CN101678293B - 微流体自持振荡混合器以及使用该混合器的装置和方法 - Google Patents

微流体自持振荡混合器以及使用该混合器的装置和方法 Download PDF

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Abstract

一种用来进行化学反应或者生物反应的微流体装置(10)，其包括用作自持振荡喷射混合室的室(20)和两个或者更多个分隔的进料通道(22，24，40)，所述分隔的进料通道用一个或多个通道间壁(25)分隔，所述两个或者更多个通道(22，24，40)在室(20)的同一侧(18)终止，所述两个或更多个通道(22，24，40)的总通道宽度(28)包括所述两个或更多个通道(22，24，40)的宽度以及所有的通道间壁(25)的宽度之和，所述室(20)在垂直于通道(22，24，40)方向具有宽度(26)，在平行于通道(22，24，40)的方向具有长度(32)，所述室的宽度(26)至少为总通道宽度(28)的两倍，所述室(20)具有两个相反的主面(56)，这两个主面限定室的高度(30)，所述室(20)的主面面积/体积比值至少为10cm2/cm3。本发明还揭示了使用自持振荡喷射混合室进行微流体流体混合的方法。

Description

微流体自持振荡混合器以及使用该混合器的装置和方法
相关申请交叉参考
本申请根据35U.S.C.§119要求2007年5月15日提交的欧洲专利申请序列第07301042.3号的优先权。
背景技术
如本文理解的，微流体装置包括数微米至数毫米尺度的流体装置，也即是说，包括最小尺寸为数微米至数毫米、优选约10微米至大约1±0.5毫米的流体通道的装置。部分是由于所述微流体装置具有其特征的低总工艺流体体积和特征的高面积/体积比，微流体装置、特别是微型反应器可以以安全、高效和环境友好的方式进行一些困难的、危险的、或者甚至是通过其它方式无法进行的化学反应和工艺。
在一些微型反应器中包括微流体混合器，在其中需要使得一些反应物相对于反应动力学时间长度以极快的速度混合起来，根据应用(即实验室、中试或工业生产)，所需的流速可能在数毫升/分钟至数百毫升/分钟之间变化。在这些混合器用于生物应用的时候，流速可以仅为若干微升/分钟。人们需要有一种混合器或者混合器几何结构，可以在所述很宽的流速范围内使用。人们还需要在特定混合器中获得的混合质量尽可能不受流速的影响，而且所述混合器能够有效地从混合流体中移走热量。还需要能够以低的压降得到良好的混合质量。
发明内容
一种用来进行化学反应或者生物反应的微流体装置，其包括用作自持振荡喷射混合室的室和两个或者更多个分隔的进料通道，所述分隔的进料通道用一个或多个通道间壁分隔，所述两个或者更多个通道在室的同一侧终止，所述两个或更多个通道的总通道宽度包括所述两个或更多个通道的宽度以及所有的通道间壁的宽度之和，所述室在垂直于通道方向具有宽度，在平行于通道的方向具有长度，所述室的宽度至少为总通道宽度的两倍，所述室具有两个相反的主面，这两个主面限定室的高度，所述室的主面面积/体积比值至少为10cm2/cm3。
一种使用自持振荡喷射器进行微流体流体混合的方法包括提供一个或多个分隔的进料通道和一个室，所述一个或多个通道各自在所述室的共同的壁进入所述室，所述一个或多个分隔的通道的总通道宽度包括所述一个或多个分隔通道的宽度以及所有通道间壁(如果存在的话)的总宽度，所述室具有至少一个排出通道，所述室在垂直于所述一个或多个通道的方向具有宽度，所述室的宽度至少为总通道宽度的两倍。该方法还包括使得一种或多种流体物流以足够的速率流过所述进料通道，流入室内，在室内引发自持振荡喷射。所述室需要主面面积/体积比值至少为10cm2/cm3。
在以下的详细描述中提出了本发明的附加特征和优点，其中的部分特征和优点对本领域的技术人员而言根据所作描述即容易理解，或者通过实施包括以下详细描述、权利要求书以及附图在内的本文所述的本发明而被认识。
应理解，前面的一般性描述和以下的详细描述都只是本发明的实施方式，用来提供理解要求保护的本发明的性质和特性的总体评述或框架。包括的附图提供了对本发明的进一步的理解，附图被结合在本说明书中并构成说明书的一部分。附图以图示形式说明了本发明的各种实施方式，并与说明书一起用来说明本发明的原理和操作。
附图简要说明
图1是本发明的一种实施方式的截面俯视图。
图2是图1的结构沿图1中A-A线的截面正视图。
图3是本发明的另种实施方式的截面俯视图。
图4是本发明的另一种实施方式的截面俯视图。
图5是本发明的另一种实施方式的截面俯视图。
图6是图1的结构沿图1中A-A线的另一种截面正视图，对应于图2所示的本发明另一种实施方式。
图7是图1的结构沿图1中A-A线的另一种截面正视图，对应于图2和6所示的本发明另一种实施方式。
图8是本发明的另一种实施方式的截面俯视图。
图9是本发明的另一种实施方式的截面俯视图。
图10是本发明的另一种实施方式的截面俯视图。
图11显示了根据本发明一种实施方式的多个微流体混合器的设置示意图；
图12显示了根据本发明另一种实施方式的多个微流体混合器的设置示意图；
图13是本发明的另一种实施方式的截面俯视图。
图14是本发明一些实施方式以及一个比较例中高速混合性能随流速(毫升/分)的变化关系图。
图15是本发明一些实施方式以及一个比较例中压降(毫巴)随流速(毫升/分)的变化关系图。
图16是根据本发明的实施方式，对于测试反应中不同的流速，粒度分布(占总体积的百分数)随对数标度粒度(微米)的变化关系图。
优选实施方式的详细描述
下面将详细参考本发明的优选实施方式，这些实施方式的例子在附图中示出。只要有可能，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或类似的部分。
图1和2显示了本发明的微流体混合器10的一种实施方式。该混合器10大体是平坦的，由图1中平面内的壁12以及图2中可以看到的底板14和顶板16限定。(尽管在本发明中为了简便起见，以这种取向方式描述混合器10，但是本领域技术人员应当能够理解，本发明的实施方式可以具有任何所需的取向，因此“底板”、“顶板”、“高度”、“长度”、“宽度”和类似的术语仅仅是相对的，并不表示或要求特定的取向。)
优选该混合器10是用来进行需要混合的化学反应或生物反应的微流体装置(微型反应器)的一部份。所述混合器10的壁12、底板14和顶板16限定了自持振荡喷射混合室20。两个或更多个分隔的进料通道22和24在室20的同一侧18终止。所述通道22和24在到达室20之前都被一个或多个通道间壁分隔开。
所述室20优选具有垂直于进料通道22和24的宽度，所述室20的宽度26至少为总通道宽度28(由所述两个或更多个进料通道的宽度以及所述一个或多个通道间壁25的宽度之和限定)的两倍，较优选至少三倍，甚至更优选至少四倍。所述室20的底板14和顶板16形成室20的两个相反的主面56，限定室20的高度30。所述室20的高度30/宽度26之比值(高宽比)优选等于或小于1/10。对所述室20的长度32和宽度26进行选择，使得足以允许所需的工作流体通过所述两个或更多个通道22和24流入室20，形成自持振荡喷射，沿着室20的宽度26方向从一侧到另一侧振荡。所述室20的主面面积/体积比值优选至少为5cm2/cm3，优选至少为10cm2/cm3，最优选至少为15cm2/cm3。
对于化学生产应用，室的高度30优选为0.1-2mm，包括端值，更优选为0.5-1.7mm，包括端值，最优选为0.8-1.5mm，包括端值。相对于长度和宽度来说较小的高度，或者高的主面面积/体积比值，使得可以良好地从室20移走热量(或者容易地施加热量)。
图3是本发明另一种实施方式的截面俯视图，其中多个室20沿微流体通道34串联设置。只有在图中最左边，第一个室20处，设置两个或者更多个进料通道22和24。随后的室20仅有一个进料通道，通道34，但是随后的室20也各自用来使得形成自持振荡喷射。所述多个串联设置的振荡喷射混合室20使得可以通过另外的振荡喷射来提高或改进混合效果，或者如果需要的话，使得可以良好地保持非混溶性液体的悬浮，或者同时起到上述两种效果。如图4所示，相继的混合室20不一定要求沿着通道34紧邻地设置，而是可以分隔一段长度通道36，用来在下一次混合发生之前提供一定的热交换和一些迟延时间。
图5是本发明另一种实施方式的截面俯视图，其中多个通道34由单个底板14或下面的基板上的壁12限定，在图中用虚线显示。在图5的实施方式中，流体进入室20的所述侧18包括三个终止于室20的通道，但是从图中可以看出，外侧的两个通道在头部是连通的，对应于通道22，而内侧的通道对应于通道24。或者，对于图5的装置的室20D，可以包括三个或者更多个完全独立的通道22，24和40。图中左上方的通道22和24可以经由图中未显示的穿过装置顶板的口进料。流体可以通过底板12从通道34A排出，通过底板14中的孔38，通过并重新进入通道34B。图中所示的所有通道可以任选地以所述方式连接，使得工作流体通过五个自振荡喷射室20-20D，或者图中所示的一部份通道可以在入口处和出口处独立地达到装置的外部，例如，图中下方所示的平行通道的情况。其中孔38之类的通孔可以用来连接各个通道，此时可以采用多层结构，例如图7的横截图所示的结构。优选在所述包括混合室20的层的任意侧包括温度控制流体室或者流体通道50，后者设计用来使得热交换流体在与混合室20相邻的空间内流动。通道52用作停留时间和热交换路径，并任选地用作光催化反应路径或者用于其它目的，可以如图所示优选地设置在装置的底层之上。
本发明装置的一个优点在于，提供了具有极小高度的高效微流体混合室20，其高度最大约为2mm，优选等于或小于约1.7mm，更优选约等于或小于1.5mm。但是，与此同时，相对于室的高度，所述混合室的主面很大。因此，如图6中的截面示意图所示，可以将辐射器42(例如发光装置或者激光发生装置、超声波发生器、电磁场发生器、或者其它辐射器)通过顶板16(室20的两个主面之一)以及工作流体自身密切地与混合室20偶联，以便用声能、电能、磁能、电磁能、或其它能量对室20中的流体进行辐射。第二辐射器或传感器44可以有益地与混合室20结合使用，可以如图6所示，设置在室20的底板14之外。例如如图7所示，所述辐射器或传感器(例如辐射器或传感器44)不一定与装置直接接触。
整个装置优选由玻璃、玻璃陶瓷或陶瓷材料组成。由此可以提供优良的耐热性和耐化学性，以及对可见光和/或电磁光谱中的其它部分的半透明性或透明性，这可能是一些应用所需的性质。所述装置可以根据任意的各种方法制造，例如本发明人合作者开发出以及美同专利第7,007,709号所述的方法。其中描述了微流体装置的形成：将成形的玻璃料结构放置在两块玻璃基板之间，然后对玻璃料进行烧结，使得基板和玻璃料粘合在一起，形成一块式的装置，其中包括由玻璃料限定的流体室。如所参考的专利中所述，如图6所示，所述形成壁12的玻璃料材料46的层也用来在基板上形成薄层(底板14和顶板16)。如果需要的话，可以采用另外的方法，形成玻璃料壁，而不形成薄层，例如如图7所示，或者使用一种方法，形成整体型装置，而不形成二重组成，例如图2中的截面图所示的装置。这些整体型装置可以通过例如专利申请第EP07300835中的方法所述，在多孔碳模具之间对玻璃材料进行热压形成，或者通过掩模喷砂或掩模蚀刻形成通道壁，然后通过熔合或者化学结合或者其它连接方式，形成整体型装置。
当要求混合室20具有特别大的主面面积，可能降低室的耐压性的时候，或者因为其它原因需要最大的耐压性的时候，可以如图8和9所示，在室20中的空间内，由壁材料形成一个或多个柱54。作为本发明的另一种实施方式，如图10的截面俯视图所示，通道(2，24和40)的尺寸不一定要求全都相同。中央通道24可以优选小于外部通道，或者换言之，通道间壁25可以更加靠近，特别是如果预期或需要中央通道携载的体积小于外部通道的时候。当然也可以采用其他的通道间壁和通道宽度的分布情况。
本发明的范围还包括用本文所述的装置进行混合，所述方法包括提供一个或多个进料通道，这些通道各自从共同的方向进入室，所述室具有至少一个排出通道，所述室的宽度至少为一个或多个进料通道宽度之和的至少两倍；使得一股或多股流体物流以足够的速率从进料通道流入室，从而在室内引发自持振荡喷射。所述振荡喷射提供了有效的(在所用总能量和混合器中的压降方面)混合过程，人们可以对高度尺寸进行显著的缩小，以便能够进行极佳的热控制，或者便于对工作流体进行传感，或者容易地将能量与工艺流体耦合。所述室优选包括两个相反的主面，其高/宽比等于或小于0.1，(优选主面面积/体积比值至少为5cm3/cm2，优选为10cm2/cm3，最优选为15cm2/cm3。)
图11是一种实施方式的俯视示意图，其中混合室20可以沿通道设置，首先由通道22和24进行进料。之后的混合室可以用来将非混溶相保持悬浮。在图12的实施方式中，两个通道进入第一混合室20，但是在每个混合室处可以使用一个新的通道。因此，可能优选如图所示，增大下游混合室的尺寸。
根据本发明的混合室不一定是矩形的。所需的仅仅是混合室有效地加宽，变宽足够突然，使得室内可以产生自持振荡。图13中显示了另一种混合室形状。
实施例
形成了自持振荡喷射混合室A-D，其性质如下表所示。
  命名   高度(毫米)   主面面积/体积(cm2/cm3)   体积(毫升)
  A   1.17   17.03   0.58
  B   1.18   16.90   0.58
  C   1.20   16.62   0.87
  D   1.21   16.51   0.86
通道宽0.5mm，通道间壁宽0.6mm，通道结构与上文图5中关于室20讨论的结构类似。然后以两种方式检测混合性能。采用Villermaux J.等人在″用平行竞争反应表征微型混合效率(Use of Parallel Competing Reactions toCharacterize Micro Mixing Efficiency)，″AlChE Symp.Ser.88(1991)6，p.286所述的方法作为第一种测试混合性能的方法。概括来说，该方法是在室温下制备酰基氯溶液以及与KI(碘化钾)混合的乙酸钾溶液。然后使用注射器或者蠕动泵将这两种流体或反应物连续注射入待测微型混合器中。所得的测试反应造成两个具有不同速度的竞争反应，一个产生吸收紫外线的最终产物的“快”反应和一个在超快混合条件下占主导地位、生成透明溶液的“超快”反应。因此混合性能与通过混合流体的紫外透射率相关联，理论上完美的或者100％的快速混合会使得所得的产物具有100％紫外透射率。图14显示了混合性能，图中为通过该方法对三个本发明的装置C以及三个装置D测得的透光率百分比随流速(毫升/分钟)的变化关系。图中还显示了用星号(“*”)表示的比较测试，该测试中的装置具有一个或多个相继的混合路径，各自具有三维曲折路径，例如与EP01604733和EP1679115所述的混合路径类似。通过比较可以看出，在高流速下，本发明的混合器性能更优，特别是在大约100ml/min至最高220ml/min及以上的流速更是如此。
如图15所示，相对于比较例，本发明在较低压降下得到良好的混合效果，图中显示了压降(毫巴)随流速(毫升/分钟)的变化关系。可以看到，将流速从100毫升/分钟加倍到200毫升/分钟，相对于比较例装置，本发明的装置产生的总压降小于其二分之一，但是混合效果与图14相同或者更优。
为了对非混溶性液体进行混合测试以及处理固体颗粒，又进行了一种反应，其中两种反应物是非混溶性液体，形成的产物是胶体颗粒，即聚苯乙烯球粒。
对于该反应，使用以下反应历程：
Figure G2008800212205D00071
以THF为溶剂的聚苯乙烯作为一股进料提供(0.5重量％)，包含表面活性剂AOT的水溶液作为第二进料提供(0.05重量％)。结果见图16，图中显示了PSD(粒度分布，表示为体积百分数)随对数粒度(微米)的变化关系。从图中可以看出，获得最佳混合、得到约0.10微米的均匀粒度的阈值总共约为158+20＝178毫升/分钟。在等于和高于该流速的情况下，粒度分布几乎没有次要的峰。该数值与比较例得到的结果相近，但是压降更低。因此使用本发明的装置可以获得相同质量的混合，但是同时可以得到较高的流速和较低的压降。

Claims (10)

1.一种用来进行化学反应或者生物反应的微流体装置(10)，所述装置包括：
室(20)，其用作自持振荡喷射混合室；以及
两个或者更多个分隔的进料通道(22，24，40)，所述分隔的进料通道用一个或多个通道间壁(25)分隔，所述两个或者更多个通道(22，24，40)在室(20)的同一侧(18)终止，所述两个或更多个通道(22，24，40)的总通道宽度(28)包括所述两个或更多个通道(22，24，40)的宽度以及所有的通道间壁(25)的宽度之和，所述室(20)在垂直于通道(22，24，40)方向具有宽度(26)，在平行于通道(22，24，40)的方向具有长度(32)，所述室的宽度(26)至少为总通道宽度(28)的两倍，所述室(20)具有两个相反的主面(56)，这两个主面限定室的高度(30)，所述室(20)的主面面积/体积比值至少为10cm2/cm3。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述室(20)的主面面积/体积比值至少为15cm2/cm3。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述室(20)的高度与长度和宽度中较大者之比值等于或小于1/10。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括辐射器(42)，其进行结构设计和设置，以便通过所述室(20)的至少一个主面，用声能、电能、磁能、电磁能或其它能量对室(20)进行辐射。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括传感装置(44)，所述传感装置进行结构设计和设置，以便探测室(20)内的材料的一种或多种性质。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置(10)用玻璃、玻璃-陶瓷或陶瓷形成。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述室(20)还包括在所述两个相反的主面之间延伸的至少一个柱(54)。
8.一种为了用于化学或生物用途、对微流体装置(10)中的一种或多种流体进行混合或搅动的方法，该方法包括以下步骤：
提供一个或多个分隔的进料通道(22，24，40)和一个室(20)，所述一个或多个通道(22，24，40)各自在所述室(20)的共同的壁(18)进入所述室(20)，所述一个或多个分隔的通道(22，24，40)的总通道宽度(28)包括所述一个或多个分隔的通道(22，24，40)的宽度以及可能存在的所有通道间壁(25)的宽度之和，所述室(20)具有至少一个排出通道，所述室(20)在垂直于所述一个或多个通道(22，24，40)的方向具有宽度(26)，所述室(20)的宽度(26)至少为总通道宽度(28)的两倍；
使得一股或多股流体物流以足够的速率流过所述进料通道(22，24，40)，流入室(20)内，在室(20)内引发自持振荡喷射。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述提供一个或多个分隔的进料通道(22，24，40)以及室(20)的步骤还包括：所述室(20)在平行于通道(22，24，40)的方向具有长度(32)，具有两个相反的主面，所述主面在垂直于长度和宽度的方向限定室(20)的高度(30)，所述室(20)的主面面积/体积比值至少为10cm2/cm3。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述提供一个或多个分隔的进料通道(22，24，40)以及室(20)的步骤还包括：所述室(20)的高度与长度和宽度中较大者之比值等于或小于1/10。
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