BE1022314B1

BE1022314B1 - Chemische reactor inrichting

Info

Publication number: BE1022314B1
Application number: BE2013/0078A
Authority: BE
Inventors: Malsche Wim De; Gert Desmet; De Beeck Jeff Op; Paul Jacobs
Original assignee: PharmaFluidics N.V.; Vrije Universiteit Brussel
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2016-03-15
Also published as: EP2953716A1; DK2953716T3; AU2014213666B2; CA2900217C; EP2953716B1; CN105102113A; CN105102113B; AU2014213666A1; US20160001199A1; JP6437459B2; WO2014122592A1; JP2016508440A; CA2900217A1

Abstract

Een chemische reactor (100) die een substraat (110) met een fluïdum kanaal (120) en een set van geordende pilaarstructuren (130) gepositioneerd in het kanaal (120) omvat, is beschreven. De individuele pilaarstructuren (130) hebben een lengte in de lengterichting van het kanaal (120) en een breedte in de breedterichting van het kanaal (120) waarbij hun breedte-lengte aspect ratio minstens 7 is.

Description

Chemische reactor inrichting Toepassingsgebied van de uitvinding

Deze uitvinding heeft in het algemeen betrekking op chemische reactoren. Meer specifiek heeft de huidige uitvinding betrekking op chemische reactoren gebaseerd op een systeem met langwerpige pilaarstructuren met een hoge breedte-hoogte aspect ratio, zoals bijvoorbeeld een vloeistof chromatografie systeem.

Achtergrond van de uitvinding

Chemische reactor inrichtingen die gebruik maken van vloeistof propagatie daarin hebben een groot aantal toepassingen, waaronder productie van chemische componenten, synthese van nanopartikels, separatie en/of extractie van componenten, etc. Een specifiek voorbeeld van een scheidingstechniek voor het scheiden van mengsels, om deze bijvoorbeeld op een accurate manier te kunnen analyseren, is chromatografie. Er bestaat een variatie aan vormen van chromatografie zoals gas chromatografie, gel chromatografie, dunne laag chromatografie, adsorptiechromatografie, affiniteitschromatografie, vloeistofchromatografie,.....

Vloeistofchromatografie wordt typisch gebruikt in farmacie en chemie, zowel voor analytische als voor productietoepassingen. Bij vloeistofchromatografie wordt gebruik gemaakt van het verschil in affiniteit van verschillende stoffen met een mobiele fase en een stationaire fase. Doordat elke stof zijn eigen "aanhechtingskracht" heeft tot de stationaire fase worden ze sneller of langzamer meegevoerd met de mobiele fase en op die manier kunnen bepaalde stoffen van andere gescheiden worden. Het is in principe toepasbaar op om het even welke verbinding, het heeft het voordeel dat er geen verdamping van het materiaal nodig is en het heeft het voordeel dat variaties in temperatuur slechts een verwaarloosbaar effect hebben.

Een efficiënte vorm van vloeistofchromatografie is hoge druk vloeistofchromatografie (ook gekend als hoog performantie vloeistofchromatografie) HPLC waarbij hoge druk wordt gebruikt in het scheidingsproces. Een specifiek voorbeeld van een techniek om HPLC uit te voeren is gebaseerd op chromatografische kolommen op basis van pilaren. Sinds hun introductie in vloeistofchromatografie hebben chromatografische kolommen op basis van pilaren bewezen een waardig alternatief te vormen voor systemen gebaseerd op gepakte bed structuren en monolithische systemen. Door de mogelijkheid om de pilaren met een hoge graad van uniformiteit aan te brengen en perfect te ordenen kan de dispersie afkomstig van verschillen in stroompaden of "Eddy - dispersie" vrijwel volledig voorkomen worden. Dit principe is meer algemeen toepasbaar in chemische reactoren die gebaseerd zijn op vloeistof plug propagatie. Een gekend probleem in vloeistofchromatografie is het optreden van randeffecten. Randeffecten ontstaan door het verschil in stroomsnelheid aan de wand van de kolom en in het midden van de kolom. Dit laatste kan begrepen worden als volgt, waarbij verwijzing wordt gemaakt naar FIG. 1. FIG. 1 toont een deeltje van een chromatografische kolom. Wanneer vloeistof in een chromatografische kolom met pilaren beweegt, dan wordt de stroomsnelheid bij kanaaltjes tussen pilaren onderling beïnvloed door het stroomgedrag rond elk van deze pilaren. Door de symmetrie in pilaarstructuren die typisch bij een doorgang aanwezig is, resulteert dit in een specifiek stroomgedrag. Aan de rand van de kolom daarentegen wordt het stroomgedrag bij een doorgang niet symmetrisch beïnvloedt. Aan de ene zijde van de doorgang zal typisch een pilaar het stroomgedrag beïnvloeden, terwijl aan de andere zijde van de doorgang de wand het stroomgedrag zal beïnvloeden. Het is gekend dat, tenzij hiervoor wordt gecorrigeerd, dit in de huidige chromatografische kolommen tot randeffecten leidt die propageren, waardoor een verstoorde werking van de chromatografische kolom optreedt.

Eén manier om hiervoor te compenseren is het aanpassen van de wand van de kolom. Een andere - vaak geïmplementeerde - manier om hiervoor te compenseren is het aanpassen van de breedte van de doorgang aan de rand van de kolom, ten opzichte van de breedte tussen pilaren in de kolom, weg van de rand. Een typische verhouding die dan wordt geïmplementeerd is B = \.25xW met W de breedte van de doorgang aan de rand van de kolom (zoals aangegeven in FIG. 1) en B de breedte van de doorgang tussen pilaren in de kolom, weg van de rand.

Dit impliceert niet alleen dat er een afwijkend design moet zijn aan de rand van de kolom, maar bovendien ook dat de breedte van de doorgang aan de rand van de kolom de kleinste afmeting voor de doorgang bepaalt en bijgevolg dat de breedte van de doorgangen tussen de pilaren onderling hierdoor naar onder gelimiteerd wordt. Gezien vaak wordt gestreefd naar een zo klein mogelijke interpilaar afstand B met de vervaardigingsmethode die voorhanden is, is deze onderlimiet opgelegd door wandvoorwaarden geen optimale situatie.

Samenvatting van de uitvinding

Het is een doelstelling van uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding om goede chemische reactor inrichtingen en methodes op basis van vloeistof kanalen met pilaarstructuren, bijvoorbeeld microgefabriceerde pilaarstructuren, te voorzien. Chemische reactor inrichtingen omvatten onder andere vloeistof chromatografie inrichtingen, hoewel de uitvinding hiertoe niet is beperkt.

Het werd verrassend vastgesteld dat uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding chemische reactor inrichtingen op basis van vloeistof plug stromen voorzien waarbij de randeffecten worden gereduceerd of zelfs verwaarloosbaar zijn zonder dat dit op zich een limitatie legt op de pilaar afstand in het vloeistofkanaal op posities weg van de rand.

Het is een voordeel van minstens sommige uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding dat naast een oplossing voor het randprobleem, de voorziene chemische reactor inrichtingen bovendien een zeer goed scheidingsvermogen hebben.

Het is een voordeel van minstens sommige uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding dat naast een oplossing voor het randprobleem, de voorziene chemische reactor inrichtingen een uniforme verblijfstijd kunnen genereren voor verschillende delen van een vloeistof stroom.

Het is een voordeel van minstens sommige uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding dat naast een oplossing voor het randprobleem, de voorziene chemische reactor inrichtingen bovendien een beperkte kolomlengte impliceren door de voordelige hoogte-breedte aspect ratio van de pilaarstructuren, zodat compacte inrichtingen kunnen worden bekomen.

Het is een voordeel van minstens sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de randeffecten zowel worden gereduceerd of verwaarloosbaar worden voor componenten die interageren met de structuren en wanden in de reactor als voor componenten die niet interageren met de structuren en wanden in de reactor.

Het is een voordeel van minstens sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat inrichtingen worden bekomen waarin ongewenste dispersie kan gereduceerd en in sommige gevallen zelfs verwaarloosbaar klein kan gemaakt worden.

De bovenstaande doelstelling wordt verwezenlijkt door een apparaat en een werkwijze overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding.

De huidige uitvinding betreft een chemische reactor inrichting gebaseerd op een fluïdum stroom, de chemische reactor inrichting omvattend een substraat met een fluïdumkanaal gedefinieerd door een kanaalwand, waarbij het kanaal een inlaat en een uitlaat heeft en waarbij het kanaal een longitudinale as heeft overeenkomstig de gemiddelde stroomrichting van een fluïdum in het kanaal van inlaat naar uitlaat, een geordende set van pilaarstructuren gepositioneerd in het kanaal, waarbij de individuele pilaarstructuren een lengte hebben in de richting van de longitudinale as van het kanaal en een breedte hebben in een richting loodrecht op de longitudinale as, en waarin de individuele pilaarstructuren een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7.

De individuele pilaarstructuren kunnen een breedte lengte verhouding (aspect ratio) hebben van minstens 10.

De kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand en een wand van een naburige, niet-rakende, pilaarstructuur kan groter zijn dan 0.9 keer de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren onderling.

Het is een voordeel van de onderhavige uitvinding dat door gebruik te maken van pilaarstructuren met een grote breedte lengte verhouding, de randeffecten in een fluïdumkanaal gereduceerd en eventueel zelfs verwaarloosbaar zijn.

De kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand en een wand van een naburige, niet-rakende pilaarstructuur, en de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren onderling, kunnen hierbij gemeten zijn in breedterichting van het kanaal, loodrecht op de longitudinale as.

De pilaarstructuren kunnen zo gepositioneerd zijn dat ze een set van verbonden longitudinale en transversale microkanalen bepalen, waarbij een eerste subset van longitudinale microkanalen zich uitstrekt in de richting van de longitudinale as en gedefinieerd is door de wand van twee pilaarstructuren en een tweede subset van longitudinale microkanalen zich uitstrekt in de richting van longitudinale as en gedefinieerd is door de kanaalwand en een wand van een pilaarstructuur, en waarin de kleinste breedte (B) van de eerste subset kleiner kan zijn of gelijk kan zijn aan de kleinste breedte (W) van de tweede subset.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding dat een lage interpilaar afstand kan worden bereikt, waardoor een hoge druk in het systeem kan bekomen worden.

De pilaarstructuren kunnen microgefabriceerde pilaarstructuren zijn.

De pilaarstructuren kunnen een breedte lengte verhouding hebben van meer dan 12. De kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren onderling kan tussen 0.5 keer en 0.8 keer de kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand en een wand van een naburige, niet-rakende, pilaarstructuur zijn.

De individuele pilaarstructuren kunnen een polygonale doorsnede hebben.

De individuele pilaarstructuren kunnen een substantieel hexagonale doorsnede hebben.

De individuele pilaarstructuren kunnen in de breedte begrensd zijn door zijwanden gelegen volgens de longitudinale as van het kanaal en De lengte van de zijwanden kan minstens 0.02, bij voorkeur 0.1 keer de lengte zijn van de pilaarstructuren.

Het kanaal en de microkanalen kunnen verder aan twee zijden zijn begrensd door substraten.

De chemische reactor kan een vloeistof chromatografisch scheidingsapparaat zijn.

De kanaalwand kan gevormd worden door een membraan.

De huidige uitvinding betreft eveneens een masker voor het lithografisch aanbrengen van een structuur in een substraat voor het vervaardigen van een chemische reactor inrichting, het masker omvattend design elementen voor het definiëren van een geordende set van pilaarstructuren gepositioneerd in een kanaal van de chemische reactor inrichting, waarbij de individuele pilaarstructuren een lengte hebben in de richting van de longitudinale as van het kanaal en een breedte hebben in een richting loodrecht op de longitudinale as, waarbij de design elementen zo zijn voorzien in het masker dat de resulterende individuele pilaarstructuren een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7.

De design elementen kunnen zo gedefinieerd zijn dat de resulterende pilaarstructuren zo gepositioneerd zijn in het kanaal dat de kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand die het kanaal definieert en een wand van een naburige, niet-rakende, pilaarstructuur groter is dan 0.9 keer de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren onderling. De kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand die het kanaal definieert en een wand van een naburige, niet-rakende pilaarstructuur groter is dan of gelijk si aan de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren onderling.

De design elementen kunnen aangepast zijn zodat de resulterende pilaarstructuren in de breedte begrensd zijn door zijwanden gelegen volgens de longitudinale as van het kanaal en waarin de lengte van de zijwanden minstens 0.02 keer, bij voorkeur 0.1 keer, nog meer bij voorkeur 0.2 keer, de lengte is van de pilaarstructuren.

De onderhavige uitvinding betreft eveneens een methode voor het vervaardigen van een chemische reactor inrichting, waarbij de methode het lithografisch implementeren van een kanaal met pilaarstructuren omvat met behulp van een masker zoals hierboven beschreven.

Specifieke en voorkeursdragende aspecten van de uitvinding zijn opgenomen in de aangehechte onafhankelijke en afhankelijke conclusies. Kenmerken van de afhankelijke conclusies kunnen worden gecombineerd met kenmerken van de onafhankelijke conclusies en met kenmerken van andere afhankelijke conclusies zoals aangewezen en niet enkel zoals uitdrukkelijk in de conclusies naar voor gebracht.

Korte beschrijving van de figuren FIG. 1 illustreert een schematische voorstelling van een deel van een conventionele chromatografische kolom, waarbij een oplossing voor het randprobleem zoals wordt toegepast in de stand der techniek wordt voorzien. FIG. 2 illustreert een schematische voorstelling van de afmetingen van kanalen bij de wand en weg van de wand in het kanaal, zoals gedefinieerd in een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 3 illustreert een schematische voorstelling van een pilaarstructuur zoals kan gebruikt worden in een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. FIG. 4 illustreert het dispersiegedrag voor on target features en off target features, waarbij het voordeel van uitvoeringsvormen van de huidige uitvinding geïllustreerd wordt. FIG. 5 toont het stroomgedrag in kolommen met on target features (links) en off target features (rechts) voor pilaarstructuren met kleinere (boven) en grotere breedte - lengte aspect ratio, wat het voordeel illustreert van uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding. FIG. 6 illustreert het stroomgedrag in een kanaal met pilaarstructuren met een hoge breedte lengte aspect ratio, wat het voordeel aangeeft van uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding. FIG. 7 illustreert een schematisch voorbeeld van een pilaarstructuur zoals gedefinieerd op een masker en zoals geïmplementeerd op een substraat overeenkomstig een uitvoeringsvorm van een aspect van de huidige uitvinding.

De figuren zijn enkel schematisch en niet limiterend. In de figuren kunnen de afmetingen van sommige onderdelen overdreven en niet op schaal worden voorgesteld voor illustratieve doeleinden. De afmetingen en relatieve afmetingen komen niet noodzakelijk overeen met deze van praktische uitvoeringsvormen van de uitvinding. Referentienummers in de conclusies mogen niet worden geïnterpreteerd om de beschermingsomvang te beperken.

Gedetailleerde beschrijving van illustratieve uitvoeringsvormen

De onderhavige uitvinding zal worden beschreven refererend aan specifieke uitvoeringsvormen en aan bepaalde figuren maar de uitvinding is hierdoor niet gelimiteerd en is enkel gelimiteerd door de conclusies.

Het dient opgemerkt te worden dat de term "bevat" en "omvat", zoals gebruikt in de conclusies, niet als beperkt tot de erna beschreven middelen dient geïnterpreteerd te worden; deze term sluit geen andere elementen of stappen uit. Hij is zodoende te interpreteren als het specificeren van de aanwezigheid van de vermelde kenmerken, waarden, stappen of componenten waarnaar verwezen wordt, maar sluit de aanwezigheid of toevoeging van één of meerdere andere kenmerken, waarden, stappen of componenten, of groepen daarvan niet uit. Dus, de omvang van de uitdrukking "een inrichting bevattende middelen A en B" dient niet beperkt te worden tot inrichtingen die slechts uit componenten A en B bestaan. Het betekent dat met betrekking tot de huidige uitvinding, A en B de enige relevante componenten van de inrichting zijn.

Verwijzing doorheen deze specificatie naar "één uitvoeringsvorm" of "een uitvoeringsvorm" betekent dat een specifiek kenmerk, structuur of karakteristiek beschreven in verband met de uitvoeringsvorm is opgenomen in tenminste één uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding. Dus, voorkomen van de uitdrukkingen "in één uitvoeringsvorm" of "in een uitvoeringsvorm" op diverse plaatsen doorheen deze specificatie hoeven niet noodzakelijk allemaal aan dezelfde uitvoeringsvorm te refereren, maar kunnen dit wel doen. Voorts, de specifieke kenmerken, structuren of karakteristieken kunnen gecombineerd worden op eender welke geschikte manier, zoals duidelijk zou zijn voor een gemiddelde vakman op basis van deze bekendmaking, in één of meerdere uitvoeringsvormen.

Vergelijkbaar dient het geapprecieerd te worden dat in de beschrijving van voorbeeldmatige uitvoeringsvormen van de uitvinding verscheidene kenmerken van de uitvinding soms samen gegroepeerd worden in één enkele uitvoeringsvorm, figuur of beschrijving daarvan met als doel het stroomlijnen van de openbaarmaking en het helpen in het begrijpen van één of meerdere van de verscheidene inventieve aspecten. Deze methode van openbaarmaking dient hoe dan ook niet geïnterpreteerd te worden als een weerspiegeling van een intentie dat de uitvinding meer kenmerken vereist dan expliciet vernoemd in iedere conclusie. Eerder, zoals de volgende conclusies weerspiegelen, liggen inventieve aspecten in minder dan alle kenmerken van één enkele voorafgaande openbaar gemaakte uitvoeringsvorm. Dus, de conclusies volgend op de gedetailleerde beschrijving zijn hierbij expliciet opgenomen in deze gedetailleerde beschrijving, met iedere op zichzelf staande conclusie als een afzonderlijke uitvoeringsvorm van deze uitvinding.

Voorts, terwijl sommige hierin beschreven uitvoeringsvormen sommige, maar niet andere, in andere uitvoeringsvormen inbegrepen kenmerken bevatten, zijn combinaties van kenmerken van verschillende uitvoeringsvormen bedoeld als gelegen binnen de reikwijdte van de uitvinding, en vormen deze verschillende uitvoeringsvormen, zoals zou begrepen worden door de vakman. Bijvoorbeeld, in de volgende conclusies kunnen eender welke van de beschreven uitvoeringsvormen gebruikt worden in eender welke combinatie.

Het moet opgemerkt worden dat het gebruik van bepaalde terminologie bij het beschrijven van bepaalde kenmerken of aspecten van de uitvinding niet moet worden opgevat te impliceren dat de terminologie hierin opnieuw wordt gedefinieerd om te worden beperkt tot specifieke kenmerken van de kenmerken of aspecten van de uitvinding waarmee deze terminologie gekoppeld is.

Waar in de huidige beschrijving en conclusies referentie gemaakt wordt naar microkanalen, wordt verwezen naar kanalen waarin minstens één van de afmetingen in het interval 50pm tot lpm ligt.

Waar in de huidige beschrijving en conclusies referentie gemaakt wordt naar een geordende set, wordt verwezen naar een set van elementen die niet willekeurig zijn gepositioneerd, maar waarbij een specifieke relatie bestaat tussen de afstanden van de elementen tot elkaar.

Waar in de huidige beschrijving en conclusies referentie wordt gemaakt naar distributie of dispersie, wordt verwezen naar de ruimtelijke spreiding over een gebied of volume.

Waar in de huidige beschrijving en conclusies referentie wordt gemaakt naar de doorlaatbaarheid, wordt verwezen naar de stroomsnelheid waarmee een vloeistof doorheen het vloeistofkanaal met pilaarstructuren kan stromen.

In een eerste aspect betreft de onderhavige uitvinding een chemische reactor inrichting gebaseerd op een fluïdum stroom. Zo'n chemische reactor inrichting is typisch geschikt voor de propagatie van een fluïdum plug, bijvoorbeeld een vloeistof plug. De chemische reactor inrichting volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan een vloeistof chromatografie inrichting zijn, hoewel uitvoeringsvormen hiertoe niet zijn beperkt. Een ander specifiek voorbeeld is een gas chromatografie inrichting. De chemische reactor kan meer algemeen geschikt zijn voor het produceren van bepaalde componenten, zoals intermediairen, voor synthese van componenten zoals synthese van nanopartikels, voor het scheiden en/of extrageren van componenten, ....

Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding omvat de chemische reactor inrichting een substraat met een fluïdumkanaal. Het substraat kan daarbij om het even welk geschikt substraat zijn, zoals bijvoorbeeld een polymeer substraat, halfgeleider substraat, een metalen substraat, een keramisch substraat of een glas of glasachtig substraat. Het substraat kan bijvoorbeeld een typisch microfluïdisch substraat zijn. Het fluïdumkanaal kan een kanaal zijn dat is gevormd in het substraat of kan een kanaal zijn dat is gevormd op het substraat. In een specifieke uitvoeringsvorm, de uitvinding hierdoor niet gelimiteerd, is het fluïdum kanaal voorzien als een uitdieping in het substraat en wordt een tweede substraat voorzien boven op het eerste substraat om zo een fluïdumkanaal te bekomen dat aan boven-, zij- en onderkant gesloten is. Zo'n tweede substraat kan een membraan zijn. In zo'n uitvoeringsvorm is het kanaal typisch rechthoekig in doorsnede. Het fluïdumkanaal heeft volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding eveneens een inlaat en een uitlaat voor de toevoer en het verwijderen van het fluïdum, bijvoorbeeld de vloeistof. In de specifieke uitvoeringsvorm hierboven beschreven kan zo'n inlaat en uitlaat voorzien worden door perforaties in het eerste en/of tweede substraat.

Het fluïdumkanaal kan een lengte hebben afhankelijk van de toepassing. Door het gebruik van specifieke inlaat structuren en/of uitlaatstructuren, bijvoorbeeld distributors, kan de noodzakelijke lengte bovendien beïnvloed worden. Een typische breedte van het vloeistofkanaal kan gekozen worden zoals noodzakelijk. De nodige breedte zal typisch afhangen van de gekozen lengte en vice versa. In één set van voorbeelden kan de breedte van het fluïdumkanaal Bk gekozen worden in het interval 0.1 mm tot 250 mm.

Voor het fluïdumkanaal kan typisch een longitudinale as gedefinieerd worden, waarbij de longitudinale as gelegen is volgens de richting van de gemiddelde stroomrichting van het fluïdum in het kanaal, van inlaat naar uitlaat. Bij wijze van illustratie is de longitudinale as in het schematisch voorbeeld van de chemische reactor 100 getoond in FIG. 2 aangeduid. Verder is in FIG. 2 ook het substraat 110, het kanaal 120 zelf en de kanaalwand 122 aangeduid. De kanaalwand 122 definieert het fluïdumkanaal 120. Het dient te worden opgemerkt dat de kanaalwand 122 kan gedefinieerd zijn door substraatmateriaal, maar dat alternatief ook een membraan kan worden gebruikt voor het definiëren van de kanaalwand.

In het fluïdumkanaal 120 is volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding eveneens een geordende set van pilaarstructuren 130 voorzien. Deze pilaarstructuren kunnen microgefabriceerde pilaarstructuren zijn, hoewel uitvoeringsvormen hierdoor niet beperkt zijn. De pilaarstructuren kunnen gebaseerd zijn op precisie vervaardigingstechnieken. Volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding hebben de pilaarstructuren 130 een uitgerekte vorm. De specifieke geometrische uitgerekte vorm van de pilaarstructuren kan om het even welke gepaste vorm zijn. Een doorsnede van de pilaarstructuur mag bijvoorbeeld ruitvormig, ellipsvormig, ovaalvormig, polygonaal, etc. zijn. Ter illustratie is in FIG. 3 een uitvergroot beeld van een voorbeeldmatige pilaarstructuur 130 weergegeven, waarbij de doorsnede ruitvormig is. In FIG. 3 is de lengte Lp van de pilaarstructuur 130 aangegeven alsook de breedte Bp van de pilaarstructuur 130 aangegeven. De lengte van de pilaarstructuur is daarbij de maximale afmeting van de pilaarstructuur in de richting L|< van de longitudinale as van het kanaal waarin de pilaarstructuren gepositioneerd zijn en de breedte van de pilaarstructuur is daarbij de maximale afmeting van de pilaarstructuur in de richting loodrecht op de longitudinale as van het kanaal, i.e. de richting die eveneens de breedterichting B|< definieert van het kanaal zelf. De uitgerekte vorm van de pilaarstructuur is volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding zo dat de pilaarstructuren een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7, bij voorkeur meer dan 10 of meer dan 12. Het werd verassend vastgesteld dat voor pilaar structuren met een grote breedte - lengte aspect ratio, randeffecten geen significante invloed hebben op het stromingsprofiel.

Het aantal pilaren dat in het kanaal wordt voorzien kan gekozen worden in functie van de doelstelling (bijvoorbeeld het scheidingsvermogen) die behaald moet worden. Het aantal pilaren dat op een bepaalde rij in het vloeistofkanaal kan voorzien worden is afhankelijk van de breedte van het kanaal. Er kunnen bijvoorbeeld tussen 3000 en 3 pilaren per mm breedte van het kanaal voorzien worden. De absolute breedte van de pilaren kan gekozen zijn in een interval tussen 0.3 pm en 50000 pm. De absolute afstand tussen de pilaren in het kanaal weg van de wand kan bijvoorbeeld gekozen worden in een interval tussen 0.05 pm en 2000 pm. In voorkeursmatige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding kan de interpilaar afstand gekozen worden uit een interval tussen 0.1 pm en 1000 pm, bij voorkeur uit 0.3 pm en 3 pm. De grootte en vorm van de pilaren kan daarenboven, bijvoorbeeld langsheen de longitudinale as van het kanaal, variëren.

In sommige specifieke uitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding zijn de pilaarstructuren zo gepositioneerd in het kanaal dat de kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand en een wand van een naburig maar niet rakende pilaarstructuur groter is dan 0.9 keer de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren onderling. Het is daarbij verassend gevonden dat, hoewel de breedte van de microkanalen gevormd door de wand en de pilaarstructuren groter is dan de breedte van de microkanalen gevormd door pilaren weg van de kanaalwand, dit toch geen aanleiding geeft tot randeffecten wanneer pilaren worden gebruikt zoals hierboven gedefinieerd. Deze verassende conclusie resulteert in het feit dat - los van technologische beperkingen voor het vervaardigen van de structuren - de interpilaar afstand niet meer gedefinieerd wordt door de afmetingen van de kanalen tegen de wand. Dit laat toe dat de interpilaar afstand kleiner kan worden gekozen dan verwacht, wat toelaat zéér efficiënte vloeistofkanalen, bijvoorbeeld kolommen, te maken. Het dient hierbij te worden opgemerkt dat deze implementatie kan gebeuren zonder verlies aan resolutie of zonder introductie van bijkomende dispersie.

In een specifieke uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding is de chemische reactor een vloeistof chromatografische inrichting en is het vloeistofkanaal een separatie kolom. Het is daarbij een voordeel dat de scheidingsefficiëntie van het systeem hoog kan zijn door de grote laterale migratie die optreedt, terwijl bovendien geen randeffecten optreden of dat deze verwaarloosbaar zijn. Bovendien kan, door de specifieke breedte/lengte verhouding van de pilaren, de nodige lengte van de kolom een bepaalde graad van scheiding te krijgen beperkt worden.

Het is een voordeel van sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat ze gebaseerd zijn op sets van geordende pilaarstructuren, waardoor een lage dispersie kan worden bekomen. Wanneer de band dispersie wordt beschreven door middel van de van Deemter vergelijking, i.e. H = A + B/u + C.u met A, B, C constanten en u de lineaire snelheid van de mobiele fase, resulteren structuren volgens de huidige uitvinding eveneens in een uitzonderlijk lage A waarde (representatief voor de dispersie door flow verschillen in de paden) en een lage B waarde (representatief voor de dispersie door de longitudinale diffusie). Eén of meerdere additionele componenten kunnen verder eveneens aanwezig zijn in de chemische reactor volgens uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding, afhankelijk van de functionaliteit van de chemische reactor, zoals gekend bij de vakman. In sommige uitvoeringsvormen kunnen bijvoorbeeld één of meerdere distributoren aanwezig zijn, een detector kan aanwezig zijn, al dan niet geïntegreerd in één van de substraten van de chemische reactor, een verder microfluidisch netwerk kan aanwezig zijn, electrodes kunnen aanwezig zijn (bijvoorbeeld in een chemische reactor gebaseerd op electroforese of een elektrochemische reactor), een membraan of een filter, een katalysatorbed, een warmtewisselaar, een stralingsbron etc.

In een specifieke uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding kunnen de pilaarstructuren eveneens een vorm hebben zoals verder beschreven in een verder aspect van de huidige uitvinding.

In een ander aspect, betreft de huidige uitvinding eveneens een masker met een design voor het vormen van de pilaarstructuren zoals hierboven beschreven. Het masker kan daarbij typisch design elementen omvatten voor het definiëren van een geordende set van pilaarstructuren gepositioneerd in een fluïdumkanaal van een chemische reactor, waarbij de pilaarstructuren een lengte hebben in de richting van de longitudinale as van het kanaal en een breedte hebben in een richting loodrecht op de longitudinale as, en waarbij de design elementen zo zijn voorzien in het masker dat de pilaarstructuren een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7. In sommige uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding zijn de design elementen van het masker optioneel bovendien zo voorzien dat de pilaarstructuren vervaardigd in het kanaal op basis van het masker een kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand en een wand van een naburige, niet-rakende, pilaarstructuur hebben die groter is dan 0.9 keer de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren onderling. Het masker kan bovendien ook nog bijkomende design features omvatten karakteristiek voor een kanaalwand voor het definiëren van een fluïdumkanaal in een substraat. Verdere design elementen uit het masker kunnen eveneens voorzien zijn op zo'n manier dat karakteristieken van de pilaarstructuren en hun relatie tot het kanaal zoals beschreven in het eerste aspect worden bekomen. Bovendien kan het masker eveneens aangepast zijn met design features om karakteristieken van pilaarstructuren te definiëren voor de chemische reactor zoals verder beschreven in het verder aspect.

De huidige uitvinding betreft eveneens een methode voor het vervaardigen van een chemische reactor, zoals bijvoorbeeld een chromatografische inrichting met een chromatografische kolom, waarbij de methode het gebruik omvat van een masker zoals hierboven gedefinieerd. De methode kan daarvoor de stap omvatten van het lithografisch printen van een masker op een substraat om substraatfeatures te genereren, en het etsen van de substraatfeatures om pilaarstructuren te genereren. Andere kenmerken van het vervaardigingsproces van de chemische reactor kunnen zijn zoals gekend door de vakman en zijn bijgevolg hier niet verder in detail beschreven.

Bij wijze van illustratie, uitvoeringsvormen hierdoor niet gelimiteerd, wordt hieronder een vergelijkende studie besproken waarbij het stroomgedrag en het al dan niet voorkomen van randeffecten wordt bestudeerd als functie van het gebruik van pilaarstructuren met een grote breedte-lengte verhouding.

Kolommen met een lengte van lcm en een breedte van lmm werden geproduceerd, waarbij voor verschillende kolommen pilaarstructuren met een verschillende lengte-breedte aspect ratio werden gebruikt, om het effect van deze aspect ratio na te gaan. De interpilaar afstand alsook de lengte van de pilaren (in de richting van de longitudinale as van de kolom) werd daarbij constant gehouden, in het huidig voorbeeld respectievelijk 2.5 pm en 5pm, terwijl de breedte van de pilaarstructuren varieerde per kolom, van ΙΟμιτι (resulterend in een aspect ratio van 2) tot 125 pm (resulterend in een aspect ratio van 25). De pilaarstructuren, de inlaat en de uitlaat werden vervaardigd met behulp van mid-UV fotolithografie op een (100) silicium wafer substraat. Na het fotolithografisch proces, werden de pilaarstructuren geëtst op basis van een Bosch etsingsproces zodat een diepte van 8 micrometer werd bekomen. De fotoresist werd vervolgens verwijderd, gebruik makend van een zuurstof plasma ets en salpeterzuur. De inlaat en uitlaat werden verder gedefinieerd doormiddel van een 800pm ets door een Bosch etsingsproces via de achterzijde van het substraat. De reactor werd gesloten door gebruik te maken van een Pyrex substraat dat anodisch gebonden werd op het silicium substraat.

Voor het opmeten van de resultaten werd de volgende experimentele opstelling gebruikt. Een automatisch kleppensysteem werd gebruikt om het sample te injecteren in de structuur. Voor het bekomen van de propagatie van de vloeibare fase werd een stikstof druk toevoer gebruikt. Tijdens de injectie stap werd de inlaat en de uitlaat van het circuit waarin de mobiele fase beweegt afgesloten, terwijl tijdens de daaropvolgende sample voorbereiding, de inlaat en de uitlaat van het sample injectie circuit werd omgeleid naar een capillair met hoge stromingsweerstand waardoor een kleine lekstroom ontstond om zo staartvorming te vermijden. Om het stroomgedrag te volgen werd gebruik gemaakt van fluorescente kleurstoffen die tijdens registratie geëxciteerd werden met behulp van een kwik-damp UV bron. Visualisatie van de fluorescentie gebeurde met behulp van een luchtgekoelde CCD camera.

Het kon worden vastgesteld dat voor pilaarstructuren met een aspect ratio variërend van 2 tot 25, de plaathoogte gereduceerd kon worden van 2.6pm tot 0.5pm, doordat een daling in longitudinale dispersie kon worden bekomen. Wanneer de van Deemter vergelijking werd beschouwd, kon een reductie van de B term (representatief voor de longitudinale dispersie) met een factor 15 worden vastgesteld voor het gebruik van een aspect ratio 25 ten opzichte van een aspect ratio van 2. Een goed separatie gedrag kon dus worden vastgesteld.

Naast dit resultaat kon eveneens worden vastgesteld dat randeffecten die bij systemen met pilaren met een kleine aspect ratio optreden, in de structuren volgens de huidige uitvinding sterk gereduceerd of zelfs verwaarloosbaar waren. Dit kon worden vastgesteld op basis van de CCD-beelden geregistreerd op de chemische reactor op de chip. FIG. 4 illustreert het effect van de breedte-lengte aspect ratio van de pilaarstructuren op randeffecten. De grafiek van FIG. 4 toont het verschil in dispersiegedrag (minimale plaathoogte h als functie van de snelheid) voor on-target structuren, i.e. een kolom waarbij de afstand tussen de wand en een naburige pilaar 2 micrometer is, en offtarget structuren, waarbij de afstand tussen de wand en een naburige pilaar 2.6 micrometer is (dus groter dan de interpilaar afstand). Het kan duidelijk gezien worden dat voor pilaar structuren met een breedte-hoogte aspect ratio 5 een variatie in de afstand tot de wand een grote invloed heeft op het dispersiegedrag, terwijl voor pilaar structuren met een breedte-hoogte aspect ratio 15, deze variatie in afstand tot de wand geen substantiële invloed heeft. Dit illustreert dat in reactoren waarin pilaren met een hoge breedte-hoogte aspect ratio gebruikt worden, de randeffecten gereduceerd of zelfs verwaarloosd kunnen worden.

Hetzelfde wordt geïllustreerd in FIG. 5 waarin het stroomgedrag van een vloeistof voor de structuren zoals hierboven beschreven is in beeld gebracht, gebruik makend van fluorescentie beelden voor een vloeistof met een fluorescente marker. De beelden links geven de situatie on-target weer (i.e. met een 2pm afstand tot de wand), welke zowel voor pilaren met een aspect ratio 5 als 15 relatief ongestoorde stroomprofielen tonen. De beelden rechts geven de situatie off-target weer (i.e. met een 2.6pm afstand tot de wand, i.e. een afstand groter dan de interpilaar afstand), waarbij voor pilaren met een aspect ratio 15 een relatief ongestoord stroomprofiel wordt bekomen, terwijl voor pilaren met een aspect ratio 5 het effect van randeffecten op het stroomprofiel duidelijk zichtbaar is.

Verder bij wijze van illustratie wordt hier eveneens een test gerapporteerd waarbij 4 fluorescente marker dyes (c440, c450, c460 en c480 in een 70/30 verhouding water/methanol) worden gescheiden in de eerste millimeter van een scheidingskolom waarin pilaarstructuren met een breedte - lengte aspect ratio van 25 zijn voorzien. De kolom was daarbij gefunctionaliseerd met C8. De detectie van de vier banden als rechtlijnige banden duidt duidelijk op het ontbreken van substantieel bijdragende randeffecten. Een beeld van deze detectie is weergegeven in FIG. 6. Door de efficiënte werking en de reductie van randeffecten kan bijvoorbeeld een reductie van de kolomlengte bekomen worden.

In een verder specifiek aspect van de onderhavige uitvinding, worden uitvoeringsvormen van een chemische reactor inrichting voorzien, gebaseerd op een fluïdum stroom, waarin de chemische reactor inrichting eveneens een substraat met een fluïdumkanaal omvat. Dit kanaal is eveneens gedefinieerd door een kanaalwand en heeft eveneens een inlaat en een uitlaat. Voor het kanaal kan daarbij ook een longitudinale as gedefinieerd worden overeenkomstig de gemiddelde stroomrichting van het fluïdum wanneer dit in het kanaal beweegt van inlaat naar uitlaat. De chemische reactor omvat daarbij eveneens een geordende set van pilaarstructuren gepositioneerd in het kanaal, waarbij de pilaarstructuren een lengte hebben in de richting van de longitudinale as van het kanaal en een breedte hebben in een richting loodrecht op de longitudinale as, en waarin de pilaarstructuren een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7. Volgens uitvoeringsvormen van dit aspect, zijn de pilaarstructuren bovendien in de breedte begrensd door zijwanden gelegen volgens de longitudinale as van het kanaal, waarbij de lengte van de zijwanden minstens 0.02 keer, bij voorkeur minstens 0.1 keer, bij voorkeur minstens 0.2 keer, de lengte is van de pilaarstructuren. Met andere woorden, de zijkanten van de pilaarstructuren eindigen niet op een tip, maar eindigen op een wand evenwijdig gelegen met de wand van het kanaal. Bij wijze van voorbeeld kan de pilaarstructuur in zo'n geval een hexagonale doorsnede hebben. Een illustratie van zo'n voorbeeldmatige pilaarstructuur is daarbij weergegeven in FIG. 7. Verdere kenmerken van de chemische reactor mogen zijn zoals beschreven in het eerste aspect, hoewel de uitvinding hierdoor niet is beperkt. Een voordeel van deze pilaarstructuren is dat ze kunnen geproduceerd worden met een goeie graad van reproduceerbaarheid, zodat betrouwbare structuren worden verkregen. Dit is een contrast met pilaarstructuren die eindigen op een tip en waarbij, voornamelijk in het geval van grote breedte-lengte aspect ratios van de pilaarstructuren, het bekomen van goed gevormde pilaarstructuren minder betrouwbaar en reproduceerbaar is. Een bijkomend voordeel van het gebruik van pilaarstructuren zoals beschreven in uitvoeringsvormen van het huidige aspect is dat ook de interpilaar afstand op een uniforme en reproduceerbare manier kan bekomen worden voor de set van pilaarstructuren. Het effect hiervan is dat een beter dispersiegedrag (minder dispersie) voor de stroom wordt bekomen van het fluïdum dat doorheen het kanaal stroomt.

De huidige uitvinding betreft eveneens een masker met een design voor het vormen van de pilaarstructuren zoals hierboven beschreven. Het masker kan daarbij typisch design elementen omvatten voor het definiëren van een geordende set van pilaarstructuren gepositioneerd in een fluïdumkanaal van een chemische reactor, waarbij de pilaarstructuren een lengte hebben in de richting van de longitudinale as van het kanaal en een breedte hebben in een richting loodrecht op de longitudinale as, en waarbij de design elementen zo zijn voorzien in het masker dat de pilaarstructuren een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7 en de pilaarstructuren bovendien in de breedte begrensd zijn door zijwanden gelegen volgens de longitudinale as van het kanaal, waarbij de lengte van de zijwanden minstens 0.02 keer, bij voorkeur minstens 0.1 keer, bij voorkeur minstens 0.2 keer, de lengte is van de pilaarstructuren. Verdere design elementen uit het masker kunnen eveneens voorzien zijn op zo'n manier dat karakteristieken van de pilaarstructuren zoals beschreven in het eerste aspect worden bekomen.

Claims

Conclusies

1. Een chemische reactor inrichting (100) gebaseerd op een fluïdum stroom, de chemische reactor inrichting (100) omvattend - een substraat (110) met een fluïdumkanaal (120) gedefinieerd door een kanaalwand (122), waarbij het kanaal (120) een inlaat en een uitlaat heeft en waarbij het kanaal (120) een longitudinale as heeft overeenkomstig de gemiddelde stroomrichting van een fluïdum in het kanaal (120) van inlaat naar uitlaat, - een geordende set van pilaarstructuren (130) gepositioneerd in het kanaal (120), waarbij de individuele pilaarstructuren (130) een lengte hebben in de richting van de longitudinale as van het kanaal (120) en een breedte hebben in een richting loodrecht op de longitudinale as, waarin de individuele pilaarstructuren (130) een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7.
2. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig conclusie 1, waarin de individuele pilaarstructuren (130) een breedte lengte verhouding hebben van minstens 10.
3. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand (122) en een wand van een naburige, niet-rakende, pilaarstructuur (130) groter is dan 0.9 keer de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren (130) onderling.
4. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig conclusie 3, waarin de kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand (122) en een wand van een naburige, niet-rakende pilaarstructuur (130), en de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren (130) onderling, gemeten zijn in breedterichting van het kanaal (120), loodrecht op de longitudinale as.
5. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de pilaarstructuren (130) zo gepositioneerd zijn dat ze een set van verbonden longitudinale en transversale microkanalen bepalen, waarbij een eerste subset van longitudinale microkanalen zich uitstrekt in de richting van de longitudinale as en gedefinieerd is door de wand van twee pilaarstructuren (130) en een tweede subset van longitudinale microkanalen zich uitstrekt in de richting van longitudinale as en gedefinieerd is door de kanaalwand (122) en een wand van een pilaarstructuur (130), en waarin de kleinste breedte (B) van de eerste subset kleiner is of gelijk aan de kleinste breedte (W) van de tweede subset.
6. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de pilaarstructuren (130) microgefabriceerde pilaarstructuren zijn.
7. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de pilaarstructuren (130) een breedte lengte verhouding hebben van meer dan 12.
8. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren (130) onderling tussen 0.5 keer en 0.8 keer de kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand (122) en een wand van een naburige, niet-rakende, pilaarstructuur (130) is.
9. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de individuele pilaarstructuren (130) een polygonale doorsnede hebben.
10. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig conclusie 9, waarin de individuele pilaarstructuren (130) een substantieel hexagonale doorsnede hebben.
11. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van conclusies 9 of 10, waarin de individuele pilaarstructuren (130) in de breedte zijn begrensd door zijwanden gelegen volgens de longitudinale as van het kanaal en waarin de lengte van de zijwanden minstens 0.02 keer de lengte is van de pilaarstructuren (130).
12. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin het kanaal (120) en de microkanalen gevormd door de pilaarstructuren (130) verder aan twee zijden zijn begrensd door substraten.
13. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de chemische reactor een vloeistof chromatografisch scheidingsapparaat is.
14. Een chemische reactor inrichting (100) overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de kanaalwand (122) is gevormd door een membraan.
15. Een masker voor het lithografisch aanbrengen van een structuur in een substraat voor het vervaardigen van een chemische reactor inrichting (100), het masker omvattend design elementen voor het definiëren van een geordende set van pilaarstructuren (130) gepositioneerd in een kanaal (120) van de chemische reactor inrichting (100), waarbij de individuele pilaarstructuren (130) een lengte hebben in de richting van de longitudinale as van het kanaal (120) en een breedte hebben in een richting loodrecht op de longitudinale as, waarbij de design elementen zo zijn voorzien in het masker dat de resulterende individuele pilaarstructuren (130) een breedte lengte verhouding hebben van minstens 7.
16. Een masker overeenkomstig conclusie 15, waarin de design elementen zo gedefinieerd zijn dat de resulterende pilaarstructuren (130) zo gepositioneerd zijn in het kanaal (120) dat de kleinste afstand (W) tussen de kanaalwand (122) die het kanaal (120) definieert en een wand van een naburige, niet-rakende, pilaarstructuur (130) groter is dan 0.9 keer de kleinste afstand (B) tussen twee naburige pilaarstructuren (130) onderling.
17. Een masker volgens één van conclusies 15 of 16, waarin de design elementen aangepast zijn zodat de resulterende pilaarstructuren (130) in de breedte zijn begrensd door zijwanden gelegen volgens de longitudinale as van het kanaal (120) en waarin de lengte van de zijwanden minstens 0.02 keer de lengte is van de pilaarstructuren (130).
18. Een methode voor het vervaardigen van een chemische reactor inrichting, waarbij de methode het lithografisch implementeren van een kanaal met pilaarstructuren omvat met behulp van een masker overeenkomstig één van de conclusies 15 tot 17.