DE102007023690A1 - Process control module has medium chamber, where multiple process control modules are assembled on micro-reaction system and connected with one another by fluidic connections - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, in der einzelne Operationselemente, sog. „unit operations" der chemischen oder pharmazeutischen Verfahrenstechnik, insbesondere miniaturisierte Operationselemente, vor allem bei extremen Temperaturen, d. h. sehr tiefe bzw. sehr hohe Temperaturen, betrieben werden können, ohne dass die Außenflächen gesundheitsschädliche Temperaturen erreichen. Bei diesen Operationselementen kann es sich z. B. um Heizer, Mischer, Wärmetauscher, Reaktoren, Separatoren, Extraktoren oder kombinierte miniaturisierte Operationselemente, d. h. Kombinationen aus z. B. Heizer, Mischer, Wärmetauscher, Reaktoren, Separatoren oder Extraktoren handeln, die zusammen mit Sensoren zur Prozessüberwachung und ggfls. mit Aktoren oder miniaturisierten Aktoren, wie z. B. Ventilen, auf engstem Raum untergebracht werden können. Diese Operationselemente können einzeln verwendet oder durch preiswerte und sichere Verbindung mehrerer dieser Vorrichtungen zu einer vollständigen Prozessstrecke für chemische oder pharmazeutische Umsetzungen aufgebaut werden.The The invention relates to a device in which individual operating elements, so-called "unit operations" of chemical or pharmaceutical Process engineering, in particular miniaturized operational elements, especially at extreme temperatures, d. H. very deep or very high temperatures, can be operated without the Exterior surfaces harmful to health temperatures to reach. These operation elements may be z. B. heaters, Mixers, heat exchangers, reactors, separators, extractors or combined miniaturized operational elements, d. H. combinations from z. As heaters, mixers, heat exchangers, reactors, separators or extractors that work together with sensors for process monitoring and if necessary. with actuators or miniaturized actuators, such. B. Valves, can be accommodated in a confined space. These operation elements can be used individually or by inexpensive and secure connection of several of these devices to a complete process line for chemical or pharmaceutical reactions are built.
Angesichts des stetig steigenden Kostendrucks setzt die chemische und pharmazeutische Industrie verstärkt Bauteile der Mikroverfahrenstechnik ein zur Entwicklung neuer Produkte oder zur Verbesserung bestehender Produkte, aber vor allem auch zur Herstellung dieser Produkte. Insbesondere bei den sog. modularen Mikroreaktionssystemen hat sich dabei herausgestellt, dass die Prozesskontrolle dieser auf engstem Raum aufgebauten Anlagen sehr problematisch ist. Diese Module sind häufig aus einem gut Wärme leitenden Material aufgebaut, so dass sich benachbarte Bauteile gegenseitig beeinflussen. Die gewünschte lokale Temperierung der Prozessstrecke, d. h. eine isolierte Temperierung eines einzelnen Operationselementes, insbesondere bei sehr tiefen oder sehr hohen Temperaturen, lässt sich – wenn überhaupt – nur mit einem großen technologischen Aufwand bewerkstelligen.in view of the ever increasing cost pressure sets the chemical and pharmaceutical Industry reinforces components of micro process technology to develop new products or to improve existing ones Products, but especially for the production of these products. Especially in the so-called modular microreaction systems it has been found that the process control of these installations built in a confined space is very problematic. These modules are often one Well built up heat conductive material, so that adjacent Components influence each other. The desired local Temperature control of the process line, d. H. an insulated tempering a single operation element, especially at very deep or very high temperatures, can be - if at all - only accomplish with a great technological effort.
Ferner ist die Frage der Standzeit von mikroverfahrenstechnischen Operationselementen noch nicht abschließend gelöst. Während Abtragungen von Bruchteilen von Millimeter in einem makroskopischen Bauteil kaum Auswirkungen haben, kann die Funktionsfähigkeit eines mikroverfahrenstechnischen Operationselementes dadurch stark beeinträchtigt werden oder zum vollständigen Ausfall führen.Further is the question of the lifetime of micro-procedural operational elements not yet resolved. While Ablations of fractions of millimeters in a macroscopic Component can hardly affect functionality of a micro-procedural operational element characterized strong be impaired or to complete failure to lead.
Modulare
Mikroreaktionssysteme sind bereits bekannt. Ein System wird in
Zudem erfordern aggressive chemische Substanzen den Einsatz von entsprechend korrosionsbeständigen Materialien. Diese Materialien sind i. d. R. kostenintensiv und schlecht zu bearbeiten. Daher wird nach Lösungen gesucht, die notwendige Menge dieser korrosionsbeständigen Materialien zu minimieren.moreover Aggressive chemical substances require the use of appropriate corrosion resistant materials. These materials are i. d. R. costly and difficult to work. Therefore, after Solutions sought, the necessary amount of this corrosion resistant Minimize materials.
Angesichts des skizzierten Standes der Technik hat die Erfindung die Aufgabe, ein Prozessleitsystem für die chemische oder pharmazeutische Verfahrenstechnik, insbesondere auch die Mikroverfahrenstechnik, bereit zu stellen, dass auch bei Temperaturen oberhalb von 150°C und unterhalb –10°C eingesetzt werden kann, ohne dass es zu einer besonderen Aufwärmung des Gehäuses oder zu einer Vereisung des Gehäuses kommt.in view of In the sketched state of the art, the invention has the task of a process control system for chemical or pharmaceutical process engineering, especially the micro process technology, to provide that is also used at temperatures above 150 ° C and below -10 ° C can be, without causing a special warm-up of the housing or icing of the housing comes.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Prozessleitmodul nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.According to the invention the object is achieved by a process control module according to claim 1. Advantageous further embodiments are in the subclaims described.
Die Erfindung ermöglicht es auch, dass im Wesentlichen nur die wirklich Medien berührenden Teile vom durchfließenden Stoffstrom erwärmt oder abgekühlt werden. Die Masse dieser Medien berührenden Teile wird minimiert. Dadurch wird eine hohe Dynamik in der Temperaturführung erreicht. Auf Temperaturänderungen der Medien durch eine Stoffumwandlung kann schneller reagiert werden. Der Einsatz von Energie zur Erwärmung oder Abkühlung der Stoffströme wird minimiert und damit die Energiebilanz des chemischen oder pharmazeutischen Prozesses drastisch verbessert. Zugleich kann der Einsatz von sehr teuren Materialien mit hoher Korrosionsbeständigkeit, z. B. Hastelloy® oder Tantal, auf genau diese Medien berührenden Teile reduziert werden. Dadurch kann die Herstellung von mikroverfahrenstechnischen Bauteilen mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit wesentlich kostengünstiger erfolgen und damit ein Einsatz dieser Materialien in großer Breite erfolgen.The invention also makes it possible for substantially only the parts that really touch the media to be heated or cooled by the stream of material flowing through. The mass of these media contacting parts is minimized. This will be a high Dynamic in the temperature control achieved. Temperature changes of the media through a material conversion can be reacted faster. The use of energy to heat or cool the material streams is minimized, thereby drastically improving the energy balance of the chemical or pharmaceutical process. At the same time, the use of very expensive materials with high corrosion resistance, z. As Hastelloy ® or tantalum, be reduced to exactly these media contacting parts. As a result, the production of microprocedure components with excellent corrosion resistance can be carried out much more cost-effectively, and thus the use of these materials can be made in a large width.
Unter Mikrostrukturen sind in diesem Zusammenhang Strukturen zu verstehen, die mindestens in einer Dimension kleiner als 1 mm sind. Fluide, wie sie in diesem Zusammenhang genannt werden, sind sehr weit zu verstehen und beschränken sich nicht nur auf Flüssigkeiten, sondern umfassen auch auf Gase, Emulsionen, Dispersionen, Mischungen der verschiedensten Art etc.. Operationselemente sind Funktionseinheiten der chemischen oder pharmazeutischen oder biochemischen Verfahrenstechnik wie z. B. Heizer, Wärmetauscher, Mischer, Separatoren, Rektifikatoren, Filter oder Reaktoren. Die Funktion dieser Operationselemente wird in diesem Zusammenhang durch integrierte oder externe Sensoren (z. B. Durchflusssensoren, Temperatursensoren, Drucksensoren, pH-Sensoren, Leitfähigkeitssensoren, Trübungssensoren, Partikelsensoren) überwacht und durch integrierte oder externe Aktoren (z. B. Ventile) gesteuert. Ein Mikroreaktionssystem ist eine Anordnung aus mindestens zwei Operationselementen ggfls. mit mindestens einem Aktor oder Sensor oder mindestens einem Operationselement und mindestens einem Aktor oder Sensor.Under Microstructures in this context are structures to be understood, which are smaller than 1 mm in at least one dimension. fluids, as they are called in this context are very far too understand and are not limited to liquids only but also include gases, emulsions, dispersions, mixtures of the most different kind etc .. Operation elements are functional units chemical or pharmaceutical or biochemical engineering such as z. As heaters, heat exchangers, mixers, separators, rectifiers, Filters or reactors. The function of these operation elements is in this context by integrated or external sensors (eg. Flow sensors, temperature sensors, pressure sensors, pH sensors, Conductivity sensors, turbidity sensors, particle sensors) and controlled by integrated or external actuators (eg valves). A microreaction system is an array of at least two Operation elements ggfls. with at least one actuator or sensor or at least one operation element and at least one actuator or sensor.
Das
Prozessleitmodul ist zweckmäßigerweise aus zwei
voneinander getrennten Kammern, einer Medienkammer und einer Elektronikkammer,
aufgebaut, wie es bereits aus
Die Wand, die die beiden Kammern voneinander trennt, ist zweigeteilt aufgebaut und verfügt über Gräben, in die z. B. Kapillarrohre eingelegt werden, in denen die Stoffströme dem Operationselement in der Medienkammer zugeführt werden. An beiden Enden der Kapillarrohre können Vorrichtungen angebracht werden, mit denen zum einen eine Verbindung benachbarter Prozessleitmodule ermöglicht und zum anderen ein Anschluss an das Operationsmodul in der Medienkammer erreicht wird. Diese Kapillarrohre besitzen keinen Kontakt zum Gehäuse. Lediglich die Vorrichtungen an den beiden Enden der Kapillarrohre weisen einen geringfügigen Kontakt zum Gehäuse auf. Nach dem Vakuum dichten Zusammenbau der beiden Hälften der Wand, der Kapillarrohre und der Vorrichtungen an den Enden der Kapillarrohren kann der Raum zwischen den Hälften der Wand ebenfalls evakuiert werden. Alternativ zur Vakuumisolation kann der Raum zwischen den Kapillarrohren und den beiden Hälften der Wand mit einem thermisch hoch isolierenden Material gefüllt werden. Hierzu sollte das Material eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,1 W/K aufweisen, bevorzugt von weniger als 0,001 W/K. Auf diese Weise wird eine kostengünstige Superisolierung aller Medien führenden Teile von der Umgebung erreicht. Gleichzeitig kann über die gesamte Prozessstrecke, die aus beliebig vielen Prozessleitmodulen bestehen kann, eine fast vollständige Superisolierung aufrecht erhalten werden. Damit müssen lediglich die mikrofluidischen Strukturen und die für die Zuführung der Stoffströme notwendigen Leitungselemente, d. h. z. B. die Kapillaren und die Anschlussstücke, aus einem hoch korrosionsbeständigen Material, wie z. B. Hastelloy® oder Tantal, bestehen.The wall, which separates the two chambers, is divided into two parts and has trenches in which z. B. capillary tubes are inserted, in which the streams are supplied to the operating element in the media chamber. At both ends of the capillary tubes devices can be attached, with which on the one hand allows a connection of adjacent Prozeßleitmodule and on the other hand, a connection to the operation module in the media chamber is achieved. These capillary tubes have no contact with the housing. Only the devices at the two ends of the capillary tubes have a slight contact with the housing. After the vacuum tight assembly of the two halves of the wall, the capillary tubes and the devices at the ends of the capillary tubes, the space between the halves of the wall can also be evacuated. As an alternative to vacuum insulation, the space between the capillary tubes and the two halves of the wall can be filled with a thermally highly insulating material. For this purpose, the material should have a thermal conductivity of less than 0.1 W / K, preferably less than 0.001 W / K. In this way, a cost-effective super insulation of all media-carrying parts of the environment is achieved. At the same time, almost complete super insulation can be maintained across the entire process line, which can consist of any number of process control modules. Thus, only the microfluidic structures and necessary for the supply of the material flow line elements, ie, for example, the capillaries and the fittings, made of a highly corrosion-resistant material such. B. Hastelloy ® or tantalum exist.
Das Gehäuse, die Wand zwischen den beiden Kammern sowie Deckel und Pressplatten können aus weniger korrosionsbeständigem und damit preiswerterem Material bzw. leichter zu bearbeitendem Material gefertigt werden. Der Zusammenbau kann bevorzugt erfolgen durch Löten, Hartlöten, Schweißen, Diffusionslöten oder Diffusionsschweißen. Zudem ist es denkbar, dass die Einzelteile über elastische Dichtungen miteinander abgedichtet werden. Die Trennwand zwischen der Medienkammer und der Elektronikkammer kann auch durch verschiedene andere Verfahren hergestellt werden. Hier bietet sich z. B. das Verfahren des Lasersinterns an. Die Herstellung kann auch erfolgen durch einen Zusammenbau entsprechend strukturierter Bleche oder Folien.The Housing, the wall between the two chambers and cover and press plates can be made from less corrosion resistant and thus cheaper material or easier to edit Material to be made. The assembly may be preferred by soldering, brazing, welding, diffusion soldering or diffusion welding. Moreover, it is conceivable that the Individual parts sealed with each other via elastic seals become. The partition between the media chamber and the electronics chamber can also be prepared by various other methods. Here offers z. B. the method of laser sintering. The production can also be done by assembling appropriately structured Sheets or foils.
Die Temperaturmessung der Stoffströme erfolgt durch an die Außenseite der Kapillaren angebrachte Temperatursensoren. Da diese Sensoren ebenfalls keinen Kontakt zum Gehäuse aufweisen, ist die thermische Masse, die mit den Sensoren in Berührung kommt, extrem klein. Auf diese Weise kann hoch dynamisch die Temperatur der zum Teil geringen Stoffstrommengen detektiert werden. Da die Temperatursensoren in unmittelbarer Nähe der mikrofluidischen Strukturen angebracht werden, in denen die Stoffumwandlung bzw. die Temperierung der Stoffströme erfolgt, ist es möglich, die genaue Temperatur z. B. während der chemischen Reaktion zu erfassen.The Temperature measurement of the material flows takes place through the Outside of the capillaries mounted temperature sensors. Because these sensors also have no contact with the housing have, is the thermal mass that is in contact with the sensors comes, extremely small. In this way, the temperature can be highly dynamic the sometimes small amounts of material flow are detected. Because the Temperature sensors in the immediate vicinity of the microfluidic Be attached structures in which the material conversion or the temperature control of the material flows takes place, it is possible the exact temperature z. B. during the chemical reaction too to capture.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.Based the drawings, the invention, for example, closer explained.
In
der
Wie
In
gleicher Weise ist der Stutzen
Wenn
bei einem Prozessleitmodul keine Elektronikkammer
In
einer besonderen Ausführungsform bestehen lediglich die
Stutzen
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - DE 102004037059 [0004, 0011] - DE 102004037059 [0004, 0011]
- - DE 20201753 U1 [0005] - DE 20201753 U1 [0005]
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