RU207370U1 - A device with a microchannel structure made in volume - Google Patents

A device with a microchannel structure made in volume Download PDF

Info

Publication number
RU207370U1
RU207370U1 RU2021113797U RU2021113797U RU207370U1 RU 207370 U1 RU207370 U1 RU 207370U1 RU 2021113797 U RU2021113797 U RU 2021113797U RU 2021113797 U RU2021113797 U RU 2021113797U RU 207370 U1 RU207370 U1 RU 207370U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
microreactor
mixing
channel
channels
model
Prior art date
Application number
RU2021113797U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Константин Александрович Гусев
Денис Николаевич Маймистов
Лаврентий Глебович Данилов
Оксана Андреевна Терентьева
Original Assignee
Константин Александрович Гусев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Константин Александрович Гусев filed Critical Константин Александрович Гусев
Priority to RU2021113797U priority Critical patent/RU207370U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU207370U1 publication Critical patent/RU207370U1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01FMIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к областям микрофлюидной технологии и микрореакторного проточного химического синтеза, а именно к проточному микрореактору смешения, представляющему собой цельный объект, в объеме которого выполнены каналы малого диаметра, расположенные в трех измерениях, имеющие на своей траектории две или более точки ввода, дополнительные каналы прогрева компонентов и подготовки к смешению потоков после ввода в микрореактор, перекресток смешения потоков с местом смешения, реакционный канал, выполненный в форме цилиндрической спирали и одну или несколько точек вывода продукта. Полезная модель обеспечивает в зоне смешения эффективное перемешивание жидкостей и в реакционной зоне равномерный теплоперенос от системы термостатирования к потоку вещества в каналах. Для лучшего теплопереноса по центру реактора может быть выполнено отверстие для установки блока термостатирования. Полезная модель изготавливается методом трехмерной печати или иным подобным методом, заключающимся в послойном воссоздании из материала, что позволяет корректировать отдельные элементы полезной модели для оптимизации под решение конкретных задач.The utility model relates to the fields of microfluidic technology and microreactor flow-through chemical synthesis, namely, to a flow-through microreactor of mixing, which is an integral object, in the volume of which small-diameter channels are made, located in three dimensions, having two or more injection points on their trajectory, additional channels heating the components and preparing for mixing the streams after entering the microreactor, the intersection of the mixing of streams with the place of mixing, the reaction channel made in the form of a cylindrical spiral and one or more points of product withdrawal. The utility model provides efficient mixing of liquids in the mixing zone and uniform heat transfer from the thermostating system to the flow of matter in the channels in the reaction zone. For better heat transfer, a hole can be made in the center of the reactor for installing a thermostatting unit. A utility model is produced by three-dimensional printing or another similar method, which consists in layer-by-layer reconstruction from a material, which makes it possible to adjust individual elements of the utility model to optimize for solving specific problems.

Description

Настоящая полезная модель относится к области микрореакторного проточного синтеза и микрофлюидной технологии, а именно к проточному микрореактору смешения.This useful model relates to the field of microreactor flow synthesis and microfluidic technology, namely, to a flow-through microreactor of mixing.

Использование микрореакторного проточного синтеза по сравнению емкостным синтезом дает преимущества, такие как лучшее смешивание, более эффективный теплообмен и более простое масштабирование [Plutschack, M. B., Pieber, B., Gilmore, K., Seeberger, P. H. The Hitchhiker’s Guide to Flow Chemistry//, Chem. Rev. 2017, 117, 11796-11893.]. Другим преимуществом проточного синтеза является возможность проводить многоступенчатые реакции с несколькими реакторами в одной системе [Britton, J., Raston, C. L., Multi-step continuous-flow synthesis, Chemical Society Reviews 2017, 46, 1250-1271.]. Одним из применений таких многостадийных реакций является, например, производство фармацевтических препаратов по требованию с использованием компактных модульных систем непрерывного действия [Adamo, A., Beingessner, R. L., Behnam, M., Chen, J., Jamison, T. F.,Jensen, K. F., Monbaliu, J.-C. M., Myerson, A. S., Revalor, E. M.,Snead, D. R., Stelzer, T., Weeranoppanant, N., Wong, S. Y., Zhang, On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable system, Science 2016, 352, 61-67.].The use of microreactor flow synthesis over capacitance synthesis offers advantages such as better mixing, more efficient heat transfer and easier scaling [Plutschack, MB, Pieber, B., Gilmore, K., Seeberger, PH The Hitchhiker's Guide to Flow Chemistry //, Chem. Rev. 2017, 117, 11796-11893.]. Another advantage of flow synthesis is the ability to carry out multistage reactions with multiple reactors in one system [Britton, J., Raston, C. L., Multi-step continuous-flow synthesis, Chemical Society Reviews 2017, 46, 1250-1271.]. One application for such multistage reactions is, for example, the production of pharmaceuticals on demand using compact modular continuous systems [Adamo, A., Beingessner, RL, Behnam, M., Chen, J., Jamison, TF, Jensen, KF, Monbaliu, J.-C. M., Myerson, AS, Revalor, EM, Snead, DR, Stelzer, T., Weeranoppanant, N., Wong, SY, Zhang, On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable system, Science 2016, 352, 61-67.].

Полезная модель была разработана для решения ряда задач, связанных с использованием трехмерной печати из полимерных материалов для получения микрореакторов для проточного синтеза. На данный момент в литературе неизвестно использование конструкции, в которой реакционный канал выполняется в объеме всего тела объекта в трех измерениях в форме спирали.The utility model was developed to solve a number of problems associated with the use of three-dimensional printing from polymeric materials to obtain microreactors for flow-through synthesis. At the moment, the literature does not know the use of a design in which the reaction channel is executed in the volume of the entire body of an object in three dimensions in the form of a spiral.

Сочетание проточного синтеза с реакторами, полученными методом трехмерной печати из полимерных материалов, является экономически эффективным ввиду достаточно быстрой разработки, быстрого изготовления новых образцов и невысокой стоимости микрореакторов. Трехмерная печать, также известная как аддитивное производство, представляет собой процесс, в котором объект создается слой за слоем непосредственно из трехмерной модели, полученной в программе автоматизированного проектирования. Существует достаточно много технологий, которые могут позволить напечатать микрореакторы для проточного синтеза, например: технология послойного наплавления (FDM, FFF)[Neumaier J. M., Madani A., Klein T., Ziegler T., Low-budget 3D-printed equipment for continuous flow reactions, Beilstein J. Org. Chem. 2019, 15, 558-566.], селективное лазерное спекание (SLS) [Elias, Y., Rudolf von Rohr, P., Bonrath, W., Medlock, J., Buss, A., A porous structured reactor for hydrogenation reactions, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2015, 95, 175-185], стереолитография (SLA) [Comina, G., Suska, A., Filippini, D., Low cost lab-on-a-chip prototyping with a consumer grade 3D printer, Lab on a Chip, 2014, 14, 2978-2982], струйная трехмерная печать (3DP). Однако каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Печать по технологиям SLA, SLS, 3DP позволяет получить объекты с высоким разрешением, но материалы, используемые в технологиях SLA и 3DP, имеют низкую химическую устойчивость и подходят только для небольшого количества сред и реакций. В случае с технологией SLA объект получается спеканием порошка исходного материала, который остается в каналах напечатанного устройства, после этого возникает ряд проблем с удалением неспеченного порошка из каналов. С другой же стороны технология послойного наплавления является самой недорогой из всех, позволяет работать с множеством материалов, но обладает самым низким разрешением печати. Технология послойного наплавления позволяет работать с полиэтиленом, полипропиленом, термопластичным полиуретаном, полиэфирэфиркетоном и циклоолефинами, все эти материалы могут быть использованы при изготовлении микрореакторов согласно полезной модели.The combination of flow-through synthesis with reactors obtained by the method of three-dimensional printing from polymeric materials is cost-effective due to the rather rapid development, rapid production of new samples, and the low cost of microreactors. 3D printing, also known as additive manufacturing, is a process in which an object is created layer by layer directly from a 3D model obtained in a computer-aided design program. There are many technologies that can allow printing microreactors for continuous flow, for example: fused deposition technology (FDM, FFF) [Neumaier JM, Madani A., Klein T., Ziegler T., Low-budget 3D-printed equipment for continuous flow reactions, Beilstein J. Org. Chem. 2019, 15, 558-566.], Selective laser sintering (SLS) [Elias, Y., Rudolf von Rohr, P., Bonrath, W., Medlock, J., Buss, A., A porous structured reactor for hydrogenation reactions, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2015, 95, 175-185], stereolithography (SLA) [Comina, G., Suska, A., Filippini, D., Low cost lab-on-a-chip prototyping with a consumer grade 3D printer, Lab on a Chip, 2014, 14, 2978-2982], inkjet 3D printing (3DP). However, each method has its own advantages and disadvantages. Printing using SLA, SLS, 3DP technologies allows you to get objects with high resolution, but the materials used in SLA and 3DP technologies have low chemical resistance and are suitable only for a small number of media and reactions. In the case of SLA technology, the object is obtained by sintering the raw material powder, which remains in the channels of the printed device, after which a number of problems arise with the removal of green powder from the channels. On the other hand, fused deposition technology is the most inexpensive of all, allows you to work with a variety of materials, but has the lowest print resolution. Layer-by-layer fusion technology allows working with polyethylene, polypropylene, thermoplastic polyurethane, polyetheretherketone and cycloolefins, all these materials can be used in the manufacture of microreactors according to the utility model.

Микрореактор (микрофлюидный чип) - это устройство, которое представляет собой единую комплексную систему различного размера (как правило от 1 мм до 10 см) и позволяет произвести преобразование реагента(ов) к продукту или пробы к анализу. [Demello A.J. Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems // Nature. 2006. Vol.442. №. 7101. P. 394-402.]. Микрореактор выполняется в виде компактного устройства, в каналах которого в один момент времени находится небольшое количество жидкости или газа при нормальных или повышенных давлениях, для преобразования веществ используются каналы диаметром от 1 до 1000 микрометров. Топология и конструкция конкретного микрореактора определяется теми операциями, для которых планируется его применять.A microreactor (microfluidic chip) is a device that is a single complex system of various sizes (usually from 1 mm to 10 cm) and allows conversion of reagent (s) to product or sample for analysis. [Demello A.J. Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems // Nature. 2006. Vol.442. No. 7101. P. 394-402.]. The microreactor is made in the form of a compact device, in the channels of which at one time there is a small amount of liquid or gas at normal or elevated pressures; channels with a diameter from 1 to 1000 micrometers are used to transform substances. The topology and design of a particular microreactor is determined by the operations for which it is planned to use it.

В случае с полимерными микрореакторами, они представляют собой объект произвольной формы, как правило близкий к прямоугольному параллелипипиду, в котором в процессе печати формируется система из каналов, реакционных зон, зон смешения, вспомогательных элементов в едином производственном цикле, могут быть установлены электроды, сенсоры или другие конструкции, которые будут необходимы для выполнения задач.In the case of polymer microreactors, they represent an object of arbitrary shape, as a rule, close to a rectangular parallel to the pipid, in which a system of channels, reaction zones, mixing zones, auxiliary elements is formed during the printing process in a single production cycle, electrodes, sensors or other constructions that will be needed to complete the tasks.

Микрореактор описанный в изобретении был получен по технологии трехмерной печати методом послойного наплавления из трех химически стойких материалов полипропилена, термопластичного полиуретана (ТПУ) и циклоолифинового сополимера (циклоолефин).The microreactor described in the invention was obtained by the technology of three-dimensional printing by layer-by-layer fusion from three chemically resistant materials polypropylene, thermoplastic polyurethane (TPU) and a cycloolifin copolymer (cycloolefin).

Каждый из полимерных материалов, использованных для получения микрореактора, имеет свои преимущества и недостатки, как для процесса печати, так и в области химической стойкости.Each of the polymeric materials used to prepare the microreactor has its own advantages and disadvantages, both for the printing process and in the field of chemical resistance.

Микрореакторы, изготовленные из полипропилена, полностью непрозрачны, и позволяют работать в средах органических растворителей, концентрированных кислот и щелочей, но невозможно создать каналы с менее чем 0,5 мм из-за особенностей технологии печати этим материалом. Рабочий диапазон температур находится в диапазоне от -50°C до+100°C , для некоторых сред температурный диапазон может быть сужен.Microreactors made of polypropylene are completely opaque and allow working in environments of organic solvents, concentrated acids and alkalis, but it is impossible to create channels with less than 0.5 mm due to the peculiarities of the printing technology with this material. The operating temperature range is from -50 ° C to + 100 ° C, for some environments the temperature range may be narrowed.

Микрореакторы, изготовленные из ТПУ, прозрачны и позволяют работать в средах алифатических органических растворителей, водных растворов слабых кислот или щелочей. Рабочий диапазон температур находится в диапазоне от -50°C до+100°C, для некоторых сред могут быть исключения.Microreactors made of TPU are transparent and allow working in environments of aliphatic organic solvents, aqueous solutions of weak acids or alkalis. The operating temperature range is -50 ° C to + 100 ° C, for some environments there may be exceptions.

Микрореакторы, изготовленные из циклоолефинов, в зависимости от конкретной марки материала, могут быть как оптически прозрачны, так и непрозрачны, можно получить различную устойчивость к воздействию повышенных или пониженных температур в диапазоне от -50°C до 200°C. Обладают высокой химической устойчивостью ко всем распространенным реагентам, кроме галогенсодержащих углеводородов.Microreactors made of cycloolefins, depending on the specific grade of material, can be either optically transparent or opaque, you can get different resistance to high or low temperatures in the range from -50 ° C to 200 ° C. They have high chemical resistance to all common reagents, except for halogenated hydrocarbons.

Микрореакторы, полученные методом трехмерной печати имеют значительно более низкую себестоимость, относительно стеклянных или металлических чипов. Себестоимость полимерных микрореакторов с такими же параметрами, как и у стеклянных меньше в 10-20 раз за счет меньшего количества операций, которые необходимо выполнить в процессе изготовления. При этом для полимерных микрореакторов не требуется покрытие каналов дополнительными составами или их иная модификация в виду невысокого гидравлического сопротивления.Microreactors produced by 3D printing have a significantly lower cost compared to glass or metal chips. The prime cost of polymer microreactors with the same parameters as glass ones is 10-20 times less due to the smaller number of operations that must be performed during the manufacturing process. At the same time, for polymer microreactors, there is no need to cover channels with additional compounds or their other modification due to low hydraulic resistance.

В результате чего стоимость напечатанных микрореакторов оказывается меньше чем у аналогов из стекла или металла, что позволяет полимерные микрореакторы сделать одноразовыми и избавиться от проблем с их очисткой, что достаточно актуально в случае работы в области биотехнологического производства.As a result, the cost of printed microreactors turns out to be less than that of analogs made of glass or metal, which makes it possible to make polymer microreactors disposable and get rid of problems with their cleaning, which is quite important in the case of work in the field of biotechnological production.

Описание патентного поискаDescription of patent search

Из уровня техники известна группа изобретений, включающая оснастку для получения заготовки микрофлюидного чипа, способ получения заготовки микрофлюидного чипа, заготовку микрофлюидного чипа, способ изготовления микрофлюидного чипа и микрофлюидный чип [патент RU 2658495C1, 16.08.2018]. Установка для формирования микрофлюидного чипа состоит из двух частей, в одной из которых выполнено отверстие для заливки формовочного материала. При этом формирование каналов происходит за счет содержащегося на внутренней поверхности оснастки рельефа, советующего топологии изготавливаемого микрофлюидного устройства.A group of inventions is known from the prior art, including a tooling for obtaining a microfluidic chip blank, a method for producing a microfluidic chip blank, a microfluidic chip blank, a method for producing a microfluidic chip and a microfluidic chip [patent RU 2658495C1, 08.16.2018]. Installation for the formation of a microfluidic chip consists of two parts, one of which has a hole for pouring the molding material. In this case, the formation of channels occurs due to the relief contained on the inner surface of the tooling, which advises the topology of the manufactured microfluidic device.

Из уровня техники известен микрофлюидный чип смешения [RU 2724254 C1, 07.10.2019], который выполняется из стекла или металла, представляет собой пластину, на которой выполнена в одной плоскости тем или иным способом топология микрофлюидного устройства в виде каналов определенной формы и сечения и для формирования закрытой системы накрыта второй пластиной из того же материала, герметизация между пластинами происходит, либо за счет качества выполнения поверхностей, либо за счет клеевой основы.From the prior art, a microfluidic mixing chip is known [RU 2724254 C1, 07.10.2019], which is made of glass or metal, is a plate on which the topology of a microfluidic device is made in one plane in one way or another in the form of channels of a certain shape and section and for the formation of a closed system is covered with a second plate of the same material, the sealing between the plates occurs, either due to the quality of the surfaces, or due to the adhesive base.

Из уровня техники известна заготовка микрофлюидного чипа и микрофлюидный чип для культивирования и/или исследования клеток [RU 2675998C1, 02.02.2018]. Заготовка включает представляющую собой пластину с отверстиями и основу. На одной из сторон основы размещен слой формовочного материала с микрофлюидной системой заданной топологии, а на противоположной стороне основы размещен уплотнительный слой в виде единой эластичной детали из формовочного материала. При этом уплотнительный слой размещен на поверхности основы и на внутренней поверхности отверстий основы. Микрофлюидный чип включает вышеуказанную заготовку и пластину из оптически прозрачного материала, зафиксированную на заготовке со стороны микрофлюидной системы с обеспечением ее герметизации.A blank of a microfluidic chip and a microfluidic chip for cultivation and / or research of cells is known from the prior art [RU 2675998C1, 02.02.2018]. The workpiece includes a plate with holes and a base. On one side of the base there is a layer of molding material with a microfluidic system of a given topology, and on the opposite side of the base there is a sealing layer in the form of a single elastic part made of molding material. In this case, the sealing layer is placed on the surface of the base and on the inner surface of the holes in the base. The microfluidic chip includes the aforementioned preform and a plate made of optically transparent material, fixed on the preform from the side of the microfluidic system, ensuring its sealing.

Из уровня техники известен способ получения фармацевтических композиций на основе полимерных наночастиц методом микрофлюидной технологии [RU 2637653C1, 10.08.2016]. Способ заключается в пропускании через проточный микрореактор, выполненный из боросиликатного стекла, водного раствора, содержащего поливиниловый спирт и раствор в ацетоне или ацетонитриле этопозида или никлозамида и биодеградируемого полимера в виде сополимера молочной и гликолевой кислот или его смесь с полиметилметакрилатом для медицинского применения Eudragit, при этом предварительно через проточный микрореактор из боросиликатного стекла пропускают водный раствор поливинилового спирта.A method for producing pharmaceutical compositions based on polymer nanoparticles by the method of microfluidic technology is known from the prior art [RU 2637653C1, 08/10/2016]. The method consists in passing through a flow-through microreactor made of borosilicate glass an aqueous solution containing polyvinyl alcohol and a solution in acetone or acetonitrile of etoposide or niclosamide and a biodegradable polymer in the form of a copolymer of lactic and glycolic acids or its mixture with polymethyl methacrylate for medical use an aqueous solution of polyvinyl alcohol is preliminarily passed through a flow-through microreactor made of borosilicate glass.

Из уровня техники известен микрофлюидный чип для получения частиц для доставки лекарств субъекту [WO 2007150030 A2, 27.12.2007]. Микрофлюидная система для получения органических частиц, содержащая, по меньшей мере, два канала, которые сходятся в смесительное устройство, в котором ширина или высота каждого канала составляет от 1 мкм до 1000 мкм, посредством чего поток текучей среды способен протекать через каждый канал и смесительное устройство, и при этом потоки из по меньшей мере двух каналов соединяются и поступают в смесительное устройство и благодаря чему смесительный аппарат позволяет получать органические частицы.A microfluidic chip for producing particles for drug delivery to a subject is known from the prior art [WO 2007150030 A2, 27.12.2007]. Microfluidic system for the production of organic particles, containing at least two channels that converge into a mixing device, in which the width or height of each channel is from 1 μm to 1000 μm, whereby fluid flow is able to flow through each channel and mixing device , and the streams from the at least two channels are connected and enter the mixing device, whereby the mixing device allows the production of organic particles.

Из уровня техники известно устройство микромиксер (микросмеситель), содержащее, по меньшей мере, один входной канал для жидкости и, по меньшей мере, один выходной канал для жидкости; и множество путей между одним впускным каналом для жидкости и по одним выпускным каналом для жидкости, причем ширина некоторых из множества путей изменяется по существу по параболическому принципу вдоль, по меньшей мере, одного размера микромиксера [US 8414182 B2, 09.04. 2013].A micromixer device (micro-mixer) is known from the prior art, comprising at least one liquid inlet and at least one liquid outlet; and a plurality of paths between one liquid inlet and one liquid outlet, the width of some of the plurality of paths being substantially parabolic along at least one micromixer size [US 8414182 B2, 09.04. 2013].

Полезная модель является конструкций микрореактора, предназначенного для трехмерной печати обеспечивающего эффективное смешение малых объемов жидкостей, снижение расхода реагентов при химическом, биологическом синтезе или при использовании в аналитических методиках.The utility model is a microreactor design designed for three-dimensional printing, which provides effective mixing of small volumes of liquids, reducing the consumption of reagents in chemical, biological synthesis or when used in analytical procedures.

Полезная модель характеризуется тем, что микрореактор представляет собой цельный объект, выполняемый в едином производственном цикле с выполненным в нем каналом, имеющим на своей траектории две точки ввода [4], потенциальный канал стабилизации подаваемых потоков, перекресток смешения каналов с точкой смешения [2], канал смешения [6], реакционный канал в форме спирали [3], точку вывода продукта [1], полученного в результате смешения и протекания реакции между исходными реагентами и, необязательно, отверстия для крепления в ложементе (Фиг.1).The useful model is characterized by the fact that the microreactor is a solid object, performed in a single production cycle with a channel made in it, having two entry points on its trajectory [4], a potential channel for stabilization of the supplied flows, a mixing intersection of channels with a mixing point [2], the mixing channel [6], the reaction channel in the form of a spiral [3], the outlet point of the product [1] obtained as a result of mixing and reaction between the starting reagents and, optionally, holes for fastening in the cradle (Fig. 1).

Полезная модель на данном этапе развития техники не может быть изготовлена из стекла или металла, либо изготовление такого объекта будет экономически нецелесообразно. При этом возможна экономически выгодная печать подобной модели из полимерных материалов. Кроме того полученные в результате печати объекты не требуют дополнительной обработки и могут использоваться непосредственно после печати.A utility model at this stage in the development of technology cannot be made of glass or metal, or the manufacture of such an object will be economically inexpedient. In this case, an economically profitable printing of such a model from polymer materials is possible. In addition, the objects obtained as a result of printing do not require additional processing and can be used immediately after printing.

Описанная полезная модель может быть получена методом послойного наплавления по технологиям FFF (fused filament fabrication) или FDM (fused deposition modeling). В качестве исходных материалов используются специальные филаменты, представляющие собой длинные нити, состоящие из, как правило, полимерного материала, имеющего необходимый для выполнения задачи состав.The described utility model can be obtained by layer-by-layer deposition using FFF (fused filament fabrication) or FDM (fused deposition modeling) technologies. As starting materials, special filaments are used, which are long threads, consisting, as a rule, of a polymer material having the composition necessary for the task.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении арсенала микрореакторных устройств и способов их изготовления, в частности микрореакторов смешения, обеспечивающих эффективное смешивание жидкостей, без дополнительного оборудования, для интенсификации химического проточного синтеза, уменьшения расхода реагентов, снижения опасности химических и биологических производств ввиду минимизации рабочего объема реактора, в котором происходит смешение реагентов. Конструкция микрореактора по настоящей полезной модели, обеспечивает интенсификацию процесса смешивания растворов малого пути диффузии и в за счет создания специальных конструкций в канале смешения.The technical result of the claimed utility model is to expand the arsenal of microreactor devices and methods for their manufacture, in particular, mixing microreactors that provide effective mixing of liquids, without additional equipment, to intensify chemical flow synthesis, reduce the consumption of reagents, and reduce the hazard of chemical and biological industries due to minimization of the working volume. a reactor in which the reagents are mixed. The design of the microreactor according to this useful model provides an intensification of the mixing process of solutions with a short diffusion path and in due to the creation of special designs in the mixing channel.

Заявленный микрореактор представляет собой закрытую герметичную систему каналов для смешивания и движения реакционной массы, с двумя входами и, как правило, одним выходом продуктов реакции. При этом возможно изготовление микрореактора с дополнительными точками ввода, либо отбора вещества в любой точке реакционного канала.The claimed microreactor is a closed sealed system of channels for mixing and movement of the reaction mass, with two inlets and, as a rule, one outlet of the reaction products. In this case, it is possible to manufacture a microreactor with additional points of entry, or to select a substance at any point in the reaction channel.

Технический результат достигается тем, что микрореактор по настоящему изобретению может быть выполнен из термопластичных полимерных материалов или металлов методом трехмерной печати или иным подобным методом. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является микрореактор, выполненный из полипропилена или циклоолефинов различных марок. Объем микрореактора, по настоящему изобретению, может составлять от 200 до 5000 мкл, при этом размер микрореактора может составлять: длина, мм: от 20 до 100; ширина, мм: от 20 до 100; высота, мм: от 28 до 250.The technical result is achieved in that the microreactor according to the present invention can be made of thermoplastic polymeric materials or metals by three-dimensional printing or another similar method. A preferred embodiment of the present invention is a microreactor made of polypropylene or various grades of cycloolefins. The volume of the microreactor according to the present invention can be from 200 to 5000 µl, while the size of the microreactor can be: length, mm: from 20 to 100; width, mm: from 20 to 100; height, mm: from 28 to 250.

Описанный микрореактор, может содержать каналы стабилизации подаваемых потоков. Каналы стабилизации могут иметь различную геометрию канала, различное количество изгибов и различную длину. Эти каналы добавляются в топологию микрореактора в тех случаях, когда необходимо перед смешиванием реагентов дополнительно стабилизовать состояние потоков, их температуру, а также сгладить неравномерность подачи. Параметры каналов подбираются опытным путем в зависимости от поставленных перед микрореактором задач. Это повышает эффективность смешивания двух подаваемых потоков в канале смешения.The described microreactor may contain channels for stabilizing the feed streams. Stabilization channels can have different channel geometries, different number of bends and different lengths. These channels are added to the topology of the microreactor in cases where it is necessary to additionally stabilize the state of the flows, their temperature, and also smooth out the unevenness of the flow before mixing the reactants. Channel parameters are selected empirically, depending on the tasks assigned to the microreactor. This improves the mixing efficiency of the two feed streams in the mixing channel.

Ключевыми зонами конструкции полезной модели, обеспечивающими выполнение микрореактором своих функций, являются точка и канал смешивания и реакционный канал. Точка смешивания - это зона микрореактора, в которой происходит соединение двух или более каналов (в которые подаются потоки смешиваемых жидкостей или газов). Канал, в котором выполнены специальные конструкции, интенсифицирующие смешение компонентов, называется каналом смешивания (Фиг.1, номер 6). Канал, следующий после канала смешения, условно называется реакционным каналом (Фиг.1, номер 3), так как в этой зоне микрореактора проходит и заканчивается необходимое преобразование исходных компонентов.The key areas of the utility model design, which ensure that the microreactor performs its functions, are the mixing point and channel and the reaction channel. The mixing point is the zone of the microreactor where two or more channels are connected (into which streams of mixed liquids or gases are fed). The channel in which special structures are made that intensify the mixing of the components is called the mixing channel (Fig. 1, number 6). The channel following the mixing channel is conventionally called the reaction channel (Fig. 1, number 3), since the necessary transformation of the initial components passes and ends in this zone of the microreactor.

Перекресток смешения каналов в микрореакторе - это место, где два или более канала устройства встречаются и переходят в один, по настоящему изобретению, может быть выполнен в виде Т-образного, U-образного или стреловидного перекрестков. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является перекресток смешения, выполненный в U-образном или стреловидном виде (Фиг.3, номер 2).The intersection of mixing channels in a microreactor is the place where two or more channels of the device meet and turn into one, according to the present invention, it can be made in the form of T-shaped, U-shaped or arrow-shaped intersections. The preferred embodiment, according to the present invention, is a mixing intersection made in a U-shaped or arrow-shaped form (Fig. 3, number 2).

Канал смешения по настоящему изобретению, может быть выполнен в форме змеевидного канала, прямого плоского канала модифицированной поверхностью, зигзагообразного канала или канала, содержащего конструкции, вызывающие завихрения потока. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является канал смешения, выполненный в форме прямого канала (Фиг.3, номер 6).The mixing channel of the present invention may be in the form of a serpentine channel, a straight flat channel with a modified surface, a zigzag channel, or a channel containing structures that induce flow eddies. The preferred embodiment according to the present invention is a mixing channel made in the form of a forward channel (Fig. 3, number 6).

Реакционный канал по настоящему изобретению выполнен в форме цилиндрической спирали, при этом от него могут быть выведены дополнительные точки ввода или вывода компонентов.The reaction channel according to the present invention is made in the form of a cylindrical spiral, while additional points of input or output of components can be removed from it.

Поперечное сечение канала в микрореакторе, по настоящему изобретению, может быть выполнено в форме квадратного сечения, овального сечения, круглого, полукруглого сечения или иной формы. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является сечение круглой формы. Диаметр круглого сечения канала может находиться в диапазоне от 0,2 мм до 2 мм. При этом канал имеет площадь поперечного сечения от 0,13 мм2 до 3,2 мм2, а его протяженность может составлять от 100 до 1100 мм. При этом площадь поперечного сечения канала по всей длине микрореактора одинакова.The cross section of the channel in the microreactor according to the present invention can be made in the form of a square section, an oval section, a circular section, a semicircular section, or another shape. The preferred embodiment of the present invention is a circular cross-section. The diameter of the circular section of the duct can be in the range from 0.2 mm to 2 mm. In this case, the channel has a cross-sectional area from 0.13 mm 2 to 3.2 mm 2 , and its length can be from 100 to 1100 mm. In this case, the cross-sectional area of the channel along the entire length of the microreactor is the same.

При изготовлении описанной полезной модели из полимерных материалов не требуется дополнительное покрытие канала гидрофобным или иным покрытием для уменьшения гидравлического сопротивления, так как исходные материалы обеспечивают данные свойства. Кроме того в результате печати поверхность канала микрореактора не является абсолютно гладкой, а имеет характерную структуру, которая оказывает дополнительное влияние на потоки жидкости внутри микрореактора.When manufacturing the described utility model from polymeric materials, additional coating of the channel with a hydrophobic or other coating is not required to reduce the hydraulic resistance, since the starting materials provide these properties. In addition, as a result of printing, the surface of the microreactor channel is not absolutely smooth, but has a characteristic structure, which additionally affects the liquid flows inside the microreactor.

При изготовлении описанной полезной модели из полимерных материалов реакционный канал может быть покрыт дополнительным слоем материалов, необходимых для нахождения в реакционной массе в твердом агрегатном состоянии, например, таким материалом может быть твердое вещество, обладающее свойствами катализатора.In the manufacture of the described utility model from polymeric materials, the reaction channel can be coated with an additional layer of materials necessary for being in the reaction mass in a solid aggregate state, for example, such a material can be a solid substance with the properties of a catalyst.

При изготовлении описанной полезной модели в реакционный канал или рядом с ним могут быть установлены электроды, ультразвуковые и иные излучатели и иные вспомогательные элементы в зависимости от задач, предъявляемых к микрореактору.When manufacturing the described utility model, electrodes, ultrasonic and other emitters and other auxiliary elements can be installed in the reaction channel or next to it, depending on the tasks presented to the microreactor.

Скорость подачи жидкостей в заявленный микрореактор подбирается опытным путем и зависит от таких параметров, как плотность жидкостей, объем шприцевого насоса и природа смешиваемых компонентов. При этом следует учитывать максимальные рабочие значения установки. Максимальное рабочее значение для полученных микрореакторов согласно полезной модели составляет от 20 бар до 50 бар в зависимости от конкретной конструкции.The flow rate of liquids into the claimed microreactor is selected empirically and depends on parameters such as the density of the liquids, the volume of the syringe pump and the nature of the components to be mixed. In doing so, the maximum operating values of the installation must be taken into account. The maximum operating value for the obtained microreactors according to the utility model ranges from 20 bar to 50 bar, depending on the specific design.

Заявленный микрореактор может быть установлен в специальное крепление, которое обеспечит подвод веществ в него и вывод продуктов реакции. Крепление для микрореактора может быть выполнено из различных материалов, важно, чтобы оно обеспечивало герметичное соединение капилляров (внешний диаметр - 1,6 мм, внутренний диаметр - 0,5 мм) с точками ввода и вывода компонентов из микрореактора. Соединение микрорактора с капиллярами необходимо для введения реакционных сред в микрореактор с помощью насосов в определенном, точном соотношении.The declared microreactor can be installed in a special mount, which will provide the supply of substances into it and the output of the reaction products. The mount for the microreactor can be made of various materials, it is important that it provides a hermetic connection of capillaries (outer diameter - 1.6 mm, inner diameter - 0.5 mm) with the points of input and output of components from the microreactor. The connection of the micro-tractor with the capillaries is necessary for the introduction of the reaction media into the micro-reactor using pumps in a certain, precise ratio.

Заявитель обращает внимание на то, что термины «микрофлюидный чип», «микрореактор», «микросмеситель», «микромиксер» в рамках настоящей заявки взаимозаменяемые понятия.The applicant draws attention to the fact that the terms "microfluidic chip", "microreactor", "micromixer", "micromixer" in the present application are used interchangeably.

Настоящее изобретение проиллюстрировано прилагаемыми изображениями:The present invention is illustrated by the accompanying images:

Краткое описание изображения:Brief description of the image:

1 - Точка вывода продукта;1 - Product withdrawal point;

2 - Место смешения потоков;2 - Place of mixing of streams;

3 - Реакционный спиральный канал, расположенный в объеме реактора;3 - Reaction spiral channel located in the volume of the reactor;

4 - Точки ввода реагентов;4 - Reagent injection points;

5 - Тело микрореактора;5 - the body of the microreactor;

6 - Зона смешения потоков, которая может быть модифицирована для конкретных задач.6 - Zone of mixing flows, which can be modified for specific tasks.

Claims (13)

1. Микрореактор смешения, представляющий собой цельный объект, выполняемый в едином производственном цикле с выполненным в его объеме каналом, имеющим на своей траектории две точки ввода, потенциальный канал стабилизации подаваемых потоков, перекресток смешения каналов с точкой смешения, канал смешения, реакционный канал в форме спирали, точку вывода продукта, полученного в результате смешения и протекания реакции между исходными реагентами, где объем микрореактора составляет от 200 до 5000 мкл.1. Microreactor of mixing, which is an integral object, performed in a single production cycle with a channel made in its volume, having two entry points on its trajectory, a potential channel for stabilization of feed streams, an intersection of mixing channels with a mixing point, a mixing channel, a reaction channel in the form spirals, the point of withdrawal of the product obtained as a result of mixing and the reaction between the initial reagents, where the volume of the microreactor is from 200 to 5000 μl. 2. Микрореактор по п. 1, изготовляемый по технологии трехмерной печати или схожей с ней.2. A microreactor according to claim 1, manufactured using three-dimensional printing technology or similar to it. 3. Микрореактор по п. 1, где микрореактор выполнен из металлов и их сплавов.3. The microreactor according to claim 1, wherein the microreactor is made of metals and their alloys. 4. Микрореактор по п. 1, где микрореактор выполнен из термопластичных полимерных материалов по технологии послойного наплавления.4. The microreactor according to claim 1, where the microreactor is made of thermoplastic polymeric materials by layer-by-layer fusion technology. 5. Микрореактор по п. 1, где каналы имеют квадратную, овальную, круглую или полукруглую форму поперечного сечения.5. The microreactor according to claim 1, wherein the channels have a square, oval, round or semicircular cross-sectional shape. 6. Микрореактор по п. 5, где поперечное сечение канала имеет круглую форму.6. The microreactor of claim 5, wherein the channel has a circular cross-section. 7. Микрореактор по п. 1, где канал имеет площадь поперечного сечения от 0,13 мм2 до 3,2 мм2.7. The microreactor of claim 1, wherein the channel has a cross-sectional area of 0.13 mm 2 to 3.2 mm 2 . 8. Микрореактор по п. 1, где перекресток смешения выполнен в виде Т-образного, U-образного или стреловидного перекрестка.8. The microreactor according to claim 1, where the mixing intersection is made in the form of a T-shaped, U-shaped or arrow-shaped intersection. 9. Микрореактор по п. 1, на котором выполнены крепления для герметичного соединения капиллярных каналов к отверстиям ввода и вывода.9. The microreactor according to claim 1, which has fasteners for hermetic connection of the capillary channels to the inlet and outlet openings. 10. Микрореактор по п. 1, дополнительно имеющий отверстия для установки в крепление.10. The microreactor of claim 1, further having holes for mounting into the mount. 11. Микрореактор по п. 1, где микрореактор закреплен в конструкции для герметичного соединения капиллярных каналов к отверстиям ввода и вывода.11. The microreactor according to claim 1, where the microreactor is fixed in the structure for hermetic connection of the capillary channels to the inlet and outlet openings. 12. Микрореактор по п. 1, у которого реакционный канал покрыт каталитическим материалом.12. The microreactor of claim 1, wherein the reaction channel is coated with a catalytic material. 13. Микрореактор по п. 1, в или рядом с реакционным каналом которого установлены датчики, электроды, излучатели.13. Microreactor according to claim 1, in or near the reaction channel of which sensors, electrodes, emitters are installed.
RU2021113797U 2021-05-16 2021-05-16 A device with a microchannel structure made in volume RU207370U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021113797U RU207370U1 (en) 2021-05-16 2021-05-16 A device with a microchannel structure made in volume

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021113797U RU207370U1 (en) 2021-05-16 2021-05-16 A device with a microchannel structure made in volume

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU207370U1 true RU207370U1 (en) 2021-10-25

Family

ID=78289872

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021113797U RU207370U1 (en) 2021-05-16 2021-05-16 A device with a microchannel structure made in volume

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU207370U1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6851846B2 (en) * 2001-06-15 2005-02-08 Minolta Co., Ltd. Mixing method, mixing structure, micromixer and microchip having the mixing structure
JP4432104B2 (en) * 2003-05-30 2010-03-17 富士フイルム株式会社 Microreactor
US8187553B2 (en) * 2010-04-23 2012-05-29 Empire Technology Development Llc Microreactors
EA025581B1 (en) * 2009-05-12 2017-01-30 Лонца Аг Continuous reaction micro-reactor
RU2652222C1 (en) * 2017-03-27 2018-04-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Multi-channel micro-reactor
RU2724254C1 (en) * 2019-10-07 2020-06-22 Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственная Фирма "Материа Медика Холдинг" Microfluidic mixing chip
RU2748486C1 (en) * 2020-03-20 2021-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Microreactor-multi-stage mixer with swirling flows

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6851846B2 (en) * 2001-06-15 2005-02-08 Minolta Co., Ltd. Mixing method, mixing structure, micromixer and microchip having the mixing structure
JP4432104B2 (en) * 2003-05-30 2010-03-17 富士フイルム株式会社 Microreactor
EA025581B1 (en) * 2009-05-12 2017-01-30 Лонца Аг Continuous reaction micro-reactor
US8187553B2 (en) * 2010-04-23 2012-05-29 Empire Technology Development Llc Microreactors
RU2652222C1 (en) * 2017-03-27 2018-04-25 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Multi-channel micro-reactor
RU2724254C1 (en) * 2019-10-07 2020-06-22 Общество С Ограниченной Ответственностью "Научно-Производственная Фирма "Материа Медика Холдинг" Microfluidic mixing chip
RU2748486C1 (en) * 2020-03-20 2021-05-26 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" Microreactor-multi-stage mixer with swirling flows

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chen et al. Millifluidics, microfluidics, and nanofluidics: manipulating fluids at varying length scales
Shui et al. Multiphase flow in microfluidic systems–Control and applications of droplets and interfaces
US7507387B2 (en) Microreactor
Demello Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems
Vyawahare et al. Miniaturization and parallelization of biological and chemical assays in microfluidic devices
EP2017000B1 (en) Process intensified microfluidic devices
Niculescu et al. A review of microfluidic experimental designs for nanoparticle synthesis
CN103861668B (en) Microfluidic chip based on pneumatic micro pumps and micro mixer
EP2747884A1 (en) A modular flow reactor
KR20100017806A (en) Microfluidic self-sustaining oscillating mixers and devices and methods utilizing same
CN110075934B (en) 3D printing microfluidic device and method for preparing monodisperse emulsion in large flux
US20120052558A1 (en) Flow Controlled Microfluidic Devices
Zentel et al. 3D printing as chemical reaction engineering booster
KR20140015941A (en) Microfluidic floating block, microfluidic sealing block, and an combining method of microfluidic floating device by using these
US20190118156A1 (en) Microreactor, chemical product manufacturing system and microreactor manufacturing method
RU207370U1 (en) A device with a microchannel structure made in volume
Wong et al. Enhancement of mixing and reaction efficiency of various fluids applications at different microfluidic configuration and design
Mehta et al. Reaction characteristics of non-Newtonian species in a microreactor: The role of electroosmotic vortices
CN211586541U (en) Micro-reactor
CN210206901U (en) Double-water-phase system for emulsification and liquid drop generation module thereof
Ma et al. Droplet Microfluidic Devices: Working Principles, Fabrication Methods, and Scale‐Up Applications
DE10218278B4 (en) microreactor
US20030175168A1 (en) Microreactor
He et al. One-step electroplating 3D template with gradient height to enhance micromixing in microfluidic chips
CN110813211A (en) Micro-reactor and manufacturing method thereof