DE102009045401B3

DE102009045401B3 - Rühr-und Mischverfahren und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102009045401B3
Application number: DE102009045401A
Authority: DE
Inventors: Peter Spang; Frank Kullmann; Tina Dr. Röser
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2029-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rühr- oder Mischverfahren für eine fließfähige Substanz (118) sowie eine Rühr- oder Mischvorrichtung zur Ausführung desselben. Ein Rührelement (10) in Form eines mit einer Öffnung und/oder einem elastisch verformbaren Wandabschnitt (116) versehenen Tauchkörpers, der einen Hohlraum (12) zur Aufnahme eines Gasvolumens aufweist, wird in einen mit der fließfähigen Substanz (118) gefüllten Behälter (112) eingegeben und ein variierender Druck auf die fließfähige Substanz (118) ausgeübt. Hierdurch wird das Gasvolumen in dem Hohlraum abwechselnd komprimiert und dekomprimiert, wobei der Tauchkörper und das Gasvolumen im Verhältnis zur Dichte der fließfähigen Substanz so dimensioniert sind, dass der Tauchkörper infolge des Komprimierens und Dekomprimierens in dem mit der fließfähigen Substanz gefüllten Behälter absenkt bzw. aufsteigt und dabei die fließfähige Substanz verwirbelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rühr- oder Mischverfahren für eine fließfähige Substanz, ein Rührelement, sowie eine Rühr- oder Mischvorrichtung mit einem solchen Rührelement zum Ausführen des Verfahrens. Zum Rühren oder Mischen kleiner bis mikroskopisch kleiner Flüssigkeitsmengen von einigen Milliliter bis zu wenigen Mikroliter ist dieses Verfahren bzw. diese Vorrichtung besonders geeignet.
Auf dem Gebiet der Erfindung sind beispielsweise Magnetrührer mit magnetisch berührungslos angetriebenen Rührstäbchen („magnetische Rührfische”) bekannt, welche typischerweise einige Millimeter Durchmesser und eine Länge von mehreren Millimetern bis Zentimetern aufweisen. Eine solche Vorrichtung wird beispielsweise in der US 4,131,370 A vorgestellt. Solche Magnetrührer sind aufgrund ihrer Dimensionen insbesondere für den Einsatz in der Mikrofluidik und Bio-Mikrofluidik ungeeignet. Auch ist deren Anwendungsbereich überall dort begrenzt, wo Magnetfelder unerwünscht sind. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung von sogenannten „magnetic beads” der Fall sein, welche zur spezifischen Extraktion von Zellen, DNA, Proteinen oder ähnlichem der Flüssigkeit zugegeben werden können.
Der Vortex-Mischer bedient sich eines anderen Mischverfahrens. Hierbei werden Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte in einem Behälter aufgrund von Trägheitskräften durch Bewegung des Behälters vermischt. Auch hierbei sind der Miniaturisierung naturgemäß Grenzen gesetzt. Dieser Mischer ist für Flüssigkeitsmengen bis einigen Zehntel Milliliter, aber nicht darunter, geeignet.
Ferner sind passive Diffusionsmischerverfahren und -vorrichtungen bekannt. Die Mischzeiten bei der Diffusionsmischung sind jedoch vergleichsweise lang.
Die internationale Patentanmeldung WO 99/42205 A1 hat eine Mischvorrichtung zum Gegenstand, bei der ein schirmförmiges in eine zu mischende Flüssigkeit eingetauchtes Rührorgan ein in der Flüssigkeit aufsteigendes Gas auffängt, welches die unter dem Schirm zunächst befindliche Flüssigkeit verdrängt. Hierdurch wird das spezifische Gesamtgewicht des Rührorgans verringert, bis dieses in der Flüssigkeit aufsteigt. Im oberen Bereich des Flüssigkeitsvolumens wird durch Betätigung eines Ventils in dem Rohrorgan das Gas abgelassen, woraufhin der Rührkörper in der Flüssigkeit wieder absinkt. Durch das Aufsteigen und Absenken wird die Flüssigkeit vermischt.
In dem Aufsatz „Bubble-induced acoustic micromixing” von Robin H. Liu et al., Lab chip 2002, 2, 151 bis 157, wird ferner eine Vorrichtung zum Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen (22 μl) vorgestellt, welche eine Kammer, befüllt mit den zu mischenden Flüssigkeiten, und peripher angeordnete und mit der Kammer verbundene Kavitäten aufweist. Im Bereich der Kavitäten sind Luftblasen gefangen, welche durch akustische Erregung in resonante Schwingungen versetzt werden und dabei die umgebene Flüssigkeit ebenfalls in Bewegung versetzen, was zu einer schnelleren Durchmischung derselben führt.
Ein anderes akustisches Rührverfahren geht aus der DE 10 2007 020 244 A1 hervor. Hiernach werden frei bewegliche Rührelemente in die zu mischende fließfähige Substanz eingebracht. Die Rührelemente weisen eine Kavität auf, in der eine Luftblase gefangen ist, welche ebenfalls durch akustische Anregung in Schwingungen versetzt wird und die in den Mündungsbereich der Kavität eindringende Flüssigkeit ausstößt bzw. wieder einsaugt. Hierdurch wird ein resultierender Impuls und durch die Anordnung der Kavität in dem Rührelement ein Drehmoment verursacht, welches das Rührelement zu einer Drehbewegung in der Flüssigkeit antreibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein alternatives Rührverfahren und eine alternative Rührvorrichtung bereitzustellen, die kostengünstig und einfach herzustellen ist und die in situ ohne größeren Aufwand betrieben werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Rühr- oder Mischverfahren gemäß Patentanspruch 1, ein Rührelement gemäß Patentanspruch 6 und eine Rühr- oder Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Rühr- oder Mischverfahren für eine fließfähige Substanz ist vorgesehen, dass ein ein Gasvolumen einschließender, mit einer Öffnung und/oder einem elastisch verformbaren Wandabschnitt versehener Tauchkörper in einen mit der fließfähigen Substanz gefüllten Behälter eingegeben und ein variierender Druck auf die fließfähige Substanz ausgeübt wird, so dass das Gasvolumen abwechselnd komprimiert und dekomprimiert wird, wobei der Tauchkörper und das Gasvolumen im Verhältnis zur Dichte der fließfähigen Substanz so dimensioniert sind, dass der Tauchkörper in Folge des Komprimierens und Dekomprimierens in dem mit der fließfähigen Substanz gefüllten Behälter absinkt bzw. aufsteigt und dabei die fließfähige Substanz verwirbelt wird.
Das hierbei zum Einsatz kommende Rührelement in Form eines Tauchkörpers weist einen Hohlraum zur Aufnahme eines Gasvolumens, eine mit dem Hohlraum kommunizierende Öffnung und/oder einen elastisch verformbaren Wandabschnitt und eine Außenoberfläche auf, die ausgebildet ist, die fließfähige Substanz zu verwirbeln, wenn der Tauchkörper durch diese bewegt wird.
Die mit einem solchen Rührelement ausgestattete Rühr- oder Mischvorrichtung weist ferner einen Behälter für die fließfähige Substanz und Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes in der fließfähigen Substanz auf.
Dem erfindungsgemäßen Rühr- oder Mischverfahren liegt das Prinzip des kartesischen Tauchers zugrunde, der beispielsweise in der US 2,525,232 A beschrieben ist. Es sind bereits Verfahren im Bereich der immunologischen Analytik bekannt, die sich dieses Prinzips bedienen. Es wird in diesem Zusammenhang auf die US 4,962,047 A verwiesen. Ein Granulat aus 1 mm großen, geschlossen porösen Trägerpartikeln, in denen ein Gasvolumen eingeschlossen ist, wird mittels Enzymen markiert und dient als Träger für Antikörper in einem Immunoessay. Das Granulat wird in eine Pufferflüssigkeit mit Antikörpern eingegeben und der Druck so variiert, dass sich die Trägerpartikel darin in Suspension befinden. Nach einer Reaktionszeit wird der Druck so variiert, dass sich das Granulat entweder am Boden oder an der Oberfläche der Flüssigkeit absetzt und somit die Flüssigkeit von dem Granulat getrennt wird.
Auch wenn das physikalische Grundprinzip in der vorliegenden Erfindung dasselbe ist, unterscheidet sich diese hinsichtlich ihres Anwendungszwecks. Sie gehört deshalb einer anderen Gattung an, bei der die Dynamik der Bewegung des Tauchkörpers im Vordergrund steht, durch welche die fließfähige Substanz verwirbelt wird, was zu einer beschleunigten Durchmischung der in der fließfähigen Substanz enthaltenen Komponenten führt. Auch unterscheiden sich die erfindungsgemäßen Rührelemente bzw. Tauchkörper von den in der US 4,962,047 A beschriebenen Partikeln durch eine bevorzugt regelmäßige, besonders bevorzugt durch Spritzguss hergestellte, Oberflächengestalt. Bei deren Herstellung kann ferner das Festkörper/Hohlraum-Verhältnis ohne Einschränkung durch herstellungbedingte Randbedingungen festgelegt werden. Dadurch sind Mischvorgänge und Bewegungsabläufe besser auslegbar und verlaufen reproduzierbar. Dem gegenüber ist das Festkörper/Hohlraum-Verhältnis der Partikel gemäß US 4,962,047 A weitgehend durch den Herstellungsprozess bedingt.
Unter fließfähige Substanz ist im Sinne dieser Schrift eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch, eine Dispersion mit wenigstens einer flüssigen Phase, insbesondere eine Emulsion, eine Suspension zu verstehen.
Zum Zweck des Rührens oder Mischens genügt es in der Regel, wenn die Rühr- oder Mischvorrichtung in Abhängigkeit von dem zu rührenden/mischenden Flüssigkeitsvolumen 1 bis 20 Rührelemente in einem Behälter aufweist. Die Größe der Rührelemente hängt ebenfalls von dem zu rührenden/mischenden Flüssigkeitsvolumen und der Größe in der Flüssigkeit enthaltener Festkörper (Schwebkörpern, Partikeln) ab und beträgt vorzugsweise 0,3 mm bis 8 mm und besonders bevorzugt 0,5 mm bis 6 mm. In einem einfachen möglichen Anwendungsfall können mit einem größeren Rührelement beispielweise Beads oder mit mehreren kleineren Rührelementen DNA-Fragmenten in der Flüsssigkeit in Bewegung gehalten werden. In einem komplexeren Anwendungsfall können mit mehreren Rührelementen verschiedener Größe und/oder Gestalt unterschiedliche Festkörper und/oder Flüssigleiten gleichzeitig durchmischt oder in Bewegung gehalten werden.
Die in dem Gas bzw. der Luft erzeugte Druckdifferenz liegt vorzugsweise bei 3 bar oder weniger, besonders bevorzugt bei 800 mbar oder weniger und ganz besonders bevorzugt bei 200 mbar oder weniger. Ausgehend von Normaldruck ist, soweit mit einfachen Druckerzeugungsmitteln wie beispielsweise einer Spritzenpumpe realisierbar, ein Unterdruck von –1 bar und ein Überdruck von 2 bar praktikabel, wobei bevorzugt entweder nur mit einem Über- oder einem Unterdruck operiert wird.
Zur verbesserten Verwirbelung der fließfähigen Substanz weist der Tauchkörper auf der Außenoberfläche vorzugsweise Strömungslenkungsmittel auf. Diese können in Form von Flügeln ausgestaltet sein. Insbesondere sind gegenüber einer gemeinsamen Anordnungsebene schräg gestellte Flügel bevorzugt, weil sie den Tauchkörper beim Bewegen durch die fließfähige Substanz zusätzlich in eine Rotationsbewegung versetzen, was die Verwirbelung der fließfähigen Substanz abermals verbessert. Alternative Ausgestaltungen der Strömungslenkungsmittel sind beispielsweise Noppen oder andere regelmäßige oder unregelmäßige Erhebungen oder Einsenkungen auf der Außenoberfläche des Tauchkörpers.
Das Rührelement wird vorzugsweise in einem Massenherstellungsverfahren, wie Spitzguss, aus Polymeren, Metallguss, (Metall-)Pulverspritzguß hergestellt. Vorteilhaft ist in jedem Fall ein Material mit einem hohen Dichteunterschied zum zu mischenden Medium, da eine hohe Dichte des Mantelmaterials einen großen Hohlraum ermöglicht. Ein größeres Gasvolumen lässt wiederum höhere Steig- und Sinkgeschwindigkeiten realisieren. Insgesamt sind die Gestaltungsmöglichkeiten der Mischbewegung dadurch größer. Das Volumen des Hohlraums beträgt je nach Material daher bevorzugt von wenigstens 10%, besonders bevorzugt von wenigstens 20% bis höchstens 80% des Gesamtvolumens des Tauchkörpers.
Der Tauchkörper ist vorzugsweise eingerichtet, an der Innenoberfläche des Hohlraums nicht zu benetzen. Hiermit wird bezweckt, dass eine in dem Hohlraum eingeschlossene Gasblase aufgrund der Oberflächenspannung der fließfähigen Substanz dort sicher gefangen bleibt.
Bei einer wässrigen Flüssigkeit kann der Körper beispielsweise insgesamt aus einem hydrophoben Material, wie Polykarbonat oder Polytetrafluorethylen gebildet sein oder im Bereich des Hohlraumes hydrophobisiert sein.
Der variierende Druck kann auf verschiedene Weise in die fließfähige Substanz eingekoppelt werden: Vorteilhaft ist es, wenn der variierende Druck mittels einer an einer Behälterwand ankoppelnden Schall- oder Druckquelle in die fließfähige Substanz eingekoppelt wird. Die Schallquelle weist beispielsweise einen Piezoaktor oder aber einen elektromagnetischen Aktor auf, der die Behälterwand unmittelbar oder mittelbar in Schwingung versetzt.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes eine bewegliche Behälterwand auf. Der variierende Druck wird durch Hin- und Herbewegen der beweglichen Behälterwand in die fließfähige Substanz eingekoppelt. Ganz besonders bevorzugt sind die bewegliche Behälterwand und der Behälter in Form einer Zylinder-Kolben-Anordnung ausgebildet.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen die Mittel zum Erzeugen des variierenden Druckes wenigstens eine elastisch formbare Behälterwand auf. Beispielsweise kann die Behälterwand in Form einer Membran, insbesondere eines Membrandeckels ausgebildet sein. Der variierende Druck wird durch Deformieren der elastisch verformbaren Behälterwand in die fließfähige Substanz eingekoppelt. Dies kann manuell durch Eindrücken des Membrandeckels erfolgen.
Bevorzugt weisen die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes aber ein Antriebselement zum Hin- und Herbewegen der beweglichen Behälterwand bzw. zum Deformieren der elastisch verformbaren Behälterwand auf. Beispielsweise kann das Antriebselement einen drehbar angetriebenen Exzenter umfassen, der die Behälterwand periodisch auslenkt.
Alternativ weisen die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes eine an den Behälter angeschlossene Spritzenpumpe auf.
Vorzugsweise wird die Rühr- oder Mischvorrichtung der erfindungsgemäßen Art mit automatischem Antrieb, sei es durch ein mechanisches Antriebselement eine Schall- oder Druckquelle oder durch eine Spritzenpumpe, in Resonanz betrieben, so dass ein maximaler Mischeffekt erzielt wird.
In jedem Fall ist der Behälter abgeschlossen und vorzugsweise ohne Luft- oder Gaseinschluss, die Gasblase in dem Rührelement ausgenommen, vollständig befüllt. Dies ermöglicht eine direkte mechanische Einkopplung der Druckschwankung in der in dem Rührelement eingeschlossenen Gasblase. Grundsätzlich ist es aber möglich, in dem Behälter über der fließfähigen Substanz ein Gasvolumen oder Gaspolster einzuschließen, was allerdings das insgesamt zu komprimierende Gasvolumen erhöht und den Druckaufbau deshalb drosselt.
Für Anwendungen im Bereich der Mikrofluidik wird der Behälter bevorzugt durch eine Kammer in einem Probenaufbereitungschip gebildet. Hierbei kommt bevorzugt eine externe, an den Chip angeschlossene Druckquelle, beispielsweise eine Spritzenpumpe als Mittel zum Erzeugen des variierenden Druckes in Betracht. Die Rührelemente in Form von Tauchkörpern sind unverlierbar in der Kammer in dem Probenaufbereitungschip eingebunden. Sind die Rührelemente in Ihrer Abmessung kleiner als der Querschnitt der Zu- und Ableitungen zu der Kammer, ist die Kammer vorzugsweise durch Rückhalteelemente mit Öffnungsquerschnitten begrenzt, die kleiner sind als die kleinste Abmessung der Rührelemente. Die Rückhalteelemente, in Form von Gittern oder dergleichen, befinden sich beispielweise an einer Einlass- und/oder Auslassöffnung der Kammer und verhindern, dass die Rührelemente Befüllen oder Entleeren der Kammer darin verbleiben und nicht zusammen mit der Flüssigkeit abtransportiert werden.
Weitere Einzelleiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Kugelform;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Kugelform mit Strömungslenkungselementen;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Zylinderform mit Strömungslenkungsmitteln;
4 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Kugelform mit zylindrischem Ansatz und Strömungslenkungsmitteln;
5 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Zylinderform mit Kappe und Strömungslenkungsmitteln;
6 ein sechstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Zylinderform mit Strömungslenkungsmitteln;
7 ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Scheibenform;
8 ein achtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in einer kombinierten Scheiben-Zylinderform;
9 ein neuntes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rührelementes in Spindelform;
10 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rühr- oder Mischvorrichtung und
11 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rühr- oder Mischvorrichtung in einem Lab-on-chip-System.
In 1 ist eine sehr einfache und dennoch wirksame Form des erfindungsgemäßen Rührelementes 10 dargestellt. Dieses ist im Wesentlichen kugelförmig und weist eine Totbohrung 12 durch das Zentrum der Kugel 10 auf. Das Innere der Totbohrung 12 bildet einen Hohlraum, welcher vorzugsweise durch Verwen dung eines hydrophoben Materials oder einer hydrophobisierten Innenoberfläche 14 der Bohrung 12 zur Aufnahme und Fixierung einer Gasblase, vorzugsweise einer Luftblase, insbesondere zur Verwendung in einer wässrigen Umgebung präpariert ist. Die Bohrung 12 ist hinsichtlich ihres Durchmessers und Tiefe in Abhängigkeit von der Dichte ρ_K des Tauchkörpermaterials, der Dichte der Flüssigkeit ρ_F und des Volumens, das das Tauchkörpermaterial V_K einnimmt, so dimensioniert, dass sowohl ein Auftauchen bei Expandierter Gasblase als auch ein Absinken bei komprimierter Gasblase möglich ist. Beide Bedingungen lassen sich allgemein näherungsweise durch folgende Relationen darstellen. Für das Auftauchen gilt FA = ρF·(VK + VL)·g > FG = ρK·VK·g, mit F_A für die Auftriebskraft, F_G für die Gewichtskraft des Tauchkörpers, V_L für das Volumen der eingeschlossenen expandierten Gasblase und g die Erdbeschleunigung. Für das Absinken gilt entsprechend FA = ρF·(VK + Vl)·g < FG = ρF·VK·g,
Mit V_l für das Volumen der eingeschlossenen komprimierten Gasblase. Die Volumendifferenz des eingeschlossen Luftblase vor und nach dem komprimieren ΔV = V_L – V_l bestimmt folglich auf die Differenz der Auftriebskraft ΔF_A und somit schließlich die Steig- und/oder Sinkgeschwindigkeit.
Beispielhaft ergibt sich aus den vorstehenden Überlegungen für einen Tauchkörper aus Polyoxymethylen (POM) und Wasser als fließfähige Substanz ein bevorzugtes Volumen für die Gasblase von 20 bis 25% des Gesamtvolumens des Tauchkörpers, also des von der Kugel umschriebenen Raumes einschließlich des Hohlraumes.
Die Dichte des gesamten Tauchkörpers einschließlich der bei Normaldruck eingeschlossenen Gasblase kann sowohl größer als auch kleiner als die der fließfähigen Substanz sein. im ersten Fall würde der Tauchkörper unter Normaldruck in der fließfähigen Substanz absinken. Bei Einwirkung eines Unterdrucks auf die fließfähige Substanz würde sich das in dem Hohlraum 12 befindliche Gas ausdehnen und die Dichte des gesamten Tauchkörpers 10 verringern, so dass dieser in der fließfähigen Substanz aufsteigt, sobald dessen Dichte die der fließfähigen Substanz unterschritten hat. Im zweiten Fall würde der Tauchkörper einschließlich Gasblase zunächst an der Oberfläche der fließfähigen Substanz schwimmen und bei Anlegen eines Überdrucks und gleichzeitiger Kompression der eingeschlossenen Gasblase absinken.
In 2 ist eine abgewandelte Form eines kugelförmigen Rührelementes mit einer zentrischen Totbohrung 22 gezeigt, welches am Umfang seiner Außenoberfläche in gleicher Teilung 4 Strömungslenkungsmittel in Form von rechteckigen Plättchen oder Flügeln 24 aufweist. Die Flügel 24 liegen alle in einer Ebene senkrecht zur Bohrungs- oder Zentrumsachse 26. Die Flügel 24 sind alle in derselben Drehrichtung aus der Ebene herausgeschwenkt. Wird der Tauchkörper 20, wie vorstehend beschrieben, zum Aufsteigen bzw. Absinken in der fließfähigen Substanz angeregt, so bewirken die schräggestellten Flügel 24 eine überlagerte Drehbewegung des Tauchkörpers 20 um die Bohr- oder Zentralachse 26. Die Drehbewegung des Tauchkörpers um diese Achse kehrt ihre Richtung um, wenn der Tauchkörper aus der Sinkbewegung in die Steigbewegung übergeht und umgekehrt. Durch die überlagerte Drehbewegung wird die fließfähige Substanz durch das Rührelement 20 noch stärker verwirbelt als im Fall einer reinen Sink- und Steigbewegung, wie sie das Rührelement 10 gemäß 1 ausführt.
In 3 wurde wiederum eine abgewandelte Geometrie eines Rührelementes 30 gewählt. Hier hat der Tauchkörper eine im Wesentlichen zylindrische Form mit einer durchgehenden Hohlbohrung 32. Der Hohlzylinder ist auf gegenüberliegenden Seiten des Zylindermantels von schräggestellten, plattenförmigen Strömungslenkungselementen 34 versehen. Diese sind wiederum mit demselben Drehsinn aus der Zylinderebene herausgeschwenkt, so dass sich dem Aufsteigen und Absinken des Rührelements 30 in einer fließfähigen Substanz eine Drehbewegung desselben um seine Zylinderachse 36 überlagert. Bei einer Durchgangsbohrung empfiehlt sich jedenfalls eine nicht benetzende Tauchkörperoberfläche zu wählen, um ein Austreten und Ablösen der Luftblase zu vermeiden. Selbstverständlich kann bei Verwendung einer Tauchkörpergeometrie gemäß 3 ansonsten auch eine Totbohrung vorgesehen sein.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 ist eine Abwandlung des kugelförmigen Rührelementes gemäß 2. Der Tauchkörper 40 weist koaxial zu seiner durch das Zentrum laufenden Totbohrung 42 einen zylindrischen Ansatz 43 auf, der ebenfalls von der Bohrung 42 durchsetzt ist. Durch den zylindrischen Ansatz wird der Schwerpunkt in Richtung desselben verlagert, sodass der Taucher mit der Öffnung nach unten absinkt und wieder auftaucht. Dadurch wird die Neigung der Luftblase aus dem Hohlraum herauszutreten verringert. Ferner weist er wiederum in einer Ebene senkrecht zur Bohrungsachse 46 angeordnete Strömungslenkungsmittel 44 in Form von vier aus der Ebene senkrecht zur Bohrungsachse herausgeschwenkten Flügeln auf. Diese Anordnung bewirkt wie in den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine überlagerte Drehbewegung um die Bohr- bzw. Zentrumsachse 46.
5 zeigt eine Abwandlung des zylindrischen Rührelementes gemäß 3. Das Rührelement 50 weist einen im Wesentlichen zylindrischen Tauchkörper mit einer Zylinderbohrung 52 auf, die einseitig von einer Kugelkappe 53 verschlossen ist. Abermals sind in einer Zylinderebene zwei gegenüber dieser Ebene verschwenkte Strömungslenkungsmittel oder Flügel 54 angeordnet, so dass dieses Rührelement insgesamt die Erscheinung einer Schiffsschraube hat. Auch dieses Rührelement dreht sich infolge der verschwenkten Flügel 54 um seine Zylinderachse 56, wenn es in der Flüssigkeit aufsteigt bzw. absinkt.
In 6 ist abermals ein Rührelement mit im Wesentlichen zylindrischem Grundkörper 60 gezeigt, der von einer zentrischen Zylinderbohrung 62 durchsetzt ist. Auf seiner Außenoberfläche weist der Tauchkörper 60 vier Strömungslenkungsmittel 64 in gleicher Teilung entlang seines Umfanges auf. Die Strömungslenkungsmittel 64 bestehen im Wesentlichen aus einem ersten in Achsrichtung über die gesamte Zylinderlänge verlaufenden und in radialer Richtung abstehenden Flügelabschnitt und einem zweiten an einem Zylinderende an den axial verlaufenden Zylinderabschnitt angeformten hakenförmigen Flügelabschnitt 68, der in der Zylinderebene senkrecht zur Längsachse 65 Liegt. Auch mit dieser Flügelstruktur wird ein Mitnehmen der umströmenden Flüssigkeit und somit ein Mischen bewirkt.
In 7 ist ein scheibenförmiges Rührelement 70 dargestellt, welches drei auf einer Mittelachse 72 angeordnete zentrische Durchgangsbohrungen 73 aufweist. Diese Durchgangsbohrungen dienen nicht zur Aufnahme und zum Halten einer Luftblase, wenn der Tauchkörper 70 in die fließfähige Substanz eingetaucht wird, sondern lediglich zur Justierung der Gesamtdichte des Tauchkörpers. Zur Aufnahme mehrerer Gasblasen weist der Tauchkörper 70 zweimal vier Totbohrungen auf, von denen jeweils vier Totbohrungen 74 auf einer Seite von der Zentrumsachse 72 von einer Oberseite in den scheibenförmigen Tauchkörper 70 gebohrt sind. Die vier anderen Totbohrungen 76 sind auf der anderen Seite der Zentrumsachse 72 jeweils von der gegenüberliegenden Unterseite in den scheibenförmigen Tauchkörper 70 gebohrt. Die Hohlräume zur Aufnahme des Gasvolumens bzw. der mehreren Gasvolumina sind bei dieser Ausführungsform also so angeordnet, dass bei einer Volumenänderung der eingeschlossenen Gasblase infolge einer Druckvariation die steigenden bzw. sinkenden Auftriebskräfte ein Drehmoment auf den scheibenförmigen Körper des Rührelemen tes 70 ausüben und diesen in eine Kipp- oder Taumelbewegung um die Zentrumsachse 72 versetzen, insgesamt eine verbesserte Mischwirkung zu erzielen.
Das Ausführungsbeispiel eines Rührelementes 80 gemäß 8 weist eine Kombination aus einem scheibenförmigen Grundkörper 82 und einem koaxialen zylindrischen Abschnitt 84 mit einer zentrischen Totbohrung 86 auf. Ferner sind in dem scheibenförmigen Teil 82 parallel zur Zentrumsachse 85 ausgerichtete Bohrungen 87, 88 unterschiedlicher Durchmesser angeordnet. Die größeren Bohrungen 87 sind durchgängig und dienen, wie in dem vorgenannten Ausführungsbeispiel der zur Justierung der Gesamtdichte des Tauchkörpers. Die kleineren Bohrungen 88 sind ebenfalls wie bei dem vorgenannten Ausführungsbeispiel Totbohrungen zur Aufnahme mehrerer Gasblasen, die von jeweils gegenüberliegenden Seiten in je einer Hälfte des scheibenförmigen Grundkörpers 82 angeordnet sind, um den Tauchkörper 80 zum taumeln zu bringen. Durch das Taumeln wird eine undefinierte Bahn beim Aufsteigen und Absinken erzwungen, wodurch ein verbesserter Mischeffekt erzielt wird.
In 9 ist eine spindelförmige Geometrie für das Rührelement 90 gewählt, welches aus zwei scheibenförmigen Teilen 92 und einem diese verbindenden zylindrischen Teil 94 besteht. Durch den zylindrischen Teil 94 erstreckt sich eine zentrische Totbohrung 96. Die scheibenförmigen Abschnitte 92 weisen als Strömungslenkungsmittel jeweils eine Vielzahl von parallel zur Zentrumsachse 95 und auf einem Kreis angeordnete Durchgangsbohrungen 98 auf. Der Taucher ist vorzugsweise mit seinem Durchmesser an den Durchmesser des Behälters angepasst, in dem er zum Einsatz kommt. Eine der Auf- und Abbewegung überlagerte Drehung ist bei diesem Beispiel also nicht vorgesehen. Eine verbesserte Durchmischung des Medium ergibt sich dadurch, dass bei der Auf- und Abbewegung das fließfähige Medium durch die Bohrungen 98 hindurch gezwungen wird und dabei vorzugweise mehrere Richtungsänderungen erfährt. Die so entstehenden Reibungskräfte verlangsamen zwar die Steig- und Sinkbe wegung, was aber durch die starken Turbulenzen, die durch dieses Mischprinzip erzeugt werden, und durch geeignete Wahl des Tauchermaterials kompensiert wird bzw. werden kann.
Allen vorstehend beschriebenen Rührelementen ist gemeinsam, dass sie einen nach einer Seite oder nach mehreren Seiten offenen Hohlraum einschließen. Hiervon abweichend kann das Rührelement jedoch auch einen gegenüber der Umgebung abgeschlossenen Hohlraum mit Gasfüllung aufweisen, wenn es zumindest einen elastisch verformbaren Wandabschnitt oder eine insgesamt elastische Außenhaut aufweist. Auch bei einem solchen elastischen Rührelement ohne Öffnung des Hohlraums kann durch variierenden Druck in der fließfähigen Substanz, in die das Rührelement eingebracht wird, eine Kompression bzw. Dekompression des eingeschlossenen Gasvolumens dafür sorgen, dass der Tauchkörper in der fließfähigen Substanz absinkt bzw. aufsteigt.
In 10 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rühr- oder Mischvorrichtung 110 gezeigt, die im Wesentlichen aus einem zylindrischen Behälter 112, einem darin eingeschlossenen Rührelement 114 und Mitteln zum Erzeugen eines variierenden Druckes in Form einer elastisch verformbaren Behälterwand oder Membran 116 besteht. Das Rührelement 114 hat die Gestalt der in 1 gezeigten Ausführungsform. Dies ist jedoch nur beispielhaft zu sehen. Auch eine der anderen Ausführungsformen oder ganz allgemein jedes Rührelement in Form eines Tauchkörpers mit einem Hohlraum zur Aufnahme eines Gasvolumens kann hierin zum Einsatz kommen. Auch ist es möglich mehrere Rührelemente gleicher oder Unterschiedlicher Erscheinung in demselben Behälter einzusetzen.
Der Behälter ist mit einer fließfähigen Substanz 118 gefüllt, jedoch nicht vollständig, so dass sich oberhalb des Füllpegels 119 der fließfähigen Substanz ein Gas- oder Luftpolster 117 befindet. Auf seiner Unterseite weist der Behälter 112 eine Einfüllöffnung 111 für die fließfähige Substanz 118 auf, die nach dem Einfüllen mit einem Stopfen 113 verschlossen ist. Die elastisch verformbare Membran 116 wird mittels eines Halterings 115, der beispielsweise durch Ultraschallschweißen mit dem Behälter 112 verbunden werden kann, gasdicht auf die stirnseitige Behälterwand angedrückt, so dass beim Aufbringen eines Druckes durch Deformieren der elastisch verformbaren Behälterwand keine Luft bzw. kein Gas aus dem Behälter entweichen kann.
Wird die Behälterwand 116 manuell oder durch ein automatisches Antriebselement, beispielsweise in Form eines periodisch auf- und abbewegten Stößels, in Richtung des Behälterbodens eingedrückt, so wird das darunter befindliche Luftpolster 117 komprimiert und somit ein Druck auf die fließfähige Substanz ausgeübt. Gleichzeitig wird die in dem Hohlraum des Rührelements 114 eingeschlossene Gas- oder Luftblase komprimiert, wodurch sich die Gesamtdichte des Rührelements 114 erhöht und dieses zu sinken beginnt. Wird die Membran 116 daraufhin wieder entspannt und somit der Druck in dem Behälter verringert, so entspannt sich auch die Luftblase in dem Rührelement 114 und dieses beginnt in der Flüssigkeit wieder zu steigen. Beim Durchströmen der fließfähigen Substanz 118 wird diese verwirbelt und somit durchmischt.
Beispielsweise können auf diese Weise zwei zuvor getrennt eingebrachte Fluide miteinander vermischt werden. Auch können zunächst beispielsweise am Boden abgesetzte Partikel, wie beispielsweise (magnetische) Beads, in einer Flüssigkeit aufgewirbelt und in Suspension gebracht werden.
Im schwimmenden Zustand des Rührelements 114, d. h. bei einer expandierten Gasblase, kann es sein, dass das Rührelement die Oberfläche 119 der fließfähigen Substanz 118 berührt oder darüber hinaus auftaucht. Dann kann es passieren, dass die Differenz aus Schwerkraft einerseits und Auftriebskraft andererseits nach dem Komprimieren der Gasblase nicht ausreicht, um die Adhäsion des Rührelements an der Grenzfläche 119 aufgrund der Oberflächenspannung der fließfähigen Substanz zu überwinden. Das Rührelement 114 verharrt trotz aufgebrachten Druckes an der Oberfläche 119. Um ein Berühren der Oberfläche in diesen Fällen zu vermeiden, kann innerhalb des Behälters 112 unterhalb der Grenzfläche 119 der fließfähigen Substanz 118 eine Rückhaltestruktur 120 beispielsweise in Form eines Netzes oder einer Scheibe mit Durchgangsbohrungen vorgesehen sein.
Abweichend von der Darstellung gemäß 10 ist bevorzugt jedoch kein Luftpolster über der Flüssigkeit eingeschlossen, wenn sich dies realisieren lässt, um einen schnelleren Druckaufbau in der Flüssigkeit und somit eine schnelleren Bewegung des Rührelementes zu bewirken.
In 11 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Rühr- oder Mischvorrichtung 122 gezeigt, bei der ein Behälter 124 durch eine Kammer in einem Probenaufbereitungschip 126 gebildet wird. Der Probenaufbereitungschip 126 besteht aus einem Substrat 127, in das die Kammer oder der Behälter 124 in Form einer Totbohrung oder einer Vertiefung eingearbeitet ist. Entlang einer ersten Oberfläche 128 des Substrats 127 ist eine Zuleitung 129 zu dem Behälter 124 in Form eines Kanals eingearbeitet. Entlang einer zweiten Oberfläche 130 des Substrats 127 ist eine Ableitung 131 aus dem Behälter 124 ebenfalls in Form eines Kanals eingearbeitet. Das Substrat mit den Kanälen 129, 131 und der Kammer 124 wird typischerweise im Spritzgussverfahren hergestellt. Kanäle 129, 131 und Kammer 124 sind jeweils durch eine Deckelfolie 132 bzw. 133 verschlossen.
In dem Behälter 124 befinden sich zwei Rührelemente 134. Die Zuleitung 129 und die Ableitung 131 können beispielsweise mit einem Absperrventil (nicht gezeigt) verschlossen werden, so dass der Behälter 124 ein geschlossenes System bildet.
Als Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes innerhalb des Behälters 124 ist zuleitungsseitig an den Kanal 129 eine Spritzenpumpe 134 angeschlossen, die bevorzugt motorisch gesteuert eine Druckschwanknung erzeugt und in die Flüssigkeit in dem Behälter 124 eingekoppelt. Diese Druckschwankung lässt die in den Kavitäten der Rührelemente eingeschlossenen Gasblasen Expandieren bzw. Komprimieren, was die Rührelemente 134 zum Aufsteigen und Absinken veranlasst.

10: Rührelement
12: Hohlraum, Bohrung
14: Innenoberfläche des Hohlraums
20: Rührelement
22: Bohrung, Hohlraum
24: Strömungslenkungsmittel, Flügel
26: Bohrungsachse
30: Rührelement
32: Hohlraum, Bohrung
34: Strömungslenkungsmittel, Flügel
36: Zylinderachse, Bohrungsachse
40: Rührelement
42: Hohlraum, Bohrung
43: zylindrischer Ansatz
44: Strömungslenkungsmittel, Flügel
46: Bohrungsachse
50: Rührelement
52: Hohlraum, Bohrung
53: Kappe
54: Strömungslenkungsmittel, Flügel
56: Bohrungsachse, Zylinderachse
60: Rührelement
62: Hohlraum, Bohrung
64: Strömungslenkungsmittel, Flügel
65: Zylinderachse
66: erster Flügelabschnitt
68: zweiter Flügelabschnitt
70: Rührelement
72: Mittelachse
73: Durchgangsbohrung
74: Hohlraum, Totbohrung
76: Hohlraum, Totbohrung
80: Rührelement
82: scheibenförmiger Teil
84: zylindrischer Teil
85: Zylinderachse
86: Hohlraum, Bohrung
87: Bohrung
88: Bohrung
90: Rührelement
92: scheibenförmiger Teil
94: zylindrischer Teil
95: Zylinderachse
96: Hohlraum, Bohrung
98: Bohrung
100: Rührelement
102: Hohlraum, Bohrung
103: zylindrischer Ansatz
110: Rühr- oder Mischvorrichtung
111: Zuleitung
112: Behälter
113: Stopfen
114: Rührelement
115: Andrückring
116: elastisch verformbare Behälterwand, Membran
117: Gaspolster
118: fließfähige Substanz
119: Pegel
120: Rückhalteelement
122: Rühr- oder Mischvorrichtung
124: Behälter, Kammer
126: Probenaufbereitungschip
127: Substrat
128: erste Oberfläche des Substrats
129: Zuführleitung, Kanal
130: zweite Oberfläche des Substrats
131: Abführleitung, Kanal
132: Deckelfolie
133: Deckelfolie
134: Antriebselement, Piezoaktor

Claims

Rühr- oder Mischverfahren für eine fließfähige Substanz (118), bei dem ein ein Gasvolumen einschließender, mit einer Öffnung und/oder einem elastisch verformbaren Wandabschnitt (116) versehener Tauchkörper (10) in einen mit der fließfähigen Substanz (118) gefüllten Behälter (124) eingegeben und ein variierender Druck auf die fließfähige Substanz (118) ausgeübt wird, so dass das Gasvolumen abwechselnd komprimiert und dekomprimiert wird, wobei der Tauchkörper (10) und das Gasvolumen im Verhältnis zur Dichte der fließfähigen Substanz (118) so dimensioniert sind, dass der Tauchkörper (10) in Folge des Komprimierens und Dekomprimierens des Gasvolumens in dem mit der fließfähigen Substanz (118) gefüllten Behälter (124) absinkt bzw. aufsteigt und dabei die fließfähige Substanz (118) verwirbelt wird.
Rühr- oder Mischverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der variierende Druck mittels einer an einer Behälterwand (116) ankoppelnden Schall- oder Druckquelle in die fließfähige Substanz (118) eingekoppelt wird.
Rühr- oder Mischverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Behälterwand (116) beweglich ist und der variierende Druck durch Hin- und Herbewegen der beweglichen Behälterwand (116) in die fließfähige Substanz (118) eingekoppelt wird.
Rühr- oder Mischverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Behälterwand elastisch verformbar ist und der variierende Druck durch Deformieren der elastisch verformbaren Behälterwand (116) in die fließfähige Substanz (118) eingekoppelt wird.
Rühr- oder Mischverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der variierende Druck mittels einer an den Behälter angeschlossenen Spritzenpumpe in die fließfähige Substanz (118) eingekoppelt wird.
Rührelement für eine fließfähige Substanz (118) in Form eines Tauchkörpers, der einen Hohlraum (22) zur Aufnahme eines Gasvolumens, eine mit dem Hohlraum (22) kommunizierende Öffnung und/oder einen elastisch verformbaren Wandabschnitt (116) und eine Außenoberfläche aufweist, die ausgebildet ist, die fließfähige Substanz (118) zu verwirbeln, wenn der Tauchkörper durch diese bewegt wird.
Rührelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenoberfläche des Tauchkörpers Strömungslenkungsmittel (24) angeordnet sind.
Rührelement nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Hohlraums von wenigstens 10%, bevorzugt von wenigstens 20% bis höchstens 80% des Gesamtvolumens des Tauchkörpers beträgt.
Rührelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper eingerichtet ist, an der Innenoberfläche des Hohlraums (22) nicht zu benetzen.
Rührelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Tauchkörper aus einem hydrophoben Material gebildet oder im Bereich des Hohlraumes (22) hydrophobisiert ist.
Rühr- oder Mischvorrichtung mit einem Behälter für eine fließfähige Substanz, wenigstens einem Rührelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und Mitteln zum Erzeugen eines variierenden Druckes in der fließfähigen Substanz (118).
Rühr- oder Mischvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes eine an einer Behälterwand ankoppelnde Schall- oder Druckquelle aufweisen.
Rühr- oder Mischvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes eine bewegliche Behälterwand aufweisen.
Rühr- oder Mischvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegliche Behälterwand und der Behälter in Form einer Zylinder-Kolben-Anordnung ausgebildet sind.
Rühr- oder Mischvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes wenigstens eine elastisch verformbare Behälterwand (116) aufweisen.
Rühr- oder Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes ein Antriebselement zum Hin- und Herbewegen der beweglichen Behälterwand (116) bzw. zum Deformieren der elastisch verformbaren Behälterwand (116) aufweisen.
Rühr- oder Mischvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen eines variierenden Druckes eine an den Behälter angeschlossene Spritzenpumpe aufweisen.
Rühr- oder Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter durch eine Kammer in einem Probenaufbereitungschip (126) gebildet wird.
Rühr- oder Mischvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer durch Rückhalteelemente (120) mit Öffnungsquerschnitten begrenzt ist, die kleiner sind als die kleinste Abmessung der Rührelemente.