DE10305102A1 - Mikrofluidik-Einrichtung - Google Patents

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Abstract

Zur Überwachung der Abnutzung einer Mikrofluidik-Einrichtung mit Fluidkanälen (7) sind diesen Sensoren (9) zur Erfassung durchflussrelevante Größen zugeordnet. Ein Einrichtung (13) speichert die Werte der erfassten Größen und eine Vergleichseinrichtung (14) vergleicht die Werte der erfassten Größen mit bereits abgespeicherten früheren Werten. Eine Auswerteeinrichtung (15) erzeugt eine Meldung, wenn die Abweichung zwischen den miteinander verglichenen Werten ein vorgegebenes Maß übersteigt.

Description

  • Mikrofluidische Anlagen und ihre Komponenten (Ventile, Pumpen, Reaktoren) sind aufgrund der geringen Durchmesser (< 1 mm) der in ihnen enthaltenen Fluidkanäle extrem empfindlich sowohl gegen Verstopfungen als auch gegen Abrasion. Während in konventionellen Anlagen eine Abrasion von einigen Mikrometern in der Regel vernachlässigbar ist, kann dies z. B. bei Mikrozahnradpumpen mit Spaltweiten von 2 bis 3 μm zum Versagen der Komponenten führen. Entsprechendes gilt nicht nur für den Abtrag von Material sondern auch für Ablagerungen. Bekannt sind Ablagerungen z. B. aus Wärmeübertragern (sog. Fouling) die unter anderem die Effektivität des Wärmeübergangs stören. In Mikrowärmeübertragern sind die gleichen Effekte zu erwarten, nur dass diese zur Blockade einzelner oder aller Fluidkanäle führen. Berücksichtigt man, dass Mikroreaktoren insbesondere auch für extreme exotherme Reaktionen, explosive Gemische oder toxische Chemikalien eingesetzt werden, so wird verständlich, dass frühzeitig erkannt werden muss, wenn eine sichere Temperierung aufgrund der Verstopfung von Wärmeübertragern nicht mehr gewährleistet werden kann. Zur Durchsatzerhöhung sind in Mikroreaktoren und Mikroapparaturen häufig Fluidkanäle parallel geschaltet. Eine Gleichverteilung der Fluide auf diese Fluidkanäle wird durch deren relativ hohen Strömungswiderstand erreicht. Werden nun einzelne Fluidkanäle blockiert, so wird die Verweilzeitverteilung im Reaktor aufgeweitet, wodurch die Selektivität der Reaktion sinkt. Schließlich sollen mikrofluidische Anlagen als Mehrproduktanlagen eingesetzt werden können, mit denen in unterschiedlichen Nutzungsphasen unterschiedliche Produkte, aber auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten die gleichen Produkte nach einem vorgegebenen Rezept produziert werden können. Dazu ist es aber notwendig, dass diese Anlagen nicht aufgrund von Ablagerungen oder Abrasion erheblich voneinander abweichen, so dass der Grad der Abnutzung diagnostiziert werden muss.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Diagnose der Abnutzung bei mikrofluidischen Anlagen zu ermöglichen.
  • Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Mikrofluidik-Einrichtung mit Fluidkanälen, diesen zugeordneten Sensoren zur Erfassung strömungsrelevanter Größen, eine Speichereinrichtung zur Speicherung der Werte der erfassten strömungsrelevanten Größen, einer Vergleichseinrichtung zum Vergleich der Werte der erfassten Größen mit bereits abgespeicherten früheren Werten und mit einer Auswerteeinrichtung zur Erzeugung einer Meldung bei einer ein vorgegebenes Maß übersteigenden Abweichung zwischen den miteinander verglichenen Werten.
  • Bei den Sensoren kann es sich um Durchflusssensoren zur Erfassung des Durchflusses in den Fluidkanälen oder um Differenzdrucksensoren zur Erfassung von Druckdifferenzen an unterschiedlichen Stellen der Fluidkanäle handeln. In besonders vorteilhafter Weise sind Drucksensoren zur Erfassung des Fluiddrucks in den Fluidkanälen vorgesehen, wobei als abzuspeichernde und miteinander zu vergleichende Werte die Differenzwerte der von den Drucksensoren an unterschiedlichen Stellen der Fluidkanäle erfassten Drücke herangezogen werden. Im einfachsten Fall werden die Druckdifferenzen an den Fluideingängen und Fluidausgängen der Mikrofluidik-Einrichtung und somit der Druckabfall in der Mikrofluidik-Einrichtung erfasst.
  • Eine zunehmende Verschmutzung oder Verstopfung der Fluidkanäle der Mikrofluidik-Einrichtung wird dadurch diagnostiziert, dass bei unveränderten Rahmenbedingungen der Fluiddurchfluss abnimmt bzw. der Druckabfall über der Mikrofluidik-Einrichtung zunimmt. Umgekehrt wird eine Abrasion durch eine Erhöhung des Fluiddurchflusses und eine Abnahme des Druckabfalls detektiert. Dabei sind mehrere Typen von Mikrofluidik-Einrichtungen zu unterscheiden:
    • a) Bei Einrichtungen ohne Regelventile oder Pumpen, wie z. B. Mischer- und Verweilermodule, ist der Druckverlust von Betriebsparametern der Einrichtung, wie den Kanalgeometrien (Länge, Durchmesser, Querschnittsform), der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids und der dynamischen Viskosität des Fluids (Art des Fluids, Fluidtemperatur, Druck) abhängig. Steigende Druckverluste lassen auf Verstopfungen schließen, wogegen sinkende Druckverluste auf Abrasion zurückzuführen sind. Soweit Mehrwegventile vorhanden sind, müssen diese hierfür geöffnet sein.
    • b) Bei Mikrofluidik-Einrichtungen mit Regelventilen, z. B. Nadelventilen, erzeugen diese durch das Öffnen und Schließen des Ventilweges definierte Druckverluste. In diesem Fall ist neben den unter a) genannten Betriebsparameter noch die Ventilstellung zu berücksichtigen. Bei offenem Ventil können die Fluidkanäle wie oben beschrieben auf Abrasion und Ablagerungen geprüft werden, während das Ventil im geschlossenen Zustand auf Dichtheit geprüft werden kann.
    • c) Bei Mikrofluidik-Einrichtungen mit Pumpen muss die erzielte Drucksteigerung bzw. der erzielte Fluiddurchfluss bestimmt werden, wobei die zu berücksichtigenden Betriebsparameter je nach Pumpentyp unterschiedlich sein können. Werden z. B. Zahnradpumpen getestet, so muss neben den unter a) angeführten Betriebsparameter auch die Pumpendrehzahl berücksichtigt werden. Besonders ist hier auf die Verwendung gasfreier Flüssigkeiten zu achten, da die Pumpenleistung von Zahnradpumpen bei Gasen extrem stark abfallen kann. Hinzu kommt die Temperatur des Pumpenkopfs. Wird eine kalte Zahnradpumpe in Betrieb genommen, so kann sich der Pumpenkopf erwärmen, auch wenn Fluide mit Umgebungstemperatur gepumpt werden. Dadurch werden die Spalte zwischen den Zahnrädern kleiner und die Pumpleistung steigt bei ansonsten unveränderten Parametern
    • an. In diesem Fall ist also sicherzustellen, dass die Erfassung der durchflussrelevanten Größen wirklich in stationärem Zustand durchgeführt wird. Bei Zahnradpumpen kann der Abnutzungszustand statt über die erzeugte Druckdifferenz auch über Änderungen bei der Leistungsaufnahme ermittelt werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass druckseitig keine Schwankungen auftreten, was zum Beispiel der Fall sein kann, wenn zwei Pumpen fluidisch über einen Mikromischer gekoppelt sind.
  • Für die Durchführung der Diagnose der Mikrofluidik-Einrichtung lassen sich drei Zustände, nämlich Neuzustand, Startzustand und aktueller Zustand, unterscheiden. Im Neuzustand werden die durchflussrelevanten Größen, insbesondere der Druckabfall vor der ersten Benutzung der Mikrofluidik-Einrichtung ermittelt. Der Startzustand beschreibt den Zustand bei Beginn jeder neuen Nutzungsphase und im aktuellen Zustand wird der Druckabfall überwacht, um die Abnutzung, also Ablagerungen oder Abrasion zu erkennen.
  • Im Neuzustand kann der Druckabfall der Mikrofluidik-Einrichtung unter definierten Bedingungen (Druck, Durchfluss, Temperatur des Fluids, Fluidart wie z. B. Wasser) ermittelt und in der Speichereinrichtung der Mikrofluidik-Einrichtung abgespeichert werden ("Wassertest").
  • Bei Beginn einer neuen Nutzung, nachdem die Mikrofluidik-Einrichtung früher bereits benutzt worden war, wird der Druckabfall im Startzustand zunächst mit dem Wassertest ermittelt. Wird dieses Ergebnis mit dem Druckabfall im Neuzustand verglichen, so kann daraus der Grad der Abnutzung bestimmt werden. Auch diese Druckabfälle werden in der Speichereinrichtung abgespeichert. Anschließend kann die Mikrofluidik-Einrichtung mit den tatsächlich benötigten Edukten und den entsprechenden Betriebsparametern betrieben werden. Zu Beginn der Produktion, wenn der gewünschte stationäre Betriebszustand erreicht ist, wird der Druckabfall im Startzustand, jetzt allerdings mit den realen Produktionsparametern, erneut ermittelt und in der Speichereinrichtung abgespeichert.
  • Im laufenden Betrieb (aktueller Zustand) werden die Druckabfälle laufend überwacht und ausgewertet. Im Vergleich zu den Druckabfällen im Startzustand mit realen Produktionsparametern kann auf den weiteren Abnutzungsgrad geschlossen werden. Dieser durch die momentane Nutzung hervorgerufene Abnutzungsgrad und der bereits beim Start der Nutzung anhand des Wassertests ermittelte Abnutzungsgrad ergeben den Gesamtabnutzungsgrad der Mikrofluidik-Einrichtung. Bei einer Automatisierung der Mikrofluidik-Einrichtung kann die Ermittlung der Druckabfälle der einzelnen Zustände im Rahmen von automatisierten Betriebsarten, wie z. B. Anfahren, Produktivbetrieb, Abfahren usw. automatisch erfolgen. Für die Ermittlung der Druckabfälle im Neuzustand oder für zusätzliche manuell anzustoßende Wassertests kann eine eigene Betriebsart eingeführt werden.
  • Durch die Speicherung der Werte der erfassten Größen, hier der Druckabfälle, in den verschiedenen Zuständen der Mikrofluidik-Einrichtung, z. B. eines Mikrofluidik-Moduls, ist sichergestellt, dass diese Daten auch über den gesamten Lebenslauf des Moduls diesem eindeutig zugeordnet werden können, auch wenn das Modul in verschiedenen Anlagenkonfigurationen eingesetzt wird.
  • Die erfindungsgemäße Überwachung und Diagnose der Mikrofluidik-Einrichtung ermöglicht nicht nur das bloße Erkennen von Abnutzung sondern auch die Vorhersage, wie lange eine Nutzung noch möglich ist. Hier können zwei Fälle unterschieden werden. Im ersten Fall wird aufgrund des Wassertests im Neuzustand und des Wassertests vor einer erneuten Nutzung, z. B. Produktion, der Abnutzungsgrad ermittelt und die verbleibende Restnutzungsdauer vorhergesagt. Basis dafür sind die Gesamtbetriebszeit der Mikrofluidik-Einrichtung und der aktuelle Abnutzungsgrad, aus denen die verbleibende Restnutzungsdauer berechnet werden kann. Damit kann ein Anwender z. B. vor dem Produktionsstart entscheiden, ob die verwendete Einrichtung für einen geplanten Produktiveinsatz über eine bestimmte Dauer noch geeignet ist. Im zweiten Fall wird im laufenden Betrieb ebenfalls die verbleibende Restnutzungsdauer ständig berechnet, wobei hierzu zusätzlich die momentanen Betriebsparameter herangezogen werden, wodurch die Vorhersage genauer wird.
  • Bei der oben beschriebenen Vorgehensweise ist für jeden produktiven Einsatz der Mikrofluidik-Einrichtung ein Wassertest notwendig. Werden jedoch beim ersten Wassertest unter Variation der Betriebsparameter Kennlinienfelder ermittelt, die es erlauben, die Druckabfälle unter den realen Produktionsbedingungen zu ermitteln, so kann dieser zusätzlicher Wassertest entfallen.
  • Bei der Mikrofluidik-Einrichtung kann es sich um eine komplette mikrofluidische Anlage, um einzelne Mikrofluidik-Module oder um Modulkombinationen von mehreren in Reihe und/oder in Serie geschalteten Mikrofluidik-Modulen handeln. Im Falle von Mikrofluidik-Modulen weist vorzugsweise jedes einzelne Modul jeweils eigene Sensoren und eine eigene Speichereinrichtung, Vergleichseinrichtung und Auswerteeinrichtung auf. Die Sensoren erfassen dabei vorzugsweise Eingangs- und Ausgangsgrößen der Module, wobei zur Reduzierung des Sensoraufwandes vorzugsweise an jedem Modul entweder nur die Eingangsgrößen oder nur die Ausgangsgrößen erfasst werden und als Ersatz für die Ausgangsgrößen bzw. die Eingangsgrößen die an einem nachgeordneten Modul erfassten Eingangsgrößen bzw. die an einem vorgeordneten Modul erfassten Ausgangsgrößen herangezogen werden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen, die ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Einrichtung zeigt.
  • Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Mikrofluidik-Einrichtung aus mehreren in Reihe geschalteten Mikrofluidik-Modulen 1, 2, 3, 4, die an ihren Fluideingängen 5 und Fluidausgängen 6 miteinander verbunden sind. Zwischen den Fluideingängen 5 und den Fluidausgängen 6 erstrecken sich innerhalb jedes Moduls 1 bis 4 Fluidkanäle 7, in deren Verlauf Funktionseinheiten, wie z. B. ein Mischer 8 angeordnet sein können. Im Bereich der Fluideingänge 5 sind den einzelnen Fluidkanälen 7 Drucksensoren 9 zugeordnet, die den Fluiddruck in den Fluidkanälen 7 erfassen. Die Drucksensoren 9 sind an einer moduleigenen Recheneinrichtung 10 angeschlossen, die über eine Busverbindung 11 auch die Werte der von den Drucksensoren 9 in dem nachfolgenden Modul erfassten Fluiddrücke erhält und in einer Subtrahiereinrichtung 12 die Differenzwerte der beispielsweise von den Drucksensoren 9 der Module 2 und 3 erfassten Drücke bildet. Die Druckdifferenzwerte werden in einer Speichereinrichtung 13 abgelegt und gleichzeitig einer Vergleichseinrichtung 14 zugeführt wo sie mit den zu einem früheren Zeitpunkt in der Speichereinrichtung 13 abgelegten Differenzdruckwerten verglichen werden. Eine nachgeordnete Auswerteeinrichtung 15 wertet das von der Vergleichseinrichtung 14 kommende Vergleichsergebnis unter zusätzlicher Berücksichtigung von Betriebsparametern des Moduls 2 aus und erzeugt eine Meldung, wenn die Abweichung zwischen den miteinander verglichenen Werten ein vorgegebenes Maß übersteigt und somit auf eine erhöhte Abnutzung hinweist. Die Meldung kann über den Datenbus 11 an eine zentrale Überwachungseinrichtung 16 übertragen werden. Die Betriebsparameter, wie z. B. Geometrien der Fluidkanäle 7, Art der Fluide, Fluidtemperatur, können, soweit möglich, mittels weiterer Sensorik gemessen oder an der Überwachungseinrichtung 16 eingegeben und über die Busverbindung 11 an die einzelnen Module 1 bis 4 übertragen und dort in der Speichereinrichtung 13 abgespeichert werden. Die Ergebnisse der Auswertung durch die Auswerteeinrichtung 15, insbesondere der berechnete Abnutzungsgrad bzw. die Restnutzungsdauer, werden ebenfalls in der Speichereinrichtung 13 abgespeichert.

Claims (8)

  1. Mikrofluidik-Einrichtung mit Fluidkanälen (7), diesen zugeordneten Sensoren (9) zur Erfassung durchflussrelevanter Größen, einer Speichereinrichtung (13) zur Speicherung der Werte der erfassten Größen, einer Vergleichseinrichtung (14) zum Vergleich der Werte der erfassten Größen mit bereits abgespeicherten früheren Werten und mit einer Auswerteeinrichtung (15) zur Erzeugung einer Meldung bei einer ein vorgegebenes Maß übersteigenden Abweichung zwischen den miteinander verglichenen Werten.
  2. Mikrofluidik-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (9) Durchflusssensoren zur Erfassung des Durchflusses in den Fluidkanälen (7) sind.
  3. Mikrofluidik-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (9) Differenzdrucksensoren zur Erfassung von Differenzdrücken des Fluids an unterschiedlichen Stellen der Fluidkanäle (7) sind.
  4. Mikrofluidik-Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (9) Drucksensoren zur Erfassung des Fluiddrucks in den Fluidkanälen (7) sind und dass als abzuspeichernde und miteinander zu vergleichende Werte die Differenzwerte von den Drucksensoren an unterschiedlichen Stellen der Fluidkanäle (7) erfassten Drücke herangezogen werden.
  5. Mikrofluidik-Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte zusammen mit Betriebsparametern der Mikrofluidik-Einrichtung abgespeichert sind und dass die Weiterverarbeitung der Werte in der Vergleichseinrichtung (14) und/oder Auswerteeinrichtung (15) in Abhängigkeit von den Betriebsparametern erfolgt.
  6. Mikrofluidik-Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (15) aus der Abweichung zwischen den miteinander verglichenen Werten die Abnutzung der Mikrofluidik-Einrichtung und/oder deren Restnutzungsdauer berechnet.
  7. Mikrofluidik-Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie unterschiedliche Mikrofluidik-Module (1, 2, 3, 4) umfasst, wobei jedes Modul (1 bis 4) jeweils eigene Sensoren (9) und eine eigene Speichereinrichtung (13), Vergleichseinrichtung (14) und Auswerteeinrichtung (15) aufweist.
  8. Mikrofluidik-Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (9) durchflussrelevante Eingangs- und Ausgangsgrößen der Module (1 bis 4) erfassen, wobei an jedem Modul (z. B. 2) entweder nur die Eingangsgrößen oder nur die Ausgangsgrößen erfasst werden und als Ersatz für die Ausgangsgrößen bzw. die Eingangsgrößen die an einem nachgeordneten Modul (z. B. 3) erfassten Eingangsgrößen bzw. die an einem vorgeordneten Modul erfassten Ausgangsgrößen herangezogen werden.
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