DE102018104840A1

DE102018104840A1 - Fluidmischer mit nichtkreisförmigem Leitungsquerschnitt

Info

Publication number: DE102018104840A1
Application number: DE102018104840.8A
Authority: DE
Inventors: Uwe Effelsberg
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2018-03-02
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Mischer (92) zum Mischen von aufeinanderfolgenden Paketen (94, 96) von unterschiedlichen Fluiden, wobei der Mischer (92) eine Fluidleitung (98) mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt (99) aufweist, der die aufeinanderfolgenden Pakete (94, 96) der zu mischenden Fluide zuführbar sind.

Description

TECHNISCHER HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mischer und ein Verfahren zum Mischen von aufeinanderfolgenden Paketen von unterschiedlichen Fluiden, eine Fluidversorgungsvorrichtung sowie ein Probentrenngerät.
In einer HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (zum Beispiel im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20 bis 1000 bar und darüber hinausgehend, derzeit bis zu 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar sein kann, durch eine sogenannte stationäre Phase (zum Beispiel in einer chromatografischen Säule), bewegt, um einzelne Fraktionen einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Nach Durchlaufen der stationären Phase werden die getrennten Fraktionen der fluidischen Probe in einem Detektor detektiert. Ein solches HPLC-System ist bekannt zum Beispiel aus der EP 0,309,596 B1 derselben Anmelderin, Agilent Technologies, Inc.
Für Flüssigchromatografie und andere Anwendungen der Probentrennung ist es erforderlich, eine Mischung aus unterschiedlichen Fluiden, zum Beispiel unterschiedlichen Lösungsmitteln, zum Erzeugen einer mobilen Phase durchzuführen, wobei die gemischte Fluidzusammensetzung aus diesen Fluiden genau definiert und möglichst homogen gebildet sein sollte.
Herkömmliche Mischer sind zum Beispiel in US 2017/0160244 , WO 2013/090141 und JP2010-82533 offenbart. Allerdings sind derartige Mischer aufwendig in der Konstruktion und erlauben es zum Teil nicht, eine ausreichend homogene Mischung von Fluiden zu erzeugen. Auch kann ein Mischer als MMS-Struktur (Micro Metal Structures) ausgebildet werden, zum Beispiel bei dem Modell G4204-60090 der Anmelderin Agilent Technologies Inc.
OFFENBARUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, mit einfachen Mitteln eine präzise und homogene Zusammensetzung aus mehreren zu mischenden Fluiden zu erzeugen. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Mischer zum Mischen von aufeinanderfolgenden Paketen von unterschiedlichen Fluiden geschaffen, wobei der Mischer eine Fluidleitung mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt aufweist, der die aufeinanderfolgenden Pakete der zu mischenden Fluide zuführbar sind.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Fluidversorgungsvorrichtung zum Bereitstellen einer Mischung aus mehreren unterschiedlichen Fluiden bereitgestellt, wobei die Fluidversorgungsvorrichtung eine Mehrzahl von Zuführleitungen, von denen jede fluidisch mit einer jeweiligen von einer Mehrzahl von Fluidkomponentenquellen zum Bereitstellen eines jeweiligen der Fluide fluidisch gekoppelt ist, eine Proportioniereinrichtung (zum Beispiel ein Proportionierventil) zum Proportionieren von mittels der Zuführleitungen zugeführten Paketen des jeweiligen der Fluide und einen Mischer mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist, dessen Fluidleitung an oder stromabwärts von einem Vereinigungspunkt angeordnet ist, an dem die Pakete der Fluide vereinigt werden.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Probentrenngerät zum Trennen einer fluidischen Probe bereitgestellt, wobei das Probentrenngerät eine Fluidversorgungsvorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Bereitstellen einer mobilen Phase in Form der Mischung, in welche die fluidische Probe zu injizieren ist, und eine Probentrenneinrichtung aufweist, die zum Trennen der in die mobile Phase injizierten fluidischen Probe in Fraktionen eingerichtet ist.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Mischen von aufeinanderfolgenden Paketen von unterschiedlichen Fluiden geschaffen, wobei bei dem Verfahren einer Fluidleitung mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt die aufeinanderfolgenden Pakete der zu mischenden Fluide zugeführt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann unter dem Begriff „Fluidleitung mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt“ insbesondere eine Fluidleitung verstanden werden, deren Durchflussquerschnittsfläche eines Lumens senkrecht zu einer Fließrichtung der Fluide von einer Kreisform abweicht. Insbesondere kann die Projektion einer umfänglichen inneren Begrenzungsfläche einer Innenwandung der Fluidleitung auf eine Ebene senkrecht zur Fließrichtung von einem Kreis unterschiedlich sein. Dadurch kann entlang eines Umfangs der Begrenzungslinie ein variables Geschwindigkeitsprofil des fließenden Fluids erreicht werden, das zu einer Durchmischung unterschiedlicher Pakete des Fluids führt. Mit Vorteil kann eine umfängliche Begrenzung des Durchflussquerschnitts der Fluidleitung in tangentialer Richtung asymmetrisch sein.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Fluid“ insbesondere eine Flüssigkeit und/oder ein Gas verstanden bzw. ein Stoff im superkritischen Zustand, optional aufweisend Festkörperpartikel. Ein solches Fluid kann im Rahmen des Betriebs eines Probentrenngeräts als Betriebsfluid eingesetzt werden, welches während des Trennvorgangs durch Fluidleitungen des Probentrenngeräts mittels eines Fluidantriebs (zum Beispiel eine Fluidpumpe) gefördert wird. Als ein solches Betriebsfluid kann zum einen eine mobile Phase (das heißt ein Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelzusammensetzung) angesehen werden, die im Rahmen des Probentrennens ein Trägermedium darstellen kann und/oder die beim Probentrennen einen funktionalen Beitrag liefern kann. Dies bedeutet, dass die mobile Phase eine zu trennende fluidische Probe als Trägermedium mitfördern kann, aber auch (zum Beispiel im Rahmen eines chromatographischen Trennverfahrens) einem funktionalen Beitrag zum fraktionsweisen Ablösen einer zuvor an einer Probentrenneinrichtung aufgefangenen oder dadurch retardierten fluidischen Probe leisten kann. Unter einem Fluid kann in diesem Zusammenhang alternativ oder ergänzend aber auch die fluidische Probe selbst verstanden werden, die beim Probentrennen durch Fluidleitungen des Probentrenngeräts gefördert wird.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Pakete von Fluiden“ insbesondere eine zeitliche und räumliche Abfolge von Abschnitten von hintereinander bzw. sequenziell propagierenden Fluiden in einer Fluidleitung verstanden, welche Abschnitte sich hinsichtlich des Stoffs bzw. Materials des jeweiligen Fluidpakets voneinander unterscheiden können. Zum Beispiel kann eine Proportioniereinrichtung (beispielsweise ein Proportionierventil) die Fluidleitung abwechselnd mit unterschiedlichen Zuführleitungen fluidisch koppeln, wobei von einer jeweiligen Zuführleitung aus ein jeweiliges Fluidpaket in die Fluidleitung eingekoppelt und von einem Fluidantrieb gefördert wird. Dadurch ergibt sich eine Abfolge von zunächst schwach durchmischten oder sogar separaten Fluidpaketen, die durch den Mischer gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel homogen durchmischt werden können.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff „Fluidleitung“ insbesondere eine umfänglich geschlossene fluidleitende Struktur verstanden, entlang welcher ein Fluid fließt oder strömt. Zum Beispiel kann eine solche Fluidleitung eine Kapillare, ein Röhrchen oder Rohr oder ein im Inneren eines Schichtenstapels oder Laminats abgegrenzter innerer Hohlraum sein. Eine Fluidleitung kann verzweigt oder unverzweigt sein.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird ein longitudinales Mischen von Komponenten eines Fluids (zum Beispiel unterschiedlichen Lösungsmittelkomponenten einer Zusammensetzung aus mehreren unterschiedlichen Lösungsmitteln, zum Beispiel Wasser und Ethanol) durch das Vorsehen einer Fluidleitung mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt gefördert. Hierbei macht sich ein Ausführungsbeispiel der Erfindung das Phänomen zu Nutze, dass bei einer Fluidleitung mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt entlang der Wandung der Fluidleitung Bereiche mit relativ kleinen bzw. engen Nischen und hoher anteiliger Oberfläche der Fluidleitungswandung sich neben Bereichen mit relativ großem bzw. weiten Querschnitt und einem niedrigen Oberflächenanteil der Fluidleitungswandung befinden. Daher gibt es in umfänglicher Richtung einer solchen Fluidleitungswandung Regionen mit relativ hoher Reibung des Fluids an der Wandung der Fluidleitung sowie untereinander und Regionen mit relativ niedriger Reibung. Daher wird sich in Umfangsrichtung und in radialer Richtung der Fluidleitung mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt ein inhomogenes Geschwindigkeitsprofil der fließenden bzw. strömenden Fluide einstellen. Daher benötigen unterschiedliche Fluidkomponenten abhängig von ihrer räumlichen Position in dem Durchflussquerschnitt unterschiedlich lange, um eine Fluidleitung einer bestimmten Länge zu durchfließen bzw. zu durchströmen. Hierdurch kommt es zu einem selbsttätigen Vermischen der einzelnen Konstituenten des Fluids in Längsrichtung, zum Beispiel von sequenziell aufeinanderfolgenden Fluidpaketen aus unterschiedlichen Lösungsmitteln (zum Beispiel Wasser bzw. einem organischen Lösungsmittel wie etwa Ethanol). Anschaulich laufen die Fluidpakete im Zentrum des Durchflussquerschnitts schneller als am Rand, wodurch sich ein räumlich variabler Flusswiderstand ergibt, wodurch die Dispersion in Flussrichtung gefördert wird. Mit sehr geringem Aufwand kann dadurch eine hohe Homogenität einer Fluidzusammensetzung (zum Beispiel einer mobilen Phase eines Probentrenngeräts, insbesondere eines chromatographischen Probentrenngeräts) am Ende des Mischers erreicht werden. Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel schafft somit einen zeitlichen Mischer einer seriellen Anordnung von Lösungsmittelpaketen. Bereits bei einer relativ geringfügigen Abweichung von einem kreisförmigen Durchflussquerschnitt ergibt sich eine signifikante Mischwirkung. Dies kann anschaulich als eine analoge Folge des Gesetzes von Hagen-Poiseuille verstanden werden, demzufolge bei einer laminaren stationären Strömung eines Fluids durch ein Lumen eines bestimmten Durchmessers der Volumenstrom von der vierten Potenz dieses Durchmessers abhängt. Bei einem nichtkreisförmigen Leitungsquerschnitt mit unterschiedlichen wirksamen Durchmessern innerhalb eines Lumens führt diese Gesetzmäßigkeit zu einer starken Durchmischung von Fluidpaketen.
Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des Mischers, der Fluidversorgungsvorrichtung, des Verfahrens und des Probentrenngeräts beschrieben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluid, dessen Konstituenten gemischt werden sollen, eine mobile Phase sein, in welche die zu trennende fluidische Probe dann einzuleiten ist. Eine solche mobile Phase kann insbesondere ein Lösungsmittel oder eine konstante oder variable Lösungsmittelzusammensetzung sein, welche(s) die eigentlich zu trennende fluidische Probe entlang einem Flusspfad des Probentrenngeräts, angetrieben durch einen Fluidantrieb, mitfördert. Bei einem chromatographischen Trennexperiment kann die mobile Phase zum Beispiel in einem Gradientenbetrieb nach Festhalten von Fraktionen an einer Probentrenneinrichtung die Fraktionen der fluidischen Probe von der Probentrenneinrichtung (wie einer chromatographischen Trennsäule) fraktionsweise ablösen, indem die Lösungsmittelzusammensetzung der mobilen Phase sukzessive verändert wird. Alternativ ist zum Beispiel auch ein isokratischer Modus möglich, bei dem ein solcher Gradientenverlauf der Lösungsmittelzusammensetzung nicht auftritt. Es hat sich herausgestellt, dass die exakte Zusammensetzung der mobilen Phase einen Einfluss auf die Flussrate bzw. eine geförderte Fluidvolumenmenge hat. Dieser Einfluss wiederum beeinflusst die Genauigkeit des Trennergebnisses, insbesondere die Position und Amplitude (insbesondere Höhe) von Peaks in einem Chromatogramm. Indem die Homogenität der mobilen Phase durch eine zuverlässige Mischung erhöht wird, kann auch die Flussrate bzw. ein Volumenstrom der mobilen Phase exakter und artefaktärmer eingestellt werden. Dadurch können auch bei stark veränderlichen Bedingungen von Fluiden besser vergleichbare Trenndaten erhalten werden, und das Trennergebnis (zum Beispiel ein Chromatogramm bei einem chromatographischen Trennverfahren) kann präzisiert werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Durchflussquerschnitt der Fluidleitung einen zentralen (zum Beispiel achsnahen) Abschnitt und einen den zentralen Abschnitt umgebenden peripheren (zum Beispiel randseitigen) Abschnitt aufweisen. Diese Abschnitte können so aufeinander abgestimmt sein, dass eine Fließgeschwindigkeit von Fluid im zentralen Abschnitt höher ist als im peripheren Abschnitt. Insbesondere kann auch in Umfangsrichtung des Durchflussquerschnitts der Fluidleitung eine inhomogene Fließgeschwindigkeitsverteilung von Fluid erreicht werden, insbesondere wenn dort im Bereich des einen oder der mehreren peripheren Abschnitte enge Nischen bzw. Bereiche mit lokal erhöhtem Anteil der Wandungsfläche der Fluidleitung ausgebildet sind. Die Einstellung einer in Umfangsrichtung inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung der fließenden Fluide führt zu einer besonders wirksamen Durchmischung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Durchflussquerschnitt der Fluidleitung eine oder eine Mehrzahl von Ausbuchtungen aufweisen. Im Bereich solcher Ausbuchtungen können enge Nischen gebildet sein, in denen fließende Fluidbestandteile lokal einer hohen Reibungskraft mit einer umgebenden Wandung der Fluidleitung und mit anderen Fluidbestandteilen ausgesetzt sind, was dessen Fließgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Bestandteilen der fließenden Fluide reduziert. Auch dies fördert die Mischung der verschiedenen Fluide.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zumindest eine der Ausbuchtungen im radial äußersten Bereich abgerundet sein. Eine solche Abrundung vermeidet das Ausbilden schlecht durchströmter Ecken der Fluidleitung, was unerwünschte Effekte (wie zum Beispiel Probenverschleppung oder das Ausbilden historischer Lösungsmittelreste) wirksam unterdrückt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Durchflussquerschnitt der Fluidleitung zwischen zwei jeweils benachbarten Ausbuchtungen eine jeweilige Einbuchtung aufweisen. Im Bereich solcher Einbuchtungen kann ebenfalls eine lokal veränderte Fließgeschwindigkeit (insbesondere im Vergleich zu angrenzenden Ausbuchtungen) erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zumindest eine der Einbuchtungen im radial innersten Bereich abgerundet sein. Eine solche Abrundung vermeidet das Ausbilden schlecht durchströmter Bereiche der Fluidleitung, was unerwünschte Effekte (wie zum Beispiel Probenverschleppung oder das Ausbilden historischer Lösungsmittelreste) wirksam unterdrückt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Form des Durchflussquerschnitts aus einer Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus einer Sternform (siehe zum Beispiel 5), einer Kreuzform (siehe zum Beispiel 4) und einer Kreisform mit zwei gegenüberliegenden U-förmigen Überständen (siehe zum Beispiel 3). Zum Beispiel kann der Durchflussquerschnitt auch polygonal (optional mit abgerundeten Ecken) ausgebildet sein, wobei ein solches Polygon zur Erreichung einer besonders inhomogenen Geschwindigkeitsverteilung und daher besonders wirksamen Vermischung unterschiedlicher Fluide mit Vorteil mindestens zwei (insbesondere abgerundete) Ecken aufweisen kann. Ferner ist es möglich, dass der Durchflussquerschnitt eine ungeordnete, unregelmäßige bzw. asymmetrische geometrische Gestalt oder eine geometrische Gestalt entsprechend einer umfänglichen Zufallsverteilung hat, wodurch die Ordnung des Fluidflusses mit Vorteil weiter gestört wird, die Längsdispersion erhöht wird und die Durchmischung zusätzlich gefördert wird. Es ist auch möglich, den Leitungsquerschnitt elliptisch oder oval auszugestalten.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zumindest eine Innenwand der Fluidleitung ein biokompatibles Material, insbesondere einen Kunststoff oder eine Keramik, aufweisen oder daraus bestehen. Die Fluidleitung kann aus einem solchen biokompatiblen Material bestehen oder damit beschichtet oder ausgekleidet sein (zum Beispiel durch eine Goldbeschichtung). Durch ein solches biokompatibles Material, das allenfalls geringfügig oder gar nicht in einer unerwünschten Weise mit einem Fluid (insbesondere einer Flüssigkeit wie einem Lösungsmittel oder einer biologischen Probe) in Wechselwirkung tritt, können unerwünschte Effekte wie Korrosion, vermehrte Probenanhaftung, das Entstehen unerwünschter chemischer Reaktionsprodukte oder unerwünschte Veränderungen des mit dem Mischer verarbeiteten Fluids, etc., vermieden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Fluidleitung über ihre gesamte Erstreckung hinweg einen konstanten Durchflussquerschnitt aufweisen, insbesondere in Hinblick auf Form und/oder Fläche. Der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt kann entlang der gesamten Fluidleitung eine gleichbleibende Querschnittsfläche und/oder eine gleichbleibende Umfangsform aufweisen. Bei einer solchen Ausgestaltung kann die Fluidleitung dann mit einfachen Mitteln, zum Beispiel mittels Extrudierens, hergestellt werden. Auch kann mit dieser Ausgestaltung eine mittlere Fließgeschwindigkeit der Fluide hoch gehalten werden, ohne dass es zu einer Beeinträchtigung der Homogenität der Mischung kommt. Bei einer in Strömungsrichtung der Fluide konstant bleibenden Geometrie hinsichtlich Form und Fläche kann unerwünschte Querdispersion besonders wirksam unterdrückt werden und kann ein sehr gutes Mischergebnis erhalten werden. Insbesondere kann mit Vorteil das Lumen auch von radialen Hindernissen oder dergleichen frei gehalten bleiben.
Alternativ zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist es auch möglich, den Durchflussquerschnitt der Fluidleitung hinsichtlich Größe und/oder Form über eine Fließrichtung der Fluide hinweg unterschiedlich auszubilden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können der Durchflussquerschnitt und eine Länge der Fluidleitung konfiguriert sein, dass nach Durchlaufen der Fluidleitung zwei an einem Eingang der Fluidleitung aufeinanderfolgende Pakete aus unterschiedlichen Fluiden an einem Ausgang der Fluidleitung homogen durchmischt sind. Aufeinanderfolgende Pakete aus unterschiedlichen Fluiden können also derart durch die Fluidleitung gepumpt werden, dass nach Durchlaufen der Fluidleitung die an einem Eingang der Fluidleitung aufeinanderfolgenden Pakete aus den unterschiedlichen Fluiden an einem Ausgang der Fluidleitung durchmischt sind. Die Ausgestaltung von Form bzw. Länge der Fluidleitung erlaubt das Erreichen eines vorgegebenen Durchmischungsgrads zum Beispiel so, dass die zu mischenden Fluide am Ende der Fluidleitung vollkommen homogen durchmischt sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein maximaler Außendurchmesser des Durchflussquerschnitts kleiner als 2 mm sein, insbesondere kleiner als 1,5 mm. Auf diese Weise können selbst mikrofluidische Flussraten im Bereich von Mikrolitern pro Minute oder Millilitern pro Minute eingestellt werden, ohne auf eine ordnungsgemäße Durchmischung einzelner Fluide einer Lösungsmittelzusammensetzung verzichten zu müssen. Dies kann insbesondere für Anwendungen der Flüssigkeitschromatografie, insbesondere der HPLC oder UHPLC, vorteilhaft sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine Länge der Fluidleitung mit dem nichtkreisförmigen Leitungsquerschnitt mindestens 50 mm betragen, insbesondere mindestens 100 mm betragen. Bei einer solchen Länge ist eine wirksame Mischung infolge Längsdispersion gewährleistet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die zu mischenden Fluide zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Mischers ohne Aufspaltung in räumlich getrennte Teilflüsse entlang der Fluidleitung mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt führbar sein. Gemäß einer solchen bevorzugten Ausgestaltung kann ein einziges Lumen, das durch eine Wandung der Fluidleitung begrenzt wird, verzweigungsfrei ausgebildet werden. Anders ausgedrückt kann die Fluidleitung mit Vorteil einlumig (d.h. mit nur genau einem einzigen Lumen) ausgebildet sein. Auf diese Weise kann ein besonders kompakter und besonders einfach ausgebildeter verteilungsfreier Mischer geschaffen werden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die zu mischenden Fluide an einer Aufspaltstelle an oder stromabwärts eines Eingangs des Mischers in mehrere räumlich getrennte Teilflüsse aufspaltbar sein und an einer Vereinigungsstelle stromabwärts der Aufspaltstelle und an oder stromaufwärts eines Ausgangs des Mischers zu einem gemeinsamen Fluss vereinigbar sein. Mit Vorteil können die mehreren fluidischen Teilpfade zwischen der Aufspaltstelle und der Vereinigungsstelle unterschiedlich lang sein und/oder unterschiedliche Durchflussquerschnittsflächen und/oder unterschiedliche Durchflussquerschnittsgeometrien aufweisen, sodass die Fließzeiten der aufgeteilten Fluidbestandteile durch die einzelnen Teilpfade unterschiedlich lang sind. Zusätzlich zur geometrischen Realisierung der Fluidleitung des Mischers mit einem nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitt können zudem unterschiedliche Fluidteile in unterschiedliche fluidische Teilpfade zwischen der Aufspaltstelle und der Vereinigungsstelle eingekoppelt werden. Dann kommt es nicht nur für einen jeweiligen Teilpfad als Ergebnis der nichtkreisförmigen Durchflussquerschnittsfläche zu einer durch eine resultierende inhomogene Geschwindigkeitsverteilung dieses Teilflusses geförderte Durchmischung, sondern zudem auch für die einzelnen Teilflüsse in den einzelnen Teilpfaden infolge der unterschiedlichen Fließzeiten zu einer zusätzlichen Durchmischung. Dadurch kann eine besonders homogene Durchmischung der Fluide erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt derart ausgebildet sein, dass die zu mischenden Fluide beim Durchströmen der Fluidleitung eine reine Längsdispersion ohne Querdispersion erfahren. Mit anderen Worten kann die Geometrie des Durchflussquerschnitts so eingestellt werden, dass die Fluide beim Durchströmen sich in Strömungsrichtung, d.h. in Längsrichtung, verteilen, ausbreiten bzw. zerstreuen, ohne eine wesentliche Radialbewegung auszuführen. Wenn die Dispersion in Längsrichtung ein Vielfaches höher als in Querrichtung ist, kann vermieden werden, dass durch Querdispersion die sich in Längsrichtung ausbreitenden Fluidpakete wieder fokussieren, was einer wirksamen Durchmischung entgegenwirken würde. Mit Vorteil kann bei einer im Wesentlichen reinen Längsdispersion eine besonders effiziente Durchmischung der Fluide bzw. Fluidpakete erreicht werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt der Fluidleitung entlang seines Umfangs von einer Vielzahl von Abschnitten unterschiedlicher Radien begrenzt sein. Eine dadurch in Umfangsrichtung besonders starke Inhomogenität der Geschwindigkeitsverteilung führt zu einer starken erwünschten Längsdispersion bei gleichzeitig wirksamer Unterdrückung von unerwünschter Querdispersion.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Fluidleitung eine im Querschnitt kreislinienförmige Außenwandung oder Außenkontur aufweisen. Insbesondere kann die Fluidleitung außen rund sein bzw. von einer kreiszylindrischen Mantelfläche begrenzt werden. Eine solche Fluidleitung bzw. Kapillare ist dann einfach in der Handhabung und ist mit üblichen Fittings kompatibel, mit der die Fluidleitung mit anderen Fluidbauteilen fluiddicht (insbesondere hochdruckdicht) fluidisch gekoppelt werden kann. Auf diese Weise kann der Mischer auf einfache Weise mittels üblicher Fittings mit anderen Fluidbauteilen fluidisch verbunden werden, ohne dass die Gefahr von Leckage oder dergleichen droht.
Alternative kann eine äußere Kontur der Fluidleitung auch eine andere Form aufweisen, zum Beispiel eine Polygonform (insbesondere Rechteckform). Zum Beispiel kann die Fluidleitung durch einen Schichtenstapel mit einem darin ausgebildeten Lumen gebildet werden (zum Beispiel im Wesentlichen geformt wie eine Kreditkarte), welches Lumen einen nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitt haben kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Mischer mindestens ein Fitting an mindestens einem Ende der Fluidleitung aufweisen, insbesondere ein jeweiliges Fitting an jedem der beiden gegenüberliegenden Enden der Fluidleitung. Mit einem Fitting kann die Fluidleitung mit einem anderen Fluidbauteil fluiddicht verbunden werden. Ein solches Fitting kann zum Beispiel eine (zum Beispiel einstückige oder mehrkomponentige) Dichtferulle sowie eine Mutter und ein Gegenstück aufweisen, wobei die Dichtferulle zwischen der Mutter und dem Gegenstück dichtend und die Fluidleitung umschließend aufgenommen werden kann und durch Verbinden (zum Beispiel Verschrauben) von Mutter und Gegenstück fluiddicht montiert werden kann. Da die beschriebenen Komponenten eines Fittings häufig im Wesentlichen rotationssymmetrische Komponenten aufweisen, ist im Falle des Vorsehens eines Fittings an einem jeweiligen Ende der Fluidleitung ein kreisförmiger Außenumfang der Fluidleitung besonders vorteilhaft.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Fluidleitung nur ein einziges unverzweigtes Lumen aufweisen. Ein gutes Mischergebnis kann in besonders kompakter Weise erreicht werden, wenn das Fluid durch die einlumige Fluidleitung strömt, ohne zwischenzeitlich in mehrere Lumen ausgespaltet zu werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt der Fluidleitung entlang seines Umfangs eine alternierende Abfolge von konkaven Abschnitten und konvexen Abschnitten aufweisen. Auf diese Weise können die Fluide in Umfangsrichtung des Durchflussquerschnitts mit einem ausgeprägten Geschwindigkeitsprofil beaufschlagt werden. Dies wiederum führt zu einer besonders wirksamen Mischung der Fluide bzw. Fluidpakete.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Fluidversorgungsvorrichtung eine Fluidfördereinrichtung aufweisen, die zum Fördern der Fluide eingerichtet ist. Eine solche Fluidfördereinrichtung kann zum Beispiel eine Fluidpumpe (insbesondere eine Hochdruckpumpe) sein. Diese kann zum Beispiel als Kolbenpumpe oder als Anordnung mehrerer serieller und/oder parallel angeordneter Kolbenpumpen ausgebildet sein. Eine solche Fluidfördereinrichtung kann stromabwärts der Proportioniereinrichtung und der Zuführleitungen sowie des Mischers angeordnet sein und kann die einzelnen Fluide durch die Fluidversorgungsvorrichtung fördern. Mit Vorteil kann die Fluidfördereinrichtung zum Fördern der mobilen Phase mit einem Druck von mindestens 500 bar, insbesondere mindestens 1200 bar, eingerichtet sein. Dies qualifiziert die Fluidversorgungsvorrichtung in besonderer Weise zur Implementierung in einem Probentrenngerät mit höchsten Anforderungen an unter Hochdruck geförderten Fluiden, was zum Beispiel für HPLC-Anwendungen oder UHPLC-Anwendungen vorteilhaft ist. Zum Beispiel kann die Fluidfördereinrichtung aus einer Gruppe ausgewählt sein, die besteht aus einer Binärpumpe, einer Quaternärpumpe und einer Mehrkanalpumpe.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Zusammensetzung zumindest ein erstes Lösungsmittel, insbesondere Wasser, und ein zweites Lösungsmittel, insbesondere ein organisches Lösungsmittel (wie Methanol, Ethanol oder Acetonitril), aufweisen.
Das Probentrenngerät kann ein mikrofluidisches Messgerät, ein Life Science-Gerät, ein Flüssigkeitschromatographiegerät, eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography), eine UHPLC-Anlage, ein SFC-(superkritische Flüssigkeitschromatographie) Gerät, ein Gaschromatographiegerät, ein Elektrophoresegerät und/oder ein Gelelektrophoresegerät sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Probentrenneinrichtung als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet sein. Bei einer chromatographischen Trennung kann die Chromatographietrennsäule mit einem Adsorptionsmedium, versehen sein. An diesem kann die fluidische Probe aufgehalten werden und erst nachfolgend bei Anwesenheit einer spezifischen Lösungsmittelzusammensetzung fraktionsweise wieder abgelöst werden, womit die Trennung der Probe in ihre Fraktionen bewerkstelligt wird.
Das Pumpsystem kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das Fluid bzw. die mobile Phase mit einem hohen Druck, zum Beispiel einige 100 bar bis hin zu 1000 bar und mehr, durch das System hindurch zu befördern.
Das Probentrenngerät kann den oben bereits angesprochenen Probeninjektor zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad aufweisen. Ein solcher Probeninjektor kann eine mit einem Sitz koppelbare Injektionsnadel in einem entsprechenden Flüssigkeitspfad aufweisen, wobei die Nadel aus diesem Sitz herausgefahren werden kann, um Probe aufzunehmen, wobei nach dem Wiedereinführen der Nadel in den Sitz die Probe sich in einem Fluidpfad befindet, der, zum Beispiel durch das Schalten eines Ventils, in den Trennpfad des Systems hineingeschaltet werden kann, was zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad führt.
Das Probentrenngerät kann einen Fraktionssammler zum Sammeln der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Fraktionssammler kann die verschiedenen Komponenten der aufgetrennten Probe zum Beispiel in verschiedene Flüssigkeitsbehälter führen. Die analysierte Probe kann aber auch einem Abflussbehälter zugeführt werden.
Vorzugsweise kann das Probentrenngerät einen Detektor zur Detektion der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Detektor kann ein Signal erzeugen, welches beobachtet und/oder aufgezeichnet werden kann, und welches für die Anwesenheit und Menge der Probenkomponenten in dem durch das System fließenden Fluid indikativ ist.
Figurenliste
Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.

1 zeigt ein HPLC-System gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Fluidversorgungssystem gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer als außenseitig kreiszylindrische Kapillare ausgebildeten Fluidleitung eines Mischers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein fluiddurchflossener Durchflussquerschnitt eines Lumens im Inneren einer Wandung der Fluidleitung nichtkreisförmig ausgebildet ist.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer als außenseitig kreiszylindrische Kapillare ausgebildeten Fluidleitung eines Mischers gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein fluiddurchflossener Durchflussquerschnitt eines Lumens im Inneren einer Wandung der Fluidleitung nichtkreisförmig ausgebildet ist.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer als außenseitig kreiszylindrische Kapillare ausgebildeten Fluidleitung eines Mischers gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein fluiddurchflossener Durchflussquerschnitt eines Lumens im Inneren einer Wandung der Fluidleitung nichtkreisförmig ausgebildet ist.
6 zeigt ein Diagramm, das eine Mischwirkung eines Mischers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel mit einer herkömmlichen Fluidleitung vergleicht.
7 zeigt einen im Querschnitt sternförmigen fluiddurchflossenen Durchflussquerschnitt einer Fluidleitung eines Mischers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel, bei dem zu mischendes Fluid aufspaltungsfrei entlang einer einzigen unverzweigten Fluidleitung fließt.
8 zeigt einen Mischer gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel, bei dem zu mischendes Fluid entlang verzweigter Fluidleitungen mit nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitten fließt, wobei die Mischwirkung zudem dadurch verstärkt wird, dass das Fluid zunächst in unterschiedliche Teilflüsse mit unterschiedlichen Fließzeiten aufgespalten wird und die Teilflüsse dann wieder miteinander vereinigt werden.
9 zeigt eine Querschnittsansicht einer als außenseitig kreiszylindrische Kapillare ausgebildeten Fluidleitung eines Mischers gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein fluiddurchflossener Durchflussquerschnitt eines Lumens im Inneren einer Wandung der Fluidleitung nichtkreisförmig ausgebildet ist.

Die Darstellung in der Zeichnung ist schematisch.
Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst werden, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet worden sind.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel werden sequenziell zugeführte Fluidpakete aus unterschiedlichen Fluiden miteinander dadurch wirksam und einfach gemischt, dass eine Fluidleitung zum Führen dieser Fluide mit einem nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitt ausgebildet wird. Das sich dadurch über den Durchflussquerschnitt hinweg stark inhomogen ausbildende Geschwindigkeitsprofil der geförderten Fluide infolge unterschiedlicher Reibungskräfte mit der Wandung der Fluidleitung bzw. zwischen Fluidbestandteilen untereinander führt dazu, dass unterschiedliche Bestandteile der Fluidpakete unterschiedlich schnell durch die Fluidleitung fließen und sich dadurch effektiv vermischen.
Zum Beispiel in einer Quaternärpumpe kann eine Lösungsmittelzusammensetzung für eine Probentrennung (zum Beispiel für eine chromatographische Probentrennung) durch das Multiplexen von unterschiedlichen Lösungsmitteln in eine einzige Fluidleitung erzeugt werden. Die Zusammensetzung wird durch die Länge der einzelnen Fluidpakete bzw. Lösungsmittelpfropfen bestimmt, die eingeführt werden. Noch stromaufwärts der Probentrenneinrichtung (zum Beispiel einer chromatographischen Trennsäule) sollen die Konstituenten der mobilen Phase miteinander vermischt werden, um Artefakte bei der Trennung zu unterdrücken.
Um ein zuverlässiges Trennergebnis zu erhalten, ist es wichtig, dass die Fluidpakete, welche die mobile Phase für die Probentrennung bilden, in einer Fluidleitung entlang eines Flusspfads ausreichend vermischt werden. Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel wird eine solche Vermischung erreicht, indem eine Fluidleitung mit vorzugsweise einem einzigen Lumen geschaffen wird, die einen von einer Kreisform abweichenden bzw. unterschiedlichen Durchflussquerschnitt aufweist.
Mit Vorteil kann zumindest eine Innenwandung einer solchen Fluidleitung aus einem biokompatiblen Material hergestellt werden, um einen zugehörigen Mischer auch für Anwendungen einsetzen zu können, bei dem aggressive chemische bzw. biologische Fluide zum Einsatz kommen. Um zumindest die Innenfläche der Fluidleitung des Mischers biokompatibel zu gestalten, kann diese Wandung zum Beispiel durch eine Beschichtung passiviert werden oder die gesamte Wandung aus einem inerten, insbesondere bioinerten, Material hergestellt werden. Beispiele für solche Materialien sind eine Keramik, ein Polymer oder Gold. Bevorzugt werden Polymere verwendet, da diese das Erzeugen einer biokompatiblen Eigenschaft mit geringem Aufwand ermöglichen.
Mit besonders geringem Aufwand bzw. mit besonders geringer Komplexität kann der Mischer hergestellt werden, wenn die Fluidleitung als extrudierter bzw. extrudierbarer Körper ausgebildet wird. Besonders einfach und kompakt ist auch eine Ausgestaltung, bei der die Fluidleitung einlumig, d.h. mit nur einem einzigen unverzweigten Lumen zum Führen der Fluide, ausgebildet wird.
1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines HPLC-Systems als Beispiel für ein Probentrenngerät 10 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es zum Beispiel zur Flüssigkeitschromatographie verwendet werden kann. Ein Fluidpumpsystem bzw. eine Fluidfördereinrichtung 20, die mit Lösungsmitteln aus einer Zuführeinrichtung 25 versorgt wird, treibt eine mobile Phase durch eine Probentrenneinrichtung 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), die eine stationäre Phase beinhaltet. Die Zuführeinrichtung 25 umfasst eine erste Fluidkomponentenquelle 100 zum Bereitstellen eines ersten Fluids (zum Beispiel Wasser) durch eine erste Zuführleitung 104 und eine zweite Fluidkomponentenquelle 101 zum Bereitstellen eines anderen zweiten Fluids (zum Beispiel ein organisches Lösungsmittel) durch eine zweite Zuführleitung 105. Wie in 1 mit Bezugszeichen 181 dargestellt, können die Fluidkomponentenquellen 100, 101 zum Beispiel abwechselnd Fluidpakete 94, 96 zur Verfügung stellen, siehe ein erstes Fluidpaket 94 (zum Beispiel aus Wasser) und ein nachfolgendes zweites Fluidpaket 96 (zum Beispiel aus Ethanol). Die Fluide werden durch eine Proportioniereinrichtung 108 (zum Beispiel ein Proportionierventil) proportioniert. Ein optionaler Entgaser 27 kann die mittels der ersten Fluidkomponentenquelle 100 und mittels der zweiten Fluidkomponentenquelle 101 bereitgestellten und mittels der Proportioniereinrichtung 108 proportionierten Lösungsmittel entgasen, bevor diese einem Mischer 92 und dann der Fluidfördereinrichtung 20 zugeführt werden. Eine Probenaufgabeeinheit 40, die auch als Injektor bezeichnet werden kann, ist zwischen der Fluidfördereinrichtung 20 und der Probentrenneinrichtung 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit in den fluidischen Trennpfad einzubringen. Hierfür kann ein Injektorventil 90 entsprechend geschaltet werden. Die stationäre Phase der Probentrenneinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probe zu separieren. Ein Detektor 50, der eine Flusszelle aufweisen kann, detektiert separierte Komponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probe in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Nicht mehr benötigte Flüssigkeiten können in einen Abflussbehälter bzw. in ein Waste (nicht gezeigt) ausgegeben werden.
Während ein Flüssigkeitspfad zwischen der Fluidfördereinrichtung 20 und der Probentrenneinrichtung 30 typischerweise unter Hochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannte Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probenaufgabeeinheit 40 bzw. des Injektors eingegeben, die dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad einbringt. Während des Zuschaltens der zunächst unter Normaldruck stehenden Probenflüssigkeit in der Probenschleife in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad wird der Inhalt der Probenschleife auf den Systemdruck des als HPLC ausgebildeten Probentrenngeräts 10 gebracht. Eine Steuereinrichtung 70 steuert die einzelnen Komponenten 20, 25, 27, 30, 40, 50, 60 des Probentrenngeräts 10.
Wie im 1 ebenfalls dargestellt ist, weist das Probentrenngerät 10 zwischen der Zuführeinrichtung 25 und der Fluidfördereinrichtung 20 einen passiven Mischer 92 zum Mischen der unmittelbar aufeinanderfolgenden Fluidpakete 94, 96 aus den unterschiedlichen Fluiden (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel Wasser und Ethanol) auf. Gemäß 1 ist der Mischer 92 mit einer Fluidleitung 98 einer Länge L mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt (nicht dargestellt in 1, siehe zum Beispiel Bezugszeichen 99 gemäß 3, 4 oder 5) ausgebildet, wobei nur genau ein einziges Lumen durch die Wandung der Fluidleitung 98 begrenzt wird. Die Länge L kann zum Beispiel 100 mm betragen, um ein wirksames Mischen zu fördern. Wenn der Fluidleitung 98 des Mischers 92 an einem Eingang angrenzend an den Entgaser 27 die aufeinanderfolgenden Fluidpakete 94, 96 der zu mischenden Fluide zugeführt werden, kommt es beim Durchfließen der Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt 99 zu einem Durchmischen der Fluidpakete 94, 96. Das Ergebnis dieses Mischens der Fluidpakete 94, 96 ist in 1 als homogenes Mischfluidpaket 183 am Ausgang des Mischers 92 dargestellt. Dieser Ausgang ist mit einem Eingang der Fluidfördereinrichtung 20 fluidisch gekoppelt. Das Mischfluidpaket 183 stellt eine homogene Mischung aus den beiden Fluiden der ursprünglich separaten und aufeinanderfolgenden Fluidpakete 94, 96 dar und weist daher in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Wasser und Ethanol in einem bestimmten Mischungsverhältnis auf. Anschaulich beruht der in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel nutzbar gemachte Mischeffekt darauf, dass die Fluidleitung 98 mit ihrem nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitt 99 in Umfangsrichtung ihrer Wandung (d.h. senkrecht zu einer Fließrichtung der Fluide) ein inhomogenes Geschwindigkeitsprofil generiert, das auf unterschiedlich starke reibungsbehaftete Wechselwirkung der fließenden Fluide mit einer Wandung der Fluidleitung 98 sowie untereinander zurückzuführen ist. Folglich benötigen in unterschiedlichen Flächenbereichen des Durchflussquerschnitts 99 lokalisierte unterschiedliche Teile der Fluidpakete 94, 96 unterschiedlich lange, um die Länge L des Mischers 92 zurückzulegen, wenn sie von der Fluidfördereinrichtung 20 angetrieben werden. Dadurch kommt es zu einer Vermischung der Fluidpakete 94, 96 auf dem Weg von dem Entgaser 27 bis zu der Fluidfördereinrichtung 20.
Mit Vorteil kann die Fluidleitung 98 über ihre gesamte Länge L hinweg in Hinblick auf die geometrische Form und in Hinblick auf den Wert ihrer Durchflussquerschnittsfläche einen konstanten Durchflussquerschnitt 99 aufweisen. Dies führt zum einen dazu, dass die Fluidleitung 98 zum Beispiel mit geringem Aufwand mittels eines Extruders hergestellt werden kann. Zum anderen ist dies auch deshalb vorteilhaft, da ungeachtet des erzielten Mischeffekts die Fließbewegung der Fluidpakete 94, 96 im Wesentlichen ungestört erfolgt, sodass es zu keiner unerwünschten Verringerung der Flussrate durch eine erhöhte fluidische Restriktion des Mischers 92 kommt. Ferner können der Durchflussquerschnitt 99 und die Länge L der Fluidleitung 98 von einem Benutzer bzw. fabrikseitig flexibel derart eingestellt oder konfiguriert werden, dass für eine bestimmte fluidische Anwendung bzw. Probentrennaufgabe nach Durchlaufen der Fluidleitung 98 die ursprünglich unmittelbar aneinandergrenzenden bzw. aufeinanderfolgenden Fluidpakete 94, 96 aus den unterschiedlichen Fluiden an einem Ende der Fluidleitung 98 vorzugsweise vollständig, alternativ zumindest teilweise, durchmischt sind. Auch durch eine entsprechende Einstellung der Arbeitsweise der Fluidfördereinrichtung 20 können die aufeinanderfolgenden Fluidpakete 94, 96 aus den unterschiedlichen Fluiden derart durch die Fluidleitung 98 gepumpt werden, dass nach Durchlaufen der Fluidleitung 98 die am Eingang der Fluidleitung 98 zeitlich und räumlich aufeinanderfolgenden Fluidpakete 94, 96 aus den unterschiedlichen Fluiden am Ausgang der Fluidleitung 98 ausreichend durchmischt sind (zum Beispiel zum Erreichen einer vollständig homogenen Lösungsmittelzusammensetzung am Eingang der Fluidfördereinrichtung 20).
Die Fluidfördereinrichtung 20, die Zuführeinrichtung 25 samt Proportioniereinrichtung 108 zum Proportionieren der Fluidpakete 94, 96 sowie die Steuereinrichtung 70 bilden gemeinsam mit dem Mischer 92 ein Fluidversorgungssystem 150 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 zeigt ein Fluidversorgungssystem 150 zum Bereitstellen einer exakten und zeitlich veränderlichen Fluidzusammensetzung (im gezeigten Beispiel eine mobile Phase) an einen Fluidabnehmer (im gezeigten Beispiel die Probentrenneinrichtung 30 bzw. der Detektor 50 des Probentrenngeräts 10) gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Zeitabhängigkeit der bereitgestellten Fluidzusammensetzung an die Probentrenneinrichtung 30 ist in 2 schematisch mit Bezugszeichen 199 dargestellt. Die zeitlich variable Fluidzusammensetzung gemäß 2 dient zum Beispiel zum Durchfahren eines Gradientenprofils 199 mit der Charakteristik, wie in 2 dargestellt. Bei dem Gradientenprofil 199 variiert der Prozentsatz %B der fluidischen Komponente B für das Beispiel einer Mischung mit der fluidischen Komponente A in Abhängigkeit von der Zeit t. Für andere Anwendungen können andere Fluidzusammensetzungen gewünscht werden, zum Beispiel aus allen möglichen Komponenten A, B, C und D. Auch ist es möglich, eine zeitlich konstante Fluidzusammensetzung bereitzustellen, zum Beispiel in einem isokratischen Trennmodus.
Die Zuführeinrichtung 25 weist gemäß 2 vier Zuführleitungen 104 bis 107 auf, von denen jede fluidisch mit einer jeweiligen von vier Fluidkomponentenquellen 100 bis 103 zum Bereitstellen einer jeweiligen fluidischen Komponente A bis D fluidisch gekoppelt ist. Eine zum Beispiel als Proportionierventil ausgebildete Proportioniereinrichtung 108 ist zwischen den Zuführleitungen 104 bis 107 und einem Einlass 189 einer primären Kolbenpumpe 111 angeordnet. Die Proportioniereinrichtung 108 ist mittels der Steuereinrichtung 70 zum Modulieren der Zusammensetzung des Fluids aus Paketen der fluidischen Komponenten A bis D stromaufwärts der primären Kolbenpumpe 111 mittels sequenziellen Koppelns ausgewählter der Zuführleitungen 104 bis 107 mit der primären Kolbenpumpe 111 steuerbar.
Dies bedeutet, dass die Steuereinrichtung 70 das Proportionierventil 108 (insbesondere gemäß einem Multiplexerschema) so ansteuert, dass nacheinander Sequenzen von Fluidpaketen einer oder einiger der Komponenten A, B, C und D (zum Beispiel der Komponenten A und B gemäß dem Gradientenprofil 199) durch eine Fluidleitung 98 eines Mischers 92, durch ein Einlassventil 113 und durch den Einlass 189 der primären Kolbenpumpe 111 fließen. Die einzelnen Fluidpakete gelangen zu einem Vereinigungspunkt 87 am Ausgang der Proportioniereinrichtung 108 und werden von dort aus dem Mischer 92 zugeführt. Die Fluidleitung 98 des Mischers 92 ist an den Vereinigungspunkt 87 angeschlossen, an dem die sequenziellen Fluidpakete der Fluide (siehe A, B, C bzw. D) vereinigt werden. Der Mischer 92 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet rein passiv und mischt die bereitgestellten Komponenten A, B, C bzw. D ausschließlich aufgrund des nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitts 99 (siehe zum Beispiel 3 bis 5). Die mit dem Mischer 92 einhergehende fluidische Restriktion kann mit Vorteil vernachlässigbar klein gehalten bleiben.
Die primäre Kolbenpumpe 111 (siehe auch Bezugszeichen „I“), der mittels der Zuführeinrichtung 25 zu pumpendes Fluid mit zeitlich variierender Lösungsmittelzusammensetzung (zum Beispiel entsprechend eines Gradientenlaufs mit an geeigneten Positionen zwischengeordneten Modifizierungssegmenten) packetweise zuführbar ist, weist einen zum Fördern des Fluids in einem primären Kolbenraum 117 reziprozierfähig angeordneten primären Kolben 115 auf. Der primäre Kolben 115 sowie ein zwischen der primären Kolbenpumpe 111 und einer sekundären Kolbenpumpe 112 (siehe auch Bezugszeichen „II“) angeordnetes Fluidventil 114 (in einer fluidischen Verbindungsleitung 187) zum Ermöglichen oder Verunmöglichen einer Fluidkommunikation zwischen den beiden Kolbenpumpen 111, 112 sind ebenfalls mittels der Steuereinrichtung 70 steuerbar. Das Fluidventil 114 kann jedoch auch passiv ausgebildet sein. Der sekundären Kolbenpumpe 112 ist mittels der primären Kolbenpumpe 111 gepumptes Fluid zuführbar, indem die Flüssigkeit das Fluidventil 114 öffnet. Die sekundäre Kolbenpumpe 112 weist einen zum Fördern des Fluids in einem sekundären Kolbenraum 120 reziprozierfähig angeordneten sekundären Kolben 118 auf, der ebenfalls mittels der Steuereinrichtung 70 steuerbar ist und stellt an ihrem Auslass 180 Fluid bereit, das durch eine Fluidleitung 121 zum Injektor bzw. zur Probenaufgabeinheit 40 und schließlich in die Probentrenneinrichtung 30 und dann in den Detektor 50 fließt.
Die Fluidversorgungsvorrichtung 150 dient somit zum Versorgen des Probentrenngeräts 10 (das unter anderem die Probentrenneinrichtung 30 und den Detektor 50 umfasst) zum Trennen einer fluidischen Probe mit mobiler Phase. Die fluidische Probe wird mittels des Injektors bzw. der Probenaufgabeinheit 40 durch eine entsprechende Schaltung des Injektorventils 90 in die mobile Phase eingebracht/eingeführt. Die Fluidversorgungsvorrichtung 150 enthält insbesondere die Fluidfördereinrichtung 20, die zum Fördern der mobilen Phase mit einstellbarer Zusammensetzung eingerichtet ist.
Die Steuereinrichtung 70 dient gemäß 2 zum Steuern des gesamten Probentrenngeräts 10, insbesondere der Kolbenpumpen 111, 112, des Proportionierventils 108, der Ventile 113, 114 und des Injektorventils 90. Die Fluidfördereinrichtung 20 ist gemäß 2 als Hochdruckpumpe zum Fördern der mobilen Phase mit einem Druck von zum Beispiel 1200 bar, eingerichtet.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer als außenseitig kreiszylindrische Kapillare ausgebildeten Fluidleitung 98 eines Mischers 92 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein fluiddurchflossener Durchflussquerschnitt 99 eines Lumens im Inneren einer Wandung 53 der Fluidleitung 98 nichtkreisförmig ausgebildet ist, genauer gesagt gebildet aus einem runden Zentralabschnitt mit zwei entgegengesetzt orientierten U-förmigen Fortsätzen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 weist der Durchflussquerschnitt 99 der Fluidleitung 98 einen (zum Beispiel kreisförmigen) zentralen Abschnitt 91 und einen den zentralen Abschnitt 91 umgebenden peripheren Abschnitt 93 auf. Die Fluidleitung 98 ist infolge dieser Geometrie so ausgebildet, dass eine Fließgeschwindigkeit von Fluid im zentralen Abschnitt 91 höher ist als im peripheren Abschnitt 93. Der periphere Abschnitt 93 weist zwei einander gegenüberliegende nischenartige Bereiche auf, an die ein erheblicher Teil der Innenfläche der Wandung 53 der Fluidleitung 98 angrenzt. Somit weist der Durchflussquerschnitt 99 der Fluidleitung 98 gemäß 3 zwei Ausbuchtungen 97 auf, die den beiden nischenartigen Bereichen des peripheren Abschnitts 93 entsprechen. Die beiden Ausbuchtungen 97 sind jeweils abgerundet, um das Ausbilden von unerwünscht undurchströmten oder schlecht durchströmten Ecken zu vermeiden. Die geometrische Form des Durchflussquerschnitts 99 gemäß 3 kann als Kreisform mit zwei gegenüberliegenden U-förmigen Überständen, als Kreis mit Hantel oder als Ufo-Form bezeichnet werden. Ein größter Durchmesser D des Durchflussquerschnitts 99 kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 1 mm und 2 mm liegen, insbesondere einen Wert von 1,4 mm aufweisen. Ein kleinster Durchmesser d des Durchflussquerschnitts 99 kann zum Beispiel in einem Bereich zwischen 0,3 mm und 1 mm liegen, insbesondere einen Wert von 0,6 mm aufweisen.
Mit Vorteil kann entweder die gesamte Wandung 53 der Fluidleitung 98 oder zumindest eine Innenwand der Fluidleitung 98 ein biokompatibles Material aufweisen oder daraus bestehen. Zum Beispiel kann die Fluidleitung 98 aus einem Kunststoff (zum Beispiel PEEK) oder einer Keramik (zum Beispiel Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid) gebildet werden. Alternativ ist es auch möglich, zumindest eine Innenfläche der Wandung 53 der Fluidleitung 98 mit einem biokompatiblen Material zu beschichten, zum Beispiel mit Gold.
Gemäß 3 ist also ein Durchflussquerschnitt 99 einer als Kapillare ausgebildeten Fluidleitung 98 bereitgestellt, der nichtkreisförmig ist und damit zu einem nichtkreisförmigen Fluidprofil führt. Während ein kreisförmiger Durchflussquerschnitt zu einer niedrigsten bzw. minimalen Dispersion in Längsrichtung führen würde, führt die gezielte Abweichung des Durchflussquerschnitts 99 von einer Kreisform zu einer besonders wirksamen Durchmischung von aufeinanderfolgenden Fluidpaketen in der Fluidleitung 98.
4 zeigt eine Querschnittsansicht einer als außenseitig kreiszylindrische Kapillare ausgebildeten Fluidleitung 98 eines Mischers 92 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein fluiddurchflossener Durchflussquerschnitt 99 eines Lumens im Inneren der Wandung 53 der Fluidleitung 98 nichtkreisförmig ausgebildet ist, genauer gesagt kreuzförmig ausgebildet ist.
Gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Durchflussquerschnitt 99 der Fluidleitung 98 zwischen zwei jeweils benachbarten Ausbuchtungen 97 eine jeweilige Einbuchtung 89 auf. Die Einbuchtungen 89 sind jeweils im radial innersten Bereich abgerundet. In entsprechender Weise sind auch die Ausbuchtungen 97 jeweils im radial äußersten Bereich abgerundet. Dies verhindert schwach durchströmte Bereiche des Durchflussquerschnitts 99. Die Form des Durchflussquerschnitts 99 gemäß 4 kann als abgerundete Kreuzform bezeichnet werden.
Die peripheren Abschnitte 93 definieren ein jeweiliges Verzögerungsvolumen. Dies bedeutet, dass im Bereich der peripheren Abschnitte 93 fließendes Fluid aufgrund der dortigen Engstelle des Durchflussquerschnitts 99 bzw. des dort lokal erhöhten Wandungsflächenanteils eine geringere Fließgeschwindigkeit haben wird als im Zentralvolumen fließendes Fluid, d.h. im Bereich des zentralen Abschnitts 91 lokalisiertes Fluid.
Dies bedeutet, dass das Vorsehen eines zentralen Abschnitts 91 (der sich nicht zwangsläufig in der Mitte eines Durchflussquerschnitts 99 eines Mischers 92 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel befinden muss) und mindestens eines peripheren Abschnitts 93 zu den ausgeprägten Mischeigenschaften maßgeblich beiträgt. Im zentralen Abschnitt 91 ist der Fluss schnell und wird dort fließendes Fluid ein Ende der Fluidleitung 98 früh erreichen. Andere Teile des fließenden Fluids halten sich hingegen in dem entsprechend geformten Verzögerungsvolumen, d.h. in einem jeweiligen peripheren Abschnitt 93, auf. Der Fluss in diesem Bereich hat eine niedrigere Geschwindigkeit. Daher wird dort befindliches Lösungsmittel bzw. Fluid ein Ende der Fluidleitung 98 später erreichen.
Die Kombination aus dem frühen Erreichen des Endes der Fluidleitung 98 durch einen Teil des Fluids und dem späteren Erreichen des Endes der Fluidleitung 98 durch einen anderen Teil des Fluids führt zu einem longitudinalen Mischeffekt.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer als außenseitig kreiszylindrische Kapillare ausgebildeten Fluidleitung 98 eines Mischers 92 gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein fluiddurchflossener Durchflussquerschnitt 99 eines Lumens im Inneren der Wandung 53 der Fluidleitung 98 nichtkreisförmig ausgebildet ist, genauer gesagt sternförmig ausgebildet ist.
Auch die Gestaltung gemäß 5 erlaubt es, dass Konzentrationspulse im Eingangsbereich der Fluidleitung 98 sich über die Zeit bzw. den Raum hinweg wirksam verteilen. Eine optimierte Form für die Wandung 53 der Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt 99 kann zum Beispiel durch Finite-Elemente-Methoden ermittelt werden.
Bei den Ausführungsbeispiel gemäß 3 bis 5 ist der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt 99 jeweils derart ausgebildet, dass die zu mischenden Fluide beim Durchströmen der Fluidleitung 98 eine reine Längsdispersion (d.h. eine Durchmischung in Flussrichtung bzw. Strömungsrichtung durch die Fluidleitung bzw. eine Durchmischung senkrecht zur Papierebene von 3 bis 5) ohne Querdispersion (d.h. keine Durchmischung senkrecht zur Flussrichtung bzw. Strömungsrichtung bzw. keine Durchmischung in der Papierebene von 3 bis 5) erfahren. Insbesondere weist dort jeweils der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt 99 entlang der gesamten Längserstreckung der Fluidleitung 98 eine gleichbleibende Querschnittsfläche und eine gleichbleibende Umfangsform auf. Die Fluide erfahren beim Fließen entlang der Fluidleitung 98 daher annähernd keine Kraftkomponente senkrecht zur Fließrichtung und strömen reibungsarm durch das Lumen. Durch ein Geschwindigkeitsprofil bzw. einen Geschwindigkeitsgradienten, das bzw. der sich innerhalb des Durchflussquerschnitts 99 aufgrund seiner nicht kreisförmigen Geometrie einstellt, kommt es allerdings zu einer wirksamen Längsdurchmischung der Fluidpakete und dadurch zum Ausbilden einer homogenen Fluidzusammensetzung am Ende des Mischers 92.
Der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt 99 der Fluidleitungen 98 gemäß 3 bis 5 weist entlang seines Umfangs jeweils eine alternierende Abfolge von konkaven Abschnitten (zugeordnet den Ausbuchtungen 93) und konvexen Abschnitten (zugeordnet den Abschnitten zwischen zwei jeweiligen Ausbuchtungen 93) auf. Diese Geometrie führt zu einem besonders starken Geschwindigkeitsprofil in Umfangsrichtung.
Ferner weist bei den Ausführungsbeispielen von 3 bis 5 die Fluidleitung 98 jeweils eine im Querschnitt kreislinienförmige Außenwandung 85 auf. Dadurch hat die Fluidleitung 98 nach außen in die Eigenschaften einer herkömmlichen Kapillare und kann daher mittels üblicher Fittings (die zum Beispiel ausgestaltet sein können wie in WO 2010/000324 A1 offenbart) oder dergleichen mit anderen Fluidbauteilen fluidisch gekoppelt werden.
6 zeigt ein Diagramm 200, das eine Mischwirkung eines Mischers 92 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel mit einer herkömmlichen Fluidleitung 201 mit kreisförmigem Durchflussquerschnitt vergleicht. Entlang einer Abszisse 202 des Diagramms 200 ist der Fluss bzw. die Zeit aufgetragen. Entlang einer Ordinate 204 des Diagramms 200 ist die Konzentration eines bestimmten Fluids aufgetragen.
Eine erste Kurve 206 zeigt ein Fluidpaket 207 (zum Beispiel ein Paket Ethanol zwischen zwei Wasserpaketen) als fluidischer Eingangspuls, der im Bereich eines Eingangs einer Fluidleitung zugeführt wird. Somit zeigt die erste Kurve 206 die Konzentration eines Lösungsmittelpfropfens an einem Eingang einer Fluidleitung.
Eine zweite Kurve 208 zeigt, wie sich das Fluidpaket 207 räumlich bzw. zeitlich verändert, wenn dieses sich durch die herkömmliche Fluidleitung 201 mit kreisförmigem Durchflussquerschnitt hindurchbewegt. Lediglich an einer Vorderflanke und an einer Hinterflanke des Fluidpakets 207 kommt es zu einer geringen Interaktion von Ethanol und Wasser. Das Fluidpaket 207 ist aber auch im Bereich des Endes der Fluidleitung 201 weiterhin als schmaler Puls vorhanden und somit schlecht mit dem umgebenden Wasser vermischt. Somit zeigt die zweite Kurve 208 die Konzentration am Ausgang der Fluidleitung 201 mit kreisförmigem Durchflussquerschnitt.
Eine dritte Kurve 210 zeigt, wie sich das Fluidpaket 207 räumlich bzw. zeitlich verändert, wenn dieses durch eine Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt 99 hindurch bewegt, der im Wesentlichen der Geometrie von 4 entspricht. durch die umfänglich stark unterschiedlichen Fließgeschwindigkeit kommt es zu einer erheblichen Durchmischung des aus Ethanol gebildeten Fluidpakets 207 mit umgebendem Wasser, sodass eine relativ homogene Fluidzusammensetzung am Ausgang der Fluidleitung 98 erreicht werden kann. Die dritte Kurve 210 zeigt also das Konzentrationsprofil am Ausgang der Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt 99.
Das Ausmaß der Ausbreitung, Erweiterung, Verteilung oder Spreizung bzw. Vermischung der einzelnen Fluide (Wasser und Ethanol im beschriebenen Beispiel) kann entsprechend der Bedürfnisse einer jeweiligen Anwendung eingestellt bzw. modifiziert werden, indem die Geometrieparameter (zum Beispiel Länge und Breite von Ausbuchtungen bzw. Einbuchtungen, etc.) der Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt 99 entsprechend justiert werden.
7 zeigt einen Mischer 92 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel, bei dem zu mischendes Fluid aufspaltungsfrei entlang einer unverzweigten Fluidleitung 98 fließt.
Bei dem Mischer 92 gemäß 7 können die zu mischenden Fluide zwischen einem Eingang 171 und einem Ausgang 173 des Mischers 92 ohne Aufspaltung in räumlich getrennte Teilflüsse geradlinig entlang der Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt 99 geführt werden. Die Fluidleitung 98 hat nur ein einziges Lumen. Der Mischer 92 gemäß der beschriebenen Ausführungsform kann besonders kompakt und einfach gefertigt werden, zum Beispiel mittels Extrudierens. Gleichzeitig kann der Mischer 92 gemäß 7 eine ausgezeichnete Mischperformance sicherstellen.
8 zeigt einen Mischer 92 gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel, bei dem zu mischendes Fluid entlang einer verzweigten Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt 99 fließt und die Mischwirkung zudem dadurch verstärkt wird, dass das Fluid zunächst in unterschiedliche Teilflüsse aufgespalten wird und die Teilflüsse dann wieder miteinander vereinigt werden.
Genauer gesagt werden bei dem Mischer 92 gemäß 8 die zu mischenden Fluide an einer Aufspaltstelle 175 (zum Beispiel stromabwärts einer Proportioniereinrichtung 108) an einem Eingang 171 oder stromabwärts eines Eingangs 171 des Mischers 92 in mehrere räumlich getrennte Teilflüsse aufgespalten. Einzelne Teilflüsse fließen dann in fluidisch parallele Leitungsabschnitte 191 unterschiedlicher Längen. Jeder der Leitungsabschnitte 191 hat ein separates Lumen. Der in die verschiedenen Teilflüsse aufgespaltene Gesamtfluss der Fluide wird dann an einer Vereinigungsstelle 177 stromabwärts der Aufspaltstelle 175 und an einem Ausgang 173 oder stromaufwärts eines Ausgangs 173 des Mischers 92 (sowie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel stromaufwärts einer Fluidfördereinrichtung 20) zu einem gemeinsamen Fluss vereinigt. Von den fünf Leitungsabschnitten 191 gemäß 8 hat der zentrale eine kürzeste Länge, die beiden äußersten eine größte Länge und die beiden dazwischen angeordneten eine mittlere Länge. Jeder der Leitungsabschnitte 191 hat einen nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitt 99, zum Beispiel in der in 3 bis 5 dargestellten Weise. Sowohl die nichtkreisförmigen Durchflussquerschnitte 99 der Leitungsabschnitte 191 als auch die unterschiedlichen Längen der einzelnen Leitungsabschnitte 191 führen zu unterschiedlichen Fließzeiten der Teilflüsse der Fluide und von Teilen dieser Teilflüsse mit Fließtrajektorien in unterschiedlichen Flächenbereichen der Durchflussquerschnitte 99. Dies führt zu einer besonders starken Mischwirkung.
Das System gemäß 8 weist zwei (in 8 schematisch dargestellte) Fittings 86 auf, jeweils ein Fitting 86 an einem jeweiligen von zwei gegenüberliegenden Enden der Fluidleitung 98. Mittels der Fittings 86 ist die Fluidleitung 98 an ihrem einen Ende mit der Proportioniereinrichtung 108 (als Beispiel für ein beliebiges Fluidbauteil) und an ihrem anderen Ende mit dem Fluidantrieb 20 (als Beispiel für ein anderes beliebiges Fluidbauteil) fluidisch gekoppelt. Die Fluidleitung 98 kann daher gehandhabt werden wie eine herkömmliche Kapillare, hat aber eine ausgeprägte integrierte Mischfunktion.
9 zeigt eine Fluidleitung 98 mit nichtkreisförmigem multiradialem Durchflussquerschnitt 99 und kreislinienförmigem Außenumfang 85 eines Mischers 92 gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Unter einem nichtkreisförmigen multiradialen Durchflussquerschnitt 99 wird in diesem Zusammenhang der in 9 dargestellte Durchflussquerschnitt 99 verstanden, der in Umfangsrichtung bogenförmige Abschnitte unterschiedlicher Radien aufweist. Gemäß 9 ist der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt 99 der Fluidleitung 98 entlang seines Umfangs also von einer Vielzahl von Abschnitten unterschiedlicher Radien begrenzt. Die resultierende starke radiale Inhomogenität oder Unordnung in Umfangsrichtung fördert wirksam die Durchmischung der senkrecht zur Papierebene von 9 strömenden Fluide mit im Wesentlichen reiner Längsdispersion.
Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0309596 B1 [0002]
US 2017/0160244 [0004]
WO 2013/090141 [0004]
JP 2010082533 [0004]
WO 2010/000324 A1 [0078]

Claims

Mischer (92) zum Mischen von aufeinanderfolgenden Paketen (94, 96) von unterschiedlichen Fluiden, wobei der Mischer (92) eine Fluidleitung (98) mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt (99) aufweist, der die aufeinanderfolgenden Pakete (94, 96) der zu mischenden Fluide zuführbar sind.
Mischer (92) gemäß Anspruch 1, wobei der Durchflussquerschnitt (99) der Fluidleitung (98) einen zentralen Abschnitt (91) und einen den zentralen Abschnitt (91) umgebenden peripheren Abschnitt (93) aufweist, die derart ausgebildet sind, dass eine Fließgeschwindigkeit von Fluid im zentralen Abschnitt (91) höher ist als im peripheren Abschnitt (93).
Mischer (92) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Durchflussquerschnitt (99) der Fluidleitung (98) eine Mehrzahl von Ausbuchtungen (97) aufweist.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Form des Durchflussquerschnitts (99) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer elliptischen Form, einer ovalen Form, einer Sternform, einer Kreuzform und einer Kreisform mit zwei gegenüberliegenden und im Wesentlichen U-förmigen Überständen.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 4, wobei zumindest eine Innenwand der Fluidleitung (98) ein biokompatibles Material, insbesondere einen Kunststoff oder eine Keramik, aufweist oder daraus besteht.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Fluidleitung (98) über ihre gesamte Länge (L) hinweg einen konstanten Durchflussquerschnitt (99) aufweist, insbesondere konstant in Hinblick auf Form und/oder Fläche.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Durchflussquerschnitt (99) und eine Länge (L) der Fluidleitung (98) konfiguriert sind, dass nach Durchlaufen der Fluidleitung (98) zwei an einem Eingang (81) der Fluidleitung (98) aufeinanderfolgende Pakete (94, 96) aus unterschiedlichen Fluiden an einem Ausgang (83) der Fluidleitung (98) homogen durchmischt sind.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei ein maximaler Außendurchmesser (D) des Durchflussquerschnitts (99) kleiner als 2 mm ist; wobei ein minimaler Außendurchmesser (d) des Durchflussquerschnitts (99) kleiner als 1 mm ist; wobei eine Länge (L) der Fluidleitung (98) mindestens 50 mm beträgt, insbesondere mindestens 100 mm beträgt.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zu mischenden Fluide zwischen einem Eingang (171) und einem Ausgang (173) des Mischers (92) ohne Aufspaltung in räumlich getrennte Teilflüsse entlang der Fluidleitung (98) mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt (99) führbar sind.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 8, wobei die zu mischenden Fluide an einer Aufspaltstelle (175) an einem Eingang (171) oder stromabwärts eines Eingangs (171) des Mischers (92) in mehrere räumlich getrennte Teilflüsse aufspaltbar sind und an einer Vereinigungsstelle (177) stromabwärts der Aufspaltstelle (175) und an einem Ausgang (173) oder stromaufwärts eines Ausgangs (173) des Mischers (92) zu einem gemeinsamen Fluss vereinigbar sind.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 10, wobei der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt (99) derart ausgebildet ist, dass die zu mischenden Fluide beim Durchströmen der Fluidleitung (98) eine im Wesentlichen reine Längsdispersion erfahren.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 11, wobei der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt (99) der Fluidleitung (98) entlang seines Umfangs von einer Vielzahl von Abschnitten unterschiedlicher Radien begrenzt ist.
Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 12, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei die Fluidleitung (98) eine im Querschnitt kreislinienförmige Außenwandung (85) aufweist; aufweisend mindestens ein Fitting (86) an mindestens einem Ende der Fluidleitung (98), insbesondere ein jeweiliges Fitting (86) an jedem von zwei gegenüberliegenden Enden der Fluidleitung (98); wobei die Fluidleitung (98) ein nur ein einziges Lumen aufweist; wobei der nichtkreisförmige Durchflussquerschnitt (99) der Fluidleitung (98) entlang seines Umfangs eine alternierende Abfolge von konkaven Abschnitten und konvexen Abschnitten aufweist.
Fluidversorgungsvorrichtung (150) zum Bereitstellen einer Mischung aus mehreren unterschiedlichen Fluiden, wobei die Fluidversorgungsvorrichtung (150) aufweist: eine Mehrzahl von Zuführleitungen (104 bis 107), von denen jede fluidisch mit einer jeweiligen von einer Mehrzahl von Fluidkomponentenquellen (100 bis 103) zum Bereitstellen eines jeweiligen der Fluide fluidisch gekoppelt ist; eine Proportioniereinrichtung (108) zum Proportionieren von mittels der Zuführleitungen (104 bis 107) zugeführten Paketen (94, 96) des jeweiligen der Fluide; einen Mischer (92) gemäß einen der Ansprüche 1 bis 13, dessen Fluidleitung (98) an oder stromabwärts von einem Vereinigungspunkt (87) angeordnet ist, an dem die Pakete (94, 96) der Fluide vereinigt werden.
Fluidversorgungsvorrichtung (150) gemäß Anspruch 14, aufweisend eine Fluidfördereinrichtung (20), die zum Fördern der Fluide eingerichtet ist.
Fluidversorgungsvorrichtung (150) gemäß Anspruch 15, aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: wobei die Fluidfördereinrichtung (20) zum Fördern der Fluide mit einem hohen Druck eingerichtet ist; wobei die Fluidfördereinrichtung (20) zum Fördern der Fluide mit einem Druck von mindestens 500 bar, insbesondere mindestens 1200 bar, eingerichtet ist; wobei die Fluidfördereinrichtung (20) aus einer Gruppe ausgewählt ist, die besteht aus einer Binärpumpe, einer Quaternärpumpe und einer Mehrkanalpumpe.
Probentrenngerät (10) zum Trennen einer fluidischen Probe, wobei das Probentrenngerät (10) aufweist: eine Fluidversorgungsvorrichtung (150) gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16 zum Bereitstellen einer mobilen Phase in Form der Mischung, in welche die fluidische Probe zu injizieren ist; eine Probentrenneinrichtung (30), die zum Trennen der in die mobile Phase injizierten fluidischen Probe in Fraktionen eingerichtet ist.
Probentrenngerät (10) gemäß Anspruch 17, ferner aufweisend zumindest eines der folgenden Merkmale: die Probentrenneinrichtung (30) ist als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet; das Probentrenngerät (10) ist zum Analysieren von zumindest einem physikalischen, chemischen und/oder biologischen Parameter von zumindest einer Fraktion der fluidischen Probe konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist zumindest eines aus der Gruppe auf, die besteht aus einem Gerät zur chemischen, biologischen und/oder pharmazeutischen Analyse, einem Flüssigkeitschromatografiegerät und einem HPLC-Gerät; das Probentrenngerät (10) ist als mikrofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) ist als nanofluidisches Gerät konfiguriert; das Probentrenngerät (10) weist einen Detektor (50) zum Detektieren der getrennten Fraktionen auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Injektor (40) zum Injizieren der fluidischen Probe in die mobile Phase auf; das Probentrenngerät (10) weist einen Probenfraktionierer zum Fraktionieren der getrennten Fraktionen auf.
Verfahren zum Mischen von aufeinanderfolgenden Paketen (94, 96) von unterschiedlichen Fluiden, wobei bei dem Verfahren einer Fluidleitung (98) mit nichtkreisförmigem Durchflussquerschnitt (99) die aufeinanderfolgenden Pakete (94, 96) der zu mischenden Fluide zugeführt werden.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die aufeinanderfolgenden Pakete (94, 96) aus unterschiedlichen Fluiden durch die Fluidleitung (98) gepumpt werden, so dass nach Durchlaufen der Fluidleitung (98) die an einem Eingang (81) der Fluidleitung (98) aufeinanderfolgenden Pakete (94, 96) aus den unterschiedlichen Fluiden an einem Ausgang (83) der Fluidleitung (98) durchmischt sind.