DE10361411B4 - Mixer apparatus and method for mixing at least two liquids - Google Patents
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Abstract
Mischervorrichtung
zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten mit folgenden Merkmalen:
einer
Flüssigkeitsausstoßeinrichtung
(10; 40; 50; 90; 200), die eine erste Ausstoßöffnung (20; 206) zum Ausstoßen einer
ersten Flüssigkeit
und eine zweite Ausstoßöffnung (24; 210)
zum Ausstoßen
einer zweiten Flüssigkeit
aufweist;
einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung
(12; 52; 212) zum Empfangen der ausgestoßenen ersten und zweiten Flüssigkeit
(78, 80),
wobei die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung
(10; 40; 50; 90; 200) und die Flüssigkeitsempfangseinrichtung
(12; 52; 212) relativ zueinander drehbewegbar sind, um eine Schichtung
aus übereinander
angeordneten Schichten der ersten Flüssigkeit und der zweiten Flüssigkeit
auf einer Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung
(12; 52; 212) zu erzeugen, und
wobei ein Abstand zwischen den
Ausstoßöffnungen
und der die Flüssigkeiten
empfangenden Wand derart ist, dass die Energie, mit der die Flüssigkeiten
aus den Ausstoßöffnungen
ausgestoßen
werden, ausreicht, um ein Sprühen derselben
auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung
zu ermöglichen,
und dass die auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung
aufgebrachte Schichtung...Mixing device for mixing at least two liquids with the following features:
liquid ejection means (10; 40; 50; 90; 200) having a first ejection port (20; 206) for ejecting a first fluid and a second ejection port (24; 210) for ejecting a second fluid;
a liquid receiving means (12; 52; 212) for receiving the ejected first and second liquids (78,80),
wherein said liquid ejector (10; 40; 50; 90; 200) and said liquid receiving means (12; 52; 212) are rotatable relative to each other to form a stack of superposed layers of said first liquid and said second liquid on a wall of said liquid receiving means (12 ; 52; 212), and
wherein a distance between the ejection openings and the liquid receiving wall is such that the energy with which the liquids are expelled from the ejection openings is sufficient to allow them to be sprayed onto the wall of the liquid receiving means and to be sprayed onto the wall of the liquid receiving means Liquid receiving device applied stratification ...
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mischervorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten.The The present invention relates to a mixer device and a method for mixing at least two liquids.
Die Erfindung betrifft insbesondere solche Vorrichtungen und Verfahren, bei denen zum Mischen zweier Reagenzien bzw. Flüssigkeiten eine dünne Schichtung der zu mischenden Reagenzien gebildet wird, um einen nachfolgenden diffusiven Mischprozeß zwischen den beiden Reagenzien zu beschleunigen. Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei zum Mischen beliebiger Flüssigkeiten und insbesondere zum Mischen zweier Reagenzien in biologischen und chemischen Labors.The Invention particularly relates to such devices and methods, in which for mixing two reagents or liquids a thin layering the reagents to be mixed is formed to a subsequent diffusive mixing process between to accelerate the two reagents. The present invention is suitable for mixing any liquid and in particular for mixing two reagents in biological and chemical laboratories.
Das Mischen zweier Reagenzien A und B wird in biologischen und chemischen Labors üblicherweise mit sogenannten Magnetrührern durchgeführt. Die beiden zu mischenden Reagenzien werden zusammen in ein Gefäß gefüllt. Ein magnetischer Rührstab wird dazu gegeben, der durch ein rotierendes Magnetfeld in Rotationsbewegung versetzt wird. Den eigentlichen Mischprozeß kann man sich dabei in zwei Teilprozessen vorstellen. Zum einen führt der am Gefäßboden rotierende Rührstab in dem Mischgefäß zur Verwirbelung der beiden Ausgangssubstanzen. Dadurch wird die Grenzfläche zwischen den beiden Stoffen A und B kontinuierlich vergrößert. Zum anderen erfolgt die eigentliche Durchmischung aufgrund der Diffusion der Moleküle durch diese Grenzfläche hindurch. Dabei ist der absolute, durch Diffusion erzeugte molekulare Strom um so größer je größer die Grenzfläche und je größer die lokalen Konzentrationsunterschiede sind. Je größer der molekulare Strom ist, desto schneller erfolgt also die Durchmischung. Im Laufe der Zeit werden alle Konzentrationsunterschiede ausgeglichen. Allerdings kann diese Zeitkonstan te bei herkömmlichen Labormischern sehr groß sein und beispielsweise in der Größenordnung von mehreren Sekunden bis zu mehreren Minuten liegen.The Mixing two reagents A and B is described in biological and chemical Laboratories usually with so-called magnetic stirrers carried out. The two reagents to be mixed are filled together in a vessel. One magnetic stir bar is given to by a rotating magnetic field in rotation is offset. The actual mixing process can be done in two Introduce sub-processes. On the one hand leads the rotating at the bottom of the vessel whisk in the mixing vessel for swirling the two starting substances. This will make the interface between the two substances A and B continuously increased. On the other hand, the actual mixing due to the diffusion of the molecules through this interface therethrough. It is the absolute, by diffusion generated molecular The larger the larger the current interface and the bigger the local concentration differences are. The bigger the molecular stream, the faster the mixing takes place. Over time all concentration differences are compensated. Indeed This Zeitkonstan te in conventional laboratory mixers very much be great and for example, in the order of magnitude from several seconds to several minutes.
Völlig analog ist die Situation, wenn anstelle eines Magnetrührers etwa ein elektromagnetisch angetriebener Rührstab eingesetzt wird.Completely analog is the situation when, instead of a magnetic stirrer about an electromagnetic driven stirring rod is used.
Problematisch wird der Einsatz dieser herkömmlichen Prinzipien beispielsweise, wenn kleinste Mengen von Reagenzien gemischt werden sollen, beispielsweise weniger als ein Milliliter Ausgangssubstanz, oder wenn die zu mischenden Substanzen stark exotherm miteinander reagieren. In letzterem Fall können sich sogenannte Hot-Spots innerhalb des Gemisches bilden. Hot-Spots sind Bereiche, in denen aufgrund einer guten, lokalen Durchmischung und der exothermen Reaktion der zu durchmischenden Stoffe die Temperatur bereits stark angestiegen ist, wogegen in anderen Bereichen aufgrund fehlender Durchmischung noch niedrigere Temperaturen vorliegen. Dies führt zu stark inhomogenen Temperaturverteilungen und erschwert eine homogene, reproduzierbare Prozeßführung ganz enorm. In Konsequenz erhält man beispielsweise bei chemischen Reaktionen, die durch Mischung zweier Ausgangsstoffe eingeleitet werden, häufig eine ungenügende Ausbeute an dem gewünschten Produkt mit einer relativ hohen Menge an unerwünschten Nebenprodukten.Problematic will be the use of this conventional For example, principles when mixing minute amounts of reagents for example, less than one milliliter of starting substance, or if the substances to be mixed are highly exothermic with each other react. In the latter case can form so-called hot spots within the mixture. Hot spots are areas where due to good, local mixing and the exothermic reaction of the substances to be mixed the temperature has already risen sharply, whereas in other areas due to lack of mixing even lower temperatures are present. this leads to too inhomogeneous temperature distributions and makes a homogeneous, difficult reproducible process management completely enormously. In consequence receives For example, in chemical reactions by mixing two starting materials are introduced, often an insufficient yield at the desired Product with a relatively high amount of unwanted by-products.
Neben den beschriebenen makroskopischen Labormischern sind beispielsweise auch eine Reihe von Mikromischern bekannt. In Mikrodimensionen ist die Vergrößerung der Grenzflächen zwischen den beiden Ausgangsstoffen etwa durch ein „Umrühren" aufgrund der niedrigen Reynoldszahlen und der deshalb fehlenden Turbulenzbildung jedoch nicht möglich. Deswegen setzen die meisten Mischprinzipien hier auf ein sogenanntes „Mischen durch Laminieren". Dabei werden die zwei Ausgangssubstanzen A und B durch geschickte Medienführung als laminiertes Schichtsystem ABABAB.... in einen gemeinsamen Reaktionskanal eingeführt. Eine solche Vorgehensweise ist bei spielsweise aus M. Koch u.a.: „Two simple micromixers based on silicon", Journal of Micromechanics and Microengineering; 8(1998), S. 123–126 bekannt.Next The described macroscopic laboratory mixers are, for example Also known a number of micromixers. In micro dimensions is the enlargement of the interfaces between the two raw materials, for example, by a "stir" due to the low Reynolds numbers and therefore the lack of turbulence, however not possible. That is why most of the mixing principles here rely on a so-called "mixing by lamination ". The two starting substances A and B by skillful media management as laminated layer system ABABAB .... in a common reaction channel introduced. A such procedure is for example from M. Koch et al .: "Two simple micromixers based on silicon ", Journal of Micromechanics and Microengineering; 8 (1998), pp. 123-126.
Je dünner die Schichtungen in dem Kanal sind, desto schneller läuft die Durchmischung der beiden Stoffe durch Diffusion ab. Die charakteristische Zeitkonstante τ für eine Durchmischung berechnet sich zu The thinner the layers in the channel, the faster the mixing of the two substances proceeds by diffusion. The characteristic time constant τ for mixing is calculated to
Dabei ist d eine charakteristische Schichtdicke innerhalb der laminierten Schichtfolge ABABAB... und D ist die Diffusionskonstante der Moleküle.there d is a characteristic layer thickness within the laminated one Layer sequence ABABAB ... and D is the diffusion constant of the molecules.
Aus Gleichung (1) kann man ersehen, daß die Durchmischung um so schneller geht, je geringer die charakteristische Schichtdicke in dem laminierten Schichtaufbau wird. In speziellen Ausführungen von Mikromischern wurden durch das sogenannte Laminieren charakteristische Mischzeiten von weniger als 10 Mikrosekunden (10–5 s) erreicht. Diesbezüglich wird beispielsweise auf D.E. Hertzog u.a.: „Microsecond Microfluidic Mixing For Investigation of Protein Folding Kinetics", 7th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (μTAS 2003), 5. bis 9. Oktober 2003, Squaw Valley, USA, S. 891–894, verwiesen.From equation (1) it can be seen that the lower the characteristic layer thickness in the laminated layer structure, the faster the mixing proceeds. In special versions of micromixers, so-called lamination resulted in characteristic mixing times of less than 10 microseconds (10 -5 s). In this regard, for example, DE Hertzog include: "microsecond Microfluidic Mixing For Investigation of Protein Folding Kinetics", 7 th International Conference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems (μTAS 2003), 5-9 October 2003, Squaw Valley, USA, pp. 891-894.
Für den Betrieb derartiger Mikromischer sind allerdings sehr feine und daher häufig relativ teuere Mikrostrukturen sowie aufwendige, externe Pumpsysteme erforderlich. Beides zusammen stellt eine sehr große Hürde für den Alltagseinsatz dieser Systeme in biologischen und chemischen Labors dar.For the business However, such micromixers are very fine and therefore often relatively expensive microstructures and complex, external pumping systems required. Both together make a very big hurdle for everyday use of this Systems in biological and chemical laboratories
Es ist ein Mischprinzip bekannt, bei dem eine in einem Mischbecher befindliche Probe durch einen Dreharm einer schnellen Rotation unterworfen wird, während der Mischbecher mit geringerer Geschwindigkeit in Gegenrichtung rotiert.It is a mixing principle known in which one in a mixing cup subjected to rapid rotation by a rotary arm will, while the mixing cup at a lower speed in the opposite direction rotates.
Die
Aus
der
Die
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Mischvorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Flüssigkeiten zu schaffen, die bei einem geringen Aufwand ein schnelles Mischen ermöglichen und somit für den Alltagseinsatz in biologischen und chemischen Labors geeignet sind.The The object of the present invention is a mixing device and a method for mixing at least two liquids to create that allow for a low effort a fast mixing and thus for suitable for everyday use in biological and chemical laboratories are.
Diese Aufgabe wird durch eine Mischervorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Flüssigkeiten nach Anspruch 20 gelöst.These The object is achieved by a mixer device according to claim 1 and a A method for mixing at least two liquids according to claim 20 solved.
Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Further Embodiments are the subject of the dependent claims.
In anderen Worten betrifft die vorliegende Erfindung einen Rotationslaminator zum Mischen von zwei oder mehreren Flüssigkeiten bzw. Ausgangsreagenzien durch Herstellung eines sehr dünnen, laminierten Schichtsystems.In In other words, the present invention relates to a rotary laminator for mixing two or more liquids or starting reagents by making a very thin, laminated layer system.
Die relative Drehbewegung bzw. Rotationsbewegung zwischen der Flüssigkeitsempfangseinrichtung und der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung ermöglicht, daß kontinuierlich Flüssigkeiten von der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung gesprüht werden können. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen werden im Gegensatz zu bekannten Mikromischern die flüssigen Ausgangsstoffe durch Zentrifugalkräfte angetrieben, so daß keine externen Pumpsysteme erforderlich sind. Dies wird erreicht, indem eine Rotation der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung um eine Rotationsachse bewirkt wird. Das erfindungsgemäße Konzept erlaubt somit die Herstellung von sehr kostengünstigen, einfach bedienbaren Mischern für den Laboralltag.The relative rotational movement between the liquid receiving device and the liquid ejector allows that continuously liquids from the liquid ejector on the liquid receiving device sprayed can be. In preferred embodiments In contrast to known micromixers, the liquid starting materials by centrifugal forces driven so that no external pumping systems are required. This is achieved by a Rotation of the liquid ejector about a rotation axis is effected. The inventive concept thus allows the production of very cost-effective, easy to use Mixers for the laboratory routine.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist eine Mehrzahl erster Ausstoßöffnungen und eine Mehrzahl zweiter Ausstoßöffnungen vorgesehen, um eine Schichtung mit einer erhöhten Anzahl von übereinander geordneten Schichten zu erzeugen. Die Ausstoßöffnungen können dabei vorzugsweise durch längliche Spalte gebildet sein, wobei die Relativbewegung der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Flüssigkeitsempfangseinrichtung quer zu den länglichen Spalten ist, wobei die flächige Ausdehnung der erzeugten Schichten von der Länge der Spalte und der Flugbahn der ausgestoßenen Flüssigkeit zwischen Ausstoßöffnung und Flüssigkeitsempfangseinrichtung abhängt.at preferred embodiments is a plurality of first ejection openings and a plurality of second discharge ports provided to one Layering with an elevated Number of superimposed to create ordered layers. The ejection openings can preferably by elongated Column be formed, wherein the relative movement of the liquid ejector and the liquid receiving device across to the oblong ones Columns is where the areal Extension of the generated layers by the length of the column and the trajectory the rejected one liquid between discharge opening and Liquid receiver depends.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung eine zylindrische äußere Oberfläche auf, in der die Ausstoßöffnungen gebildet sind, wobei die Flüssigkeitsempfangseinrichtung eine Wand aufweist, die als zylindrische Oberfläche ausgebildet ist, die der zylindrischen äußeren Oberfläche der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung gegenüber liegt. Ferner sind in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung vorzugsweise Flüssigkeitsreservoire gebildet, die mit den Ausstoßöffnungen fluidisch verbunden sind. Die Flüssigkeitsreservoire können vorzugsweise eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen, die nach oben offen ist, so daß eine kontinuierliche Befüllung der Flüssigkeitsreservoire durch einen stationären Dispenser selbst bei rotierender Flüssigkeitsausstoßeinrichtung möglich ist.In preferred embodiments, the liquid ejection means has a cylindrical outer surface in which the ejection outlets are formed, the liquid receiving means having a wall formed as a cylindrical surface, that of the cylindrical outer surface the liquid ejection device is opposite. Furthermore, liquid reservoirs are preferably formed in the liquid ejection device, which are fluidically connected to the ejection openings. The liquid reservoirs may preferably have a ring structure concentric about an axis of rotation of the liquid ejector, which is open at the top so that continuous filling of the liquid reservoirs by a stationary dispenser is possible even with the liquid ejector rotating.
Um die Flüssigkeiten von den Flüssigkeitsreservoiren zu den Ausstoßöffnungen verteilen zu können, sind in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Ausgleichsbereiche vorgesehen, die wiederum bevorzugt eine um eine Rotationsachse der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung konzentrische Ringstruktur aufweisen. Ferner ist vorzugsweise jeder Ausstoßöffnung ein Anstaubereich zugeordnet, der einen deutlich geringeren Flußwiderstand besitzt als die Ausstoßöffnung, die beispielsweise als Spalt mit einer Spaltlänge, Spaltbreite und Spaltweite ausgeführt sein kann, um einen definierten Druck an jeder Ausstoßöffnung erzeugen zu können.Around the liquids from the liquid reservoirs to the ejection openings to be able to distribute in the liquid ejector in preferred embodiments The invention provides compensation areas, which in turn preferably one about an axis of rotation of the liquid ejector have concentric ring structure. Further, preferably, each Ejection opening Anstaubereich assigned, which has a much lower flow resistance owns as the ejection opening, for example, as a gap with a gap length, gap width and gap width accomplished can be to create a defined pressure at each discharge port to be able to.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung oder die Flüssigkeitsempfangseinrichtung um eine im wesentlichen vertikal angeordnete Rotationsachse rotierbar, wobei die Flüssigkeitsempfangseinrichtung als eine zylindrische Wandung ausgebildet ist, deren Zylinderachse ebenfalls im wesentlichen vertikal ausgerichtet ist. Somit kann die auf der Wandung erzeugte Schichtung aus übereinander angeordneten Flüssigkeiten durch Gravitationskraft an der Wandung herunterlaufen und sich in einem Sammelbereich sammeln. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Mischervorrichtung angepaßt, um mit herkömmlichen, kommerziell erhältlichen Zentrifugen betrieben zu werden. Zu diesem Zweck kann der rotierbare Teil der erfindungsgemäßen Mischervorrichtung mit einer Aufnahmeeinrichtung versehen sein, um diesen Teil an der Spindel einer herkömmlichen Zentrifuge anzubringen. Der nicht-rotierbare Teil kann mit einer Einrichtung versehen sein, um denselben an einer stationären Halterung anzubringen.at preferred embodiments The present invention is the liquid ejecting device or the liquid receiving device rotatable about a substantially vertically arranged axis of rotation, wherein the liquid receiving device is formed as a cylindrical wall whose cylinder axis is also oriented substantially vertically. Thus, can the layering on the wall of superimposed liquids by gravity on the wall run down and into to collect a collection area. In further preferred embodiments If the mixer device is adapted to work with conventional, commercially available To be operated centrifuges. For this purpose, the rotatable Part of the mixer device according to the invention be provided with a receiving device to this part at the Spindle of a conventional To install centrifuge. The non-rotatable part can with a Means be provided to attach it to a stationary bracket.
Erfindungsgemäß werden zu mischende Ausgangssubstanzen zunächst in voneinander getrennte Reservoire eingefüllt und dann durch getrennte Ausstoßöffnungen einer Flüssigkeitsausstoßeinrichtung auf die Oberfläche einer Flüssigkeitsempfangseinrichtung ausgestoßen bzw. gesprüht. Durch eine relative Drehbewegung zwischen der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und der Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung wird auf der Oberfläche der Flüssigkeitsempfangseinrichtung eine dünne Schichtung der zu mischenden Ausgangssubstanzen gebildet.According to the invention to be mixed starting substances initially in separate reservoirs filled and then through separate ejection openings a liquid ejector on the surface a liquid receiving device pushed out or sprayed. By a relative rotational movement between the liquid ejector and the surface the liquid receiving device will be on the surface the liquid receiving device a thin one Stratification of the starting substances to be mixed formed.
Gegenüber herkömmlichen Labormischern besitzen erfindungsgemäße Mischervorrichtungen und Verfahren zum Mischen von zumindest zwei Ausgangssubstanzen bzw. Flüssigkeiten folgende Vorteile. Die zu mischenden Ausgangssubstanzen sind zunächst vollständig voneinander getrennt und kommen erst nach dem Ausstoßen aus den jeweiligen Ausstoßöffnungen bzw. nach dem Auftreffen auf die Flüssigkeitsempfangseinrichtung miteinander in Kontakt. Nach dem Verlassen der Ausstoßöffnungen bzw. Düsen werden die zu mischenden Substanzen in definierter und einfach kontrollierbarer Weise in einem Mischbereich der Flüssigkeitsempfangseinrichtung, die als Mischgefäß bezeichnet werden kann, aufeinander laminiert. Da durch die vorliegende Erfindung sehr geringe Schichtdicken in der Flüssigkeitsschichtung bzw. dem Laminat erreicht werden können, erfolgt der zweite Abschnitt des Mischens, nämlich die eigentliche Durchmischung durch Diffusion, innerhalb kürzester Zeit. Darüber hinaus kann erfindungsgemäß der Mischprozeß ein kontinuierlicher Prozeß sein, d. h. anders als beim Mischen in einem Becherglas mit einem Magnetrührer kann man die beiden zu mischenden Stoffe auch kontinuierlich zuführen und die Produkte kontinuierlich entnehmen. Somit eignet sich der Mischprozeß beispielsweise auch für einen Einsatz bei der Produktion chemischer und pharmazeutischer Produkte. Da die vorliegende Erfindung darüber hinaus das Erzeugen einer gleichmäßigen Schichtung ermöglicht, kann das Auftreten von sogenannten Hot-Spots zuverlässig unterbunden werden.Compared to conventional Laboratory mixers have mixer devices and methods according to the invention for mixing at least two starting substances or liquids the following advantages. The starting substances to be mixed are initially completely different from each other separated and come only after the ejection from the respective ejection openings or after hitting the liquid receiving device with each other in contact. After leaving the ejection openings or nozzles are the substances to be mixed in a defined and easily controllable Way in a mixing area of the liquid receiving device, referred to as a mixing vessel can be laminated on top of each other. There by the present invention very low layer thicknesses in the liquid stratification or the Laminate can be achieved the second section of the mixing takes place, namely the actual mixing by diffusion, within shortest time Time. About that In addition, according to the invention, the mixing process a continuous Be the process d. H. unlike mixing in a beaker with a magnetic stirrer you can also feed the two substances to be mixed and remove the products continuously. Thus, the mixing process is suitable, for example also for a use in the production of chemical and pharmaceutical Products. Moreover, the present invention provides for generating a even stratification allows, can the occurrence of so-called hot spots are reliably prevented.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:preferred embodiments The present invention will be described below with reference to FIG the enclosed drawings closer explained. Show it:
Gemäß dem in
Der
Rotationskörper
Der äußeren zylindrischen
Oberfläche
des Rotationskörpers
Bei
dem in
Um
unter Verwendung einer solchen Mischvorrichtung, wie sie in
Diese
derart ausgestoßenen
zu mischenden Reagenzien treffen in Form von dünnen Schichten auf die gegenüberliegende
Wand
Neben
der Durchmischung durch Diffusion zwischen den laminierten Schichten
wird der Mischprozeß durch
zusätzliche
Wirbelbildung und Durchdringung der Schichtung aufgrund der kinetischen
Energie der auf das Mischgefäß
Eine
schematische Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
ist in
Eine
schematische Querschnittansicht, die einen Rotationslaminator unter
Verwendung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung
zeigt, wird nun Bezug nehmend auf
Der
Rotationslaminator umfaßt
einen Rotationskörper
Der
Rotationskörper
Der
Rotationskörper
Im
Betrieb werden wiederum zunächst
unterschiedliche Flüssigkeiten
in die Reservoire
Um ein Austreten von Flüssigkeit aus den Reservoiren eines ruhenden Rotationskörpers zu verhindern, kann ein Ventilmechanismus vorgesehen sein. Denkbar sind hier aktive, von außen elektrisch steuerbare Ventile oder passive Ventile, die beispielsweise den Flüssigkeitsstrom erst oberhalb einer kritischen Drehzahl zulassen. Beiden Varianten ist gemein, daß die zu mischenden Reagenzien bzw. Flüssigkeiten A und B erst nach Erreichen der gewünschten Drehzahl laminiert werden und so die gesamte Flüssigkeit im optimalen Drehzahlbereich gemischt werden kann.In order to prevent leakage of liquid from the reservoirs of a stationary body of revolution If, a valve mechanism may be provided. Conceivable here are active, externally electrically controllable valves or passive valves that allow, for example, the liquid flow only above a critical speed. Both variants have in common that the reagents or liquids A and B to be mixed are laminated only after reaching the desired speed and so the entire liquid can be mixed in the optimum speed range.
Als passive Ventile können beispielsweise Zentrifugalventile an den jeweiligen Ausstoßöffnungen vorgesehen sein, die als Kugel-Federsysteme ausgelegt werden können. Dabei wird im Ruhezustand eine Kugel durch eine Feder auf einen Dichtsitz der Ausstoßöffnung gepreßt. Bei Überschreiten einer kritischen Drehzahl wird die Kugel aufgrund deren Zentrifugalbeschleunigung gegen die Feder nach außen bewegt und gibt den Ventilsitz frei. Die Ventilmechanismen können so ausgelegt werden, daß beide Flüssigkeiten gleichzeitig zu fließen beginnen.When passive valves can For example, centrifugal valves at the respective ejection openings be provided, which can be designed as ball-spring systems. there becomes a ball by a spring on a sealing seat at rest the ejection opening pressed. When crossing a critical speed is the ball due to their centrifugal acceleration against the spring to the outside moves and releases the valve seat. The valve mechanisms can do so be interpreted that both liquids to flow at the same time kick off.
Eine
weitere Ausführungsform
passiver Ventile ist ein Reservoir mit einem Überlauf, wie nachfolgend Bezug
nehmend auf die
Bei
dieser Ausführungsform
umfaßt
der Rotationskörper
Ein
Ausführungsbeispiel
für einen
Rotationskörper
mit in demselben gebildeten Fluidkanalstrukturen zum Verbinden von
Reservoiren und Ausstoßöffnungen
wird nun Bezug nehmend auf die
Da
die in den
Wie
am besten in den
Der
Rotationskörper
Wie
am besten in
In
der zweiten Platte
An
dieser Stelle sei angemerkt, daß die
Form und Anordnung des in der dritten Scheibe
Die
Bezug nehmend auf die
Entsprechend einer alternativen Ausführungsform kann anstelle des Rotors auch das Mischgefäß in Rotation versetzt werden. Ein Ausstoß der Ausgangsstoffe aus der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung kann dabei durch Beaufschlagung von Flüssigkeitsreservoiren, die entsprechend mit Ausstoßöffnungen fluidisch verbunden sind, mit Druck generiert werden. Bei einer derartigen Ausführungsform können durch unterschiedliche Antriebsdrücke auch unterschiedliche Viskositäten von zu mischenden Ausgangsstoffen bzw. Reagenzien kompensiert werden. Höher viskose Medien werden in einem solchen Fall mit einem höheren Druck beaufschlagt, wodurch identische Durchflüsse für niedrig- und hochviskose Ausgangsstoffe erreicht werden können.Corresponding an alternative embodiment it is also possible to set the mixing vessel in rotation instead of the rotor. An output of the Starting materials from the liquid ejection device can by applying liquid reservoirs, the corresponding with ejection openings are fluidically connected to be generated with pressure. At a such embodiment can by different driving pressures also different viscosities of be compensated to mixing raw materials or reagents. Higher viscous Media are subjected to a higher pressure in such a case, whereby identical flows for low and highly viscous starting materials can be achieved.
Ein
Ausführungsbeispiel
mit rotierbaren Mischgefäß kann beispielsweise
realisiert werden, indem ein Mischgefäß mit einer Form, wie sie beispielsweise
in
Ein
alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem die Flüssigkeitsempfangseinrichtung
mit einer Rotation beaufschlagt wird, wird nun bezugnehmend auf
die
Das
in den
In
der oberen Oberfläche
der Scheibe
Ferner
sind in der Scheibe
Die
Düsen
Das
in den
Im
zusammengesetzten Zustand sind bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausstoßöffnungen
der Düsen
Die
Bezug nehmend auf die
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit sowohl die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung als auch die Flüssigkeitsempfangseinrichtung mit einer Rotation beaufschlagt werden, wobei entscheidend lediglich eine relative Drehbewegung zwischen den beiden Einrichtungen ist. Es ist offensichtlich, daß bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zumindest der jeweils mit einer Rotation beaufschlagte Körper, d. h. die Flüssigkeitsausstoßeinrichtung und/oder die Flüssigkeitsempfangseinrichtung, rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Ferner ist vorzugsweise, wenn die Flüssigkeitsempfangseinrichtung stationär ausgebildet ist, die Wandung derselben, auf der die Flüssigkeiten empfangen werden, rotationssymmetrisch ausgebildet.According to the present Invention can thus both the liquid ejection device as well as the liquid receiving device be subjected to a rotation, where only decisive a relative rotational movement between the two devices is. It is obvious that at preferred embodiments the invention at least each acted upon by a rotation Body, d. H. the liquid ejector and / or the liquid receiving device, is formed rotationally symmetrical. Furthermore, it is preferable if the liquid receiving device stationary is formed, the wall of the same, on which the liquids be received, rotationally symmetrical.
Die vorliegende Erfindung ist darüber hinaus nicht auf das Mischen von lediglich zwei Flüssigkeiten begrenzt. Vielmehr können mehr als zwei Flüssigkeitsreservoire mit mehr als zwei unterschiedlichen Flüssigkeiten in der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung vorgesehen sein, wobei für jedes der Reservoire eine oder mehrere Ausstoßöffnungen vorgesehen sind, so daß mehr als zwei Flüssigkeiten gemischt werden können.The The present invention is above not limited to the mixing of only two liquids. Rather, you can more than two fluid reservoirs with more than two different liquids in the liquid ejector be provided for each of the reservoirs one or more ejection openings are provided, so that more as two liquids can be mixed.
Wie
oben beschrieben wurde, ermöglicht
die vorliegende Erfindung das Mischen von zwei oder mehr Ausgangsreagenzien
durch die Herstellung eines sehr dünnen, laminierten Schichtsystems.
Um ein solches Schichtsystem zu erzeugen, kann die hardwareseitige
Auslegung beispielsweise eines Rotationslaminators, wie er oben
bezugnehmend auf die
Dieser durch eine einzelne Düse austretende Fluß ΦDüse kann aus dem Strömungswiderstand der Düse RD sowie dem an der Düse anliegenden Druck Δp berechnet werden: This exiting through a single nozzle flux Φ nozzle can be calculated from the flow resistance of the nozzle R D, and the voltage applied to the nozzle pressure Ap:
Der Druck Δp errechnet sich über die Zentrifugalbeschleunigung der Flüssigkeit und ergibt sich insbesondere aus der Frequenz f des Rotationskörpers sowie der Geometrie des Fluidsystems: The pressure Δp is calculated via the centrifugal acceleration of the liquid and results in particular from the frequency f of the rotating body and the geometry of the fluid system:
Dabei steht ρ für die Dichte der Flüssigkeit, f für die Drehfrequenz des Rotors, rm für die mittlere radiale Position der an der Düse anstehenden Flüssigkeit und lplug für die Länge der an der Düse anstehenden Flüssigkeitssäule. Der Strömungswiderstand einer spaltartigen Düse berechnet sich zu: Where ρ is the density of the liquid, f is the rotational frequency of the rotor, r m is the mean radial position of the liquid present at the nozzle, and l plug is the length of the liquid column at the nozzle. The flow resistance of a gap-like nozzle is calculated as:
Dabei steht η für die dynamische Viskosität der durch die jeweilige Ausstoßöffnung auszustoßenden Ausgangssubstanz.there η stands for the dynamic one viscosity the output substance to be ejected through the respective ejection opening.
Insgesamt ergibt sich also für den Durchfluß durch eine einzelne spaltartige Düse: Overall, therefore, for the flow through a single slit-like nozzle:
Die durch die Düse ausgestoßene Flüssigkeitsmenge führt nun auf der Wand des Mischgefäßes zu einer Schicht der Dicke d. Diese kann errechnet werden, indem die durch die Düse austretende Flüssigkeitsmenge dem an der Wand des Mischbehälters auflaminierten Flüssigkeitsvolumen gleichgesetzt wird, also über: The amount of liquid ejected through the nozzle now leads to the wall of the mixing vessel to a layer of thickness d. This can be calculated by equating the amount of liquid emerging through the nozzle with the volume of liquid laminated to the wall of the mixing container, ie via:
Dabei gibt rGefäß den Radius der Wand des Mischbehälters an. Es ergibt sich also die laminierte Schichtdicke d zu: Here r vessel indicates the radius of the wall of the mixing vessel . This results in the laminated layer thickness d to:
Über Gleichung (1) läßt sich somit die charakteristische Mischzeit abschätzen, wogegen sich der Durchsatz des Mischers aus Gleichung (5) multipliziert um die Anzahl der Düsen berechnen läßt. Für folgende Zahlenwerte
- • ρ = 103 kg/m3
- • f = 100 Hz (6.000. U/min)
- • rm = 0,04 m (40 mm)
- • rGefäß = 0,05 m (50 mm)
- • lplug = 0,02 m (20 mm)
- • sl = 0,01 m (10 mm)
- • sw = 0,01 m (10 mm)
- • sb = 5 10–5 m (50 μm)
- • η = 10–3 Pa s (dynamische Viskosität)
- • D = 2,6 10–9 m2/s (Diffusionskonstante von Wasser) ergibt sich die Schichtdicke der an der Wand des Mischgefäßes laminierten Schicht sowie die charakteristische Mischzeit zu:
- • d = 15,7 × 10–6 m = 15,7 μm
- • τ = 0,095 s = 95 ms
- • ρ = 10 3 kg / m 3
- • f = 100 Hz (6,000 rpm)
- • m = 0.04 m (40 mm)
- • r vessel = 0.05 m (50 mm)
- • l plug = 0.02 m (20 mm)
- • sl = 0.01 m (10 mm)
- • sw = 0.01 m (10 mm)
- • sb = 5 10 -5 m (50 μm)
- • η = 10 -3 Pa s (dynamic viscosity)
- • D = 2.6 10 -9 m 2 / s (diffusion constant of water) results in the layer thickness of the layer laminated on the wall of the mixing vessel and the characteristic mixing time to:
- • d = 15.7 × 10 -6 m = 15.7 μm
- • τ = 0.095 s = 95 ms
Bei
- • ϕDüse = 4,9 ml/s
- • ϕMischer = 16 × 4,9 ml/s = 78,4 ml/s
- • φ nozzle = 4.9 ml / s
- • φ mixer = 16 × 4.9 ml / s = 78.4 ml / s
Somit wurde oben gezeigt, daß unter Verwendung der vorliegenden Erfindung ein einzigartiger, kostengünstiger Rotationslaminator implementiert werden kann, mit dem im Laboralltag Reagenzien im Millisekundenbereich vermischt werden können, der bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ohne externe Pumpsysteme auskommen kann, und der einen beträchtlichen Durchsatz aufweisen kann.Thus, it has been demonstrated above that using the present invention, a unique, low cost rotary laminator can be implemented with millisecond reagents in laboratory everyday life customer area, which in preferred embodiments can do without external pumping systems, and which can have a considerable throughput.
Abschließend sei
angemerkt, daß eine
Mischvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die eine Flüssigkeitsausstoßeinrichtung
und eine relativ zu der Flüssigkeitsausstoßeinrichtung
bewegliche Flüssigkeitsempfangseinrichtung
aufweist, vorteilhaft zusammen mit herkömmlichen Zentrifugen oder ähnlichen
herkömmlichen
Antrieben Verwendung finden kann. Zu diesem Zweck können insbesondere
Halteeinrichtungen in der Ausnehmung
Der Abstand zwischen den Ausstoßöffnungen und der die Flüssigkeiten empfangenden Wand des Mischgefäßes ist nicht kritisch, so lange die Energie, mit der die Flüssigkeiten aus den Ausstoßöffnungen ausgestoßen werden, ausreicht, um ein Sprühen der Flüssigkeiten auf die Empfangseinrichtung zu ermöglichen und so lange die auf die Wand der Flüssigkeitsempfangseinrichtung aufgebrachte Schichtung die Relativbewegung zwischen Ausstoßeinrichtung und Empfangseinrichtung nicht stört.Of the Distance between the ejection openings and the liquids receiving wall of the mixing vessel not critical, as long as the energy with which the fluids from the ejection openings pushed out be sufficient to a spray of liquids to allow the receiving device and as long as the on the wall of the liquid receiving device Applied layering the relative movement between ejector and receiving device does not bother.
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DE10361411A DE10361411B4 (en) | 2003-12-29 | 2003-12-29 | Mixer apparatus and method for mixing at least two liquids |
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DE10361411A1 DE10361411A1 (en) | 2005-07-28 |
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- 2003-12-29 DE DE10361411A patent/DE10361411B4/en not_active Expired - Fee Related
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Inventor name: ZENGERLE, ROLAND, PROF. DR., 79183 WALDKIRCH, DE Inventor name: SCHLOSSER, HANS-PETER, 79108 FREIBURG, DE Inventor name: STEINER, THOMAS, 79115 FREIBURG, DE Inventor name: BRENNER, THILO, 79106 FREIBURG, DE Inventor name: DUCREE, JENS, DR., 79112 FREIBURG, DE |
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