28 nicht durchqueren kann, da bei dem normalen Förderdruck die Oberflächenenergie der Gasblase 34 größer ist als die durch den Förderdruck auf die Gasblase 34 aufgebrachte Energie, die nötig wäre, die Gasblase 34 durch die Kapillarkanäle 28 zu fördern. Der Druckverlust und damit Strömungswiderstand nimmt gemäß dem Gesetz von Hagen-Poiseuille mit zunehmender Länge und abnehmendem Durchtrittsquerschnitt 30 der Kapillarkanäle zu.
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Beim normalen Förderdruck versperrt hier die Gasblase 34 die angrenzenden Kapillarkanäle 28, so dass durch diese keine Flüssigkeit mehr gefördert werden kann. In 2 ist eine zweite Gasblase 36 dargestellt, die sich in Strömungsrichtung der Flüssigkeit stromaufwärts der ersten Gasblase 34 befindet. Auch die zweite Gasblase 36 hat die Trenneinheit 26 bereits erreicht und blockiert einige Kapillarkanäle 28, so dass die Flüssigkeit nur noch durch die mit den Pfeilen PKK gekennzeichneten Kapillarkanäle 28 gefördert werden kann.
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Die zwischen der ersten und der zweiten Gasblase 34, 36 befindliche Flüssigkeit wird aufgrund der Förderung durch die entsprechenden Kapillarkanäle 28 gefördert, so dass sich die erste und die zweite Gasblase 34, 36 einander annähern und sich zu einer großen Gasblase 38' vereinigen, was in 3 dargestellt ist.
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Werden noch weitere Gasblasen durch den ersten Kanal 14 in Richtung der Trenneinheit 26 gefördert, so vereinigen sich diese ebenfalls mit der großen Gasblase 38'. Auf diese Weise werden Gas und Flüssigkeit getrennt bis sich die angesammelte Gasblase 38" ab einem bestimmten oder unbestimmten Zeitpunkt über die gesamte Trenneinheit 26 erstreckt und sämtliche Kapillarkanäle 28 versperrt, so dass keine Flüssigkeit mehr durch die Trenneinheit 26 vom ersten Kanal 14 in den zweiten Kanal 16 gefördert werden kann. Die vergrößerte Gasblase 38" ist in 4 dargestellt.
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Soll nun die Förderung wieder aktiviert werden, müssen die Kapillarkanäle 28 wieder freigegeben werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Förderdruck der Flüssigkeit soweit erhöht wird, dass dieser eine Energie aufbringt, die größer ist als die Grenzflächenenergie zwischen der großen Gasblase 38" und der darüberstehenden Flüssigkeit in den Kapillarkanälen 28. Folglich wird die große Gasblase 38" durch die Kapillarkanäle 28 gefördert, durchquert die Trenneinheit 26 und gelangt in den zweiten Kanal 16, wo sie die große Gasblase 38''' bildet, wie in 5 dargestellt. Der Förderdruck kann nun wieder auf das normale Niveau herunter gefahren werden. Die große Gasblase 38'''' wird entlang des zweiten Kanal 16 zum Ausgang 22 gefördert (vgl. 6), wo sie durch eine nicht dargestellte Einheit aufgefangen und weiter behandelt werden kann.
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Die Vorrichtung 10 kann im Wesentlichen auf zwei verschiedene Weisen betrieben werden: zum einen kann sie mit einem konstanten Förderdruck oder mit einem konstanten Volumenstrom betrieben werden.
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Wird die Vorrichtung mit einem konstanten Förderdruck betrieben, werden das Gas und die Flüssigkeit solange durch die Vorrichtung 10 gefördert, bis sämtliche Kapillarkanäle 28 von den Gasblasen 34 verschlossen werden, so dass keine Flüssigkeit mehr durch die Kapillarkanäle 28 gefördert werden kann.
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Ist die Förderung durch Anlagerung der Gasblasen 34 vor den Kapillarkanälen 28 unterbrochen worden, kann die Förderung durch Erhöhen des Förderdrucks wieder aufgenommen werden. Durch den erhöhten Förderdruck werden die Gasblasen 34 mithilfe der sich stromaufwärts der Gasblasen befindenden Flüssigkeit durch die Kapillarkanäle 28 gefördert, so dass diese anschließend wieder von der Flüssigkeit durchströmt werden und die Förderung fortgesetzt wird.
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Durch den erhöhten Förderdruck werden die Gasblasen 34 durch die Kapillarkanäle 28 gefördert. Stromabwärts der Trenneinheit vereinigen sie sich wieder zu einer zusammenhängenden Gasblase 38. Es ist daher möglich, das von der Flüssigkeit separierte Gas am Ausgang 22 des zweiten Kanals 16 aufzufangen und in einem weiteren Prozess weiter zu behandeln. Somit wird die Flüssigkeit weitgehend von eingeschlossenen Gasblasen 34 befreit und kann verfahrenstechnischen Prozessen zugeführt werden, bei denen Gasblasen 34 störend sind. Zum anderen kann das Gas von der Flüssigkeit getrennt und seinerseits verfahrenstechnischen Prozessen zugeführt werden.
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Soll andererseits die Vorrichtung mit einem konstanten Volumenstrom betrieben werden, wird der Förderdruck entsprechend angepasst. Der Förderdruck muss deshalb angepasst werden, da mit zunehmender Prozessdauer immer mehr Kapillarkanäle 28 von den Gasblasen 34 versperrt werden und mehr Flüssigkeit durch weniger Kapillarkanäle 28 gefördert werden muss. Solange der angelegte Förderdruck kleiner als der sperrende Kapillardruck ist, sammeln sich die Blasen noch vor der Trenneinheit und es wird ausschließlich Flüssigkeit durch die Trenneinheit transportiert. Übersteigt der Förderdruck den sperrenden Kapillardruck passieren die Blasen die Sperrstrukturen.
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In dem in den 1 bis 6 dargestellten nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Flüssigkeit die Oberflächen der Kapillarkanäle 28 benetzt. Beispielsweise handelt es sich um eine wässrige Lösung und eine Kanalstruktur mit hydrophiler Oberfläche.
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In 7 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung 10" dargestellt, wobei der Übersicht halber unwesentliche Teile der Vorrichtung 10" nicht gezeigt sind. Hier benetzt die Flüssigkeit die Oberfläche der Kapillarkanäle nicht. Beispielsweise ist deren Oberfläche nunmehr hydrophob, wenn auch hier die Flüssigkeit auf Wasser basiert. In diesem Fall ist die Flüssigkeit bestrebt, die Kapillarkanäle 28 so rasch wie möglich zu durchqueren. Folglich breitet sich die Gasblase 34" in die Kapillarkanäle 28 aus. Entscheidend ist hier aber die Erkenntnis, dass das der Erfindung zu Grunde liegende Trennungsprinzip nicht von der Eigenschaft der Benetzung abhängt, da die zu überwindende Grenzflächenenergie in beiden Konstellationen gleichermaßen aufgebracht werden muss. Nur bildet sich die Grenzfläche eben einmal am Eingang der Kapillarkanäle aus und einmal an deren Ausgang.
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8 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10''', ebenfalls ohne unwichtige Teile. In Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen werden die Durchtrittsquerschnitte 30 der Kapillarkanäle 28 größer und ihre Längen LKK nehmen ab. Exemplarisch sind drei unterschiedlich dimensionierte Kapillarkanäle 28', 28'' und 28''' gezeigt, die jeweils unterschiedliche Durchtrittsquerschnitte 30', 30'' und 30''' und unterschiedliche Längen LKK1, LKK2 und LKK3 aufweisen. Die Änderung der Größe der Durchtrittsquerschnitte 30 und der Längen LKK kann kontinuierlich oder diskret erfolgen. Das dargestellte Ausführungsbeispiel schließt die Möglichkeit nicht aus, dass nur eine der beiden Parameter verändert und der andere konstant gehalten wird. Sowohl die Zunahme der Größe des Durchtrittsquerschnitts 30 als auch die Abnahme der Länge LKK der Kapillarkanäle 28 führen zu einer Herabsetzung der Energie, die benötigt wird, um die Gasblase 34 durch die Kapillarkanäle 28 zu drücken. Beim Fördern der Flüssigkeit entlang des ersten Kanals 14 kann ein gewisser Verlust des Förderdrucks auftreten, so dass es bei gleich dimensionierten Kapillarkanälen 28 nicht verhindert werden kann, dass die durch den Förderdruck eingebrachte Energie in Förderrichtung gesehen am Anfang der Trenneinheit 26 ausreicht, die Gasblase 34 durch die Kapillarkanäle 28 zu drücken, im Bereich der ersten inneren Stirnfläche 20 allerdings nicht mehr. Mithilfe der Ausgestaltung der Kapillarkanäle 28 gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird sichergestellt, dass bei einem Förderdruck entweder alle Gasblasen 34 die Kapillarkanäle 28 versperren oder durch diese gefördert werden.
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Beim in 9 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10'''' nehmen in Strömungsrichtung der Flüssigkeit gesehen die Durchtrittsquerschnitte 30 der Kapillarkanäle 28 ab und ihre Länge LKK zu. Exemplarisch sind drei unterschiedlich dimensionierte Kapillarkanäle 28', 28" und 28''' gezeigt, die jeweils unterschiedliche Durchtrittsquerschnitte 30', 30" und 30''' und unterschiedliche Längen LKK1, LKK2 und LKK3 aufweisen. Auch hier kann die Änderung kontinuierlich oder diskret erfolgen. Ferner schließt auch dieses Ausführungsbeispiel nicht aus, nur einen der Parameter zu verändern und den anderen konstant zu lassen. Weiterhin kann auch nur genau ein Kapillarkanal einen anderen Durchtrittsquerschnitt 30 und/oder eine andere Länge LKK im Vergleich mit den übrigen Durchtrittsquerschnitten 30 aufweisen. Entsprechend nimmt die Energie, die benötigt wird, die Gasblase 34 durch die Kapillarkanäle 28 zu drücken, mit der Strömungsrichtung zu. An den in Strömungsrichtung gesehen am Anfang der Trenneinheit 26 angeordneten Kapillarkanälen 28 muss daher weniger Energie aufgebracht werden, um die Gasblase 34 durch die Kapillarkanäle 28 zu drücken als an denen, die im Bereich der ersten inneren Stirnfläche 20 angeordnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel kann verhindert werden, dass die Trenneinheit 26 komplett von den Gasblasen 34 versperrt wird. Entsprechend bleiben die Kapillarkanäle 28 am Anfang der Trenneinheit 26 offen, so dass die Flüssigkeit die Kapillarkanäle 28 durchströmen kann.
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Es ist allerdings auch möglich, den Förderdruck so einzustellen, dass sämtliche Kapillarkanäle 28 verschlossen werden. Dann muss aber der Förderdruck nur minimal erhöht werden, um die Kapillarkanäle 28 am Anfang der Trenneinheit 26 wieder freizugeben.
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In 10 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10''''' dargestellt. Ein wesentlicher Unterschied zu den anderen Ausführungsbeispielen liegt darin, dass insgesamt nur zwei Kapillarkanäle 28, 28' den ersten Kanal 14 und den zweiten Kanal 16 verbinden. Diese Struktur ist erfindungsgemäß zur Trennung der gasförmigen und flüssigen Phase ausreichend. Unterschiedlich ist auch, dass der stromabwärts gelegene, letzte Kapillarkanal 28' stirnseitig von dem ersten Kanal 14 abgeht und erkennbar länger ist als der stromaufwärts gelegene, erste Kapillarkanal 28. Damit ist sichergestellt, dass bei einem Druckanstieg in dem ersten Kanal 14 in Folge einer beide Kapillarkanäle 28, 28' verschließenden Gasblase, diese zunächst durch den ersten Kapillarkanal 28 aufgrund eines geringeren Kapillardruckes durchbricht und der zweite Kanal 16 deshalb vollständig entleert wird. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass auf die Druckmesseinrichtung im ersten Kanal 14 verzichtet wurde. Die Vorrichtung 10''''' weist nur eine in Stromrichtung hinter der Trenneinheit 26 angeordnete Druckmesseinrichtung 32 im zweiten Kanal 16 auf und ist deshalb nur darauf ausgelegt, bei einem saugenden Fluidantrieb gegebenenfalls einen Druckabfall im zweiten Kanal 14 anzuzeigen.
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Prinzipiell wird aus den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen klar, dass die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anordnung der Kapillarkanäle beschränkt ist.
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Die Vorrichtung 10 und insbesondere die Trenneinheit 26 aller Ausführungsbeispiele können mithilfe von Mikrofertigungsverfahren wie Mikrospritzguss und Prägeverfahren hergestellt werden. Die Kapillarkanäle 28 können durch Mikrofräser oder durch Laserablation gefertigt werden. Bei einem Prototyp wurden die Kapillarkanäle 28 mit einem kreisförmigen Durchtrittsquerschnitt 30 versehen, wobei der Durchmesser 150 µm und die Länge LKK der Kapillarkanäle 28 zwischen 100 und 200 µm betrugen. Die Breite des ersten und des zweiten Kanals 14, 16 betrugen 1 mm, die Tiefe 1,4 mm, also um etwa einen Faktor 10 mehr als die Dimensionen der Kapillarkanäle. Die Länge der Kammstruktur, also der Abstand vom ersten bis zum letzten Kapillarkanal betrug etwa 1,5 mm und somit wiederum einen Faktor 10 mehr also der Querschnitt der Kanäle 14 und 16. Aus fertigungstechnischer Sicht können die Abmessungen aber noch weiter reduziert werden. Das Volumen des ersten Kanals (Retentatkanal) muss je nach Anwendung so bemessen sein, dass die erwartete Menge Gas auf ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen an der Struktur abgeschieden werden kann.
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Die Vorrichtung ist anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Detail erläutert worden. Sich für den Fachmann in naheliegender Weise aus der Beschreibung ergebende Ergänzungen und Modifikationen weichen nicht von der zugrunde liegenden erfinderischen Idee ab und sind vom Schutzumfang umfasst, welcher durch die folgenden Ansprüche definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10', 10'', 10''', 10'''', 10''''', 10''''''
- Vorrichtung
- 12
- Gehäuse
- 14
- erster Kanal
- 16
- zweiter Kanal
- 18
- Eingang
- 20
- erste innere Stirnfläche
- 22
- Ausgang
- 24
- zweite innere Stirnfläche
- 26
- Trenneinheit
- 28, 28', 28'', 28'''
- Kapillarkanäle
- 30, 30', 30'', 30'''
- Durchtrittsquerschnitt
- 31
- Mantelfläche
- 32
- Druckmesseinheit
- 34
- erste Gasblase
- 36
- zweite Gasblase
- 38
- große Gasblase
- A
- Abstand der Kanäle
- L1
- erste Längsachse
- L2
- zweite Längsachse
- LKK
- Länge der Kapillarkanäle
