EP1931453A1 - Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines gemenges von zwei ineinander unlösbaren phasen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur erzeugung eines gemenges von zwei ineinander unlösbaren phasen

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EP1931453A1
EP1931453A1 EP06792143A EP06792143A EP1931453A1 EP 1931453 A1 EP1931453 A1 EP 1931453A1 EP 06792143 A EP06792143 A EP 06792143A EP 06792143 A EP06792143 A EP 06792143A EP 1931453 A1 EP1931453 A1 EP 1931453A1
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EP
European Patent Office
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fluid channel
phase
phases
contact region
mixture
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06792143A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Haeberle
Jens DUCRÉE
Roland Zengerle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Original Assignee
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
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Publication date
Application filed by Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV filed Critical Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Publication of EP1931453A1 publication Critical patent/EP1931453A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/235—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids for making foam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
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    • B01F33/301—Micromixers using specific means for arranging the streams to be mixed, e.g. channel geometries or dispositions
    • B01F33/3011—Micromixers using specific means for arranging the streams to be mixed, e.g. channel geometries or dispositions using a sheathing stream of a fluid surrounding a central stream of a different fluid, e.g. for reducing the cross-section of the central stream or to produce droplets from the central stream
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01F35/754—Discharge mechanisms characterised by the means for discharging the components from the mixer
    • B01F35/75455—Discharge mechanisms characterised by the means for discharging the components from the mixer using a rotary discharge means, e.g. a screw beneath the receptacle

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and a method for producing a mixture of two intractable phases, for example emulsions or foams.
  • Emulsification is a key step in a variety of production processes in the food, cosmetics and pharmaceutical industries.
  • two intractable liquids such as oil and water, are mixed to produce a batch in which one liquid is dispersed in the form of small droplets in the other.
  • Apparatuses used to prepare emulsions fall into two broad groups, namely turbulence inducing systems and controlled droplet generation systems.
  • rotor-stator systems are used for industrial use where a rotor is used to stir in the fluids to produce the batch.
  • Such systems are available, for example, from Microtec Co., Ltd. (http://nition.com/en).
  • high-pressure homogenizers for example from Niro Inc. (http://www.niroinc.com "), or ultrasound-based systems, for example Dr.
  • Hielscher GmbH http://www.hielscher.com
  • These devices can be used universally to disperse multiple immiscible phases by inducing large shear forces into the phase boundaries to achieve intermixing and varying the size distribution of the disperse phase
  • this method is very strong because stochastically distributed tearing effects in turbulent flows are responsible for the drop generation.
  • Another disadvantage of these mechanical dispersing processes is the energy input into the phase mixture. As a result, the temperature of the emulsion is increased and heat-sensitive components, as they are often found in pharmaceutical production, can be destroyed.
  • a well-known example for the production of monodisperse emulsions is a membrane reactor, which is disclosed, for example, by the Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Bioprocess Engineering (http://www.igb.fraunhofer.de).
  • An example of such a membrane reactor is shown in Fig. 1, wherein a continuous phase 10 is passed between two porous membranes 12 and 14 through whose micropores 16 a phase 18 to be dispersed is forced into the continuous phase.
  • the disperse phase is then sheared from the perpendicular to it flowing, continuous phase at the exit from the pores 16 and it forms drops 20. Thereby, an emulsion 22 of the continuous phase 10 and the disperse phase 18 is generated.
  • microfluidic systems More recently, the production of stable microemulsions exhibiting small droplet size distributions has been disclosed by microfluidic systems, see T. Thorsen, RW Roberts, FH Arnold and SR Quake, Phys. Rev. Lett. 86, p. 4.163-4166 (2001).
  • the generation of double emulsions by microfluidic systems has also been disclosed, see AS Utada, E. Lorenceau, DR Link, PD Kaplan, HA Stone, DA Weitz, Science, 308, Pp. 537-541 (2005).
  • emulsions having a very narrow distribution of drop sizes so-called monodisperse emulsions, can be prepared.
  • microfabricated fluidic structures in the sub-millimeter range which are referred to as microfluidic systems, allow the controlled production and manipulation of individual drops, so that emulsions with a very narrow-band distribution of droplet sizes and thus highly monodisperse emulsions can be produced.
  • a first phase 30 is passed as a continuous phase through a first fluid channel 32 to a connection point 34, while through a further fluid channel 36 a second phase 38 as a disperse phase to the
  • syringes and syringe pumps are used at the contacting point because of the special hydrodynamic conditions, for example the high shear forces, in the microchannels to a sequence of droplet breaks of the disperse in the continuous Phase, so that in an outlet channel 40, an emulsion of the first and the second phase is generated.
  • Such a channel structure is shown in Fig. 3 and comprises a central channel 42 over which a disperse phase, e.g., soybean oil, is supplied, and two lateral channels 44 and 46 via which a continuous phase, e.g.
  • a disperse phase e.g., soybean oil
  • SDS sodium-dodecyl sulfate
  • microfluidic systems are known from the prior art which use centrifugal forces to handle liquids, see J. Ducree, HP. Schlosser, S. Haeberle, T. Glatzel, T. Brenner, R. Zengerle, Proc. ⁇ TAS 2004, Malmö, Sweden, pp. 554-556.
  • Droplet-based analyzes and corresponding micro-processing techniques are also described, for example, by S. Okushima, T. Nisisako, T. Torii, T. Higuchi, Proc. of ⁇ TAS 2004, Malmo, Sweden, pp. 258-260.
  • the object of the present invention is to provide an apparatus and a method for producing a mixture of two intractable phases, which allow a controlled and reproducible droplet size.
  • the present invention provides an apparatus for producing a mixture of two intractable phases with the following features:
  • a device configured to impart rotation to the first fluid channel, the second fluid channel, and the third fluid channel, wherein a first phase is supplied centrifugally through the first fluid channel to the contact region and a second phase insoluble in the first phase the centrifugal-hydrodynamically induced pressure and / or shear forces in the contact region cause drop separation in one of the supplied phases to produce the mixture of first and second phases.
  • the present invention further provides a method for producing a mixture of two intractable phases comprising the steps of: centrifugally feeding a first phase through a first fluid channel to a contact region;
  • centrifugal feeding is effected by a rotation of the first fluid channel, the second fluid channel and the contact region, wherein the centrifugally hydrodynamically induced pressure and / or shear forces in the contact region cause a droplet break in one of the supplied phases to the first batch and second phase;
  • the present invention is thus based on exploiting centrifugal force over known techniques to contact at least two immiscible phases in a rotating system to produce emulsions when the two phases are liquids. Liquid phases are thereby fed centrifugally through the rotation to the contact area.
  • Foams for example monodisperse liquid-gas-phase dispersions, can also be produced according to the invention if one phase is a liquid and one phase is a gas. Feeding a gaseous phase into a liquid phase is not directly possible by centrifugal pumping because the gas phase would be pumped radially inward instead of outward in the presence of the much denser liquid phase.
  • a device is provided which allows a supply of the gas via the associated fluid channels or channels. Such a device could be formed for example by a co-rotating pump (on-board pump). Further, aspiration of the gas according to the water jet pump principle could be done at a radially outward location of the high velocity channel of the liquid stream.
  • the present invention thus deals with the production of droplets or emulsions in rotating channels as well as the processing of immiscible phases in rotating modules.
  • at least one and in the case of two liquids both phases are transported by centrifugal forces in fluid channels and the phases are combined at at least one location, whereby a controlled drop break of at least one phase takes place. This process can be repeated serially and in parallel.
  • the pump according to the invention by means of the centrifugal force allows continuous operation, d. H. a pulse-free force field on the interacting fluids.
  • the rotational frequency is stabilized in the continuous rotational movement over the moment of inertia of the rotor with respect to speed fluctuations of the drive. Oscillations as in a drive via syringe pumps or positive displacement pumps are thereby avoided.
  • the phases are continuously metered into an inlet region of the fluid channels, such an inlet region being able to be formed, for example, by a reservoir on an upper side of a rotor.
  • the liquids can then be supplied via suitable guide structures in the rotor to closed channels, which represent the fluid channels whose radially outer ends open into the contact area.
  • a continuous, radial ejection of Processed liquid from the rotor into a collecting device In further embodiments of the invention, a continuous, radial ejection of Processed liquid from the rotor into a collecting device.
  • the liquid can be collected in a cavity on the rotor, optionally together with a targeted discharge thereof.
  • no pressure-tight fluid interfaces are necessary, since media to be processed can be directed in the free jet into the process module and, if appropriate, can be led out of it.
  • the channel structure of the present invention comprises three feed channels in the form of a "sheath-flow" structure in which the phase to be dispersed is contacted with the continuous phase at a contacting site from two opposite sides in which at least two miscible or immiscible phases are enclosed in one drop, to achieve this, a mixture of two miscible or immiscible phases can be fed via one of the feed channels.
  • double emulsions can also be produced according to the sheath-flow principle by adding further phases in, for example two, further supply channels for contacting be added. These can be used, for example, for encapsulating an internal phase relative to the continuous medium (vesicle).
  • the channel structures required to implement the invention may either be formed directly in a rotor, for example a disk, or may be formed in a module which is inserted into a rotor. Further processing of the drops on the rotor or the rotating module, for example a renewed splitting of the drops, is also possible. In addition, through an integrated extraction of the phases, For example, by sedimentation and / or decantation, new process flows are made possible. In addition to the production of emulsions, the present invention also permits the preparation of dispersions of gases and liquids, ie foams.
  • centrifugal force for producing a mixture of two phases insoluble in one another enables precise control and reproducibility of the droplet size via hydrodynamic boundary conditions defined by geometric structures.
  • identical structures can be operated in parallel, which leads to a parallelization on the process module.
  • new "centrifugal" conditions of drop separation are present, allowing access to new ranges of experimental parameters, such as droplet size, droplet frequency, droplet spacing for given viscosities, densities, and surface / interfacial tensions of the liquids to be dispersed
  • centrifugal pumping a heat input into the liquids are completely avoided.
  • radially outer end is meant an end that is radially further out than another end of the respective channel so that centrifugally driven liquid transport from the other end to the radially outer end is possible.
  • radially inner end is understood to mean an end which is radially inward than another end of the respective channel, so that a centrifugally driven liquid transport from the radially inner end to the other end is possible.
  • the present invention thus provides a novel centrifugal microfluidic process for the continuous production of highly monodispersed mixtures of two intractable phases, for example water droplets in an oil flow.
  • the present invention can be readily integrated on centrifugal platforms with other processing techniques, such as centrifugal droplet sedimentation, enabling novel applications in the field of droplet-based analysis and microprocessing technology.
  • Fig. 1 shows a membrane reactor according to the prior art
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 5 is a schematic plan view of a channel structure according to an embodiment of the present invention.
  • Figs. 6 to 8 are schematic diagrams for explaining the functionality of the present invention.
  • Fig. 9 shows experimental results of an implementation of the invention.
  • FIG. 4 the basic structure of an embodiment of the present invention is explained below, wherein an exemplary channel structure for generating a mixture of two non-detachable phases is described below with reference to FIG. 5.
  • the embodiment shown in Fig. 4 of the present invention comprises a drive unit 100, which is formed for example by a rotary motor with an associated control.
  • the device further comprises a rotational body 102, which is rotatable about a rotational axis Z by the drive unit 100.
  • the drive unit 100 comprises a suitable device for holding the rotational body 102.
  • the device further comprises a first fluid injection module 104 and a second fluid injection module 106.
  • a fluid collecting device 108 is provided which surrounds the rotational body 102 in an annular manner.
  • At least one channel structure which makes it possible to generate a mixture of two non-detachable phases, is provided in the rotary body 102.
  • a plurality of corresponding channel structures 110 which are arranged in the rotational body in a star shape and extending radially outward, are preferably provided, which can be fed via separate or common reservoirs.
  • the rotary body 102 is in the illustrated embodiment of a substrate 102, which may be formed of any suitable material, such as plastic, silicon, glass or the like.
  • the channel structures 110 are structured.
  • the substrate 102a is provided with a lid 102b which has openings 112 for fluid communication with fluid reservoirs 114 and 116, which are formed on the rotary body 102 has.
  • the reservoirs 114 and 116 are annularly formed on the rotary body 102 so as to allow continuous filling via the fluid injection devices 104 and 106 during rotation.
  • the reservoirs are also shaped so as to avoid centrifugal overflowing up to a certain rotational frequency, which should be above the speed required for droplet production.
  • the channel structures 110 are open radially outwardly so that liquid may be expelled from them radially outwardly into the catcher 108 by centrifugal force.
  • the catcher 108 may further be provided with suitable drainage means to remove the generated batch from the same, as indicated by an arrow 120. Also, the dispersion can be collected in a co-rotating reservoir.
  • a first liquid is continuously introduced into the reservoir 114 by the fluid injection device 104, while a second liquid is continuously introduced into the reservoir 116 by the fluid injection device 106.
  • the reservoirs 114 and 116 are designed to hold the liquids in the reservoirs during rotation of the rotary body 102 about the rotation axis Z perpendicular to it.
  • the liquids reach the channel structures 110 by centrifugal force assisted by gravitational force, where they are driven radially outward by the centrifugal force F z .
  • the device which was described with reference to FIG. 4 thus comprises a drive unit and a process module, the process module consisting of at least two fluid inlets or at least two reservoirs and a microstructured substrate which is perpendicular to the axis of rotation about a rotation axis Z Can rotate substrate surface.
  • the fluid inputs are designed so that a continuous supply of several liquid streams under rotation is possible.
  • the fluids are continuously ejected from the process module into the catcher 108 after processing, and optionally discharged via a suitable device 120.
  • the fluids could be collected after processing in further reservoirs on the module.
  • the channel structures are formed in the rotor 102.
  • the channel structures could be integrated in a channel module that can be inserted into a rotor.
  • the rotor could then include, for example, the reservoir structures and / or catch reservoirs and / or structures that enable radial ejection of the processed fluids.
  • the fluids in the preferred embodiment, non-dissolvable fluids, are coupled via vertical communication channels or openings 112 in the lid 102b to the substrate and coupled into the microchannels of the channel structure which causes the formation of an emulsion.
  • the fluids Under rotation, the fluids are transported centrifugally to the outside, wherein the to be dispersed Phases are passed in separate and differently shaped microchannels to a contact point.
  • FIG. 5 shows schematically a section of the rotor 102 with the channel structure for generating a mixture of two phases insoluble in one another.
  • the channel structure has a fluid channel 130, the radially outer end of which opens into a contacting point or a contacting region 132, and two fluid lines 134 and 136, whose radially outer ends likewise open into the contacting region 132.
  • the radially outer ends of the fluid channels 134 and 136 open into the contact region with respect to the fluid channel 130 from two opposite sides, so that the fluid channel 130 is arranged between the fluid channels 134 and 136.
  • a radially inner end of an outlet channel 138 also opens into the contacting region 132, preferably with respect to the fluid channel 130.
  • the fluid channel 130 is connected, for example, to the reservoir 106 in order to obtain the phase to be dispersed therefrom.
  • the fluid channels 134 and 136 are connected to the reservoir 104 to receive the continuous phase therefrom.
  • a centrifugal flow is caused in the fluid channels 130, 134, and 136. More specifically, in the fluid channel 130, the fluid to be dispersed is supplied via a fluid flow ⁇ d , while via the channels 134 and 136, the continuous fluid with a fluid flow ⁇ c is supplied.
  • the channel structure shown in FIG. 5 illustrates a so-called "sheath-flow" structure.
  • the phase to be dispersed ⁇ d is contacted in the contacting region 132 to the continuous phases ⁇ c from both sides, thereby inducing a drop of demolition.
  • the different design, ie length and cross section, of the channels defines the hydrodynamic resistances R d and R c of the supply channels and the hydrodynamic resistance R aUs of the discharge channel 138, as indicated on the left side of FIG. 5.
  • FIGS. 6a-6d Four phases of drop breakage are shown in a stroboscopic frame sequence in FIGS. 6a-6d. The sequence was recorded using water as the phase to be dispersed and sunflower oil as the continuous phase.
  • the disperse phase supplied by the fluid channel 130 by centrifugal force F v is contacted from two sides with flows of the continuous phase fed through the channels 134 and 136 and directed into a common channel 138. This takes place at a defined angle of attack in order to achieve a constricting effect of the two side streams on the disperse phase coming from the central channel 130 and to promote the drop separation at the contacting point.
  • the continuous phase ⁇ c preferably wets the channels in comparison to the dispersive phase ⁇ d .
  • the dispersive phase must be actively drawn out of the center channel 130 by the centrifugal force F 2 .
  • the front of the dispersive phase ⁇ d projects to a drop break, as shown in FIGS. 6b-6d.
  • the generated droplet 140 is then guided via the outlet channel 138 and preferably a channel region 150 with a significantly lower flow resistance (see FIG.
  • FIGS 7a-7c show different "sheath-flow" channel structures with respective inlet channels 130, 134 and 136 when operating at different rotational frequencies v.
  • FIGs 7a-7c show three different forms of multiphase flows have been produced, as shown in Figures 7a and 7b, there are isolated droplets 160, ie, spatially isolated droplets flowing in suspension, and pinched droplets 162, ie, droplets which are in the vertical position against the channel walls, as shown in Fig.
  • FIGS. 7d-7f respectively show the same channels as FIGS. 7a-7c when operating at higher frequencies.
  • the microchannels can be formed in a polymer substrate, for example made of COC (cyclic olefin copolymer), in which the continuous phase (for example nonpolar oil) exhibits wetting properties which are higher than the phase to be dispersed (for example water).
  • COC cyclic olefin copolymer
  • the continuous phase for example nonpolar oil
  • wetting properties which are higher than the phase to be dispersed (for example water).
  • the water plug must be actively pulled by centrifugal force from the central channel 130, against the force F ⁇ of the surface tension.
  • the water plug thus rests in the middle channel, so that the working area over which droplet formation takes place has a lower limit frequency vi ow . Above this lower limit frequency, the water plug leaves the middle channel and breaks off as soon as the mass of the droplet exceeds a critical mass.
  • the upper limit of the working range v hOc h is determined by the point at which, due to the droplet diameter d and the drop spacing ⁇ , the droplets start to touch and grow together.
  • operation in Figs. 7d and 7e is above the cut-off frequency for generating individually separated drops since there has been contact between drops, see reference numeral 170, or drop coalescence, see reference numeral 172.
  • a droplet guide channel 180 which may be formed, for example, by the region 150 in FIG.
  • the droplet formation method of the invention was tested using surfactant-free sunflower oil and ink-dyed water (2% by volume).
  • the present invention thus provides an apparatus and a method enabling the generation of monodisperse droplet trains (CV ⁇ 2%).
  • the experiments carried out allow droplet generation with droplet volumes between 5 and 22 nL within a working range, the size and spacing of which can be controlled by channel geometry and rotational frequency.
  • the present invention allows another important operation, namely the hydrodynamic splitting of droplets.
  • the centrifugal platform also provides new capabilities in multi-phase microfluidic applications, with particular emphasis on sedimentation.
  • Exemplary post-processing of blends produced in accordance with the present invention may include bead polymerization of dispersed drops, which may result in solid-liquid emulsions having monodisperse solid phase particles.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen umfasst einen ersten Fluidkanal (134) und einen zweien Fluidkanal (130), die in einen Kontaktbereich (132) münden. Ferner ist ein dritter Fluidkanal (138) vorgesehen, der in den Kontaktbereich mündet. Die Vorrichtung umfasst eine Einrichtung, die konfiguriert ist, um die Fluidkanäle mit einer Rotation zu beaufschlagen, wobei eine erste Phase durch den ersten Fluidkanal zentrifugal zu dem Kontaktbereich zugeführt wird und eine zweite, in der ersten Phase unlösbare Phase durch den zweiten Fluidkanal zu dem Kontaktbereich zugeführt wird, wobei unter Verwendung der Rotation zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem Kontaktbereich einen Tropf enabriss in einer der zugeführten Phasen bewirken, um das Gemenge aus erster und zweiter Phase zu erzeugen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen, beispielsweise von Emulsionen oder Schäumen.
Die Emulgierung ist ein zentraler Schritt in einer Vielzahl von Produktionsverfahren auf dem Gebiet der Ernährungsindustrie, kosmetischen Industrie und pharmazeutischen In- dustrie. Bei der Emulgierung werden zwei ineinander unlösbare Flüssigkeiten, beispielsweise Öl und Wasser, vermengt, um ein Gemenge zu erzeugen, bei dem die eine Flüssigkeit in der Form kleiner Tröpfchen in der anderen verteilt ist.
Zur Herstellung von Emulsionen verwendete Apparate lassen sich in zwei große Gruppen unterteilen, nämlich turbulenzinduzierende Systeme und Systeme mit kontrollierter Tropfengeneration.
Hinsichtlich der turbulenz-induzierten Systeme werden für den industriellen Einsatz beispielsweise Rotor-Stator- Systeme verwendet, bei denen ein Rotor verwendet wird, um in den Flüssigkeiten zu rühren, um das Gemenge zu erzeugen. Derartige Systeme sind beispielsweise von der Firma Micro- tec Co., Ltd. (http://nition.com/en) erhältlich. Ferner werden Hochdruck-Homogenisierer, beispielsweise von der Firma Niro Inc. (http://www.niroinc.com"), oder auf Ultraschall basierende Systeme, z.B. Dr. Hielscher GmbH (http://www.hielscher.com), verwendet. Diese Geräte können universell zum Dispergieren mehrerer nichtmischbarer Phasen eingesetzt werden. Dazu werden große Scherkräfte in die Phasengrenzen induziert, um eine Vermengung zu erlangen. Die Größenverteilung der dispersen Phase schwankt bei dieser Methode allerdings sehr stark, da stochastisch verteilte Abrisseffekte in turbulenten Strömungen für die Tropfengeneration verantwortlich sind. Ein weiterer Nachteil dieser mechanischen Dispergier-Prozesse ist der Ener- gieeintrag in das Phasengemisch. Dadurch wird die Temperatur der Emulsion erhöht und wärmeempfindliche Komponenten, wie sie oft in der pharmazeutischen Produktion zu finden sind, können zerstört werden.
Die Nachteile der turbulenz-induzierenden Systeme, nämliche eine breite Tropfengrößenverteilung sowie eine Erwärmung der Emulsion, können durch Systeme umgangen werden, bei denen Strukturen in der Größenordnung der zu erzeugenden Tropfen für eine geometrisch kontrollierte Tropfengenerati- on genutzt werden.
Ein bekanntes Beispiel zur Erzeugung monodisperser Emulsionen ist ein Membran-Reaktor, der beispielsweise vom Fraunhofer Institut für Grenzflächen und Bioverfahrenstechnik (http://www.igb.fraunhofer.de) offenbart wird. Ein Beispiel eines solchen Membran-Reaktors ist in Fig. 1 gezeigt, wobei eine kontinuierliche Phase 10 zwischen zwei porösen Membranen 12 und 14 durchgeleitet wird, durch deren Mikroporen 16 eine zu dispergierende Phase 18 in die kontinuierliche Phase gedrückt wird. Die disperse Phase wird dann von der senkrecht dazu strömenden, kontinuierlichen Phase beim Austritt aus den Poren 16 abgeschert und es bilden sich Tropfen 20. Dadurch wird eine Emulsion 22 aus der kontinuierlichen Phase 10 und der dispersen Phase 18 erzeugt.
In jüngerer Zeit wurde die Produktion von stabilen Mikro- emulsionen, die Verteilungen mit kleinen Tröpfchengrößen aufweisen, durch mikrofluidische Systeme offenbart, siehe T. Thorsen, R. W. Roberts, F. H. Arnold und S. R. Quake, Phys. Rev. Lett. 86, S. 4.163 - 4.166 (2001). Auch die Erzeugung von Doppelemulsionen durch mikrofluidische Systeme wurde offenbart, siehe A. S. Utada, E. Lorenceau, D. R. Link, P. D. Kaplan, H. A. Stone, D. A. Weitz, Science, 308, S. 537 - 541 (2005). In dem Fall, dass die Tröpfchengröße auf den Bereich der Kanalabmessungen eingestellt ist, wird ein kontinuierlicher Fluss in getrennte Flüssigkeitsabteile unterteilt, von denen jedes ein winziges Reaktionsgefäß darstellt, wo ein schnelles diffuses und sogar konvektions- unterstütztes Mischen stattfindet, siehe A. Günther, M. Jhunjhunwala, M. Thalmann, M. A. Schmidt und K. F. Jensen, Langmuir, 21, S. 1.547 - 1.555 (2005), und L. S. Roach, H. Song, R. F. Ismagilov, Anal. Chem. , 77, S. 785 - 796 (2005) .
Durch derartige Techniken können Emulsionen mit einer sehr schmalbandigen Verteilung der Tropfengrößen, sogenannte monodisperse Emulsionen, hergestellt werden.
Derartige mikrotechnisch gefertigte fluidische Strukturen im Sub-Millimeterbereich, die als mikrofluidische Systeme bezeichnet werden, ermöglichen die kontrollierte Produktion und Manipulation einzelner Tropfen, sodass Emulsionen mit einer sehr schmalbandigen Verteilung der Tropfengrößen und somit hochmonodisperse Emulsionen hergestellt werden können.
T. Nisiako, T. Toru und H. Toshiro, „Rapid Preparation Of Monodispersed Droplets With Confluent Laminar Flows", in Proceedings of the sixteenth annual international conferen- ce on micro electro mechanical Systems - MEMS 2003, S. 331 - 334, beschreiben eine T-förmige Kanalstruktur, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist. Dabei wird eine erste Phase 30 als kontinuierliche Phase durch einen ersten Fluidkanal 32 zu einer Verbindungsstelle 34 geleitet, während durch einen weiteren Fluidkanal 36 eine zweite Phase 38 als disperse Phase zu der Verbindungsstelle 34 geleitet wird. Um die Phasen zuzuführen, werden dabei Spritzen und Spritzenpumpen verwendet. An der Kontaktierungsstelle kommt es aufgrund der speziellen hydrodynamischen Bedingungen, beispielsweise der hohen Scherkräfte, in den Mikrokanälen zu einer Abfolge von Tropfenabrissen der dispersen in die kontinuierliche Phase, sodass in einem Auslasskanal 40 eine Emulsion aus der ersten und der zweiten Phase erzeugt wird.
Q. Y. Xu und M. Nakajima, „The generation of highly mono- disperse droplets through the breakup of hydrodynamically focused microthread in a microfluidic device", Applied Physics Letters, Bd. 85, Nr. 17, S. 3.726 - 3.728, 2004, offenbaren eine alternative Kanalstruktur zur Tröpfchenerzeugung. Eine solche Kanalstruktur ist in Fig. 3 gezeigt und umfasst einen mittleren Kanal 42, über den eine disperse Phase, beispielsweise Sojabohnenöl, zugeführt wird, sowie zwei seitliche Kanäle 44 und 46, über die eine kontinuierliche Phase, beispielsweise eine SDS-Lösung (Sodium- Dodezyl-Sulfat) zugeführt wird. Zum Zuführen der Phasen werden dabei Mikrospritzenpumpen zum Pumpen der dispersen Phase und der kontinuierlichen Phase verwendet. An der Verbindungsstelle der drei Kanäle 42, 44 und 46, an der ein Kontakt zwischen den zugeführten Phasen stattfindet, kommt es wiederum aufgrund der speziellen hydrodynamischen Bedin- gungen in den Mikrokanälen zu einem kontrollierten Tropfen- abriss der Dispersen in die kontinuierliche Phase in dem stromabwärts liegenden Fluidbereich.
Hinsichtlich der physikalischen Grundlagen der Tröpfchen- bildung bei den in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kanälen wird auf die oben genannten Publikationen von Nisiako und Xu verwiesen.
Unabhängig von den genannten Methoden zur Erzeugung von Emulsionen sind aus dem Stand der Technik Mikrofluidsysteme bekannt, die zur Handhabung von Flüssigkeiten Zentrifugalkräfte nutzen, siehe J. Ducree, H-P. Schlosser, S. Haeber- Ie, T. Glatzel, T. Brenner, R. Zengerle, Proc. of μTAS 2004, Malmö, Schweden, S. 554 - 556. Tröpfchenbasierte Analytiken und entsprechende Mikroprozesstechniken sind ferner beispielsweise bei S. Okushima, T. Nisisako, T. Torii, T. Higuchi, Proc. of μTAS 2004, Malmö, Schweden, S. 258 - 260, beschrieben. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen zu schaffen, die eine gesteuerte und reproduzierbare Tropfengröße ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen mit folgenden Merkmalen:
einem ersten Fluidkanal, der in einen Kontaktbereich mün- det;
einem zweiten Fluidkanal, der in den Kontaktbereich mündet;
einem dritten Fluidkanal, der in den Kontaktbereich mündet; und
einer Einrichtung, die konfiguriert ist, um den ersten Fluidkanal, den zweiten Fluidkanal und den dritten Fluidkanal mit einer Rotation zu beaufschlagen, wobei eine erste Phase durch den ersten Fluidkanal zentrifugal zu dem Kontaktbereich zugeführt wird und eine zweite, in der ersten Phase unlösbare Phase durch den zweiten Fluidkanal zu dem Kontaktbereich zugeführt wird, wobei durch die Rotation zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem Kontaktbereich einen Tropfenabriss in einer der zugeführten Phasen bewirken, um das Gemenge aus erster und zweiter Phase zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Erzeugen eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen mit folgenden Schritten: zentrifugales Zuführen einer ersten Phase durch einen ersten Fluidkanal zu einem Kontaktbereich;
Zuführen einer zweiten Phase durch einen zweiten Fluidkanal zu dem Kontaktbereich,
wobei das zentrifugale Zuführen durch eine Rotation des ersten Fluidkanals, des zweiten Fluidkanals und des Kontaktbereichs erfolgt, wobei durch die Rotation zentrifugal- hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem Kontaktbereich einen Tropfenabriss in einer der zugeführten Phasen bewirken, um das Gemenge aus erster und zweiter Phase zu erzeugen; und
zentrifugales Abführen des Gemenges von dem Kontaktbereich durch einen Fluidkanal.
Die vorliegende Erfindung basiert somit gegenüber bekannten Techniken auf der Ausnutzung der Zentrifugalkraft, um mindesten zwei nicht mischbare Phasen in einem rotierenden System zu kontaktieren, um Emulsionen, wenn es sich bei den beiden Phasen um Flüssigkeiten handelt, zu erzeugen. Flüssige Phasen werden dabei zentrifugal durch die Rotation zu dem Kontaktbereich zugeführt.
Erfindungsgemäß können ferner Schäume, beispielsweise monodisperse Flüssig-Gas-Phasen-Dispersionen, erzeugt werden, wenn es sich bei einer Phase um eine Flüssigkeit und bei einer Phase um ein Gas handelt. Das Zuführen einer Gasphase in eine flüssige Phase ist über zentrifugales Pumpen nicht direkt möglich, da die Gasphase in Präsenz der wesentlich dichteren Flüssigphase radial nach innen, statt nach außen, gepumpt würde. Um Flüssig-Gas-Dispersionen herzustellen, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung daher eine Einrichtung vorgesehen, die ein Zuführen des Gases über den oder die zugeordneten Fluidkanäle ermöglicht. Eine solche Einrichtung könnte beispielsweise durch eine mitrotierende Pumpe (On-Board-Pumpe) gebildet sein. Ferner könnte ein Ansaugen des Gases nach dem Wasserstrahlpumpenprinzip an einer radial äußeren Stelle des Kanals mit hoher Geschwindigkeit des Flüssigkeitsstroms erfolgen.
Die vorliegende Erfindung befasst sich somit mit der Produktion von Tropfen bzw. Emulsionen in rotierenden Kanälen sowie der Prozessierung nichtmischbarer Phasen in rotierenden Modulen. Erfindungsgemäß wird zumindest eine und im Fall von zwei Flüssigkeiten beide Phasen durch Zentri- fugalkräfte in Fluidkanälen transportiert und die Phasen werden an mindestens einem Ort zusammengeführt, wobei ein kontrollierter Tropfenabriss von mindestens einer Phase stattfindet. Dieser Vorgang kann seriell wie parallel wiederholt ablaufen.
Das erfindungsgemäße Pumpen mittels der Zentrifugalkraft ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb, d. h. ein pulsfreies Kraftfeld auf die interagierenden Fluide. Dabei wird die Rotationsfrequenz in der kontinuierlichen Drehbewegung über das Trägheitsmoment des Rotors gegenüber Drehzahlschwankungen des Antriebs stabilisiert. Oszillationen wie bei einem Antrieb über Spritzenpumpen oder Verdrängerpumpen werden hierdurch vermieden.
Dies bedeutet gleichbleibende Bedingungen für alle Tropfenabrissprozesse und somit eine Reproduzierbarkeit der Vorgänge bzw. der erzeugten Tropfen. Hierbei ist auch das Pumpen hochviskoser Medien mittels der Zentrifugalkraft möglich. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen erfolgt ein kontinuierliches Zudosieren der Phasen in einen Einlassbereich der Fluidkanäle, wobei ein solcher Einlassbereich beispielsweise durch ein Reservoir auf einer Oberseite eines Rotors gebildet sein kann. Die Flüssigkeiten können dann über geeignete Führungsstrukturen im Rotor zu ge- schlossenen Kanälen, die die Fluidkanäle, deren radial äußere Enden in den Kontaktbereich münden, darstellen, zugeführt werden. Bei weiteren Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein kontinuierliches, radiales Ausstoßen der prozessierten Flüssigkeit aus dem Rotor in eine Auffangvorrichtung erfolgen. Alternativ kann die Flüssigkeit in einer Kavität auf dem Rotor, gegebenenfalls zusammen mit einem gezielten Abführen derselben, aufgefangen werden. Somit sind erfindungsgemäß keine druckdichten Fluidschnittstellen notwendig, da zu prozessierende Medien im Freistrahl in das Prozessmodul geleitet und gegebenenfalls aus demselben herausgeleitet werden können.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen umfasst die erfindungsgemäße Kanalstruktur drei Zufuhrkanäle in der Form einer „Sheath-Flow"-Struktur, bei der die zu dispergierende Phase an einer Kontaktierungsstelle von zwei gegenüberliegenden Seiten mit der kontinuierlichen Phase kontaktiert wird. Die vorliegende Erfindung ermöglicht ferner die Herstellung mehrphasiger Tropfen, bei denen mindestens zwei mischbare oder auch nicht mischbare Phasen in einem Tropfen eingeschlossen sind. Um dies zu erreichen, kann über einen der Zufuhrkanäle ein Gemisch zweier mischbarer oder nicht mischbarer Phasen zugeführt werden. Die Herstellung von 2- phasigen Tropfen ist nach dem Sheath-Flow Prinzip auch über das Hinzufügen weiterer Zulaufkanäle möglich, welche weitere Phasengrenzen im Kontaktierungsbereich schaffen. Ferner können auch Doppel-Emulsionen nach dem Sheath-Flow-Prinzip erzeugt werden, indem noch weitere Phasen in, beispielsweise zwei, weiteren Zuführungskanälen zum Kontaktierungsbereich hinzugefügt werden. Diese können beispielsweise zur Einkapselung einer inneren Phase gegenüber dem kontinuierlichen Medium (Vesikel) dienen.
Die zur Implementierung der Erfindung erforderlichen Kanalstrukturen können entweder direkt in einem Rotor, beispielsweise einer Scheibe, gebildet sein, oder können in einem Modul gebildet sein, das in einen Rotor eingesetzt wird. Eine weitere Prozessierung der Tropfen auf dem Rotor bzw. dem rotierenden Modul, beispielsweise ein erneutes Spalten der Tropfen, ist ebenfalls möglich. Darüber hinaus können durch eine integrierte Extraktion der Phasen, bei- spielsweise durch Sedimentation und/oder Dekantieren, neue Prozessabläufe ermöglicht werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht dabei neben der Herstellung von Emulsionen auch die Herstellung von Dispersionen aus Gasen und Flüssigkei- ten, d. h. Schäumen.
Die erfindungsgemäße Verwendung der Zentrifugalkraft zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen ermöglicht eine genaue Kontrolle und Reproduzierbar- keit der Tropfengröße über durch geometrische Strukturen festgelegte hydrodynamische Randbedingungen. Darüber hinaus können identische Strukturen parallel betrieben werden, was zu einer Parallelisierung auf dem Prozessmodul führt. Bei der Erfindung liegen dabei neue „zentrifugale" Bedingungen des Tropfenabrisses vor, was den Zugang zu neuen Bereichen von experimentellen Parametern ermöglicht, beispielsweise der Tropfengröße, der Tropfenfrequenz, des Tropfenabstands bei gegebenen Viskositäten, Dichten und Ober/Grenzflächenspannungen der zu dispergierenden Flüssigkeiten. Schließlich kann durch das zentrifugale Pumpen ein Wärmeeintrag in die Flüssigkeiten vollständig vermieden werden.
Um den zentrifugalen Flüssigkeitstransport zu ermöglichen münden jeweils radial äußere Enden der Kanäle, über die Flüssigkeiten zu einem Kontaktbereich zugeführt werden in den Kontaktbereich, während radial innere Enden des Kanals oder der Kanäle, die zum Abführen von Flüssigkeiten bzw. einer Flüssig-Gas-Emulsion dienen, in den Kontaktbereich münden. Unter „radial äußerem" Ende ist dabei ein Ende zu verstehen, das radial weiter außen liegt als ein anderes Ende des jeweiligen Kanals, sodass ein zentrifugal getriebener Flüssigkeitstransport von dem anderen Ende zu dem radial äußeren Ende möglich ist. In gleicher Weise ist unter einem „radial inneren" Ende ein Ende zu verstehen ist, das radial weiter innen liegt als ein anderes Ende des jeweiligen Kanals, sodass ein zentrifugal getriebener Flüssigkeitstransport von dem radial inneren Ende zu dem anderen Ende möglich ist. Diese Bezeichnungen stellen somit keine absolute Bedingung dahingehend dar, dass die Kanäle nicht Bögen aufweisen könnten, deren Bogenbereiche abschnittsweise radial weiter außen bzw. innen liegen als die jeweiligen Einmündungen, solange ein zentrifugaler Flüssig- keitstransport, wie er oben beschrieben ist, möglich ist.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein neuartiges zentrifugales mikrofluidisches Verfahren für die kontinuierliche Herstellung von hochmonodispersen Gemengen von zwei ineinander unlösbaren Phasen, beispielsweise von Wassertröpfchen in einem Ölfluss. Die vorliegende Erfindung kann dabei ohne weiteres auf zentrifugalen Plattformen mit weiteren Prozessierungstechniken integriert werden, beispielsweise einer zentrifugalen Tröpfchensedimentation, was neuartige Anwendungen auf der Gebiet der tröpfchenbasierten Analyse und der Mikroprozesstechnik ermöglicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Membran-Reaktor gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 und 3 Kanalstrukturen gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 4 eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 5 eine schematische Draufsicht einer Kanalstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 bis 8 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionalität der vorliegenden Erfindung; und Fig. 9 experimentelle Ergebnisse einer Implementierung der Erfindung.
Bezug nehmend auf Fig. 4 wird nachfolgend der grundsätzli- che Aufbau eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei auf eine beispielhafte Kanalstruktur zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen nachfolgend Bezug nehmend auf Fig. 5 näher eingegangen wird.
Das in Fig. 4 gezeigte Äusführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Antriebseinheit 100 auf, die beispielsweise durch einen Drehmotor mit einer zugeordneten Steuerung gebildet ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Rotationskörper 102, der durch die Antriebseinheit 100 um eine Drehachse Z rotierbar ist. Die Antriebseinheit 100 umfasst dabei eine geeignete Vorrichtung zur Halterung des Rotationskörpers 102. Die Vorrichtung umfasst ferner ein erstes Fluidinjektionsmodul 104 und ein zweites Flui- dinjektionsmodul 106. Darüber hinaus ist eine Fluidauffan- geinrichtung 108 vorgesehen, die den Rotationskörper 102 ringförmig umgibt.
In dem Rotationskörper 102 ist zumindest eine Kanalstruk- tur, die eine Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen ermöglicht, vorgesehen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen ist jedoch vorzugsweise eine Mehrzahl von entsprechenden Kanalstrukturen 110, die in dem Rotationskörper sternförmig und radial nach außen verlaufend angeordnet sind, vorgesehen, die über getrennte oder gemeinsame Reservoire gespeist werden können. Der Rotationskörper 102 besteht bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Substrat 102, das aus einem beliebigen geeigneten Material, beispielsweise Kunststoff, Silizium, Glas oder dergleichen, gebildet sein kann. In dem Substrat 102 sind die Kanalstrukturen 110 strukturiert. Das Substrat 102a ist mit einem Deckel 102b versehen, der Öffnungen 112 zur Fluidverbindung mit Fluidreservoiren 114 und 116, die auf dem Rotationskörper 102 gebildet sind, aufweist. Die Reservoire 114 und 116 sind ringförmig auf dem Rotationskörper 102 gebildet, sodass dieselben während einer Rotation eine kontinuierliche Befüllung über die Fluidinjektion- seinrichtungen 104 und 106 ermöglichen. Die Reservoire sind außerdem so geformt, dass ein zentrifugales Überlaufen bis zu einer bestimmten Drehfrequenz, die oberhalb der für die Tropfenherstellung notwendigen Drehzahl liegen sollte, vermieden wird.
Die Kanalstrukturen 110 sind radial nach außen offen, sodass Flüssigkeit aus denselben radial nach außen in die Auffangeinrichtung 108 durch Zentrifugalkraft ausgestoßen werden kann. Die Auffangeinrichtung 108 kann ferner mit einer geeigneten Ablaufeinrichtung versehen sein, um das erzeugte Gemenge aus derselben abzuführen, wie durch einen Pfeil 120 angedeutet ist. Auch kann die Dispersion in einem mitrotierenden Reservoir aufgefangen werden.
Im Betrieb wird durch die Fluidinjektionseinrichtung 104 kontinuierlich eine erste Flüssigkeit in das Reservoir 114 eingebracht, während durch die Fluidinjektionseinrichtung 106 kontinuierlich eine zweite Flüssigkeit in das Reservoir 116 eingebracht wird. Die Reservoire 114 und 116 sind dabei ausgestaltet, um bei einer Rotation des Rotationskörpers 102 um die senkrecht zu demselben stehende Rotationsachse Z die Flüssigkeiten in den Reservoiren zu halten. Während der Rotation des Rotationskörpers 102 um die Achse Z gelangen die Flüssigkeiten durch Zentrifugalkraft unterstützt durch Gravitationskraft in die Kanalstrukturen 110, wo sie durch die Zentrifugalkraft Fz radial nach außen getrieben werden. Die von den Reservoiren 114 und 116 abgehenden Fluidkanäle münden dabei jeweils an einem radial äußeren Ende in einen Kontaktbereich, in den ferner ein radial inneres Ende eines dritten Fluidkanals mündet. Dort, wo sich die Flüssigkeiten in dem Kontaktbereich treffen, bewirken durch die Rotation zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte einen Tropfenabriss in einer der zugeführten Flüssigkeiten, sodass eine Emulsion aus den beiden Flüssigkeiten durch den dritten Kanal zentrifugal nach außen getrieben wird und am radial äußeren Ende des Rotationskörpers in die Auffangeinrichtung 108 ausgestoßen wird.
Die Vorrichtung, die Bezug nehmend auf Fig. 4 beschrieben wurde, umfasst somit eine Antriebseinheit und ein Prozessmodul, wobei das Prozessmodul aus mindestens zwei Fluidein- gängen bzw. mindestens zwei Reservoiren und einem mikro- strukturierten Substrat besteht, welches um eine Rotationsachse Z senkrecht zur Substratoberfläche rotieren kann. Die Fluideingänge sind dabei so gestaltet, dass eine kontinuierliche Zuführung von mehreren Flüssigkeitsströmen unter Rotation möglich ist.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Beispiel werden die Fluide nach der Prozessierung kontinuierlich aus dem Prozessmodul in die Auffangeinrichtung 108 ausgestoßen und gegebenenfalls über eine geeignete Einrichtung 120 abgeführt. Alternativ könnten die Fluide nach der Prozessierung in weiteren Reservoiren auf dem Modul aufgefangen werden.
Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kanalstrukturen in dem Rotor 102 gebildet. Alternativ könnten die Kanalstrukturen in einem Kanalmodul integriert sein, das in einen Rotor einsetzbar ist. Der Rotor könnte dann beispielsweise die Reservoirstrukturen und/oder Auffangreservoire und/oder Strukturen, die einen radialen Ausstoß der prozessierten Fluide ermöglichen, aufweisen.
Wie dargelegt wurde, werden die Fluide, bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nicht ineinander lösbare Flüssigkeiten, über vertikale Verbindungskanäle bzw. Öffnungen 112 in dem Deckel 102b auf dem Substrat geführt und in die Mikrokanäle der Kanalstruktur, die das Erzeugen einer Emulsion bewirkt, eingekoppelt. Unter Rotation werden die Fluide zentrifugal nach außen transportiert, wobei die zu dispergierenden Phasen in getrennten und unterschiedlich geformten Mikroka- nälen zu einer Kontaktierungsstelle geleitet werden.
Ein Ausführungsbeispiel für eine solche Kanalstruktur zum Bewirken einer Suspension bzw. eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen ist in Fig. 5 gezeigt. Spezieller zeigt Fig. 5 schematisch einen Ausschnitt des Rotors 102 mit der Kanalstruktur zur Erzeugung eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen. Die Kanalstruk- tur weist einen Fluidkanal 130 auf, dessen radial äußeres Ende in eine Kontaktierungsstelle bzw. einen Kontaktie- rungsbereich 132 mündet, sowie zwei Fluidleitungen 134 und 136, deren radial äußere Enden ebenfalls in den Kontaktie- rungsbereich 132 münden. Die radial äußeren Enden der Fluidkanäle 134 und 136 münden bezüglich des Fluidkanals 130 von zwei gegenüberliegenden Seiten in den Kontaktbereich, sodass der Fluidkanal 130 zwischen den Fluidkanälen 134 und 136 angeordnet ist. Ein radial inneres Ende eines Auslasskanals 138 mündet ebenfalls in den Kontaktierungsbe- reich 132, vorzugsweise gegenüber dem Fluidkanal 130. Der Fluidkanal 130 ist beispielsweise mit dem Reservoir 106 verbunden, um von demselben die zu dispergierende Phase zu erhalten. Die Fluidkanäle 134 und 136 sind beispielsweise mit dem Reservoir 104 verbunden, um von demselben die kontinuierliche Phase zu erhalten. Bei einer Rotation des Rotors 102, wie durch eine Rotationsfrequenz v in Fig. 5 angezeigt ist, wird in den Fluidkanälen 130, 134 und 136 ein zentrifugaler Fluss bewirkt. Spezieller wird in dem Fluidkanal 130 das zu dispergierende Fluid über einen Fluidfluss Φd zugeführt, während über die Kanäle 134 und 136 das kontinuierliche Fluid mit einem Fluidfluss Φc zugeführt wird. Die in Fig. 5 gezeigte Kanalstruktur stellt eine sogenannte „Sheath-Flow"-Struktur dar. Die zu dispergierende Phase Φd wird in dem Kontaktierungsbereich 132 mit den kontinuierlichen Phasen Φc von beiden Seiten kontaktiert, wodurch ein Tropfenabriss induziert wird. Die unterschiedliche Ausführung, d. h. Länge und Querschnitt, der Kanäle definiert die hydrodynamischen Widerstände Rd und Rc der Zuleitungskanäle sowie den hydrodynamischen Widerstand RaUs des Abflusskanals 138, wie auf der linken Seite von Fig. 5 angedeutet ist. Durch diese hydrodynamischen Widerstände und durch die Rotationsgeschwindigkeit können die Flussgeschwindigkeiten der beiden Phasen an der Kontaktierungsstelle 132 gesteuert werden. Zusammen mit dem pulsfreien zentrifugalen Pumpen lässt sich somit der Tropfenabriss an der Kontaktierungsstelle mit hoher Präzision und Wiederholgenauigkeit kontrollieren.
Rein schematisch sind in Fig. 5 dabei zwei abgerissene Tropfen 140 dargestellt, die einen Tropfendurchmesser d und einen Abstand Δ voneinander aufweisen.
Vier Phasen des Tropfenabrisses sind in einer stroboskopi- schen Rahmensequenz in den Fig. 6a - 6d gezeigt. Die Sequenz wurde dabei unter Verwendung von Wasser als zu dispergierende Phase und Sonnenblumenöl als kontinuierliche Phase aufgenommen.
Wie beschrieben wurde, wird die durch den Fluidkanal 130 durch Zentrifugalkraft Fv zugeführte disperse Phase von zwei Seiten mit Flüssen der durch die Kanäle 134 und 136 zugeführten kontinuierlichen Phase kontaktiert und in einen gemeinsamen Kanal 138 geleitet. Dies geschieht unter einem definierten Anstellwinkel, um eine einschnürende Wirkung der beiden Seitenströme auf die aus dem Mittelkanal 130 kommende disperse Phase zu erreichen und den Tropfenabriss an der Kontaktierungsstelle zu begünstigen.
Neben der Kanalanordnung ist auch die Benetzungseigenschaft der Kanäle von Bedeutung. Die kontinuierliche Phase Φc benetzt die Kanäle bevorzugt im Vergleich zu der dispersi- ven Phase Φd- Somit muss die dispersive Phase durch die Zentrifugalkraft F2 aktiv aus dem Mittelkanal 130 gezogen werden. Ab einer bestimmten Größe der in den Kontaktie- rungsbereich ragenden Front der dispersiven Phase Φd kommt es aufgrund der einschnürenden Wirkung der Seitenströme Φc sowie der Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen zu einem Tropfenabriss, wie den Fig. 6b - 6d zu entnehmen ist. Der erzeugte Tropfen 140 wird anschließend über den Auslasskanal 138 und vorzugsweise einen an denselben anschließenden Kanalbereich 150 mit deutlich geringerem Flusswiderstand (siehe Fig. 5) in Richtung des äußeren Randes des Rotationskörpers 102 geleitet und durch das an diesem Ende offene Kanalende ausgestoßen. Alternativ kann derselbe in einem Reservoir auf dem Rotationskörper 102 aufgefangen werden, wobei zu diesem Zweck eine Auslassöffnung vorgesehen sein kann, siehe Öffnung 152 in Fig. 5.
Sowohl die Tropfengröße als auch die Art der Mehrphasen- Strömung kann durch gezielte Änderungen der geometrischen Parameter der Kanalstruktur sowie der Rotationsfrequenz eingestellt werden. Diesbezüglich zeigen die Fig. 7a - 7c unterschiedliche „Sheath-Flow"-Kanalstrukturen mit jeweili- gen Einlasskanälen 130, 134 und 136, bei einem Betrieb mit unterschiedlichen Rotationsfrequenzen v. Durch Variation der geometrischen Parameter und der Rotationsfrequenzen können unterschiedliche Emulsionstypen hergestellt werden. Wie den Darstellungen der Fig. 7a - 7c zu entnehmen ist, wurden drei unterschiedliche Formen von Mehrphasenströmungen erzeugt. Gemäß den Fig. 7a und 7b liegen isolierte Tröpfchen 160, d. h. räumlich isolierte, in Suspension fließende Tropfen vor. Ferner können gequetschte Tröpfchen 162, d. h. Tröpfchen die in der Vertikalen an den Kanalwän- den anliegen, erzeugt werden, wie in Fig. 7c gezeigt ist. Darüber hinaus ist es möglich, einen segmentierten Fluss zu erzeugen, d. h. Tropfen, die in der Vertikalen und der Horizontalen (quer zum Fluss) an den Kanalwänden anliegen. Dies kann beispielsweise unterstützt werden, indem flussab- wärts in dem Auslasskanal eine Verjüngung vorgesehen ist, wie im linken Bereich des Auslasskanals 164 in Fig. 7c gezeigt ist. Die Fig. 7d - 7f zeigen jeweils die gleichen Kanäle wie die Fig. 7a - 7c bei einem Betrieb mit höheren Frequenzen.
Die Mikrokanäle können in einem Polymersubstrat, beispiels- weise aus COC (Cyclic Olefin Copolymer) , gebildet sein, in dem die kontinuierliche Phase (beispielsweise unpolares Öl) stärkere Benetzungseigenschaften zeigt als die zu disper- gierende Phase (beispielsweise Wasser) . Somit muss der Wasserpfropfen aktiv durch Zentrifugalkraft aus dem mittle- ren Kanal 130 gezogen werden, entgegen der Kraft Fσ der Oberflächenspannung. Bei kleinen Drehfrequenzen ruht der Wasserpfropfen somit in dem mittleren Kanal, sodass der Arbeitsbereich, über dem eine Tropfenbildung stattfindet, eine untere Grenzfrequenz viow aufweist. Oberhalb dieser unteren Grenzfrequenz tritt der Wasserpfropfen aus dem mittleren Kanal aus und bricht ab, sobald die Masse des Tröpfchens eine kritische Masse übersteigt. Die obere Grenze des Arbeitsbereich vhOch ist durch den Punkt bestimmt, an dem bedingt durch den Tropfendurchmesser d und den Tropfenabstand Δ die Tropfen beginnen, sich zu berühren und zusammenzuwachsen. Diesbezüglich liegt der Betrieb in den Fig. 7d und 7e oberhalb der Grenzfrequenz zum Erzeugen einzeln getrennter Tropfen, da dort eine Berührung zwischen Tropfen, siehe Bezugszeichen 170, oder ein Zusammenwachsen von Tropfen, siehe Bezugszeichen 172, stattgefunden hat.
Hinsichtlich der Erzeugung der Tropfen kann festgehalten werden, dass der Tröpfchenerzeugungsprozess durch die hydrodynamischen Widerstände Rc, Rd und Rausr den radialen Positionen der Zuführungskanäle und des Auslasskanals sowie die Geometrie des tropfenführenden Kanals und die Rotationsgeschwindigkeit beeinflusst wird. Die für unterschiedliche Fluide zur Erzeugung von Emulsionen oder Schäumen zu verwendenden Kanalgeometrien sowie Rotationsgeschwindigkei- ten sind für Fachleute ohne weiteres durch entsprechende Berechnungen bzw. Simulationen bestimmbar. Ein Beispiel für eine Möglichkeit, die erzeugten Tropfen auf der rotierenden Plattform weiter zu verarbeiten, ist in den Fig. 8a und 8b gezeigt. Dabei geht ein Tropfenführungskanal 180, der beispielsweise durch den Bereich 150 in Fig. 5 gebildet sein kann, in einen Fluidkanal 182 über, dessen radial äußeres Ende in einen zweiten Kontaktbereich 184 mündet. Ferner münden in den weiteren Kontaktbereich 184 radial äußere Enden von Zuführungskanälen 186 und 188. Über die Zuführungskanäle 186 und 188 wird eine kontinuierliche Phase Φc zugeführt, während über den Kanal 182 eine Tropfen 140 enthaltende Emulsion zugeführt wird. Somit wirkt die kontinuierliche Phase Φc von außen auf einen in dem Kontak- tierungsbereich 184 befindlichen Tropfen 140' ein, sodass dieser Tropfen in zwei getrennte Tropfen 190 unterteilt werden kann. Auch dieser Prozess wird durch eine „Sheath- Flow"-Struktur eingeleitet und lässt sich präzise steuern. Dabei ist gemäß Fig. 8b die Frequenz etwas zu hoch eingestellt, da dort kein sauberes Aufteilen in zwei Tropfen stattfindet, sondern vielmehr ein zusätzlicher Satelliten- tropfen erzeugt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Tröpfchenbildung wurde unter Verwendung eines tensidfreien Sonnenblumenöls und tintegefärbtem Wasser (2 Vol.-%) untersucht.
Dabei wurden zwei Parameter, eine charakteristische Tröpfchenfläche A und der Tröpfchenabstand Δ, der ein Maß für die Tröpfchenproduktionsrate ist, experimentell ausgewertet. Der Durchmesser d sowie das Volumen der Tröpfchen wurde teilweise aus A angenähert, da die Tröpfchen teilweise mit einem unbekannten Ausmaß zwischen der oberen und der unteren Kanalwand gequetscht waren, wobei der Kanal eine Tiefe von etwa 200 μm aufwies.
Drei unterschiedliche Funktionen konnten durch Variieren des Designs der Struktur realisiert werden. Diesbezüglich können vollständig freifließende und isolierte Tröpfchen unter Verwendung eines hohen Φc und eines kleinen Raus erzeugt werden. Vertikal gequetschte Tröpfchenzüge können unter Verwendung einer geringen Flussrate Φc und eines großen Raus realisiert werden, während ein segmentierter Fluss durch eine Verengung in dem tröpfchentragenden Kanal implementiert werden kann. Wie bereits ausgeführt wurde, beeinflusst neben der Kanalgeometrie auch die Frequenz der Drehung den Abstand und den Durchmesser des Tröpfchens, wobei zu zunehmenden Drehfrequenzen hin die Tröpfchenerzeugungsrate ansteigt, während ihre Größe sinkt. Die diesbe- züglichen Ergebnisse für den Tröpfchendurchmesser d und den Tröpfchenabstand Δ sind in den Fig. 9a und 9b als eine Funktion der Rotationsfrequenz v gezeigt. Dabei beziehen sich die Kurven 200 und 202 auf isolierte Tröpfchen, während sich die Kurven 204 und 206 auf gequetschte Tröpfchen beziehen.
Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Vorrichtung und ein Verfahren, die die Erzeugung von monodispersen Tröpfchenzügen (CV < 2 %) ermöglichen. Die durchgeführten Experimente ermöglichen eine Tröpfchenerzeugung mit Tröpfchenvolumen zwischen 5 und 22 nL innerhalb eines Arbeitsbereichs, wobei deren Größe und Abstand durch die Kanalgeometrie und die Drehfrequenz gesteuert werden kann. Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung eine weitere wichtige Operation, nämlich das hydrodynamische Teilen von Tröpfchen. Die zentrifugale Plattform ermöglicht ferner neue Funktionen in Multiphasen-Mikrofluidanwendungen, wobei hier besonders auch eine Sedimentation hervorzuheben ist.
Beispielhafte Nachbearbeitungen von erfindungsgemäß erzeugten Gemengen können die Auspolymerisierung dispergierter Tropfen umfassen, was zu Fest-Flüssig-Emulsionen mit monodispersen Festphasenteilchen führen kann.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele wurden oben anhand einer sogenannten „Sheath-Flow"-Kanalstruktur erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Kanalstruktur beschränkt, sondern kann auch unter Verwen- dung alternativer Kanalstrukturen, die ein Ablösen von Tröpfchen ermöglichen, implementiert werden, beispielsweise durch eine T-förmige Kanalstruktur, wie sie in Fig. 2 der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Geraenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen, mit folgenden Merkmalen:
einem ersten Fluidkanal (134), der in einen Kontaktbereich (132) mündet;
einem zweiten Fluidkanal (130), der in den Kontaktbe- reich (132) mündet;
einem dritten Fluidkanal (138), der in den Kontaktbereich (132) mündet; und
einer Einrichtung (100), die konfiguriert ist, um den ersten Fluidkanal (134), den zweiten Fluidkanal (130) und den dritten Fluidkanal (138) mit einer Rotation zu beaufschlagen, wobei eine erste Phase durch den ersten Fluidkanal (134) zentrifugal zu dem Kontaktbereich (132) zugeführt wird und eine zweite, in der ersten Phase unlösbare Phase durch den zweiten Fluidkanal (130) zu dem Kontaktbereich (132) zugeführt wird, wobei durch die Rotation zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem Kontaktbe- reich (132) einen Tropfenabriss in einer der zugeführten Phasen bewirken, um das Gemenge aus erster und zweiter Phase zu erzeugen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen vierten Fluidkanal (136) aufweist, der in den Kontaktbereich
(132) mündet, wobei der zweite Fluidkanal (130) zwischen dem ersten (134) und dem vierten (136) Fluidkanal in den Kontaktbereich mündet, sodass ein Phasen- fluss aus dem ersten und vierten Fluidkanal (134, 136) von gegenüberliegenden Seiten auf einen Phasenfluss aus dem zweiten Fluidkanal (130) trifft, wodurch ein Tropfenabriss des Phasenflusses aus dem zweiten Fluidkanal (130) bewirkt wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine Einrichtung zum Zudosieren (104, 106, 114, 116) zumindest einer der Phasen in einen Einlassbereich von zu- mindest einem der Fluidkanäle während der Rotation aufweist .
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner eine Einrichtung (108) zum kontinuierlichen Aufnehmen des erzeugten Gemenges von dem dritten FIu- idkanal (138, 150) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Fluidkanäle (130, 132, 134, 136, 150) in einem Mo- dul (102) gebildet sind, wobei das Gemenge radial aus dem Modul ausgestoßen wird, und wobei die Vorrichtung ferner eine Einrichtung (108) zum Auffangen des aus dem Modul (102) radial ausgestoßenen Gemenges aufweist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Fluidkanäle (130, 132, 134, 136, 150) in einem Modul gebildet sind, und bei der das Modul in einen Rotor eingesetzt ist oder bei der das Modul ein Rotor ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Rotor ein Aufnahmereservoir zum Aufnehmen des erzeugten Gemenges aufweist .
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Rotor eine Mehrzahl von Kanalstrukturen aus erstem, zweitem, drittem und, wenn vorhanden, viertem Fluidkanal aufweist, die sternförmig von einem radial inneren Be- reich zu einem radial äußeren Bereich desselben angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der ein radial äußeres Ende des dritten Fluidkanals (138, 150) in einen weiteren Kontaktbereich (184) mündet, in den ferner das radial äußere Ende zumindest eines wei- teren Fluidkanals (186, 188) mündet, sodass durch die Rotation bewirkte zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem weiteren Kontaktbereich (184) eine weitere Aufspaltung der Tropfen (140) in dem durch den dritten Fluidkanal zugeführten Gemenge bewirken.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der ein radial äußeres Ende des dritten Fluidkanals (138, 150) in einen weiteren Kontaktbereich mündet, in den ferner das radial äußere Ende zumindest eines weiteren Fluidkanals mündet, sodass durch die Rotation bewirkte zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem weiteren Kontaktbereich (184) die Erzeugung eines Gemenges aus dem Gemenge aus erster und zweiter Phase sowie einer über den zumindest einen weiteren Fluidkanal zugeführten dritten Phase bewirken.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Phasen Flüssigkeiten sind, wobei die Vorrichtung derart ausgelegt ist, dass die Phasen zentrifugal zu dem Kontaktbereich oder den Kontaktbereichen zugeführt werden.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der eine der Phasen ein Gas ist, wobei die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Zuführen des Gases durch den oder die Fluidkanäle zu dem Kontaktbereich oder den Kontaktbereichen aufweist.
13. Verfahren zum Erzeugen eines Gemenges von zwei ineinander unlösbaren Phasen mit folgenden Schritten: zentrifugales Zuführen einer ersten Phase durch einen ersten Fluidkanal (134) zu dem Kontaktbereich (132);
Zuführen einer zweiten Phase durch einen zweiten FIu- idkanal (130) zu einem Kontaktbereich (132),
wobei das zentrifugale Zuführen durch eine Rotation des ersten Fluidkanals (134), des zweiten Fluidkanals (136) und des Kontaktbereichs (132) erfolgt, wobei durch die Rotation zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem Kontaktbereich einen Tropfenabriss in einer der zugeführten Phasen bewirken, um das Gemenge aus erster und zweiter Phase zu erzeugen; und
zentrifugales Abführen des Gemenges von dem Kontaktbereich durch einen dritten Fluidkanal (138, 150).
14. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner einen Schritt eines Zuführens einer dritten Phase durch einen vierten Fluidkanal (136) zu dem Kontaktbereich (132) aufweist, wobei der zweite Fluidkanal (130) zwischen dem ersten Fluidkanal (134) und dem vierten Fluidkanal (136) in den Kontaktbereich (132) mündet, sodass ein Phasenfluss aus dem ersten und vierten Fluidkanal (134, 136) von gegenüberliegenden Seiten auf einen Phasenfluss aus dem zweiten Fluidkanal (130) trifft, wodurch ein Tropfenabriss des Phasenflusses aus dem zweiten Fluidkanal (130) bewirkt wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 14, das ferner einen Schritt des Zudosierens zumindest einer der Phasen in Einlassbereiche von zumindest einem der Fluidkanäle während der Rotation aufweist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, das ferner einen Schritt des Transportierens des erzeugten Gemenges in ein Aufnahmereservoir (108) durch Zentrifugalkraft aufweist.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, das ferner einen Schritt des zentrifugalen Zuführens des
Gemenges durch den dritten Fluidkanal (138, 150) zu einem weiteren Kontaktbereich (184) aufweist, und einen Schritt des zentrifugalen Zuführens einer weiteren Phase zu dem weiteren Kontaktbereich (184) aufweist, sodass durch die Rotation bewirkte zentrifugalhydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem weiteren Kontaktbereich eine weitere Aufspaltung der Tropfen in dem durch den dritten Fluidkanal zugeführten Gemenge bewirken.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, das ferner einen Schritt des zentrifugalen Zuführens des Gemenges durch den dritten Fluidkanal (138, 150) zu einem weiteren Kontaktbereich aufweist, und einen Schritt des zentrifugalen Zuführens einer weiteren Phase zu dem weiteren Kontaktbereich aufweist, sodass durch die Rotation bewirkte zentrifugal-hydrodynamisch induzierte Druck- und/oder Scherkräfte in dem weiteren Kontaktbereich die Erzeugung eines Gemenges aus dem Gemenge aus erster und zweiter Phase sowie der weiteren Phase bewirken.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, bei dem durch den zweiten Fluidkanal (130) eine Kombination von zwei mischbaren oder nicht mischbaren Phasen zu dem Kontaktbereich zugeführt wird, sodass in dem Kontaktbereich mehrphasige Tropfen erzeugt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem die Phasen Flüssigkeiten sind, die durch die Fluidka- näle zentrifugal zu dem Kontaktbereich oder den Kontaktbereichen zugeführt werden, sodass das Gemenge eine Emulsion darstellt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem eine Phase eine Flüssigkeit und eine Phase ein Gas ist, sodass das Gemenge einen Schaum darstellt.
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