DE10323090A1

DE10323090A1 - Modulares chemisches Mikroreaktionssystem sowie Verfahren hierfür

Info

Publication number: DE10323090A1
Application number: DE2003123090
Authority: DE
Inventors: Jens Dr.rer.nat. Panitzky; Görge Dr.-Ing. Deerberg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-16
Anticipated expiration: 2023-05-17
Also published as: DE10323090B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares chemisches Mikroreaktionssystem sowie ein Verfahren hierfür. Das Verfahren ist ein Verfahren zur Simulation und Steuerung eines modularen chemischen Mikroreaktionssystems mit mindestens einer Mikrosystemkomponente in Form eines Reaktionsraumes mit einem Volumen kleiner 500 mul sowie mindestens einem Vorlagenbehälter für Edukte, Sensoren für physikalische und/oder chemische Größen der Mikrosystemkomponenten und/oder der Vorlagenbehälter, wobei die Mikrosystemkomponenten und die Vorlagenbehälter zum Stoffaustausch über Verbindungsleitungen und steuerbare Ventile miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass physikalische und/oder reaktionstechnische Kenngrößen der einzelnen Mikrosystemkomponenten gespeichert werden, von den Sensoren Messwerte erfasst werden, zur Erzielung einer vorbestimmten Reaktion unter Berücksichtigung der gespeicherten Kenngrößen der Systemkomponenten sowie physikalischer und/oder chemischer Reaktionsparameter geeignete Betriebsparameter des Systems simuliert werden, sowie die Komponenten des Mikrosystems entsprechend den ermittelten Betriebsparametern des Systems gesteuert werden, wobei die gespeicherten Kenngrößen aufgrund der bei Durchführung einer Reaktion erfassten Messwerte verändert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein modulares chemisches Mikroreaktionssystem sowie ein Verfahren zur Simulation und Steuerung eines derartigen Mikroreaktionssystems.

Chemische Mikroreaktionssysteme werden insbesondere bei der Produktion geringer Mengen von Chemikalien oder gefährlicher Chemikalien verwendet. Sie dienen auch der Ermittlung einer optimierten Prozessauslegung und Prozesssteuerung.

Für die Herstellung bestimmter Stoffe bzw. Stoffgemische werden chemische Mikrosysteme insbesondere vor dem Hintergrund einer effizienten und betriebssicheren Reaktionsführung eingesetzt. Hiermit können auch wirtschaftliche Vorzüge verbunden sein, insbesondere bei der Produktion gefährlicher und nur in geringer Mengen zu produzierender Stoffe bzw. Stoffgemische. Erst modular betriebene chemische Mikrosysteme mit zu diesem Zweck in geeigneter Weise gekoppelten Mikrosystemkomponenten ermöglichen eine hinreichende Funktionalität und Flexibilität, um eine gezielte Durchführung einer größeren Anzahl unterschiedlicher chemischer Herstellungsverfahren zu gewährleisten. Letzteres kann infolge einer nach Vorgabe des Herstellungsverfahrens veränderten Kopplung der jeweiligen Mikrosystemkomponenten eines jeweiligen modularen Mikrosystems erzielt werden. Eine sachgerechte Vorschrift für den Aufbau eines solchen modularen Mikrosystems durch Kopplung bestehender und hierfür geeigneter Mikrosystemkomponenten besteht in den meisten Fällen nicht und kann bisher naturgemäß nur in wenigen Fällen befriedigend vorausgesagt werden. Die Ursache hierfür kann in der nur schwer vorhersehbaren Kopplung chemischer und physikalischer Prozesse in Mikrosystemen gesehen werden, was insbesondere durch den modularen Aufbau des chemischen Mikrosystems bewirkt wird. Eine unzureichende Vorhersagbarkeit des Prozessablaufes behindert oder verhindert bisher gar eine gemäß Vorgabe effiziente Herstellung bestimmter Stoffe bzw. Stoffgemische. Unmittelbar mit der Vorhersagbarkeit des Prozessablaufes ist die Steuerung desselben verbunden, da diese im Sinne des Herstellungsverfahrens erst dann effizient ablaufen kann, wenn sich die Wirkung eines Steuerungsvorganges auf den Prozessablauf hinreichend genau vorhersagen lässt, was allerdings bisher nicht möglich ist.

Aus dem Stand der Technik sind bisher Software gestützte Simulationsrechnungen zu einzelnen chemischen Mikrosystemkomponenten mit Standardsimulationsprogramm der chemischen Verfahrenstechnik, insbesondere der Strömungstechnik, bekannt. Im Vordergrund steht hierbei wesentlich das Auffinden optimaler Betriebsbedingungen für ein gegebenes Reaktionssystem bzw. das Ermitteln einer optimalen Geometrie einer einzelnen Mikrosystemkomponente. Die Fragestellung dieses Standes der Technik betrifft also die konstruktive Ausgestaltung einer Mikrosystemkomponente ohne Berücksichtigung der Peripherie bzw. der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Mikrosystemkomponenten.

Die DE 199 17 398 A1 offenbart ein modulares chemisches Mikrosystem, das grundlegend ähnlich gestaltet ist wie in der vorliegenden Erfindung. Diese Druckschrift beschreibt die Verwendung eines Personalcomputers als zentrale Steuereinheit für das Mikrosystem, das mit einer Vielzahl auf Schienen angeordneter Mikrosystemkomponenten (Modulen) und entsprechenden Steuerungsschnittstelle zwischen dem Personalcomputer und den Komponenten ausgestattet ist. In der DE 199 17 398 A1 ist daher grundlegend offenbart, dass Mikroreaktionssysteme durch Mikrocomputer gesteuert werden können.

Mit den im Stand der Technik beschriebenen Verfahren ist es nicht möglich, konkrete Messdaten bzw. konkrete Reaktionsergebnisse vorherzusagen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Mikroreaktionssystem zur Verfügung zu stellen, dessen Prozessabläufe effektiver mit einem höheren Durchsatz, einem höheren Umsatz und einer verkürzten Ablaufzeit bei gleichzeitig verbesserter Funktionalität, Effektivität, Flexibilität und Reproduzierbarkeit der erhaltenen Reaktionsprodukte zur Verfügung zu stellen. Weiterhin ist es Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren zum Ablauf von chemischen und/oder physikalischen Reaktionen zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch das modulare chemische Mikroreaktionssystem nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zur Simulation und Steuerung eines modularen chemischen Mikroreaktionssystems nach Anspruch 20 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Erfindungsgemäß wird nun ein modulares chemisches Mikroreaktionssystem zur Verfügung gestellt, bei dem innerhalb der einzelnen Mikrosystemkomponenten (Reaktionsräumen, vorzugsweise mit einem Volumen kleiner als 500 Mikroliter) Sensoren angeordnet sind. Die Mikrosystemkomponenten sind weiterhin untereinander mittels peripherer Elemente, insbesondere Verbindungsleitungen sowie steuerbare Ventile miteinander und mit Vorlagenbehältern verbunden. Über die steuerbaren Ventile können die einzelnen Mikrosystemreaktionsräume so miteinander verbunden werden, dass die Reaktionsprodukte der einen Mikrosystemkomponente als Edukte in eine weitere Mikrosystemkomponente fließen bzw. strömen können. Die steuerbaren Ventile legen dabei die Verschaltung bzw. fluidische Verbindung zwischen den einzelnen Mikrosystemkomponenten fest.

Die Messwerte der Sensoren in den Mikrosystemkomponenten werden über eine Datenaufnahmeeinheit zu einem Mikroprozessor geleitet, wo sie zum einen gespeichert werden und zum anderen ausgewertet werden. Aus diesen Auswertungen werden physikalische und/oder reaktionstechnische Kenngrößen der einzelnen Mikrosystemkomponenten ermittelt. Diese Kenngrößen dienen ihrerseits wiederum für die Steuerung der physikalischen und chemischen Parameter und der Verschaltung über die Ventile der Mikrosystemkomponenten. Auf diese Weise können die Reaktionsparameter der in den einzelnen Mikrosystemkomponenten ablaufenden chemischen oder physikalischen Reaktionen eingestellt werden. Zum Datenverarbeitungssystem gehört neben der Datenaufnahmeeinheit, dem Speicher und der Steuereinheit weiterhin eine Simulationseinheit, die aufgrund der gespeicherten Kenngrößen sowie physikalischer und/oder bekannter chemischer Reaktionsparameter die für die gewünschte vorbestimmte Reaktion geeigneten bei Gipsparameter des Systems ermittelt. Die so ermittelten und simulierten Werte dienen dann wiederum der Steuerung des Mikroreaktionssystems. Es ergibt sich also insgesamt eine modulare mikroreaktionstechnische Anlage (MRT-Anlage), bei der Optimierungspotentiale und Auslegungsmöglichkeiten für die Verschaltung der mikroreaktionstechnischen Komponenten in Form eines modularen mikroreaktionstechnischen Baukastens ermöglicht wird. Einer der Kernbestandteile der vorliegenden Erfindung ist die Simulationseinheit, die chemische Prozesse in den Modular-Mikrosystem mathematisch abbildet und aufbauend auf diesen Abbildungen diese Prozesse numerisch simuliert, mit Hilfe der Simulation auslegt, optimiert und anschließend auch steuert, so dass effektivere Prozessabläufe mit höheren Umsätzen, größerem Durchsetzen in verkürzter Ablaufzeit möglich sind. Des weiteren unterstützt die Simulationseinheit die Auswertung und die Planung der Versuche, indem automatisch die erfassten Messdaten ausgewertet werden, wobei die in der Auswertung ermittelten Informationen ohne Modellunterstützung nicht zu erhalten wären, da sie nicht direkt messbar sind sondern abgeleitete Größen.

In die Auswertung und Simulation eingeschlossen ist die zur sachgemäßen Verschaltung der Mikrosystemkomponenten benötigte Peripherie, wie beispielsweise Schläuche, Ventile oder Verteiler.

Insgesamt dient das Ergebnis der Simulation als lediglich ein einzelner Schritt im erfindungsgemäßen Verfahren bzw. die Simulationseinheit als lediglich eine der Komponenten im Gesamtmikrosystem der Anleitung zur Auslegung und Optimierung der gewünschten chemischen Prozesse, sowie der Auswertung und der Steuerung der Prozessabläufe.

Eine derartige simulationsgestützte (modellgestützte) Auswertung von Messdaten mit anschließender Steuerung und Regelung des reaktionstechnischen Prozesses in modularen chemischen Mikrosystemen ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Insbesondere fehlt es an einer Steuerung der Anlage auf der Basis physikalisch chemisch fundierter und geprüfter Zusammenhänge für die einzelnen Mikrosystemkomponenten. Diese Zusammenhänge sind insbesondere in den mikrosystemischen, mikrofluidischen, thermodynamischen und reaktionstechnischen Eigenschaften der einzelnen Mikrosystemkomponenten bzw. Peripheriekomponenten und deren Wechselwirkungen untereinander beschrieben. Dies ermöglicht es, den zeitlichen Ablauf der in den Mikrosystemkomponenten vorliegenden Zustandsgrößen, wie beispielsweise chemische Zusammensetzung, Druck, Temperatur etc., zu berechnen und dementsprechend die Gesamtreaktion zu steuern.

Das vorliegende modulare chemische Mikroreaktionssystem ermöglicht es, fundierte Kennzahlen zu einem Mikroreaktionstechnischen Prozess zu bestimmen, indem den Experimenten ermittelten und in einem Speicher (Datenbank) gespeicherten zeitlichen Verläufe der messbaren Größen mit den simulierten Größen der entsprechenden virtuellen Anlage verglichen werden und die gesuchten Kenngrößen so lange angepasst werden, bis der Abgleich hinreichend gleich ist.

Die vorgegebenen Zustandsgrößen, die zeitlichen Verläufe der Zustandsgrößen oder bei vorgegebenen sonstigen abgeleiteten Zielgrößen die wählbaren Betriebsparameter können mit der vorliegenden Erfindung optimiert werden. Diese dienen dann dem optimierten Betrieb der realen Anlage.

Mit dem erfindungsgemäßen modularen chemischen Mikroreaktionssystem kann innerhalb eines vergleichsweise kurzen Zeitraumes der Prozessablauf für unterschiedliche Kombinationen der Mikrosystemkomponenten und variabler Peripherie numerisch simuliert und optimiert werden. Dies hat zur Folge, dass der Anlagenaufbau des Mikrosystems für einen vorgegebenen realen Prozessablauf wesentlich wirtschaftlicher gestaltet werden kann. So lässt sich beispielsweise bei hinreichender Kenntnis physikalischer und chemischer Stoff- und Systemgrößen für eine jeweilige Kombination der Mikrosystemkomponenten der chemische Umsatz für eine geforderte Produktionsleistung vorausbestimmen, dessen Kenntnis insbesondere vor dem Hintergrund der technischen Realisierbarkeit und der wirtschaftlichen Rentabilität von Interesse ist.

Desgleichen kann das hier beschriebene Verfahren gegenüber den aus dem bisherigen Stand der Technik resultierenden Methoden zu einer Reduktion der anfallenden Betriebskosten beitragen, weiches durch eine geeignete Steuerung des Prozessablaufes ermöglicht wird. Das Einhalten der durch die Simulation gewonnenen optimalen Betriebsbedingungen im Mikrosystem kann wiederum zu einer wirtschaftlicheren Herstellung führen. Ein weiterer Vorteil betrifft die verbesserte Reproduzierbarkeit der vorgegebenen Stoffqualitäten eines wiederholt ausgeführten Herstellungsverfahrens. Dieser Sachverhalt erklärt sich mit dem durch die Steuerung stets gleich wählbaren Prozessablauf eines jeweiligen Herstellungsverfahrens.

Durch die simulationsbasierte Auswertung von Experimenten können grundlegende physikalisch-chemische Kenngrößen gewonnen werden, die anders nicht zugänglich sind. Damit ist die Durchführung von Screening-Versuchen deutlich effizienter, d.h. mit weniger Einzelexperimenten möglich.

Im folgenden werden nun Beispiele erfindungsgemäßer Mikroreaktionssysteme sowie erfindungsgemäßer Verfahren gegeben. Es zeigen
1 ein erfindungsgemäßes Mikroreaktionssystem;
2 ein mathematisches Modell eines modularen chemischen Mikrosystems zu dessen Simulation;
3 die zur mathematischen Modellierung einer einzelnen Zelle verwendeten Differentialgleichungen;
4 die Datenverarbeitung in einem erfindungsgemäßen Mikroreaktionssystem;
5 den Ablauf einer Simulationsrechnung; und
6 eine schematische Darstellung einer virtuellen MRT-Anlage.
1 zeigt eine modulare chemische Mikroreaktionsanlage, der der prinzipielle Aufbau des modularen chemischen Mikrosystems entnommen werden kann. Dabei sind mehrere Mikrosystemkomponenten 12, 12a über Stoffzuleitung 18 und Stoffableitungen 19 miteinander verbunden. Die Mikrosystemkomponenten 12 weisen weiterhin Wärmetauscher 14, 14a, 14b auf, die über Zuleitungen 20 und Ableitungen 21 mit Wärmetauscherfluid einer bestimmten Temperatur versorgt werden. Über die Wärmetauscher 14 ist es möglich, die Reaktionstemperatur in der jeweiligen Mikrosystemkomponente zu regeln. Weiterhin weisen die Mikroreaktionskomponenten 12 Temperatursensoren 13, 13a, 13b, 13c auf, über die die jeweilige Temperatur in der Mikroreaktionskomponente 12 bestimmt und an einen Computer 1 übermittelt werden kann.
Die Mikroreaktionskomponenten 12, 12a sind auf einer Trägerplattform 6 angeordnet, die beheizbar ist. Sie sind untereinander mit Verbindungsleitungen 22 zum Stoffaustausch verbunden. Auf der Trägerplattform 6 sind insgesamt vier Vorrichtungen 17a bis 17d zur Fixierung von Mikrosystemkomponenten 12 angeordnet, wobei hier lediglich die beiden Vorrichtungen 17a und 17d mit Mikroreaktionskomponenten 12a, 12 besetzt sind, während die Vorrichtung 17b und 17c frei bleiben.
Die Versorgung der Mikrokomponenten 12 mit Edukten erfolgt aus temperierbaren Vorlagenbehältern 5, während die Produkte zu einem Auffangbehälter 7 transportiert werden. Weiterhin wird aus einem Vorlagenbehälter 10 über eine Pumpe 9 die Komponente 12a mittels eines Eduktes versorgt. In sämtlichen Stoffleitungen 18 bzw. 19 sind ggf. Drucksensoren 16a, 16b angeordnet, deren Signale ebenfalls an eine Verarbei tungseinheit 4 und dann zu einem Personalcomputer 1 geleitet werden.
Das Wärmetauscherfluid wird aus einem temperierbaren Vorlagebehälter 5 mittels einer Pumpe 11 über die Leitungen 20 und Verteilerventile 15 in die jeweiligen Wärmetauscher 14a, 14b und von dort in einen Auffangbehälter 8 über die Leitungen 21 geleitet.
Die Verteilerventile 15 werden von einer Eingabeeinheit 4 gesteuert. Ebenso wird die Temperatur des Vorlagenbehälters 5 für Wärmetauscherfluid sowie der Trägerplattform 6 über die Verarbeitungseinheit 4 gesteuert. Sie steuert auch die Pumpen 9 und 11. Die Verarbeitungseinheit 4 erhält weiterhin Signale von sämtlichen Temperatursensoren sowie weiteren Sensoren in den Mikrosystemkomponenten 12, die Reaktionsparameter anzeigen. Sie erhält auch Signale von den Drucksensoren 16a, 16b. Die Signale der Verarbeitungseinheit 4 werden an einen Personalcomputer 2 gegeben, der sie über einen Bildschirm 2 als Ausgabeeinheit darstellt bzw. die Ergebnisse von Simulationsrechnungen darstellt. Eingaben, beispielsweise bezüglich der gewünschten chemischen oder physikalischen Reaktion sowie der gewünschten Verschaltung der Mikroreaktionskomponenten 12 können über Eingabeeinheiten 3a (Maus) oder 3b (Tastatur) erfolgen.
Die analogen Signale der Sensoren werden in der Verarbeitungseinheit 4 digitalisiert, wie auch die Verarbeitungseinheit 4 digitale Signale von dem Mikroprozessor 1 in Steuersignale umsetzt. Die in kontinuierlichen Zeitabständen erfassten Daten werden in diesem Beispiel vom Personalcomputer 1 in einer Datenbank gespeichert. Von dort können sie der Simulationseinheit überstellt werden und mittels eines Postprozessors auf der Ausgabeeinheit 2 zeitaufgelöst visualisiert werden.
Die Simulationseinheit verfügt über einen auf Bilanzgleichungen von Energie, Stoff und Impuls beruhenden Algorithmus, der primär in der Lage ist, den zeitlichen Ablauf der Zustandsgrößen (Druck, Temperatur, chemische Zusammensetzung etc.) bei gegebenen reaktionstechnischen und thermodynamischen Daten eines jeweiligen Stoffsystems zu simulieren. Kenngrößen wie Umsatzes, Selektivität, Ausbeute, usw. werden berechnet. Der Anwender kann die Verschaltung der Mikroreaktionsbausteine mit Hilfe eines in der Software integrierten Interface und/oder mit Hilfe einer grafischen Benutzeroberfläche (GUI) vorab definieren. Aus der auf diese Weise entstandenen Struktur des virtuellen modularen Systems wird automatisch ein mathematisches Modell erstellt, das zur numerischen Simulation eingesetzt wird.
Das softwaregestützte Simulationswerkzeug ist befähigt, ausgehend von, während des Ablaufes des realen Prozesses gemessenen, gespeicherten und durch Simulation und Optimierung bearbeiteten Daten, den Prozessablauf im modularen chemischen Mikrosystem mit Hilfe der Hardware zu steuern und zu regeln.
Die Struktur des der Simulationssoftware zu Grunde liegenden Modells ist schematisch in 2 dargestellt. Das Gesamtmodell des MRT-Systems besteht modular aus den zur Abbildung des realen Mikrosystems benötigten mathematischen Teilmodellen für einzelne Mikroreaktionskomponenten MRK 1 bis MRK N und für die zur Verschaltung der MRK verwendete Peripherie 30 (wie beispielsweise Stoffzu- und -ableitung, Pumpen, temperierbare Vorlagebehälter, Verteilerventile und die beheizbare Trägerplattform etc.) sowie mathematische Modelle zur Steuerung und Regelung benötigte mess-, steuer- und regelungstechnischen Einrichtungen 31. Die einzelnen MRK unterliegen einer weiteren spezifischen Strukturierung 33, die auf einem Zellnetzmodell beruht. Hierbei wird die bekannte Geometrie 34 der jeweiligen MRK in geeigneter Weise in einzelne Volumenelement bzw. Zellen 40 so aufgeteilt, dass eine eindeutige Verknüpfung der einzelnen Zellen 40 zur Abbildung der Geometrie der MRK 1 gewährleistet ist. Die eindeutige Kennzeichnung einer jeden Zelle kann im zweidimensionalen Fall gemäß 2 durch die Zuordnung von Vektoren in einem diskreten kartesischen Koordinatensystem mit der vertikalen Achse j und horizontalen Achse i erfolgen. Innerhalb einer Zelle wird keine weitere räumliche Diskretisierung beschrieben, weshalb jede Zelle als stofflich und energetisch ideal durchmischt definiert ist. In 2 repräsentiert jede Zelle 40 ein Bilanzvolumen, in dem die Bilanzierung aller ein- und ausgehenden Stoffe und Energieströme zum Zeitpunkt t zur Stoff- und Energiemenge zum Zeitpunkt t führt. Die physikalischen Wechselwirkungen der Zellen 40 untereinander werden im Rahmen von Stoff- und Energieströmen 41–46 beschrieben. Hierbei handelt es sich bei 41 um den Stoff- bzw. Energiestrom am Eintritt in die MRK, bei 42 um den Energiestrom zwischen dem Strukturmaterial 35 und den jeweiligen direkt angrenzenden Zellen, bei 44 um den in Strömungsrichtung stattfindenden stattfindenden Stoff- und Energiestrom bedingt durch Konvektion, bei 45 um den orthogonal zur konvektiven Strömungsrichtung gerichteten und durch molekulare und thermische Diffusion verursachten Stoff- und Energiestrom, bei 43 um einen durch Dispersion hervorgerufenen Stoff- und Energiestrom (Austauschstrom) sowie bei 46 um den aus der MRK 1 austretenden Stoff- und Energiestrom. Neben dem Austausch von Stoff- und Energieströmen zwischen den Zellen werden Stoff- und Energiequellen/-senken infolge chemischer Reaktionen beschrieben, wobei je nach Reaktionssystem reaktionskinetische Modelle durch das integrierte Stoffmodul 32 zur Verfügung stehen.
Die mathematische Struktur des Modells für eine Zelle ist exemplarisch in 3 dargestellt. Sie wird durch die räumliche Diskretisierung der MRK 1 in einzelne Bilanzräume (Zellen) und durch die Verknüpfung dieser Räume mittels der oben beschriebenen Stoff- und Energieströme 42-45 definiert. Die Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Bilanzräumen 40 wird durch die MRK-externen Ströme 41 und 46 sichergestellt. In gleicher Weise können in dem Modell Modellbausteine für Peripherie, MSR und weiteren MRK enthalten sein. Sie werden in analoger Weise verknüpft. Die Kopplung der jeweiligen Modelle erfolgt durch Kopplungsmodelle, die die physikalischen Schnittstellen der MRK und der Peripherie etc. abbilden.
Entscheidend für die fluiddynamische Struktur des Modells einer jeweiligen MRK und der Peripherie ist die Tatsache, dass in Mikrosystemen in nahezu allen Fällen laminare Strömung vorherrscht. Folglich weicht die hier vorgestellte physikalische Struktur des Modells zur Beschreibung chemischer Mikrosysteme stark von der makroskopischer Systeme ab, in denen vornehmlich turbulente Strömungen anzutreffen sind. Darüber hinaus spielen Wandeffekte in Mikrosystemen eine weitaus dominierendere Rolle als in makroskopischen Systemen, was zur Folge hat, dass zumindest teilweise ähnlichkeitstheoretische Beziehungen zur Beschreibung des Wärmeübergangs bzw. Energiestroms zwischen Fluid und Strukturmaterial verwendet werden müssen, die für Makrosysteme ungültig sind.
Die in 3 dargestellten Modellgleichungen zeigen

A) Eine Gleichung eines MRK-Modells in allgemeiner Schreibweise.
B) Exemplarisches Modell für die Mengenbilanz einer chemischen Komponente k in der Zelle (i, j) einer MRK.
C) Allgemeines Teilgleichungssystem für eine MRK.
D) Allgemeines aus Modellen für einzelne MKK zusammengesetztes Modell einer virtuellen MRT-Anlage mit Kopplungsgleichungen zur Beschreibung der verfahrenstechnischen Verbindungen.

Enthalten sind:
Konvektion (Hauptströmung), axiale Diffusion und Dispersion, radiale Diffusion und Dispersion, Stoffübergang aus anderen Phasen, chemische Reaktion, Einspeisung und Entnahme.
Die in 3 dargestellten Modellgleichungen beschreiben ein MRK-Modell in allgemeiner Schreibweise. In Teil B ist ein exemplarisches Modell für die Mengenbilanz einer chemischen Komponente k in der Zelle (i, j) abgebildet. Daraus ist ersichtlich, dass sich die zeitliche Änderung der Menge der Komponete in der Zelle aus den folgenden Termen gebildet wird:
konvektive Strömung in die Zelle und aus der Zelle heraus V ·_(i-1,j)·c_k(i-1,j) bzw. V ·_(i,j)·c_(i,j) radiale und axiale Diffusion und Dispersion
V ·_D,(i,j-1)·(c_k(i,j-1)) – c_k(i,j)) sowie V ·_D,(i,j+1)·(c_k(i,j+1) – c_k(i,j)) und V ·_R,(i-1,j)·(c_k(i-1,j)) – c_k(i,j)) sowie V ·_R,(i,j)·(c_k(i+1,j) – c_k(i,j))
Stoffquellen – und senken aufgrund beliebiger chemischer Reaktionen Ṅ_R,(i,j)
Stoffübergang durch molekularer Stofftransport über die Phasengrenze Ṅ_STÜ,(i,j)
beliebig anzuordnende Zu- und Abflüsse
V ·_Zu,(i,j)·c_k,Zu(i,j)bzw. V ·_ENT,(i,j)·c_k(i,j)
Die entsprechenden Terme können dazu jeweils aus bestimmten Volumenstromäquivalenten V und Funktionen der Konzentrationen der Komponete ck in den beteiligten Zellen beschrieben werden.
Analog werden die Mengenbilanzen für alle weiteren relevanten chemischen Komponenten berechnet. Von ähnlicher Struktur sind die Energiebilanzen (Temperaturform) für jede Zelle formuliert. Die Gleichungen sind zellintern verknüpft durch die Gleichungen für chemische Reaktionen und für die zustandsabhängig bestimmten Gemischstoffdaten. Die Gleichungen für Zellen sind untereinander durch die Austauschenden Ströme für Stoffe (3 Teil B) aber auch für Energie bzw. Enthalpie verknüpft.
Sind durch "offene" Modellparameter erweitert, denen im Rahmen der Auswertung von Experimenten konkrete Zahlenwerte zugeordnet werden können. Hierdurch gelingt es, die durch die Abstraktion des realen Mikro systems verursachten fluiddynamischen Vereinfachungen der in der Simulationssoftware implementierten Modelle zu kompensieren, und somit eine konsistente, realitätsgetreue Abbildung realer Prozesse in Mikrosystemen zu ermöglichen.
Als Ergebnis der Benutzung produziert das Programm, wie in 3 dargestellt, ein gemäß der verbundenen Zellenstrukturen gekoppeltes, zeitabhängiges differentialalgebraisches Gleichungssystem (DAS), dessen konkrete Struktur bei der Benutzung durch den Anwender entsteht und somit spezifisch für die zu simulierende virtuelle Anlage ist. Diese Struktur wird von der Prozesskomponente 39a des Programms erzeugt und in der Datenbank 38 hinterlegt (4 und 5). Zur Simulation des Modellsystems wird die Simulator-Komponente 39d aktiviert. Sie ermittelt dynamisch die Modellstrukturen aus der Datenbank 38 und stellt dem integrierten mathematischen Löser (Solver 39c) die zur Lösung benötigten Daten auf Basis des spezifischen Gleichungssystems wie in 3 dargestellt, zur Verfügung.
Der Ablauf der Simulationsrechnung ist in 5 veranschaulicht. Ausgehend von den durch den Benutzer getätigten Eingaben mittels werden die Strukturdaten in der Datenbank 38 gespeichert und von dort aus dem DAS-Koordinator 50 übergeben. Der DAS-Koordinator 50 erstellt ausgehend von den Vorgaben das Gesamtmodell 51 aus den einzelnen Modellkomponenten 12, 30, 31, deren Verschaltung und Parametrierung in den Datenbankinhalten aus 38 enthalten ist. Hierzu werden die mathematischen Modelle MSR 31, Peripherie 30 und eine Mehrzahl von MRK 12 aufgerufen und zu einem spezifischen Gleichungssystem verbunden, dessen Berechnungsergebnis dem Solver 39c in aufbereiteter Form übergeben wird. Der Solver 39c ermittelt unter Verwendung der Modellausgaben numerisch iterativ die Lösung wobei dem DAS-Koordinator 50 die Aufgabe der stetigen spezifischen internen Datenaufbereitung obliegt. Nach Generierung eines im Rahmen der Vorgaben konvergenten numerischen Lösungsschritts des DAS 50 wird dieser in der Datenbank hinterlegt 38 und kann mittels eines Postprozessors 39b entsprechend aufbereitet und dem Benutzer zur weiteren Verwertung (z.B. Visualisierung in Form von Grafiken) zur Verfügung gestellt werden.
Als Ergebnis der Simulationsrechnung erhält man primär zeitaufgelöst Zahlenwerte für Temperatur, Druck, Dichte, Volumen- bzw. Stoffstrom, Stoffkonzentrationen, Umsätzen, Selektivitäten und Ausbeuten einer jeweiligen Reaktion für jede mit Fluid beladene Zelle 40 sowie die Temperatur des Strukturmaterials, die ebenfalls in der Datenbank 38 gespeichert werden
In 6 ist eine mögliche zu simulierende virtuelle MRT-Anlage dargestellt. Durch Drag&Drop- Funktionen werden aus den vorbereiteten Modelltoolboxes MRK 12a–12d entnommen und auf der Arbeitsfläche positioniert. Durch das Zeichnen spezieller Verbindungslinien 18a, 18b, 19, 22a–22d werden die zugrundeliegenden MRK-Modelle 12a–12d verkoppelt, so dass das Anlagenmodell entsteht.
Unter Verwendung der Optimierungseinheit (39c in 4) können iterativ Simulationen durchgeführt werden, so dass der verwendete Optimierungsalgorithmus die wählbaren Betriebs- und Systemparameter hinsichtlich zu definierender numerischer Ziele optimal ermittelt. Durch die direkte Übertragung mittels der Kommunikationseinheit werden diese Angaben als Steuerungsbe fehle bzw. als Sollwerte an die Regelungs- und Steuereinheit (1, 4 in 1) der realen MRT-Anlage übertragen.

Claims

Modulares chemisches Mikroreaktionssystem mit mindestens einer Mikrosystemkomponente in Form eines Reaktionsraumes mit einem Volumen kleiner 500 μl sowie mindestens einem Vorlagenbehälter für Edukte, Sensoren für physikalische und/oder chemische Größen der Mikrosystemkomponenten und/oder der Vorlagebehälter, wobei die Mikrosystemkomponenten und die Vorlagenbehälter zum Stoffaustausch über Verbindungsleitungen und steuerbare Ventile miteinander verbindbar sind, sowie einem Datenverarbeitungssystem zur Simulation des Systems, wobei das Datenverarbeitungssystem aufweist: einen Speicher für physikalische und/oder reaktionstechnische Kenngrößen der einzelnen Mikrosystemkomponenten, eine Datenaufnahmeeinheit zur Aufnahme der von den Sensoren erfassten Messwerte, eine Simulationseinheit zur Ermittlung von zur Erzielung einer vorbestimmten Reaktion unter Berücksichtigung der gespeicherten Kenngrößen der Systemkomponenten sowie physikalischer und/oder chemischer Reaktionsparameter geeigneter Betriebsparameter des Systems, sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der steuerbaren Komponenten des Mikrosystems entsprechend den ermittelten Betriebsparametern des Systems, wobei die gespeicherten Kenngrößen aufgrund der bei Durchführung einer Reaktion erfassten Messwerte veränderbar sind.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter die Verschaltung der Systemkomponenten, Flussraten in, durch oder aus den Systemkomponenten und Vorlagenbehältern bzw. entsprechende Pumpraten, und/oder thermodynamische Größen wie Temperatur und Druck in den Systemkomponenten und Vorlagenbehältern ermittelt werden und vorzugsweise EDV-technisch mit Simulationsmethoden ausgewertet werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosystemkomponenten auf einer Trägerplattform angeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplattform, die Mikrosystemkomponenten und/oder die Vorlagebehälter temperierbar sind.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplattform, die Mikrosystemkomponenten und/oder die Vorlagebehälter einen Wärmetauscher zur Temperierung aufweisen.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplattform, die Mikrosystemkomponenten und/oder die Vorlagebehälter Sensoren für physikalische und/oder chemische Größen, insbesondere Zustandsgrößen aufweisen, die mit der Datenaufnahmeeinheit zur Aufnahme ihrer Messwerte verbunden sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrosystemkomponenten und/oder zwischen den Mikrosystemkomponenten und den Vorlagenbehältern durch die Steuereinheit steuerbare Verteilerventile angeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrosystemkomponenten und/oder zwischen den Mikrosystemkomponenten und den Vorlagenbehältern durch die Steuereinheit regelbare Pumpen zum Transport der Stoffe angeordnet sind.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationseinheit den Prozessablauf der vorbestimmten Reaktion für eine beliebige oder auch vorbestimmte Kombination der Mikrosystemkomponenten numerisch simuliert und/oder optimiert.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit der Prozessablaufs der vorbestimmten Reaktion auf der Basis der Bilanzgleichungen von Energie, Stoff und Impuls für jede einzelne Mikrosystemkomponente bestimmbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit der zeitlichen Ablauf der physikalischen und/oder chemischen Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, chemische Zusammensetzung und dergleichen für jede einzelne Mikrosystemkomponente bestimmbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulati onseinheit Kenngrößen der simulierten Reaktion wie chemischer Umsatz, Selektivität, Ausbeute und dergleichen bestimmbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit für jede Systemkomponente und/oder für jeden weiteren Bestandteil des Systems ein mathematisches Modell erstellbar ist.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit das Volumen jeder Systemkomponente in eine Vielzahl von einzelnen Volumenelementen bzw. Zellen unterteilbar ist, die jeweils als energetisch und stofflich ideal durchmischt betrachtet werden.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselwirkung der Volumenelemente untereinander sowie mit der Umwelt als Stoff- und/oder Energieströme beschreibbar sind.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der folgenden Stoff- und Energieströme berücksichtigt wird: a) in die Systemkomponente eintretender Stoff- und Energiestrom an deren Einlass; b) Energiestrom zwischen der Wandung der Systemkomponente und den der Wandung benachbarten Volumenelemente; c) Stoff- und Energiestrom zwischen den Volumenelementen aufgrund Konvektion in Strömungsrichtung der Reaktionskomponenten; d) Stoff- und Energiestrom zwischen den Volumen elementen senkrecht zur Strömungsrichtung der Reaktionskomponenten aufgrund molekularer und/oder thermischer Diffusion; e) Stoff- und Energiestrom zwischen den Volumenelementen aufgrund Dispersion f) aus der Systemkomponente austretender Stoff- und Energiestrom an deren Auslass.
System nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit die Stoffströme als laminare Strömungen betrachtbar sind.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit Stoffquellen, Stoffsenken, Energiequellen und/oder Energiesenken aufgrund chemischer Reaktionen beschreibbar sind.
System nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit zeitaufgelöste Zahlenwerte für Temperatur, Druck, Dichte, Volumen- und/oder Stoffstrom, Stoffkonzentrationen, Umsätze, Selektivitäten, Ausbeuten der simulierten Reaktion für jedes Volumenelement sowie die Temperaturen der Komponentenwandungen bestimmbar ist.
Verfahren zur Simulation und Steuerung eines modularen chemischen Mikroreaktionssystems mit mindestens einer Mikrosystemkomponente in Form eines Reaktionsraumes mit einem Volumen kleiner 500 μl sowie mindestens einem Vorlagenbehälter für Edukte, Sensoren für physikalische und/oder chemische Größen der Mikrosystemkomponenten und/oder der Vorlagebehälter, wobei die Mikrosystemkomponenten und die Vorlagenbehälter zum Stoffaustausch über Verbindungsleitungen und steuerbare Ventile miteinander verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass physikalische und/oder reaktionstechnische Kenngrößen der einzelnen Mikrosystemkomponenten gespeichert werden, von den Sensoren Messwerte erfasst werden, zur Erzielung einer vorbestimmten Reaktion unter Berücksichtigung der gespeicherten Kenngrößen der Systemkomponenten sowie physikalischer und/oder chemischer Reaktionsparameter geeignete Betriebsparameter des Systems simuliert werden, sowie die Komponenten des Mikrosystems entsprechend den ermittelten Betriebsparametern des Systems gesteuert werden, wobei die gespeicherten Kenngrößen aufgrund der bei Durchführung einer Reaktion erfassten Messwerte verändert werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Betriebsparameter die Verschaltung der Systemkomponenten, Flussraten in, durch oder aus den Systemkomponenten und Vorlagenbehältern bzw. entsprechende Pumpraten, und/oder thermodynamische Größen wie Temperatur und Druck in den Systemkomponenten und Vorlagenbehältern ermittelt werden.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosystemkomponenten auf einer Trägerplattform angeordnet werden.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trä gerplattform, die Mikrosystemkomponenten und/oder die Vorlagebehälter temperiert werde.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerplattform, die Mikrosystemkomponenten und/oder die Vorlagebehälter mittels eines Wärmetauschers temperiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Sensoren für physikalische und/oder chemische Größen, insbesondere Zustandsgrößen, der Trägerplattform, der Mikrosystemkomponenten und/oder der ermittelt und an die Datenaufnahmeeinheit übermittelt werden.
Verfahren System nach einem der Ansprüche 20 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrosystemkomponenten und/oder zwischen den Mikrosystemkomponenten und den Vorlagenbehältern durch die Steuereinheit steuerbare Verteilerventile angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Mikrosystemkomponenten und/oder zwischen den Mikrosystemkomponenten und den Vorlagenbehältern durch die Steuereinheit regelbare Pumpen zum Transport der Stoffe angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Simulationseinheit den Prozessablauf der vorbestimmten Reaktion für eine beliebige oder auch vorbestimmte Kombination der Mikrosystemkomponenten numerisch simuliert und/oder optimiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit der Prozessablaufs der vorbestimmten Reaktion auf der Basis der Bilanzgleichungen von Energie, Stoff und Impuls für jede einzelne Mikrosystemkomponente bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit der zeitlichen Ablauf der physikalischen und/oder chemischen Zustandsgrößen wie Druck, Temperatur, chemische Zusammensetzung und dergleichen für jede einzelne Mikrosystemkomponente bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 20 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit Kenngrößen der simulierten Reaktion wie chemischer Umsatz, Selektivität, Ausbeute und dergleichen bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit für jede Systemkomponente und/oder für jeden weiteren Bestandteil des Systems ein mathematisches Modell erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit das Volumen jeder Systemkomponente in eine Vielzahl von einzelnen Volumenelementen bzw. Zellen unterteilt wird, die jeweils als energetisch und stofflich ideal durchmischt betrachtet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselwirkung der Volumenelemente untereinander sowie mit der Umwelt als Stoff- und/oder Energieströme beschrieben werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der folgenden Stoff- und Energieströme berücksichtigt wird: a) in die Systemkomponente eintretender Stoff- und Energiestrom an deren Einlass; b) Energiestrom zwischen der Wandung der Systemkomponente und den der Wandung benachbarten Volumenelemente; c) Stoff- und Energiestrom zwischen den Volumenelementen aufgrund Konvektion in Strömungsrichtung der Reaktionskomponenten; d) Stoff- und Energiestrom zwischen den Volumenelementen senkrecht zur Strömungsrichtung der Reaktionskomponenten aufgrund molekularer und/oder thermischer Diffusion; e) Stoff- und Energiestrom zwischen den Volumenelementen aufgrund Dispersion f) aus der Systemkomponente austretender Stoff- und Energiestrom an deren Auslass.
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit die Stoffströme als laminare Strömungen betrachtet werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit Stoffquellen, Stoffsenken, Energiequellen und/oder Energiesenken aufgrund chemischer Reaktionen beschrieben werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Simulationseinheit zeitaufgelöste Zahlenwerte für Temperatur, Druck, Dichte, Volumen- und/oder Stoffstrom, Stoffkonzentrationen, Umsätze, Selektivitäten, Ausbeuten der simulierten Reaktion für jedes Volumenelement sowie die Temperaturen der Komponentenwandungen bestimmt werden.
Verwendung eines Systems und/oder eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur chemischen und/oder physikalischen Erzeugung von Stoffen oder Stoffgemischen, insbesondere von gefährlichen Stoffen bzw. Stoffgemischen und/oder Stoffen bzw. Stoffgemischen in geringen Mengen.