DE102013210818B3

DE102013210818B3 - Fluidhandhabungsvorrichtung und Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit unter Verwendung einer Diffusionsbarriere

Info

Publication number: DE102013210818B3
Application number: DE201310210818
Authority: DE
Inventors: Nils Paust; Simon Wadle; Gregor Czilwik
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Hahn-Schickard-Gesellschaft fur Angewandte Fo De
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2014-05-15
Anticipated expiration: 2033-06-11
Also published as: WO2014198703A1

Abstract

Eine Fluidhandhabungsvorrichtung weist eine nicht entlüftete Kompressionskammer mit einem ersten Kompressionskammerabschnitt und einem zweiten Kompressionskammerabschnitt auf, wobei der erste Kompressionskammerabschnitt einen Fluideinlass aufweist, über den eine Flüssigkeit in die Kompressionskammer einbringbar ist, um ein in der Kompressionskammer eingeschlossenes Gasvolumen zu komprimieren. Eine Dampfdiffusionsbarriere ist zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt vorgesehen. Eine Heizeinrichtung ist ausgelegt, um zumindest den ersten Kompressionskammerabschnitt und dessen Inhalt zu erwärmen. Die Dampfdiffusionsbarriere ist ausgelegt, um bei einer Erwärmung des ersten Kompressionskammerabschnitts und dessen Inhalts eine Verdampfungsrate einer in dem ersten Kompressionskammerabschnitt angeordneten Flüssigkeit in ein in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnetes Gas zumindest zu reduzieren und somit einen Druckanstieg in der Kompressionskammer zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidhandhabungsvorrichtung und ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit, bei denen eine in einer Kompressionskammer angeordnete Flüssigkeit zum Prozessieren derselben erwärmt wird.
Solche Vorrichtungen und Verfahren können insbesondere bei biochemischen Verfahren, wie temperaturgeregelten, biochemischen Analyseverfahren (z. B. solchen, die als Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA-Restriktion, Sanger Sequencing, Enzyme Kinetic Monitoring bekannt sind), und insbesondere einer PCR (Polymerase-Chain-Reaction) eingesetzt werden.
Bei biochemischen Verfahren ist es bisher in vielen Fällen notwendig, den Reaktionsraum mit einem Ventil zu entlüften, um einen erhöhten Überdruck, insbesondere bei maximalen Prozesstemperaturen bis zu 99°C, zu verhindern und das sich ausdehnende Luft-Gas-Gemisch entweichen zu lassen. Insbesondere bei DNA-amplifizierenden Verfahren steigt hier grundsätzlich die Gefahr einer DNA-Kontamination der Umgebung, da amplifizierte DNA-Fragmente in enormen Kopienzahlen (> 1 Milliarde DNA-Fragmente) vorhanden sind und durch Ventile in die Laborumgebung entweichen können.
Durch komplett geschlossene Systeme könnte ein solches Entweichen per se verhindert werden. Erhöhte Temperaturen können dann allerdings vor allem durch die Generierung von Wasserdampf zu einem enormen Druckanstieg führen. Der dadurch bewirkte Überdruck kann zum Funktionsverlust fluidischer Operationen, beispielsweise einem frühzeitigen Schalten eines Ventils, und somit zum Komplettausfall der gesamten Fluidik führen. In extremen Fällen kann der Überdruck aber auch zu Materialbrüchen einer Reaktionskammer oder zur Delamination einer Deckelfolie führen oder es bedarf der Anwendung eines Gegendrucks durch aktive externe Elemente, wie z. B. Presselemente. Damit ist die Gefahr einer DNA-Kontamination in einem geschlossen System aufgrund des erzeugten Überdrucks ebenfalls erhöht.
Zehnle et al. ”Centrifugo-dynamic inward pumping of liquids an a centrifugal microfluidic platform”, Lab Chip, 2012,12, S. 5142–5145, beschreiben ein teilweise geschlossenes mikrofluidisches System, bei dem aus einer Einlasskammer Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft in eine Kompressionskammer eingebracht wird, so dass in der Kompressionskammer befindliches Gas komprimiert wird. Anschließend wird die Rotationsgeschwindigkeit gesenkt, so dass sich das Gas ausdehnt, wodurch Flüssigkeit aus der Kompressionskammer über einen Auslasskanal in eine Sammelkammer radial einwärts gepumpt werden kann.
Wang et al. ”Microfabricated valveless devices for thermal bioreactions based an diffusion-limited evaporation”, Lab an a Chip, 8, S. 88–97, 2007, und Zhang et al. ”Decreasing microfluidic evaporation loss using the HMDL method: open systems for nucleic acid amplification and analysis”, Microfluid Nanofluid, 9, S. 17–30, 2010, beschreiben eine Diffusionsbarriere, die dafür verwendet wird, Flüssigkeitsverluste bei erhöhten Temperaturen zu minimieren. Um Flüssigkeitsverluste durch Verdampfung zu minimieren, werden lange schmale Diffusionskanäle verwendet, um eine diffusionsbegrenzte Verdampfung zu erreichen.
Die US 8 128 893 B2 beschreibt die Verwendung eines Überdrucks aufgrund einer Temperaturerhöhung zum Schalten von Flüssigkeiten mittels einer thermischen Kontrolle. Durch lokales Aufheizen wird Luft ausgedehnt und damit werden Flüssigkeiten weitertransportiert.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Fluidhandhabungsvorrichtung und ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit zu schaffen, die eine Druckreduzierung ermöglichen, um fluidische Einheitsoperationen, wie beispielsweise ein Einwärtspumpen, auch bei erhöhten Temperaturen realisieren zu können.
Diese Aufgabe wird durch eine Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 10 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Fluidhandhabungsvorrichtung, mit folgenden Merkmalen:
einer nicht entlüfteten Kompressionskammer mit einem ersten Kompressionskammerabschnitt und einem zweiten Kompressionskammerabschnitt, wobei der erste Kompressionskammerabschnitt einen Fluideinlass aufweist, über den eine Flüssigkeit in die Kompressionskammer einbringbar ist, um ein in der Kompressionskammer eingeschlossenes Gasvolumen zu komprimieren;
einer Dampfdiffusionsbarriere zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt; und
einer Heizeinrichtung, die ausgelegt ist, um zumindest den ersten Kompressionskammerabschnitt und dessen Inhalt zu erwärmen,
wobei die Dampfdiffusionsbarriere ausgelegt ist, um bei einer Erwärmung des ersten Kompressionskammerabschnitts und dessen Inhalts eine Verdampfungsrate einer in dem ersten Kompressionskammerabschnitt angeordneten Flüssigkeit in ein in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnetes Gas zumindest zu reduzieren und somit einen Druckanstieg in der Kompressionskammer zu reduzieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit mit folgenden Merkmalen:
Komprimieren eines in einer nicht entlüfteten Kompressionskammer eingeschlossenen Gasvolumens, wobei die Kompressionskammer einen ersten Kompressionskammerabschnitt und einen zweiten Kompressionskammerabschnitt aufweist, durch Einbringen einer Flüssigkeit durch einen Fluideinlass in den ersten Kompressionskammerabschnitt;
Prozessieren der Flüssigkeit in dem ersten Kompressionskammerabschnitt, wobei das Prozessieren ein Erwärmen zumindest der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt angeordneten Flüssigkeit aufweist,
wobei eine Dampfdiffusionsbarriere zwischen dem Kompressionskammerabschnitt und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnet ist, so dass bei dem Erwärmen eine Verdampfungsrate der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt angeordneten Flüssigkeit in das in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnete Gas zumindest reduziert und somit ein Druckanstieg in der Kompressionskammer reduziert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass durch eine Trennung eines Flüssigkeitsvolumens von einem eingeschlossenen Gasvolumen in einer Kompressionskammer durch eine Diffusionsbarriere der Gesamtdruck für die Dauer einer Prozessierung (beispielsweise entsprechend eines Prozessierungsprotokolls) erheblich reduziert werden kann, da die Gesamtmenge an entstandenem Wasserdampf reduziert bzw. minimiert werden kann. Die Dampfdiffusionsbarriere stellt eine Möglichkeit dar, den Gesamtdruck in einem geschlossenen Reaktionsraum zu reduzieren bzw. regulieren. Durch die Reduzierung und Kontrolle des Gesamtdrucks kann ein komplett geschlossenes System realisiert werden, dessen Funktion nicht durch die erhöhten Temperaturen beeinträchtigt wird und bei dem keine externen Elemente notwendig sind, um einen Gegendruck aufzubauen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Dampfdiffusionsbarriere einen kapillaren Kanal auf, der den ersten Kompressionskammerabschnitt mit dem zweiten Kompressionskammerabschnitt fluidisch verbindet. Somit kann der Gesamtdruck in dem geschlossenen System, d. h. der nicht entlüfteten Kompressionskammer, durch Wahl von geometrischen Parametern, beispielsweise Kanalquerschnitt oder Kanallänge des kapillaren Kanals, reguliert werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der kapillare Kanal eine Länge auf, die zumindest 3-mal, 5-mal oder 10-mal größer ist als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals und/oder bei der das Volumen des zweiten Kompressionskammerabschnitts mindestens 5-mal, 10-mal oder 20-mal größer als das Produkt aus Querschnitt und Länge des kapillaren Kanals ist. Der hydraulische Durchmesser Dh ist dabei als Dh = 4·A/U definiert, wobei A die durchströmte Querschnittfläche und U der Umfang der durchströmten Querschnittfläche ist. Dadurch ist auf vorteilhafte Weise eine ausreichende Reduzierung der Verdampfungsrate und somit des Druckanstiegs in der Kompressionskammer implementierbar.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen weist die Dampfdiffusionsbarriere eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran auf, die den ersten Kompressionskammerabschnitt und den zweiten Kompressionskammerabschnitt voneinander trennt. Bei solchen Ausführungsbeispielen ist ein kapillarer Kanal zwischen zwei Kompressionskammerabschnitten nicht notwendig. Alternativ kann eine Dampfdiffusionsbarriere auch durch eine Kombination aus einem kapillaren Kanal und einer gasdurchlässigen und flüssigkeitsundurchlässigen Membran implementiert werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist die Fluidhandhabungsvorrichtung ferner eine Auffangkammer auf, die über einen Auslassfluidkanal mit der Kompressionskammer fluidisch verbunden ist, wobei der Auslassfluidkanal einen Auslassfluidkanaleinlass, der in die Kompressionskammer mündet und der radial weiter außen angeordnet ist als ein Auslassfluidkanalauslass des Auslassfluidkanals, der in die Auffangkammer mündet, wobei Flüssigkeit aus dem ersten Kompressionskammerabschnitt durch Ausdehnen des in der Kompressionskammer angeordneten Gases durch den Auslassfluidkanal in die Auffangkammer treibbar ist. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit ein passives Einwärtspumpen, beispielsweise durch ein Ausdehnen des in der Kompressionskammer angeordneten Gases, das beispielsweise durch ein Absenken einer Rotationsgeschwindigkeit oder ein Erwärmen des Gases erreicht werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen ist der Fluideinlass mit einer Einlasskammer fluidisch verbunden ist, wobei die Kompressionskammer und die Einlasskammer in einem Rotationskörper oder einem Fluidikmodul, das in einen Rotationskörper einsetzbar ist, gebildet sind, so dass durch Rotation des Rotationskörpers die Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft aus der Einlasskammer in den ersten Kompressionskammerabschnitt einbringbar ist.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen können die entsprechenden Fluidikstrukturen in einem nicht zentrifugalen System implementiert sein, beispielsweise einem auf Gravitationskraft basierenden System oder einem druckgetriebenen System.
Bei solchen Ausführungsbeispielen kann ein Verhältnis zwischen einem Strömungswiderstand des Auslassfluidkanals für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer zu der Auffangkammer und einem Strömungswiderstand eines Einlassfluidkanals zwischen der Kompressionskammer und der Einlasskammer für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer zu der Einlasskammer eingestellt sein, um ein bestimmtes Verhältnis zwischen einem Volumenfluss in die Auffangkammer und einem Volumenfluss in die Einlasskammer einzustellen. Bei Ausführungsbeispielen kann der entsprechende Strömungswiderstand des Auslassfluidkanals kleiner sein als der entsprechende Strömungswiderstand des Einlassfluidkanals, so dass ein gezieltes Entleeren der Flüssigkeit aus der Kompressionskammer in die Auffangkammer bewirkt werden kann. Bei Ausführungsbeispielen können auch gleiche oder größere Strömungswiderstände des Auslassfluidkanals gewählt werden, um verschiedene Volumina beispielsweise aus einer Voramplifikation bei einem gegebenen Abbremsen abzumessen
Bei Ausführungsbeispielen weist die Fluidhandhabungsvorrichtung ferner eine Antriebseinrichtung auf, die ausgelegt ist, um die Fluidhandhabungsvorrichtung mit einer Rotation zu beaufschlagen. Die Antriebseinrichtung kann ausgelegt sein, um in einer ersten Phase den Rotationskörper mit einer solchen Drehfrequenz zu beaufschlagen, dass das Gas in der Kompressionskammer durch die eingebrachte Flüssigkeit komprimiert wird, und in einer zweiten Phase, nach einer Temperaturbehandlung der Flüssigkeit, die Drehfrequenz zu verringern, um zumindest Teile der Flüssigkeit über den Auslasskanal aus der Kompressionskammer in die Auffangkammer zu treiben. Somit kann ein passives Einwärtspumpen lediglich unter Veränderung der Rotationsfrequenz erreicht werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines geschlossenen Systems mit einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch;
2 eine schematische Draufsicht auf eine Fluidhandhabungsvorrichtung;
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Betriebs der in 2 gezeigten Fluidhandhabungsvorrichtung; und
4 und 5 schematische Seitenansichten zur Erläuterung von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter einer Dampfdiffusionsbarriere eine Einrichtung verstanden, die eine Verdampfung einer Flüssigkeit in ein Gas verglichen mit einem Fall, in dem die Diffusionsbarriere nicht vorhanden ist, reduziert, wenn die Flüssigkeit und das Gas derart in einem fluidischen System angeordnet sind, dass das Gas durch die Flüssigkeit in einer nicht entlüfteten Fluidikstruktur eingeschlossen ist. Anders ausgedrückt befindet sich das Gas in einem Raum, der durch mechanische Strukturen und die Flüssigkeit geschlossen ist. Die Fluidikstrukturen auf der von dem Gas abgewandten Seite der Flüssigkeit können entlüftet sein. Bei Ausführungsbeispielen kann eine Dampfdiffusionsbarriere durch eine geometrische Struktur in Form eines kapillaren Kanals gebildet sein. Unter einem Einwärtspumpen wird hierin ein Transport von Flüssigkeit in einem Rotor bzw. Rotationskörper von einer bezüglich einer Rotationsachse radial äußeren Position zu einer radial inneren Position verstanden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung können in Lab-on-a-Chip-Systemen implementiert sein, wobei zur Reduzierung des Drucks in geschlossenen Reaktionsräumen, in denen sich ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch befindet, für temperaturgeregelte, biochemische Analyseverfahren eine Dampfdiffusionsbarriere eingesetzt wird. Bei solchen Verfahren kann es sich beispielsweise um Verfahren wie Sanger Sequencing, Ligase Chain Reaction, DNA-Restriktion, Enzyme Kinetic Monitoring, und in insbesondere eine PCR handeln.
Wie die nachfolgenden Ausführungen zeigen werden, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die fluidische Operation eines passiven radialen Einwärtspumpens bei erhöhten Temperaturen nicht eingeschränkt, da ein Druckanstieg im eingeschlossenen Flüssigkeits-Gas-Gemisch reduziert bzw. vermieden werden kann, der andernfalls zum Funktionsverlust der Fluidik führen könnte, beispielsweise durch eine frühzeitige Entlüftung oder durch eine Delamination einer Deckelfolie.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der kontrollierte Überdruck gezielt genutzt werden, um beispielsweise ein Amplifikatsvolumen nach dem Thermocycling zu einem weiteren Prozessmodul, beispielsweise einem DNA-Array, zu pumpen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen somit die Durchführung temperaturregulierter, biochemischer Assays, zu deren Prozessierung erhöhte Temperaturen bis zu 99°C notwendig sind, wobei ein solcher Temperaturanstieg zu einem erhöhten Druck im eingeschlossenen Volumen eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches führt. Die Erfindung ermöglicht es, den bestehenden Druck bei solchen erhöhten Temperaturen in einem eingeschlossenen Volumen durch eine passive Diffusionsbarriere zu reduzieren und zu regulieren, so dass die Reaktionsräume geschlossen sein können, um beispielsweise Kreuzkontaminationen aus der Umgebung oder parallelen Reaktionen zu vermeiden. Dabei kann ein Druckanstieg, der bei Lab-on-a-Chip-Systemen zu einer Delamination oder eine unkontrollierten Belüftung führen kann, vermieden werden. Ein Entlüften des Reaktionsraums, bei dem durch Einsatz eines Ventils der Druck grundsätzlich reguliert werden könnte, allerdings mit der Gefahr einer DNA-Kontamination, ist somit nicht notwendig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung nutzen somit eine Dampfdiffusionsbarriere zur Druckreduzierung bzw. Druckregelung. Verfügbare Systeme nutzen Diffusionsbarrieren beispielsweise in Form einer Kapillare nur, um Flüssigkeitsverluste zu verringern, nicht aber zur Reduzierung und Regulierung eines Drucks oder zum Schalten von Flüssigkeiten. Des Weiteren ist bei bekannten Systemen die Kapillare nicht geschlossen, so dass eine Austrittsgefahr von Molekülen, beispielsweise von synthetischen Molekülen, besteht.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist keine Verwendung von Diaphragmen oder Phase-Wechsel-Ventilen (integriert oder mit aktiven externen Elementen) notwendig. Somit kann eine mit der Verwendung solcher Mittel einhergehende Verkomplizierung des Herstellungsprozesses, die dadurch auftritt, dass verschiedene Materialien oder Materiallagen verbunden werden müssen, vermieden werden. Ferner sind keine externen Druckquellen erforderlich, die entweder den Dampfdruck der Flüssigkeit verringern oder für die Schaltung von Phase-Wechsel-Ventilen sorgen, so dass auch aus diesem Grund der Herstellungsaufwand einer Lab-on-a-Chip-Kartusche und die Komplexität eines entsprechend benötigten Prozessierungsgeräts reduziert sein können. Auch sind Elektroden für die Erzeugung von Blasen erfindungsgemäß nicht notwendig.
Bevor Bezug nehmend auf die 2 und 3 nachfolgend auf ein spezifisches Ausführungsbeispiel der Erfindung eingegangen wird, wird zunächst anhand von 1 der Hintergrund der Erfindung beschrieben. In einem fluidisch geschlossenen (dichten) Reaktionsraum mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch ergibt sich beim Aufheizen ein erhöhter Druck, der mit ansteigender Temperatur auch vermehrt durch Bildung von Dampf beeinflusst wird. Gemäß der Erfindung wird durch Einsatz einer Diffusionsbarriere der Druck in einem eingeschlossenem Gasvolumen kontrolliert,
1a zeigt schematisch einen geschlossenen Behälter 2a, in dem ein Gas-Flüssigkeits-Gemisch angeordnet ist. 1b zeigt schematisch einen geschlossenen Behälter 2b, der einen ersten Behälterabschnitt 3a und einen zweiten Behälterabschnitt 3b aufweist, zwischen denen eine Dampfdiffusionsbarriere 4 in Form eines kapillaren Kanals angeordnet ist.
In einem geschlossenen System, wie es beispielsweise durch die Behälter 2a und 2b gebildet ist, das mit Flüssigkeit und einem Gasvolumen gefüllt ist, wird sich bei einem Aufheizvorgang vermehrt Dampf bilden, da sich das Gleichgewicht zwischen Dampfbildung und Flüssigkeitsbildung mit ansteigender Temperatur verschiebt. Ausführungsbeispiele der Erfindung basieren, wie in 1b gezeigt ist, auf der räumlichen Trennung der Flüssigkeit und des Gases durch die Dampfdiffusionsbarriere, wobei die Flüssigkeit in dem Behälterabschnitt 3a angeordnet ist und das Gas in dem Behälterabschnitt 3b angeordnet ist. Das Volumen der Flüssigkeit wird somit von dem Volumen des eingeschlossenen Gases räumlich getrennt, jedoch besteht eine Verbindung der beiden Volumina über die Dampfdiffusionsbarriere. Beim Aufheizen des Gesamtsystems, und insbesondere auch der Flüssigkeit, die einer Temperaturbehandlung unterzogen werden soll, wird sich in der Gasschicht an der Grenzfläche von der Flüssigkeit zum Gas zunächst vermehrt Dampf bilden, bis die Gasschicht mit Wasserdampf gemäß der Gleichgewichtsreaktion (Flüssigkeitsbildung-Dampfbildung) gesättigt vorliegt. Der Wasserdampf diffundiert entlang eines Dampfkonzentrationsgradienten hin zu dem Luftvolumen mit geringerer relativer Feuchte. Aufgrund des diffusiven Stofftransports reduziert sich der Dampfgehalt an der Phasengrenzfläche, was wiederum die Bildung weiteren Dampfs auslöst. Dieser Prozess der Bildung von Dampf wird solange andauern, bis das gesamte Gasvolumen mit Dampf gesättigt vorliegt.
Bei dem in 1a gezeigten geschlossenen System wird dieses Dampf/Flüssigkeits-Gleichgewicht aufgrund der großen Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas rasch erreicht. Bei dem in 1b gezeigten geschlossenen System verhindert eine Dampfdiffusionsbarriere in Form einer Kapillare die Ausbreitung des Dampfes, so dass das Gleichgewicht je nach Auslegung der Kapillare erst nach einiger bis sehr langer Zeit erreicht wird.
Durch eine Kapillare, die als Dampfbarriere fungiert, kann die Diffusionslänge sehr weit gewählt werden. Die Bildung von Dampf ist in diesem Fall von der langsamen Diffusionsrate des Dampfs entlang der Kapillare bzw. Dampfbarriere abhängig. Ein konvektiver Stofftransport entlang einer Kapillare kann vernachlässigt werden. Aus diesem Grund kann durch die Wahl der Querschnittsfläche und der Länge der Kapillare der zeitliche Verlauf des Anstiegs des Dampfgehalts und damit auch der Druckanstieg im gesamten Volumen kontrolliert werden.
In den 1a und 1b bezeichnet dabei der Ausdruck p GGW / gas den Druck, der im Gas beim Erreichen des Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewichts herrscht.
Illustrativ wird im Folgenden ein Wasser-Luft-Gemisch betrachtet, das sich in einem abgeschlossenen Raum befindet. Es wird auf 95°C aufgeheizt. Diese Temperatur wird z. B. als Denaturierungstemperatur bei einer Polymerasen-Kettenreaktion (PCR) eingesetzt. Unter der Annahme, dass der Dampfdruck von Wasser in dem Wasser-Luft-Gemisch nur von der Temperatur abhängt, die Luft nur aus Sauerstoff (O₂) und Stickstoff (N₂) besteht und sich beide Gase in dem Gemisch wie ideale Gase verhalten, kann der Effekt der Diffusionsbarriere folgendermaßen beschrieben werden:
Der Gesamtdruck in einem Gasvolumen ergibt sich aus der Summe der Partialdrücke. Für das Wasser-Luft-Gemisch werden für die Luft die Komponenten N₂ (80%) und O₂ (20%) betrachtet. Damit ergibt sich der Gesamtdruck näherungsweise zu:
Vor dem Aufheizen bei Raumtemperatur (23°C) liegt der Gesamtdruck bei ca. 1000 mbar. Der Sättigungsdampfdruck liegt bei Raumtemperatur bei p sat / H₂O (23°C) = 28 mbar. Dementsprechend liegen die Partialdrücke für Stickstoff und Sauerstoff bei ca. P_N2 (23°C) = 778 mbar und ca. p_O2 (23°C) = 194 mbar. Bei der für den Denaturierungschritt der PCR notwendigen Temperatur von ca. 95°C, liegt der Sättigungsdampfdruck bei ca. p sat / H₂O (95°C) = 845 mbar. Der Partialdruck von Stickstoff und Sauerstoff steigen gemäß der idealen Gasgleichung auf ca. p_N2 (95°C) = 967 mbar und ca. p_O2 (95°C) = 241 mbar. Im Gleichgewicht, das heißt, dass überall im geschlossenen System das Gasvolumen mit Dampf gesättigt ist, steigt demnach der Gesamtdruck auf ca.: p GGW / gas (95°C) = 2050 mBar Im Falle einer idealen Diffusionsbarriere verdampft kein Wasser und der Gesamtdruck liegt bei ca.: p id·Diff / gas (95°C) = 1200 mBar
Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung kann der zeitliche Verlauf des Druckanstieges von p id·Diff / gas nach p GGW / gas kontrolliert werden. Hierfür wird näherungsweise das 1. Fick'sche Gesetz betrachtet: J = A·D ∂c / ∂x wobei J den Stoffstrom, A die Querschnittsfläche der Kapillare, D den Diffusionskoeffizienten und ∂c / ∂x den Konzentrationsgradienten darstellt. Daraus geht hervor, dass der Stoffstrom und damit die Verdampfungsrate und folglich der zeitliche Verlauf des mittleren Dampfdruckes im Gasvolumen über die Querschnittsfläche A und die Länge L der Kapillare einstellbar ist. Die Länge L geht hierbei über den Konzentrationsgradienten ∂c / ∂x direkt in die Abschätzung ein.
Somit kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Dampfdiffusionsbarriere verwendet werden, um eine Verdampfungsrate in einem geschlossenen System zu reduzieren und dadurch einen Druckanstieg in einer Kompressionskammer bei Erwärmen eines in der Kammer angeordneten Luft-Flüssigkeits-Gemisches zu reduzieren.
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf Fluidikstrukturen einer Fluidhandhabungsvorrichtung. Bevor anhand von 2 diese Fluidikstrukturen näher erläutert werden, werden zunächst Bezug nehmend auf 3 und 4 Merkmale von Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen beschrieben.
4 zeigt eine Vorrichtung mit einem Fluidikmodul 10 in Form eines Rotationskörpers, der ein Substrat 12 und einen Deckel 14 aufweist. Das Substrat 12 und der Deckel 14 können in Draufsicht kreisförmig sein, mit einer mittigen Öffnung, über die der Rotationskörper 10 über eine übliche Befestigungseinrichtung 16 an einem rotierenden Teil 18 einer Antriebsvorrichtung angebracht sein kann. Das rotierende Teil 18 ist drehbar an einem stationären Teil 22 der Antriebsvorrichtung 20 gelagert. Bei der Antriebsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine herkömmliche Zentrifuge mit einstellbarer Drehgeschwindigkeit oder auch ein CD- oder DVD-Laufwerk handeln. Eine Steuereinrichtung 24 kann vorgesehen sein, die ausgelegt ist, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper 10 mit Rotationen mit unterschiedlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen. Die Steuereinrichtung 24 kann, wie für Fachleute offensichtlich ist, beispielsweise durch eine entsprechend programmierte Recheneinrichtung oder eine anwenderspezifische integrierte Schaltung implementiert sein. Die Steuereinrichtung 24 kann ferner ausgelegt sein, um auf manuelle Eingaben durch einen Benutzer hin die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um die erforderlichen Rotationen des Rotationskörpers zu bewirken. In jedem Fall ist die Steuereinrichtung 24 konfiguriert, um die Antriebsvorrichtung 20 zu steuern, um den Rotationskörper mit den erforderlichen Drehfrequenzen zu beaufschlagen, um die Erfindung, wie sie hierin beschrieben ist, zu implementieren. Als Antriebsvorrichtung 20 kann eine herkömmliche Zentrifuge mit nur einer Drehrichtung verwendet werden.
Der Rotationskörper 10 weist die erforderlichen Fluidikstrukturen auf. Die erforderlichen Fluidikstrukturen können durch Kavitäten und Kanäle in dem Deckel 14, dem Substrat 12 oder in dem Substrat 12 und dem Deckel 14 gebildet sein. Bei Ausführungsbeispielen können beispielsweise Fluidikstrukturen in dem Substrat 12 abgebildet sein, während Einfüllöffnungen und Entlüftungsöffnungen in dem Deckel 14 gebildet sind.
Bei einem alternativen in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel sind Fluidikmodule 32 in einen Rotor 30 eingesetzt und bilden zusammen mit dem Rotor 30 den Rotationskörper 10. Die Fluidikmodule 32 können jeweils ein Substrat und einen Deckel aufweisen, in denen wiederum entsprechende Fluidikstrukturen gebildet sein können. Der durch den Rotor 30 und die Fluidikmodule 32 gebildete Rotationskörper 10 ist wiederum durch eine Antriebsvorrichtung 20, die durch die Steuereinrichtung 24 gesteuert wird, mit einer Rotation beaufschlagbar.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können das Fluidikmodul bzw. der Rotationskörper, das bzw. der die fluidischen Strukturen aufweist, aus einem beliebigen geeigneten Material gebildet sein, beispielsweise einem Kunststoff, wie PMMA (Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, PVC, Polyvinylchlorid) oder PDMS (Polydimethylsiloxan) Glas oder dergleichen. Der Rotationskörper 10 kann als eine zentrifugal-mikrofluidische Plattform betrachtet werden.
Ferner ist in den 4 und 5 rein schematisch eine Heizeinrichtung 40 dargestellt, die ausgelegt ist, um zumindest Abschnitte des Rotationskörpers 10 in 4 oder des Fluidikmoduls 32 in 5 zu heizen, derart, dass zumindest ein erster Kompressionskammerabschnitt und dessen Inhalt erwärmt wird. Die Heizeinrichtung 40 kann dabei als externe Heizeinrichtung, beispielsweise Strahlheizung, ausgelegt sein, oder kann in das Fluidikmodul oder die Antriebseinrichtung integriert sein.
2 zeigt eine Draufsicht auf einen Rotationskörper 50 mit einer Rotationsachse 52. Wird hierin der Ausdruck „radial” verwendet, so ist jeweils radial bezüglich des Rotationszentrums, um das das Fluidikmodul bzw. der Rotor drehbar ist, also in 2 die Rotationsachse 52, gemeint. Im Zentrifugalfeld ist somit eine radiale Richtung von dem Rotationszentrum weg radial abfallend und eine radiale Richtung zu dem Rotationszentrum hin ist radial ansteigend. Ein Fluidkanal, dessen Anfang näher am Rotationszentrum liegt als dessen Ende, ist somit radial abfallend, während ein Fluidkanal, dessen Anfang weiter vom Rotationszentrum entfernt ist als dessen Ende, radial ansteigend ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können insbesondere auf dem Gebiet der zentrifugalen Mikrofluidik Anwendung finden, bei der es um die Prozessierung von Flüssigkeiten im Nanoliter- bis Milliliterbereich geht. Entsprechend können die Fluidikstrukturen geeignete Abmessungen im Mikrometerbereich für die Handhabung entsprechender Flüssigkeitsvolumina aufweisen.
Wie in 2 gezeigt ist, weisen die in einem Rotationskörper 50 gebildeten Fluidikstrukturen eine Einlasskammer 54 auf, die über eine Entlüftungsöffnung 56 entlüftet werden kann. Die Einlasskammer 54 ist über einen Einlasskanal 58 mit einer Kompressionskammer 60 fluidisch verbunden. Die Kompressionskammer 60 weist einen ersten Kompressionskammerabschnitt 62, einen zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 und eine zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 angeordnete Dampfdiffusionsbarriere 66 in Form eines kapillaren Kanals auf. Die Strukturen 62, 64 und 66 bilden eine Kompressionskammer, da ein darin eingeschlossenes Gasvolumen durch eine Flüssigkeit, die über die Einlasskammer 54 und den Einlasskanal 58 in den ersten Kompressionskammerabschnitt 62 eingebracht wird, eingeschlossen und komprimiert werden kann.
Der erste Kompressionskammerabschnitt 62 ist über einen Auslasskanal 68 mit einer Auffangkammer 70 fluidisch verbunden. Die Auffangkammer 70 weist eine Entlüftung 72 auf.
Der Einlasskanal 58 ist mit einem Fluideinlass des ersten Kompressionskammerabschnitts 62 fluidisch gekoppelt. Der Auslasskanal 68 ist bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls mit dem Fluideinlass des ersten Kompressionskammerabschnitts 62 fluidisch gekoppelt, wobei der Einlasskanal 58 und der Auslasskanal 68 einen gemeinsamen Kanalabschnitt aufweisen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der erste Kompressionskammerabschnitt einen separaten Fluidauslass aufweisen, mit dem der Auslasskanal fluidisch gekoppelt ist.
Bei der Kompressionskammer handelt es sich um eine nicht entlüftete Kammer, um das Komprimieren des kompressiblen Mediums zu ermöglichen. Bei Ausführungsbeispielen weist die Kompressionskammer mit Ausnahme des Fluideinlasses oder mehrerer Fluideinlässe, die mit Einlasskammern und/oder Auffangkammern verbunden sind, keine Fluidöffnungen auf.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Diffusionsbarriere in Form eines kapillaren Kanals ausgebildet, der eine Länge aufweist, die zumindest 3-mal, 5-mal oder 10-mal größer als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals ist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann der kapillare Kanal eine Länge aufweisen, die zumindest 20-mal größer als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann alternativ oder zusätzlich das Volumen des zweiten Kompressionskammerabschnitts 64 mindestens 5-mal, 10-mal oder mindestens 20-mal größer als das Produkt eines Querschnitts und Länge des kapillaren Kanals sein.
Wie in 2 dargestellt ist, ist die Auffangkammer 70 radial weiter innen angeordnet als der erste Kompressionskammerabschnitt 62, so dass Flüssigkeit aus dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 über eine Pumphöhe 80 radial nach innen in die Auffangkammer 70 gepumpt werden kann. Der kapillare Kanal 66 kann beispielsweise einen Querschnitt von 100 μm × 100 μm aufweisen und trennt ein in den zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 angeordnetes Gasvolumen von einem in dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 angeordneten Flüssigkeitsvolumen. Das in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt angeordnete Flüssigkeitsvolumen wird dabei mittels der Heizeinrichtung, die in 2 ebenfalls schematisch in gestrichelten Linien dargestellt ist, erwärmt, um beispielsweise eine biochemische Reaktion (z. B. eine PCR-Reaktion) in flüssiger Phase zu bewirken. Der zweite Kompressionskammerabschnitt 62 kann daher auch als Reaktionskammer bezeichnet werden.
Die in 2 gezeigten Fluidikstrukturen stellen eine pneumatische Pumpstruktur, die ein radiales Einwärtspumpen ermöglicht, in Kombination mit einer Diffusionsdruckbarriere dar.
Anhand von 3 wird nachfolgend der Betrieb und entsprechend ein Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit Bezug nehmend auf das gezeigte Beispiel einer pneumatischen Siphon-Struktur zur PCR-Amplifikation beschrieben. Zunächst wird Flüssigkeit in die Eingriffskammer 54 eingebracht, was beispielsweise über die Entlüftungsöffnung 56 erfolgen kann. Dies kann bei Raumtemperatur erfolgen. Durch Erhöhung der Drehfrequenz des Rotors wird die Probenflüssigkeit bei Raumtemperatur von beispielsweise 25°C durch Zentrifugalkraft von der Einlasskammer 54 durch den Einlasskanal 58 in die Kompressionskammer 60, insbesondere den ersten Kompressionskammerabschnitt 62, und den Auslasskanal gedrückt. Dabei wird in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 angeordnetes Gas, beispielsweise Luft, das ein kompressibles Medium darstellt, komprimiert. Dadurch wird ein Überdruck p in dem Gas erzeugt, wie in Phase 1 in 3 dargestellt ist. Die Erhöhung der Drehfrequenz kann beispielsweise mit einer Beschleunigung von 10 Hz/s stattfinden.
Nachfolgend wird in Phase 2 die Drehfrequenz konstant gehalten, wobei die Flüssigkeitsfüllstände in dem Einlasskanal 58, der Kompressionskammer 60 und dem Auslasskanal 68 eine Gleichgewichtsposition einnehmen, während das Gas in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt 64 weiterhin komprimiert ist. Beispielsweise kann die konstante Drehfrequenz 35 Hz betragen.
Während der Phase 2 werden die Temperaturen unter Verwendung der Heizeinrichtung zyklisch reguliert, beispielsweise zwischen 50°C und max. 99°C, wie in 3 gezeigt ist. Während dieser Temperaturbehandlung wird der Überdruck zwischen der Kompressionskammer 60 und dem Umgebungsdruck, hier dem Atmosphärendruck, durch eine insgesamt geringe Dampfbildung reduziert, so dass die fluidische Funktionalität gewährleistet werden kann. Die geringe Dampfbildung wird dabei durch die Dampfdiffusionsbarriere 66 erreicht, wobei in Phase 2 schematisch diffundierende Dampfmoleküle in einem vergrößerten Abschnitt der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit in dem ersten Kompressionskammerabschnitt 62 und Gas in der Diffusionsbarriere 60 dargestellt sind.
Nach der Temperaturbehandlung in Phase 2 erfolgt eine rasche Senkung der Drehfrequenz, beispielsweise mit einer Abbremsrate von 20 Hz/s. Dadurch wird der Druck in der Kompressionskammer 60 abgebaut, wobei sich das komprimierte Gas ausdehnt und ein Großteil der Probenflüssigkeit über den Pfad des geringsten Widerstands entweicht. Dabei sind der Auslasskanal 68 und der Einlasskanal 58 derart ausgelegt, dass der Strömungswiderstand des Auslasskanals 68 für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer 60 zu der Auffangkammer 70 kleiner ist als ein Strömungswiderstand des Einlasskanals 58 für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer 60 zu der Einlasskammer 54. Somit entweicht die Flüssigkeit aus dem zweiten Kompressionskammerabschnitt 62 durch den Auslasskanal 68 in die Auffangkammer 70, wie durch Phase 3 in 3 dargestellt ist.
Bei dem gezeigten Beispiel wird die Rotationsfrequenz auf 10 Hz abgesenkt. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die untere Drehfrequenz auch null werden oder negative Werte (umgekehrte Drehrichtung) annehmen. Die Temperatur beim Ausbringen der Flüssigkeit in die Auffangkammer, die bei dem gezeigten Beispiel 70° beträgt, kann in einem Bereich von Raumtemperatur bis 99°C gewählt werden. Darüber hinaus sind auch Temperaturen unter Raumtemperatur möglich, weil dann der Überdruck reduziert wird.
Beispielsweise kann die bei diesen Ausführungsbeispielen skizzierte Implementierung monolithisch realisiert sein. Es hat sich gezeigt, dass sich unter den beschriebenen Bedingungen nach einem PCR-Thermocycling von einer 40 μl-Probe innerhalb von einer Sekunde über 90% über eine Pumphöhe von 30 mm radial einwärts pumpen lassen.
Die Heizeinrichtung kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ausgelegt sein, um lokal den ersten Kompressionskammerabschnitt und die darin angeordnete Flüssigkeit zu erwärmen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Heizeinrichtung jedoch auch ausgebildet sein, um global den gesamten Rotationskörper bzw. das gesamte Fluidikmodul zu erwärmen. Somit ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung einen einfachen Aufbau, da keine spezifische Heizeinrichtung zum Erwärmen nur eines Teils des Rotationskörpers bzw. des Fluidikmoduls benötigt wird. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung eine globale Heizeinrichtung sein, die ausgelegt ist, um den gesamten Rotationskörper durch Erwärmen des rotierenden Teils der Antriebseinrichtung, an dem der Rotationskörper angebracht ist, zu erwärmen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine passive Methode, einen Druckanstieg durch Dampfbildung in einem eingeschlossenen Gasvolumen zu reduzieren und zu regulieren. Ausführungsbeispiele der Erfindung können für komplett geschlossene Systeme und auch für teilbelüftete Systeme verwendet werden, bei denen mit der Flüssigkeit, nicht jedoch mit dem eingeschlossenen Gas, in Verbindung stehende Fluidikstrukturen entlüftet sind.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird erstmals eine Dampfdiffusionsbarriere eingesetzt, um bei erhöhten Temperaturen bis 99°C den Gesamtdruck in einem komplett oder teilweise geschlossenen System mit Gas-Flüssigkeits-Gemisch durch die Reduzierung an Dampfbildung zu reduzieren bzw. zu minimieren. Durch Wahl der geometrischen Parameter der Dampfdiffusionsbarriere, d. h. des Querschnitts und der Länge der Kapillare, kann der Druck reguliert werden. Die Verwendung von Dampfdiffusionsbarrieren zur Reduzierung des Drucks in geschlossenen Systemen ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
Mit anderen Worten schaffen Ausführungsbeispiele der Erfindung geometrische Strukturen und Methoden, mit deren Einsatz der Gesamtdruck, global in einem geschlossenen oder lokal in einem teilweise geschlossenen System mit Flüssigkeits-Gas-Gemisch durch Einsatz einer Dampfdiffusionsbarriere reduziert wird. Ausführungsbeispiele schaffen geometrische Strukturen und Methoden, bei denen der Druck durch Wahl der geometrischen Parameter der Diffusionsbarriere reguliert werden kann.
Obwohl bezugnehmend auf 3 spezifische Drehraten und Temperaturen beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass bei anderen Ausführungsbeispielen andere Drehraten und Temperaturen verwendet werden können. Die vorliegende Erfindung kann dabei überall Anwendung finden, wo ein Gas/Flüssigkeitsgemisch während einer Temperaturbehandlung einem Druck ausgesetzt ist und ein zusätzlicher Druck aufgrund einer Verdampfung der Flüssigkeit in das Gas reduziert werden soll.

Claims

Fluidhandhabungsvorrichtung, mit folgenden Merkmalen: einer nicht entlüfteten Kompressionskammer (60) mit einem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und einem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64), wobei der erste Kompressionskammerabschnitt (62) einen Fluideinlass aufweist, über den eine Flüssigkeit in die Kompressionskammer (60) einbringbar ist, um ein in der Kompressionskammer (60) eingeschlossenes Gasvolumen zu komprimieren; einer Dampfdiffusionsbarriere (66) zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64); und einer Heizeinrichtung (40), die ausgelegt ist, um zumindest den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und dessen Inhalt zu erwärmen, wobei die Dampfdiffusionsbarriere (66) ausgelegt ist, um bei einer Erwärmung des ersten Kompressionskammerabschnitts (62) und dessen Inhalts eine Verdampfungsrate einer in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) angeordneten Flüssigkeit in ein in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) angeordnetes Gas zumindest zu reduzieren und somit einen Druckanstieg in der Kompressionskammer (60) zu reduzieren.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dampfdiffusionsbarriere (66) einen kapillaren Kanal aufweist, der den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) mit dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) fluidisch verbindet.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 2, bei der der kapillare Kanal eine Länge aufweist, die zumindest 3-mal, 5-mal oder 10-mal größer ist als der hydraulische Durchmesser des kapillaren Kanals und/oder bei der das Volumen des zweiten Kompressionskammerabschnitts (64) mindestens 5-mal, 10-mal oder 20-mal größer als das Produkt aus Querschnitt und Länge des kapillaren Kanals ist.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Dampfdiffusionsbarriere (66) eine gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige Membran aufweist, die den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und den zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) voneinander trennt.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Fluideinlass mit einer Einlasskammer (54) fluidisch verbunden ist, wobei die Kompressionskammer (60) und die Einlasskammer (54) in einem Rotationskörper (10; 50) oder einem Fluidikmodul (32), das in einen Rotationskörper (10) einsetzbar ist, gebildet sind, so dass durch Rotation des Rotationskörpers (10) die Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft aus der Einlasskammer (54) in den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) einbringbar ist.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 5, die ferner eine Auffangkammer (70) aufweist, die über einen Auslassfluidkanal (68) mit der Kompressionskammer (60) fluidisch verbunden ist, wobei der Auslassfluidkanal (68) einen Auslassfluidkanaleinlass, der in die Kompressionskammer (60) mündet und der radial weiter außen angeordnet ist als ein Auslassfluidkanalauslass des Auslassfluidkanals, der in die Auffangkammer (70) mündet, wobei Flüssigkeit aus dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) durch Ausdehnen des in der Kompressionskammer (60) angeordneten Gases durch den Auslassfluidkanal (68) in die Auffangkammer (70) treibbar ist.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 6, bei dem ein Verhältnis eines Strömungswiderstands des Auslassfluidkanals für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer (60) zu der Auffangkammer und eines Strömungswiderstands eines Einlassfluidkanals zwischen der Kompressionskammer (60) und der Einlasskammer für einen Flüssigkeitsfluss von der Kompressionskammer (60) zu der Einlasskammer eingestellt ist, um ein bestimmtes Verhältnis zwischen einem Volumenfluss in die Auffangkammer und einem Volumenfluss in die Einlasskammer einzustellen.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, die ferner eine Antriebseinrichtung (20) aufweist, die ausgelegt ist, um in einer ersten Phase den Rotationskörper (10; 50) mit einer solchen Drehfrequenz zu beaufschlagen, dass das Gas in der Kompressionskammer (60) durch die eingebrachte Flüssigkeit komprimiert wird, und in einer zweiten Phase, nach einer Temperaturbehandlung der Flüssigkeit, die Drehfrequenz zu verringern, um zumindest Teile der Flüssigkeit über den Auslassfluidkanal (68) aus der Kompressionskammer (60) in die Auffangkammer (70) zu treiben.
Fluidhandhabungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Heizeinrichtung (40) eine globale Heizeinrichtung ist, die ausgelegt ist, um den gesamten Rotationskörper zu erwärmen.
Verfahren zum Prozessieren einer Flüssigkeit mit folgenden Merkmalen: Komprimieren eines in einer nicht entlüfteten Kompressionskammer (60) eingeschlossenen Gasvolumens, wobei die Kompressionskammer (60) einen ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und einen zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) aufweist, durch Einbringen einer Flüssigkeit durch einen Fluideinlass in den ersten Kompressionskammerabschnitt (62); Prozessieren der Flüssigkeit in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62), wobei das Prozessieren ein Erwärmen zumindest der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) angeordneten Flüssigkeit aufweist, wobei eine Dampfdiffusionsbarriere (66) zwischen dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) und dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) angeordnet ist, so dass bei dem Erwärmen eine Verdampfungsrate der in dem ersten Kompressionskammerabschnitt (62) angeordneten Flüssigkeit in das in dem zweiten Kompressionskammerabschnitt (64) angeordnete Gas zumindest reduziert und somit ein Druckanstieg in der Kompressionskammer (60) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner ein Rotieren eines Rotationskörpers aufweist, um die Flüssigkeit aus einer Einlasskammer (54) durch Zentrifugalkraft in den ersten Kompressionskammerabschnitt (62) einzubringen und das Gasvolumen zu komprimieren.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner ausgehend von dem Rotieren des Rotationskörpers ein Verringern der die Drehfrequenz der Rotationsfrequenz aufweist, um zu bewirken, dass sich das eingeschlossene Gasvolumen ausdehnt und zumindest Teile der Flüssigkeit über einen Auslassfluidkanal (68) aus der Kompressionskammer (60) in eine Auffangkammer (70) getrieben werden.