JP4287748B2 - マイクロフルイディクシステム - Google Patents

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Description

本発明は、同種の並列な流体パスを有するマイクロフルイディクシステムに関するものである。
マイクロフルイディクシステムは化学的または生物化学的な分解プロセスおよび合成プロセスの実行の際に、巨視的なシステムにくらべて質、速さおよび費用に関して非常に大きい改善を約束する。なぜならば、流体パスのなかの反応時間および滞留時間が非常に短く、また非常にわずかな物質量のみが高精度でかつ再現可能に使用されかつ処理されるからである。特に工業的な応用の際に、量、処理量および生産性に関する要求を満足するためには、流体パスが、場合によっては、多数並列に接続されなければならない（ナンバリングアップ）。並列接続は用途に応じて、マイクロフルイディク構成部分、たとえば混合器、のなかにそれぞれ複数の同種のマイクロチャネルが構成されかつ並列に接続されていること、またはすべてのマイクロフルイディク構成部分またはマイクロフルイディク構成部分から構成されるシステムが多重に並列に接続されることにより行われ得る。マイクロ技術の適当な方法（たとえばエッチング法、ＬＩＧＡ技術またはマイクロメカニク）により並列な流体パスが高い精度で同種に製造され得るので、すべての並列に接続されている流体パスのなかを圧力、温度、質量流量などのようなそれぞれ同一のプロセス状況が支配すべきであり、従ってまたすべての並列な流体パスからそれぞれ等しい製品が得られ、また質の喪失なしに一緒に導かれ得る。
しかしマイクロフルイディクシステムは、流体の粘性のローカルな変動によっても流体パスの閉塞によっても有効な流れ抵抗の作動条件による変化の傾向があり、このことは作動状態のその後の変化およびシステムの全故障に至る継続する閉塞に通じ得る。巨視的なシステムではたとえば質量流量は容易にかつほぼ無障害で測定され、流量調節に与えられ得るが、このことは並列に構成されたマイクロフルイディクシステムでは個々の流体パスに対して妥当な費用では不可能である。
従って本発明の課題は並列に構成されているマイクロフルイディクシステムの機能監視を可能にすることである。
本発明によればこの課題は、同種の並列な流体パスを有するマイクロフルイディクシステムにおいて、個々の流体パスにそれぞれ等しい個所に流体パスのなかの流体の流れにより影響される物理的または化学的な量を検出するためのセンサが対応付けられており、またセンサが、センサにより検出された量の偏差からマイクロフルイディクシステムの作動状態の変化を診断する評価装置に接続されていることにより解決される。等しい個所とは、検出すべき量に関してそれぞれ等値の個所のことである。たとえば分岐なしのチャネルにおいては流体の流量はどこでも等しいが、圧力はたとえば流れに起因する圧力降下に基づいて異なり得る。物理的量は特に圧力、温度および流量であってよく、化学的量はたとえばｐＨ値であってよい。
並列に構成されているマイクロフルイディクシステムの流体パスは同種に構成されているので、システムの無障害の状態ではすべての並列な流体パスのなかでそれぞれ等しい個所においてそれぞれ同一のプロセス状況が支配しているので、センサはそれぞれ物理的または化学的な量の同一の値を検出する。それに対して１つの量の値が他の検出された量の値と異なると、このことは、対応付けられている流体パスのなかの障害を指示する。システムまたは応用に応じて、その場合に相異なる対策が講じられ得る。こうして安全上の理由から全システムが切り離されるか、または当該の流体パスのみが切り離され、その際切り離された流体パスの代わりにそれまでは利用されなかった代りの流体パスが接続され得る。別の可能性は、当該の流体パスのなかの障害を除去するために洗浄プロセスの開始にある。プロセスが中断なしに継続されるべきであれば、たとえば全圧力または全質量流量のようなグローバルな量の変更によりプロセス条件が変更され得る。それに代えて、個々の並列な流体パスのなかの流量の分配が、個々の流体パスのなかのマイクロ操作弁の操作により、または作用面のローカルなシフト、たとえばローカルな温度変更により、補正され得る。後者は特に強く発熱性または吸熱性の反応の際に指示されている。なぜならば、このような反応は補正なしには高い度合いで変化を加速する傾向があるからである。
それぞれ等しい個所においてセンサにより監視される流体パスは、マイクロフルイディク構成部分、たとえばマイクロ反応器、のなかの並列なマイクロチャネルであってよい。
すべてのマイクロフルイディク構成部分またはマイクロフルイディク構成部分から成っているシステムが並列接続されているマイクロフルイディクシステムでは、監視はそれぞれ並列に接続されているマイクロフルイディク構成部分またはシステムに関して行われる。すなわち監視される流体パスはその場合それぞれ個々の並列に接続されているマイクロフルイディク構成部分のなかの流体を導く構造であり、その際もちろん流体を導く構造は、上述のように同一の仕方で監視され得る並列なマイクロチャネルを有し得る。
センサはたとえば、流体パスのなかのそれぞれ等しい個所において圧力を検出する圧力センサであってよい。その際参照圧力として並列接続の入口または出口における流体の入口圧力または出口圧力が用いられるので、流体パスの閉塞の場合には、その閉塞が入口と圧力測定の個所との間の範囲内に位置するか、圧力測定の個所と出口との間の範囲内に位置するか、が確かめられ得る。
代替的にセンサは、それぞれ等しい個所における並列な流体パスの周辺の温度を検出する温度センサであってよい。流体パスを通る質量流量が異なっているならば、作動状態の変化を指示する温度差が生ずる。
監視の別の可能性は、並列な流体パスの周辺の機械的応力の検出にある。個々の流体パスのなかの圧力差及び温度差又はそのいずれか一方に基づいて、異なる個所に異なる機械的応力が生じ得る。
もちろん、障害位置を一層正確に検出し得るように、また監視を全体として一層確実に行い得るように、各流体パスに対して複数の同種のセンサを異なる個所に、または異なるセンサを異なる物理的または化学的量の検出のために設けることができる。
マイクロフルイディク構成部分またはマイクロフルイディク構成部分のシステムの並列接続の際には、有利な仕方で、それぞれ１つのマイクロフルイディクモジュールがマスターとして、その他の並列なマイクロフルイディクモジュールがスレーブとして動作し、その際スレーブがそれぞれマスターにくらべて減ぜられたセンサ機能を有し、またセンサに接続されている評価装置がマスターに対するスレーブの作動状態の変化を診断する。マスターが、プロセスまたは部分プロセスを完全に制御するため、それぞれ完全なセンサ機能を備えているのに対して、スレーブのセンサは最小限度に減ぜられている。マスターによりプロセス制御の枠内で行われる調整、たとえば制御弁に対する制御命令、はスレーブにより受け取られ、それによってそこにマスターにおける作動状態と同一の作動状態が調整される。センサに接続されている評価装置は次いで、スレーブの作動状態がマスターの作動状態と異なるかどうかのみを監視する。それにより並列に構成されたマイクロフルイディクシステムにおいてセンサ機能の費用が顕著に減ぜられ得る。
本発明をさらに説明するため、以下図面を参照する。
図１はマイクロフルイディク構成部分、ここでは混合器または反応器、を示し、そのなかに２つの混合すべき流体に対する入口２および３と、混合により得られた製品に対する出口４との間に複数の同種の並列なマイクロチャネル５が構成されており、それらのなかで両方の一緒に導かれる流体が相続く混合段６のなかで混合され、またその際場合によっては反応する。
マイクロチャネル５の各々はたとえば半経路上に中央にそれぞれ圧力センサ７を含んでいる。圧力センサ７およびマイクロフルイディク構成部分１の入口圧力および出口圧力を測定するための２つの別の圧力センサ８および９は評価装置１０に接続されている。無障害の作動状態では個々のマイクロチャネル５のなかでそれぞれ等しいプロセス状況が支配しているので、センサ７により検出される圧力はそれぞれ等しい。圧力センサ８により検出される入口圧力または圧力センサ９により検出される出口圧力に関しては、センサ７により検出される圧力はそれぞれマイクロチャネル５の全圧力降下の半分に相当する。マイクロチャネル５の１つがたとえば符号２９を付されている個所において完全に閉塞していると、付属の圧力センサ７は圧力センサ８と同一の圧力を検出するので、対応付けられているセンサ７とセンサ８との間の圧力差は零であり、またセンサ７とセンサ９との間の圧力差はマイクロチャネル５における全圧力降下に相当する。従って評価装置１０はセンサ７により検出された圧力の偏差からマイクロフルイディク構成部分１の作動状態の変化を診断し、個々のマイクロチャネル５のなかの障害個所を判定する。ここには示されていないが、すべての混合段６の間にそれぞれ圧力センサ７が配置されるならば、障害個所が一層正確に判定され得る。マイクロチャネル５の１つの初期段階の閉塞、すなわちまだ完全ではない閉塞、の作用は、マイクロフルイディク構成部分１が当該のマイクロチャネル５の個所において付加的に加熱されることにより補償され得る。そのためにたとえばマイクロチャネル５に、ここには示されていないマイクロ弁を介して個々に切換可能であり、こうして個々のマイクロチャネル５の異なる加熱または冷却を可能にする熱交換器３１の別のチャネル３０を対応付けることができる。
図２は並列に構成されたマイクロフルイディクシステムを示し、相続くマイクロフルイディク構成部分１１、１２、１３を有する第１のシステムにマイクロフルイディク構成部分１４、１５、１６、ないし１７、１８、１９を有する別の同種のシステムが並列に接続されている。マイクロフルイディク構成部分１１、１４、１７はそれぞれ同種に構成されている。同じことが相応にマイクロフルイディク構成部分１２、１５、１８または１３、１６、１９に対しても当てはまる。マイクロフルイディク構成部分１１、１４、１７はそれぞれ等しい個所に、評価装置２１に接続されているそれぞれ１つのセンサ２０、たとえば温度センサを有する。相応に他のマイクロフルイディク構成部分１２、１５、１８または１３、１６、１９も、評価装置２４または２５と接続されているセンサ２２または２３を設けられている。マイクロフルイディクシステムが無障害で動作している間は、それぞれ並列なマイクロフルイディク構成部分、たとえば１１、１４、１７、のなかのプロセス状況は等しいので、所属のセンサ２０はそれぞれ等しい物理的量、ここでは温度、を検出する。マイクロフルイディク構成部分の１つ、たとえば１７、のなかの障害の場合には、当該のマイクロフルイディク構成部分１７を通る質量流量の変化に基づいてそこで検出される温度が変化するので、評価装置２１が他のマイクロフルイディク構成部分１１および１４において検出された温度とくらべての当該の温度の偏差からマイクロフルイディク構成部分１７の作動状態の変化を診断する。マイクロフルイディク構成部分１３、１６、１９はたとえば混合器または反応器であり、その際センサ２３はたとえば混合された流体のｐＨ値を、またそれによって混合比を監視する。
示されている実施例では評価装置２１、２４および２５は、マイクロフルイディクシステムのなかで進行するプロセスを制御かつ調節するための装置２６の構成部分である。マイクロフルイディク構成部分１１、１２および１３から成るシステムはその際マスターとして構成されており、他方においてマイクロフルイディク構成部分１４、１５、１６または１７、１８、１９から成るシステムはスレーブとして動作する。マスターのマイクロフルイディク構成部分１１、１２、１３は完全なセンサ機能２７を備え、また検出されたプロセス状態を装置２６に報知する。マスターにくらべてスレーブのマイクロフルイディク構成部分１４、１５、１６または１７、１８、１９は減ぜられたセンサ機能を備え、このことはここで、それらがプロセス状態を装置２６に報知しないことにより簡単化されて表されている。マスターのセンサ機能２７により検出されたプロセス状態に基づいて装置２６はマスターのマイクロフルイディク構成部分１１、１２、１３に対してと同じくスレーブのマイクロフルイディク構成部分１４、１５、１６または１７、１８、１９に対しても制御命令２８を発生する。こうしてスレーブのマイクロフルイディク構成部分のなかに、マスターのマイクロフルイディク構成部分のなかの作動状態と同じ作動状態が調整される。評価装置２１、２４、２５は次いで、スレーブのマイクロフルイディク構成部分のなかの作動状態がマスターのそれらと異なるかどうかのみを監視する。
センサおよびそれらに接続されている評価装置により監視される並列なマイクロチャネルを有するマイクロフルイディク構成部分の配置図である。 多数の並列なマイクロフルイディク構成部分から構成され、それぞれ並列なマイクロフルイディク構成部分がセンサおよびそれらに接続されている評価装置を用いて監視されるマイクロフルイディクシステムの配置図である。
符号の説明
１ マイクロフルイディク構成部分
２、３ 入口
４ 出口
５ マイクロチャネル
６ 混合段
７、８、９ 圧力センサ
１０ 評価装置
１１、１２、１３ マイクロフルイディク構成部分
１４、１５、１６ マイクロフルイディク構成部分
１７、１８、１９ マイクロフルイディク構成部分
２０、２２、２３ センサ
２１、２４、２５ 評価装置

Claims (7)

  1. １つの共通の入口から分岐されかつ１つの出口に結合されて並列に接続された複数の互いに同種の流体パスを備え、並列に接続された全ての流体パスにおいてマイクロフルイディクシステムの無障害の作動状態では質量流量が同じであり、無障害の作動状態は流体パスに閉塞が存在していない状態であり、
    複数の流体パスのそれぞれ対応する個所で流体パスにそれぞれ付設され、流体パスのなかの流体の流れにより影響される少なくとも１つの物理的または化学的な量を検出する複数のセンサを備え、マイクロフルイディクシステムの無障害の作動状態では検出された物理的または化学的な量はそれぞれ同じ値であり、
    複数のセンサに接続され、複数の流体パスのうちの少なくとも１つの流体パスにおいて検出された物理的または化学的な量と、複数の流体パスのうちの他の１つの流体パスにおいて検出された物理的または化学的な量との偏差に基づいて、マイクロフルイディクシステムの作動状態の１つの変化を評価する１つの評価装置を備える
    ことを特徴とするマイクロフルイディクシステム。
  2. 流体パスが１つのマイクロフルイディクモジュールの並列なマイクロチャネルであることを特徴とする請求項１記載のマイクロフルイディクシステム。
  3. 流体パスが同種の並列に接続されるマイクロフルイディクモジュールのなかのそれぞれ流体を導く構造であることを特徴とする請求項１記載のマイクロフルイディクシステム。
  4. センサがそれぞれ等しい個所において流体パスのなかの圧力を検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のマイクロフルイディクシステム。
  5. センサがそれぞれ等しい個所において温度を検出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のマイクロフルイディクシステム。
  6. センサがそれぞれ等しい個所において機械的応力を検出することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載のマイクロフルイディクシステム。
  7. マイクロフルイディクモジュールの並列接続の際に、それぞれ１つのマイクロフルイディクモジュールがマスターとして、その他の並列なマイクロフルイディクモジュールがスレーブとして動作し、スレーブがそれぞれマスターにくらべて減ぜられたセンサ機能を有し、センサに接続されている評価装置がマスターの作動状態に対するスレーブの作動状態の変化を診断することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載のマイクロフルイディクシステム。
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