BE1026910B1

BE1026910B1 - Chemische reactoren

Info

Publication number: BE1026910B1
Application number: BE20185932A
Authority: BE
Inventors: De Beeck Jeff Op; Bo Claerebout; Malsche Wim De; Paul Jacobs
Original assignee: Pharmafluidics N V
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2020-07-22
Also published as: CN113226533B; US12011701B2; EP3897959A1; KR20210104813A; US20220048005A1; WO2020129026A1; CN113226533A; CA3123780A1; BE1026910A1; JP2022514346A

Abstract

De vinding betreft een chemische reactor geïmplementeerd op een substraat. De chemische reactor omvat meerdere kanalen voor transport van een vloeistof en/of gas tijdens gebruik van de chemische reactor, waarin de kanalen optioneel pilaarstructuren omvatten, en minstens één verbindingskanaal geconnecteerd tussen twee van de meerdere kanalen om de vloeistof en/of gas van één naar een ander kanaal te transporteren. In het verbindingskanaal is een reeks van individuele pilaarstructuren gepositioneerd na elkaar in de lengterichting van het verbindingskanaal.

Description

Chemische reactoren Toepassingsgebied van de uitvinding Deze uitvinding heeft in het algemeen betrekking op chemische reactoren zoals bijvoorbeeld chromatografische systemen.

Meer specifiek heeft de huidige uitvinding betrekking op chemische reactoren met meerdere, in serie met elkaar verbonden kanalen.

Achtergrond van de uitvinding Systemen die gebruik maken van vloeistof propagatie hebben een groot aantal toepassingen, waaronder productie van chemische componenten, synthese van nanoparticles, scheiding 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 oplosbaarheid 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 dat variaties in temperatuur slechts een verwaarloosbaar effect hebben.

Een typisch voorbeeld van vloeistofchromatografie is gebaseerd op chromatografische kolommen op basis van meerdere kanalen die in serie aan elkaar gekoppeld zijn.

Door verschillende kanalen in serie aan elkaar te koppelen kan er eenvoldoende lengte gegenereerd worden zodat een voldoende goede scheiding van de fasen kan bekomen worden voor praktische applicaties.

Om efficiente scheiding te genereren beschrijft Isokawa et al. in Analytical Chemistry 2016, vol. 88, p 6485 — 6491, een kolom met kanalen en bochten waarbij de bochten een lage dispersie en lage drukval karakteristiek vertonen.

De bochten worden daarbij van pilaarstructuren voorzien zoals weergegeven in FIG. 1a waarbij de distributie van de pilaarstructuren i.f.v. de breedte en de kromming van de bochten zorgen voor deze specifieke eigenschappen.

Echter, dit resulteert in een complexe positionering en distributie van pilaarstructuren.

Alternatief worden geen pilaarstructuren in de bochten geplaatst, zoals kan gezien worden in FIG. 1b.

Samenvatting van de uitvinding Het is een doelstelling van uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding om efficiënte systemen voor het scheiden van materialen te produceren.

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

De onderhavige uitvinding betreft een chemische reactor geïmplementeerd op een substraat, de chemische reactor omvattend meerdere kanalen voor transport van een vloeistof en/of gas tijdens gebruik van de chemische reactor, waarin de kanalen optioneel pilaarstructuren omvatten, en minstens één verbindingskanaal geconnecteerd tussen twee van de meerdere kanalen om de vloeistof en/of gas van één naar een ander kanaal te transporteren, waarin in het verbindingskanaal een reeks van individuele pilaarstructuren is gepositioneerd na elkaar in de lengterichting van het verbindingskanaal.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding dat door het plaatsen van pilaarstructuren in het verbindingskanaal de drukbestendigheid van het verbindingskanaal niet de limiterende factor is die de totale drukbestendigheid van de chemische reactor bepaalt.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat het gebruik van pillaren toelaathet verbindingskanaal te ondersteunen, waardoor de kans op breuk van het kanaal, bijvoorbeeld door druk, klein is.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding dat door het plaatsen van pilaarstructuren in het verbindingskanaal de drukverdeling in het verbindingskanaal en bijgevolg in de ganse reactor beter is.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen overeenkomstig de onderhavige uitvinding dat minder of geen afval tijdens de productie van de reactor wordt gegenereerd die nadien, tijdens werking storing in de verbindingskanalen kan veroorzaken.

Het is een voordeel van uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding dat de drukval over het verbindingskanaal beperkt is.

Voor elke dwarse doorsnede van het verbindingskanaal kan er maximaal één volledige pilaarstructuur voorkomen.

Er mogen bijvoorbeeld wel twee partiële pilaarstructuren voorkomen die tegen de wand gepositioneerd zijn.

Een dwarse doorsnede is een doorsnede dwars op de gemiddelde voortplantingsrichting van een fluidum in het verbindingskanaal.

Het verbindingskanaal kan een verbreding vertonen op posities waar een pilaarstructuur voorkomt.

De wanden van het verbindingskanaal zijn in sommige uitvoeringsvormen geen rechtlijnige wanden maar volgen ter hoogte van de pilaarstructuren lokaal de kromming van de pilaarstructuren.

De wanden kunnen een soort van meanderende vorm vertonen.

Op plaatsen waar geen pilaarstructuur is gepositioneerd, is het verbindingskanaal smaller.

De oppervlakte van vrije doorgang voor fluidum in verschillende dwarse doorsnedes in het verbindingskanaal kan minder dan 30% variëren, bij voorkeur minder dan 20% variëren, nog meer bij voorkeur minder dan 10% variëren.

De pilaarstructuren kunnen een diameter hebben die minstens 20%, bij voorkeur minstens 40% is van de gemiddelde breedte van het verbindingskanaal.

De afstand tussen twee naburige pilaren in de reeks van volledige pilaarstructuren gepositioneerd in de lengterichting van het verbindingskanaal kan tussen 1 en 10 keer de gemiddelde diameter van de pilaarstructuren zijn, bijvoorbeeld tussen 1 en 5 keer de gemiddelde diameter van de pilaarstructuren zijn.

De pilaarstructuren in het verbindingskanaal kunnen een cylindrische vorm hebben. De cylindrische vorm heeft een grondvlak dat samenvalt met de bodem van het verbindingskanaal. De pilaarstructuren in het verbindingskanaal kunnen echter ook een andere vorm hebben, zoals een niet rotationeel symmetrische vorm. Alternatief kunnen de pilaarstructuren een afgeronde hexagonale vorm hebben waarin de lengteas van de pilaren georiënteerd is met de lengteas in de stromingsrichting. Het verbindingskanaal kan een bocht vertonen. De meerdere kanalen kunnen een veelheid aan substantieel parallelle kanalen omvatten, en de substantieel parallelle kanalen kunnen verbonden zijn met verbindingskanalen die telkens een U bocht vormen. De chemische reactor kan een chromatografische kolom omvatten. De chemische reactor kan een chromatografie systeem zijn. Het chromatografie systeem kan een hoog performantie vloeistof chromatografie systeem zijn.

In een ander aspect, betreft de onderhavige uitvinding ook een design voor een chemische reactor 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. 1a en 1b illustreren een deel van een chemische reactor waarbij kanalen verbonden zijn met een bocht die een veelheid aan pilaarstructuren omvat (FIG. 1a) of zonder pilaarstructuren (FIG. 1b), zoals bekend uit de stand der techniek.

FIG. 2 illustreert een microscopische foto van een deel van een kanaal en een deel van een bocht met pillaarstructuren overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding.

FIG. 3A, 3B en 3C illustreren detailfoto’s van onderdelen van een chemische reactie overeenkomstig uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding. De figuren zijn enkel schematisch en niet limiterend. In de figuren kunnen de afmetingen van sommige onderdelen overdreven en niet op schaal worden 5 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 dezelfdeuitvoeringsvorm 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, inventieve aspecten liggen 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.

In een eerste aspect betreft de onderhavige uitvinding een chemische reactor. Zo’n chemische reactor kan een chromatografische kolom zijn, maar is daartoe niet beperkt. Andere voorbeelden van chemische reactoren die voordeel kunnen halen uit de onderhavige uitvindingen zijn bijvoorbeeld aanrijkingsfilters of trapping kolommen, reactoren met (micro-)katalysatoren, multi-fase reactoren, brandstofcellen, elektrochemische reactoren, reactoren voor capillaireelectrochromatografie, etc.

De onderhavige uitvinding betreft een chemische reactor geïmplementeerd op een substraat.

De chemische reactor omvat meerdere kanalen voor transport van een vloeistof en/of gas tijdens gebruik van de chemische reactor, waarin de kanalen optioneel pilaarstructuren omvatten.

Zo’n kanalen zijn vaak microfluidische kanalen.

Deze kanalen zijn typisch in serie aan elkaar geconnecteerd om zo een voldoende lange kolom te krijgen voor het accuraat scheiden van stoffen.

De chemische reactor omvat ook minstens één verbindingskanaal geconnecteerd tussen twee van de meerdere kanalen om de vloeistof en/of het gas van één naar een ander kanaal te transporteren.

Zo’n verbindingskanaal zorgt dus typisch voor de bochten in het design, en kan bijvoorbeeld een U-vorm hebben.

In het verbindingskanaal zijn pilaarstructuren voorzien.

Deze zijn als een reeks van individuele pilaarstructuren gepositioneerd na elkaar in de lengterichting van het verbindingskanaal.

De pilaarstructuren zijn dus in een rij geplaatst zodat voor elke dwarse doorsnede van het verbindingskanaal er maximaal één volledige pilaarstructuur voorkomt.

Gedeeltelijke pilaarstructuren kunnen wel verder tegen de wand geplaatst zijn, zodat de binnenwand van de kanalen geen rechtlijnige wand is maar bochten vertoont.

De wand kan bijvoorbeeld zo aangepast zijn dat de oppervlakte van vrije doorgang voor fluidum in verschillende dwarse doorsnedes in het verbindingskanaal minder dan 30% varieert, bij voorkeur minder dan 20% varieert, nog meer bij voorkeur minder dan 10% varieert.

Het verbindingskanaal is daarbij typisch breder op posities waar pilaarstructuren voorkomen.

De pilaarstructuren die in de verbindingskanalen staan hebben typisch een diameter die minstens 20%, bij voorkeur minstens 40% is van de gemiddelde breedte van het verbindingskanaal.

De afstand tussen twee naburige pilaren in de reeks van individuele pilaarstructuren in het verbindingskanaal kan in uitvoeringsvormen tussen 1 en 10 keer de gemiddelde diameter van de pilaarstructuren zijn, bijvoorbeeld tussen 1 en 5 keer de gemiddelde diameter van de pilaarstructuren zijn.

De vorm van de pilaarstructuren in het verbindingskanaal kan cilindrisch zijn, hoewel uitvoeringsvormen hierdoor niet beperkt zijn.

Er kunnen bijvoorbeeld ook pilaren meteen hexagonale, polygonale, elliptische, ovale, … doorsnede gebruikt worden of zelfs pillaren met een meer onregelmatige vorm.

De breedte van de verbindingkanalen is typisch kleiner dan de breedte van de kanalen om dispersie in de verbindingskanalen minimaal te houden.De verhouding van de breedte van de verbindinskanalen ten opzichte van de breedte van de kanalen is typische tussen 1 en 1/100. De huidige uitvinding is eveneens voordelig naarmate de verbindingskanalen breder zijn, omdat de pilaren er een bijkomende sterkte kunnen leveren.

De chemische reactie heeft typisch ook een toevoer geconnecteerd aan één van de meerdere effectieve kanalen om de vloeistof/het gas toe te laten in de kanalen, en een afvoer geconnecteerd aan één van de meerdere effectieve kanalen om minstens één component van de vloeistof/het gas af te voeren uit de kanalen.

De materialen waaruit de reactor gemaakt is kunnen overeenkomen met materialen zoals gekend uit de stand der techniek.

Typisch worden materialen gebruikt die geanodiseerd kunnen worden.

De kenmerken van de kanalen, en eventuele pilaren kunnen overeenkomen met deze zoals gekend uit de stand der techniek.

De kanalen kunnen bijvoorbeeld een breedte hebben tussen 50 um en 250 mm, bijvoorbeeld tussen 50 um en 100 mm, bijvoorbeeld tussen 50um en 100 mm, bijvoorbeeld tussen 50 um en 20 mm.

De kanalen kunnen een diepte hebben tussen 2 um en 1 mm, bijvoorbeeld tussen 24m en de typische waferdikte van een siliciumschijf.

De pilaren in de kanalen kunnen een typische afmeting hebben tussen 100 nm en 3mm, bijvoorbeeld tussen 100 nm en 100 um.

FIG. 2 toont bij wijze van illustratie een microscopische foto van een deel van een kanaal en een verbindingskanaal, overeenkomstig een voorbeeld van een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding.

FIG. 3A toont een eerste voorbeeld van een deel van een design voor een chemische reactor, waarbij een veelheid aan parallelle effectieve kanalen voorzien zijn die pilaarstructuren omvatten en die onderling verbonden zijn via verbindingskanalen.

In FIG. 3B worden een deel van de kanalen en de bocht in meer detail getoond en FIG.

3C toont een detail van micropilaren in het verbindingskanaal voor een specifiek voorbeeld, uitvoeringsvormen hierdoor niet gelimiteerd.

Het zal duidelijk zijn voor de vakman dat dit voorbeeld louter ter illustratie is getoond en dat de specifieke afmetingen vermeld bij de figuur louter illustratief en niet limiterend zijn.

Claims

Conclusies

1. Een chemische reactor geïmplementeerd op een substraat, de chemische reactor omvattend o meerdere kanalen voor transport van een vloeistof en/of gas tijdens gebruik van de chemische reactor, waarin de kanalen optioneel pilaarstructuren omvatten, en o minstens één verbindingskanaal geconnecteerd tussen twee van de meerdere kanalen om de vloeistof en/of gas van één naar een ander kanaal te transporteren, waarin in het verbindingskanaal een reeks van individuele pilaarstructuren is gepositioneerd na elkaar in de lengterichting van het verbindingskanaal.

2. Een chemische reactor overeenkomstig conclusie 1, waarin voor elke dwarse doorsnede van het verbindingskanaal er maximaal één volledige pilaarstructuur voorkomt.

3. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin het verbindingskanaal een verbreding vertoont op posities waar een pilaarstructuur voorkomt.

4. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de oppervlakte van vrije doorgang voor fluidum in verschillende dwarse doorsnedes in het verbindingskanaal minder dan 30% varieert, bij voorkeur minder dan 20% varieert, nog meer bij voorkeur minder dan 10% varieert.

5. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de pilaarstructuren een diameter hebben die minstens 20%, bij voorkeur minstens 40% is van de gemiddelde breedte van het verbindingskanaal.

6. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de afstand tussen twee naburige pilaren in het verbindingskanaal tussen 1 en 10 keer de gemiddelde diameter van de pilaarstructuren is, bijvoorbeeld tussen 1 en 5 keer de gemiddelde diameter van de pilaarstructuren is.

7. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de pilaarstructuren in het verbindingskanaal een cilindrische vorm hebben.

8. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin het verbindingskanaal een bocht vertoont.

9. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de meerdere kanalen een veelheid aan substantieel parallelle kanalen omvat, en waarin de substantieel parallelle kanalen verbonden zijn met verbindingskanalen die telkens een U bocht vormen.

10. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de chemische reactor een chromatografische kolom omvat.

11. Een chemische reactor overeenkomstig één van de voorgaande conclusies, waarin de chemische reactor een chromatografie systeem is.

12. Een chemische reactor overeenkomstig conclusie 11, waarin het chromatografie systeem een hoog performantie vloeistof chromatografie systeem is.