TWI363656B - Process intensified microfluidic devices - Google Patents
Process intensified microfluidic devices Download PDFInfo
- Publication number
- TWI363656B TWI363656B TW097126566A TW97126566A TWI363656B TW I363656 B TWI363656 B TW I363656B TW 097126566 A TW097126566 A TW 097126566A TW 97126566 A TW97126566 A TW 97126566A TW I363656 B TWI363656 B TW I363656B
- Authority
- TW
- Taiwan
- Prior art keywords
- channel
- volume
- microfluidic device
- channels
- reactant
- Prior art date
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/20—Jet mixers, i.e. mixers using high-speed fluid streams
- B01F25/25—Mixing by jets impinging against collision plates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/432—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa
- B01F25/4321—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa the subflows consisting of at least two flat layers which are recombined, e.g. using means having restriction or expansion zones
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
- B01F25/40—Static mixers
- B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
- B01F25/43—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction
- B01F25/433—Mixing tubes wherein the shape of the tube influences the mixing, e.g. mixing tubes with varying cross-section or provided with inwardly extending profiles
- B01F25/4338—Mixers with a succession of converging-diverging cross-sections, i.e. undulating cross-section
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/30—Micromixers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/80—Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/81—Combinations of similar mixers, e.g. with rotary stirring devices in two or more receptacles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
- B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/80—Mixing plants; Combinations of mixers
- B01F33/81—Combinations of similar mixers, e.g. with rotary stirring devices in two or more receptacles
- B01F33/811—Combinations of similar mixers, e.g. with rotary stirring devices in two or more receptacles in two or more consecutive, i.e. successive, mixing receptacles or being consecutively arranged
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00783—Laminate assemblies, i.e. the reactor comprising a stack of plates
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00819—Materials of construction
- B01J2219/00824—Ceramic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00819—Materials of construction
- B01J2219/00831—Glass
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00851—Additional features
- B01J2219/00858—Aspects relating to the size of the reactor
- B01J2219/0086—Dimensions of the flow channels
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00873—Heat exchange
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00889—Mixing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L2400/00—Moving or stopping fluids
- B01L2400/08—Regulating or influencing the flow resistance
- B01L2400/084—Passive control of flow resistance
- B01L2400/086—Passive control of flow resistance using baffles or other fixed flow obstructions
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Clinical Laboratory Science (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
Description
1363656 九、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於微流體裝置期是處理過程強化之 流體裝置。 【先前技術】
裝置,包含尺寸細從微米到幾 ^的流H裝置,域执_道_、尺寸在微米到 成么屋,最好是從大約幾十微米到大約】.5公釐的裝置 分由於它特的低總處理流體體積,以及觸的高表面。 積對體積比,ϋ此微流體裝置,特別是微型反應器,能夠以 安全,有效,而謂環做細方縣執行馨,危險或者 甚至用其财料可__化學反齡_。_ 的化學處理通常稱為"處理過程強化"。 進
.處理過程強化在化學工業上是相當新的重 將傳統的鱗歧綠顺小,更安全,更賊源效益2 對壤境友歧。_過程触触要目的,是使用 著降低反應器尺寸,同時增大質量-和熱—傳導效卿士構 產生南效率敝應和處m透過—些枝,讓, 可以餅更好的轉化或選擇性,如此來縮短從實驗 ,品的發展_,也是處理過化研究的—項^ 量。處理過程強化對於精緻化學品和製藥工業特I 趟工業每年的生產量_销錢❿邱^ 貫驗室結果可以很容易以平行方式來擴展。 的 處理過程強化包含創新儀器和技術的發展,跟目前普 頁 第 5 遍使用的比峡來,帥職在S造和纽上帶來非常重 要的改進,包括大大降低儀狀寸魅紙,能源消缺/ f廢物生產,而且最終產生更便宜,能持久的技術。或者, 簡單而言,任何可以產生大體上更小,更乾淨,以及更具能 源效率2齡师t學工錄展,奴4料程強化。 目A的七明者及/或其同事先前已經發展了各種可以 用在處理過私強化中的微流體裝置以及製造這些裝置的 方法。這些聽發展的妓,包減姻1巾所示之代 =式的勤。圖1是不按比鍋簡單透涵,顯示某類微 _破置的-般層狀結構。所顯示的這類微流體裝置,大 致上包含至少兩個體積12和u,在其巾放置鍵構了一個或 多個熱控制通道-在圖中沒有詳細顯示。體積12的垂直方 向由水平壁板16和ι8來關,而體積14触直方向由水平 壁板20和22來限制。 _在本文件中所使用的|,水平"和"垂直"名詞只是相對名 詞’只代表-般的相對方位,未必代表正交,也是用來方便 談論圖中使用的方位,其中方位只是為了便利起見,並不意 =為所顯示之裝置的特性。這裡所描述的本發明及其 貫施例可以用在任何想要的方位,水平和垂直壁板大概只 需要是交又壁板,未必要正交。 反應物通道26-部分細節顯示在先前技術的圖2中放 ΐ在體積24内,兩個中央水平壁板18和20之間。圖2顯示在 體積24的某個截面高度下之垂雜板結構28的斷面平面圖 '其中一些定義了反應物通道26。為了容易看清楚,將圖2 1363656 中的反應物通it 26橫剖包含了較窄的迂迴通道3〇,緊跟著 • 較寬,較不迁迴的通道32。仔細觀察圖2中的窄迁迴通道3〇 ’可以看出魏通道3〇姻中的平面上是不連續的。圖i截 面圖所顯不之迂迴通道不連續區段之間的流體連接是由體 積24内不同的平面所提供,跟圖2所示的斷面平面垂直偏移 .’產魏蜒且三維迁迴的通道30。我們將對圖工和圖2所顯 - 不的裝置和相關其他實施例例如2005年C. Guenner等人之 φ _679115專利中提供更多的細節。在圖1和圖2的裝置和 類似裝置中,窄的較迂迴通道30用來混合反應物,同時較寬 ,較不迂迴的通道32緊跟著通道3〇用來提供體積,讓反應物 可以在相當控制的熱環境中來完成。 - 雖然這類裝置已經獲得了良好的效能,在很多情況下, * 對於特定反應甚至超越最先進的技術,然而我們還渴望能 夠立曰進這些裝置的熱-和流體_動力學效能。特別地,我們 希望能夠增進這些裝置的熱交換效能,同時將此裝置所引 鲁起的壓降大略維持在相同水平或甚至降低,而且還可以增 加混合效能及生產量。 - 在美國第6,935,768號專利(相當於DE10041823)之· , Method and Statistical Micromixer for Mixing at Least Two
Liquids中連續性膨脹腔室6沿著狹窄腔室5分隔(參閱圖 5)以在膨脹腔室中產生固定的渦旋以輔助混合。 【發明内容】 微流體裝置包含至少一個反應物通道,和界定出在其 中的一個或多個熱控制通道,這一個或多個熱控制通道被. 第7 頁 1363656 放置並排列在兩個體積内,每一個由壁板圍住的這些壁板 大致上是平面的,而且彼此平行。反應物通道放置在這些 大致平面的壁板之間,而由這些大致平面的壁板,以及延伸 在這些大致平面壁板之間的壁板來界定出。反應物通道由 多個連續腔室構成,每一個這種腔室都包含分裂成至少兩 個子-通道的反應物通道,分裂通道的接合,以及至少其中 一個子-通道,有超過9〇度的通道方向改變。本發明其他特 性及優點將揭示於下列詳細說明中,以及部份能夠被業界 熱知此技術者立即地由該說明了解或藉由實施在此所說明 包含申請專利範圍以及附圖之本發明而明瞭。 人們了解先前本發明之一般說明以及下列詳細說明之 貝把例預期作為提供概念或架構以了解本發明申請專利範 圍之特徵。所提供附圖在於提供更進一步了解本發明以及 在此加入構成部份說明書。附圖顯示出本發明各種實施例 以及連同說明書作為解釋本發明之原理及操作。 【實施方式】 圖3是根據本發明一個實施例,在微流體裝置内之垂直 壁板結構28 _斜關。錄壁板結構28奴出位在圖 1的兩個壁板18,2〇之間的反應物通道26,其中壁板18, 20本 身形成體積12和14敝應物通道面層邊界有—個或多個熱 控制通道包含在射。魏18,2G纽上是伟的,而且彼 此平行。 在圖3中顯示的-部分本發明實施例中,反應物可以在 位置A和B處镇進反應物通道26中,而在兩個位置c處,流出 1363656 反應物通道。反應物通道由所謂大致平面的水平壁板18, 20,以及在圖1的方位中大致垂直且延伸在大致平面壁板 18, 20之間的壁板28而界定出。反應物通道26由多個連續 腔室34構成,每-個這種腔室都包含分裂成至少兩個子通 道36的反應物通道,分裂通道36的接合38,以及其中至少有 一個子-通道36,其相對於緊鄰的上游通道方向有至少9〇 度的通道方向改變。從圖3可以看出,在顯示的實施例中, 相對於緊鄰的上游反應物通道26方向,兩個子_通道36的方 向改變都超過90度。 同時在圖3的實施例中,多個緊密連續腔室34的每一個 ,進一步包含逐漸變窄的出口 4〇,此出口在後續腔室中形成 對應的變窄入口 42。腔室34也包含分裂與重-定向壁板44, 跟緊鄰的上游流動方向交叉,位在腔室入口 42的緊鄰下游 。分裂與重—定向壁板44的上游側有凹面46。從一個腔室 34到下—個腔室的變窄出口 4〇,最好在大約}公餐寬的等級 。通道高度最好大約800微米。 在圖3顯示的微流體裝置實施例中,連續腔室弘構成了 ^應物通道26 _當大部分。齡34最好有高度H,如 $ 1所示,其方向大致上垂直於壁板18和2〇,❿高度Η大致相 二於壁板18和20之間的距離。換句話說,通道26中含有腔 至34的部分大致上佔據了高度η方向的最大可能空間,跟體 積24 $ Η方向的最大尺寸相匹配。這是重要的,因為:⑴如 尺寸讀趙裝置的體觀可以最大化,允許 車乂長的㈣日铜,而有較高的生產縣;減⑵在反應物 第9頁 1363656 通道26,和包含一個或多個熱控制流體通道的體積12和14 之間的物質和距離量最小,允許較大的熱轉換。此外,雖然 鬲度Η最好在800微米到超過幾公釐的等級,但是η方向邊界 層的厚度通常會降低,這是由於反應物流體通過由分裂與 重-定向壁板44所引起的改變方向而在反應物通道内誘發 的副流;以及由於從逐漸變窄的出口 4〇到後續腔室43之較 寬空間的重複通道。 對於想要加大熱交換和滯留時間的裝置,多個連續腔 至34表好沿著反應物通道26的總體積延伸至少5〇%,更好的 是至少75%或更多,如同圖3實施例的情況。 從圖3本發明的實施例中還可以看出,連續腔室34最好 跟上和下遊方向的下一個腔室共用共同壁板。這可以幫忙 確定在特定空間内有最大數目的腔室34,因此也加大反應 物通道26體積佔壁板18,20之間可利用體積的比例。特別 地,反應物通道26的開放體積最好至少佔總體積的3〇%,其 中總體積包含:(1)所謂的開放體積,⑵界定出並形成水平 壁板18, 20之間反應物通道的壁板結構28體積,以及⑶任 何其他體積,例如在界定出和形成反應物通道26的壁板結 構28之間的空體積48。更好的是,反應物通道的開放體積 至少有40%。連續腔室34 —般最好不要跟其他非緊鄰上游 或下游的那些腔室共用共同壁板,因為這樣的話在沿著反 應物通道26路徑間隔很遠的腔室34之間會更容易發生熱干 擾。這種干擾會影響熱敏感反應的效能。因此,空體積48 可以用來降低任何顯著熱干擾的可能性。 第丨〇 頁 1363656 在圖3本發日月實施例的裝置中,所顯示之反應物通道% 的窄迂迴itit 3G料,其聽最則、魏雜撼置例如 圖2裝置的相對應通道30。儘管圖3裝置”迁迴區段3〇的 長度相對於圖2較短,但是我們發現在結合本發明的連續腔 室26後,在低生產量下可以跟圖2的先_置混合得一樣好 ,而在較高生產量下會更好,同時在每種情況下都有較低的 歷降。 圖3所示本_之實施例的又另—個特色,妓應物通 道26分割或分歧成兩個通道兩次,第一次在位置打,而第二 次在位置F2。如此可以藉由局部增加滯留時間以抵消化學 處理之驅動力的降低。此外,魏置後半段的壓降也隨之 降低。 比較性測試: 圖4是所測得之整體熱轉換係數_以瓦/平方公尺—凱 氏溫度來表示,相對於流動速率_以每分鐘幾毫升來表示, 的關係圖,比較圖3所顯示之本發明的實施例_資料點以空 心二角形來表示,跟圖2的裝置_資料點以實心圓形來表示 。如圖中可以看出,由圖3結構所產生的副流,在所有測試 的流動速率下,都產生大約50到100W/m2K的熱轉換優勢。 兩個測試裝置都有相同的一般尺寸和容量,每種情況之反 應物通道的總内體積都是5. 6±0.1毫升。因此,我們可以 清楚看見本發明之裝置的優越效能,即使熱交換效能通常 會隨著流動速率而降低,而反應物通道在F1和F2的分歧會 有效地將局部流動速率減半兩次。增進的熱交換效能甚至 存在較低流動速率時,這顯示了即使相對於圖2中已經是微 流體裝置的比較裝置來說,本發明裴置也已達到了強化處 理過程。 圖5是在微混合器裝置中,測試反應的混合效能百分比 相對於流動速率-以每分鐘幾毫升來表示的關係圖比較上 面配合圖3所描述之本發明的實施例,跟配合圖2所描述的 裝置。測試方法類似於Villermaux丄等人之Use of Parallel Competing Reactions to Characterize Micro Mixing
Efficiency" AlChE Symp. Ser_ 88 (1991) 6, p_ 286。 為了大致上如同這裡所描述的來測試,在室溫下準備酸性 氣化物溶液以及混合KI(磁化鉀)的乙酸舒溶液。然後將這 兩種流體或反應物透過注射泵或蠕動泵,連續注入欲測試 的微混合器或微反應器中。所產生的測試反應牽涉到兩個 不同速度的競爭反應-產生UV-吸收最終產物的”快速"反應 ,以及在超快速混合條件下主導的"超快速"反應,產生透明 /谷液。因此,混合效能跟UY的透射相關理論上完美或100% 的快速混合,其產生100%uy透射的最終產物。 因此圖5顯示所產生的透射百分比,相對於總反應物流 動速率的關係圖。執跡5〇相當於對應圖3之本發明實施例 的混合效能,而執跡52相當於對應圖2之比較裝置的效能。 如圖中所顯示的,本發明之實施例的混合效能是優越的,特 別疋在較咼流動速率時。即使欲測試之圖3的本發明實施 例’比圖2的參考裝置產生較低的壓降,情況還是如此。這 再次顯不了,賴2的裝置比較起來,翻了增加的強化處 第12 頁 理過程。 壓降結果顯示在圖6中,其令執跡54顯示本發明之裝 置的較低壓降’而執跡56顯示比較裝置的 13厘泊的葡萄檐溶^ ® 7和8概略顯雜據本發明的輕,在轉不互溶流 體之擴散或混合方面的相對優勢。圖7顯示根據上面圖3實 施例之裝置的-部分數位照片,那是以每種液體每分鐘1〇 毫升的錄聽目料分的林择無色庚 測試。如圖中所示,在根據本發明的裝置例子内,當從腔室 行進到腔至日寸,杯7庚烧混合轉良好的擴散。根據本發 明的裝置,對於氣體在液體巾的擴散和/鱗持擴散,也顯 示出效率。 圖8顯示根據上面圖2之比較裝置的一部分數位照片, 也是使聘祕10毫升的有色水和庚絲作職。如圖中 可以看出的,這兩種不互溶液相聚結在比較裝置的通道内。 根據本發_裝置大致上可以在獻的流動速率 下,建立並維持不互溶流體的擴散或混合。較高的流動速 率可以絲產生較細微的擴散。圖9顯示根據上關3實施 例之裝置的一部分數位照片,使用每分鐘54毫升的水流,和 每分鐘51毫升的庚烷。照片中的亮色細粒是小的,相當均 勻,並良好擴散的庚烷小滴。 一些其他實施例: 圖10A-10G是根據本發明特定實施例,多個用來界定出 部分反應物通道之可選擇壁板結構的斷面平面圖,特別是 :定出各獅式的連續腔室34。上面實施麟顯示的腔室 J致上對應於圖服’其中支柱58可以潛在賴來增加腔室 相對於雜大開口面積或,,間距"之腔室34的抗紐,如 的貫施例所示。另—方面,沒有支柱兄的實施例,在 接f 58上游可能比較不容易有小的滯定體積(流體_圖 水—的緩慢移動點)。圖1〇G的實施例基本上藉由在分裂與 重^向麵44的下_,包含三肖形讀結卿以避免所 有哪疋體積的風險,因此,特別建議用來處理固體,例如固 體懸子或核反應,因树纽應可能料料在滞定體 積的區域,而阻塞反應物通道。 在圖10B的實施例中,將分裂與重_定向壁板糾分割成 四個區段,如此將反應物通道劃分成圍繞分裂與重—定向壁 板44的兩個主要子—通道,和三個在壁板44之間的次要子— 通這。次要子—通道的小尺寸,可以幫忙維持細微乳化。 在圖ioc的實施例中,分裂與重_定向壁板44是不對稱 的,偏置在連續腔室43的交替側,以便提供特職的副流。 支柱58也以父替方式偏離腔室43的中心,放置在由壁板私 所形成的兩個子-通道中較大的一個中,支柱58用來作為 額外的流動劃分器。 圖10D和10E的實施例分別對應1〇F和1〇B,其中有底下 的差異:前面討論之實施例中逐漸變窄的出口 4〇,由充滿小 副流劃分H 64的較寬出口 62來取代以便精細劃分腔室43的 輸入流,如此協助建立並維持乳化,或其他不互溶的混合。 圖11是恨據本發明又另一個實施例,界定出部分反應 物通道之垂直魏結構的斷醉賴。此實細說明,本 發明之裝置所使用的連續腔室34結構,可以配合其他類型 的混合裝置來使用,例如在這個情況下是自持續振盛混合 器腔室66。 圖12顯不本發明之腔室34的另—個實施例,其中分裂 與重-定向壁板44跟腔室34上游入口的間隔,比一些前_ 論的實施例還要遠。 其他比較性測試: 圖13是根據大致上對應圖9的各種本發明實施例中多 個測試反應物通道的斷面平面圖,以單一裝置的一部分來 表不。對圖中所示的每個測試反應物通道7〇 82,都執行上 面所提及的混合測試。結果連關2裝置之比較性測試顯 示於下列表I中: 表1 通道 體積(nil) △P (毫巴) 混合品f (%) 100 (ml/m) 200 (ml/m) 250 (ml/m) 300 (ml /π〇 70 0.98 183 97.8 99.1 99.4 99 5 72 ,— ___74 7C 0.93 175 96.7 98.3 99.0 99.2 0:92 177 97.2 98.7 99.1 99.2 ib -----— 0.91 112 97.7 98.1 98.1 98 2 一 78 0.94 79 91.9 94 94.3 94.8 〇0 82 ----- 比較性 ----- 0.88 162 95.3 95.7 96.0 96.2 「0.8 206 97.9 98.5 98.3 97.6 5.83 665 ~98 95 91.5 — 如表中所示,圖13所示之本發明的各個實施例在每分 麵250耄升以及更高的流動速率下,都比圖2顯示的裝置類 型,頌不較好的混合效能,而且更少的壓降(△〇),即使在允 卉使用不同的内體積時。其中一些實施例,特別是測試通 第丨5 頁 1363656 道70,76和82,在每分鐘loo毫升下的混合效能,基本上跟圖 2的裝置相同,但是在所有較高的流動速率下則更優越。這 種結果在沒有"混合區”,包括例如測試通道7〇和76,的實施 例中也很顯著,跟有特殊混合區段的微流體裝置效能一樣, 或更好。因此,很清楚的,本發明的腔室可以有效地作為混 合态,而不需要窄的迂迴通道或其他形式的混合器裝置。
我們也執行一些測試以瞭解本發明之裝置的固體處理 能力。使用底下的反應:FeCl3(H2〇)6 +3Na〇H_ Fe(QH)3 +6H2〇f3NaCl來形成氧化鐵沈澱,記錄達到〇. 7巴壓力所需 要的時間。使用根據本發明,包含大量腔室,沒有預—混合 或其他混合祕峨絲侧試,她據上關2的裝置作 比較。底下表II顯示出結果:
Hi i ,Q NaOH (g/min) -------r........ Q FeCh (g/min) 比值 ~~*"---- 至0. 7巴時間(秒) -------- :州a裝置丨 3〇 . F - 11 2.7 394 比較性: 30 —-— 1 11 2.7 —---- ---- 25
此外,只有一次將驅動壓力急速上升到大約u巴以产 除暫時的封阻。本發日月的裝置可以保持無阻塞,超過任^ ,測試裝置的紙事實上持續超過7G分鐘測試的 耗圍’結果顯示在圖14_片中,圖帽示壓力(以巴 位)相對於時間(以秒為單位)的關係。如同圖巾可以看早 ^儘管有大到大約η巴的壓力尖峰來清除堆積的 禮據本發明的裂置在測試期間縣沒有阻塞,甚 示出具有自動-清洗的傾向。 %,、、、貝 第丨6 頁 1363656 我們也以各種流動速率組合讓朴氮—起流過以測試 本發明的賴裝置,雜氣體/細反應_姆。我們觀 察到,氣泡-旦產生後可以轉穩定。利用目測方式以估 計氣體/液體擴散的比介面積,顯示在圖15中,相對於χ轴的 氣體注入速率,而水的流動速率是每分鐘5〇毫升(正方形), 75毫升(菱形)和1〇〇毫升(圓形)。在每分鐘毫升下比 表面積至>超過1厕m2/m3,❿在!施魏體流量下,超過 1400〇m2/m3。這裡所引用的比表面,事實上代表真實值的 分數(直徑擔50微米喊泡無法計算到)_我_信,此分 數在真正總數的30%到60%之間。這些值5艮其他用於氣體_ 液體反應的處理比較起來是有利的:攪拌槽通常小於22〇, 氣泡柱小於600,衝擊喷流小於2〇〇〇,微氣泡柱是148〇〇,而 降膜式微反應器是27000m2/m3(參看Jahnisch等人的"
Direct fluorination of toluene using elemental fluorine in gas/liquid microreactors",Journal of Fluorine Chemistry, 105 (2000), p. 117) 〇 亦對依據本發明之裝置實施例測試壓力極限。圖3裝 置結果以及圖2裝置之比較性結果歸納於下列表中。
表III - 反應劑通道 i I 熱控制通道 :測試裝置(五個試樣) 60.5 巴 26巴 比較性 —-- » . „ - . 52巴 ; 21巴 根據本發明的微流體裝置最好由一個或多種玻璃,玻 璃-陶瓷,和陶瓷來製造。我們提出準備這類裝置的處理從 玻璃4片形成水平壁板,以及將模製並固結翁體,放在薄 。片之間來形麵錢板之製造揭示於例如美國 第 7007709 喊專利之 Microfluidic Device and Manufacture hereof ’但疋製造並不局_^這種方法。 本·Μ月裝置假如冑要情況下亦包含一些層額外地加入 這些所顯示的。 一在此所使用反應劑”$任何冑要個於微流體裝置内 可= 之任何材料的簡略表示。因而"反應劑"以及"反應劑 〔可表示為使用作為該用途之惰性材料及通道。 【圖式簡單說明】 圖1為透視圖,其顯示出特定先前技術微流體裝置之一 圖2為圖1内體穑24肉击士批_
圖4為比較本發明實施例與先前
圖5為比較本發明實施例與先前技術在微混合
圖6為比較本發明實施例與先前
Claims (1)
1363656
十、申請專利範圍: 1,一種微流體裝章,其包含至少一個反應劑通道以及一個 或多個熱控制通道界定於其中,一個或多個熱控制通道被 放置並排列在兩個體積内,每一體積都被壁板圍住,這些壁 板大致上是平面的α及彼此平行,反應劑通道位於這些大 致上平面的壁板之間,而由這些大致平面的壁板,和延伸 在這些大致平面壁板之間的壁板界定出,其中反應劑通道 ) 由多個連續腔室構成,每一腔室都包含分裂成至少兩個子- 通道的反應劑通道,以及分裂通道的接合,以及其中至少一 個子-通道有超過90度的方向改變,其中每一多個連 續性腔室立即地接續另一腔室,其更進一步包含逐漸狹窄 化出口,該出口形成接續腔室相對應之狹窄化入口,以及分 裂以及重-定向壁板,其方向跟緊鄰的上游流動通道交叉, 以及位在緊鄰腔室入口的下游,分裂及重_定向壁板的上游 側有凹'面。 , > 2·依據申請專利範圍第1項之微流體裝置,其中通道方 向變化為大於90度。 3·依據申請專利範圍第丨或2項之微流體裝置,其中通道方 向變化為至少兩個子。通道之通道方向的變化。 4. 依據中請專利範圍第1 +或2項之微流體裝置,其中錢劑 通道在垂直於一般平面壁板方向具有固定的高度。 5. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置,其中錢劑 有至少3〇%總體積之開放體積,該總體積包含(1)開 放體積’⑵延伸於一般平面壁板間之壁板體積;以及⑶延 097125566, 第 21 頁 ΛΟΌ3415Ο5Ο-0 伸於一般平面壁板間壁板之間的任何其他體積。 6·依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置,其中反典劑 通道具有至少40%總體積之開放體積,該總胃 放體積,(2)延伸於一般平面壁板間之壁板體積;以及⑶延 二板間壁板之間的任向其他體積〇 7.依據申請專利麵第i或2項之微流體裝置,其 多個子-通道包含至少兩個主要以及一個或多個次要子—通 道。 &依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置,其中裝置由 一種或多種玻璃,玻璃陶瓷,以及陶莞形成。 9. 依據申請專利細第i或2項之微流體裝置,其中多個連 續性腔室之延伸係沿著至少3胱反應劑通道體積。 10. 依據申請專利麵第1或2項之微流體裝置,其中多個連 續性腔室之延伸係沿著至少50%反應劑通道體積3 11. 依據申請專利範圍第1或2項之微流體裝置,其中多個連 續性腔室之延伸係沿著至少顶反應劑通道體積β 12·依據申請專利細第1或2項之微流體裝置,其中缝劑 通道一次或多次地分叉為至少兩個分支通道^ 097;1'26566: 第22 胃
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP07301225A EP2017000B1 (en) | 2007-07-11 | 2007-07-11 | Process intensified microfluidic devices |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
TW201107029A TW201107029A (en) | 2011-03-01 |
TWI363656B true TWI363656B (en) | 2012-05-11 |
Family
ID=38820340
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
TW097126566A TWI363656B (en) | 2007-07-11 | 2008-07-11 | Process intensified microfluidic devices |
Country Status (13)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US7939033B2 (zh) |
EP (1) | EP2017000B1 (zh) |
JP (4) | JP2011508657A (zh) |
KR (1) | KR101666635B1 (zh) |
CN (1) | CN101873890B (zh) |
AU (1) | AU2008275602A1 (zh) |
BR (1) | BRPI0813700A2 (zh) |
CA (1) | CA2693463A1 (zh) |
MX (1) | MX2010000485A (zh) |
RU (1) | RU2010104674A (zh) |
TW (1) | TWI363656B (zh) |
WO (1) | WO2009009129A1 (zh) |
ZA (1) | ZA201000944B (zh) |
Families Citing this family (32)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2017000B1 (en) * | 2007-07-11 | 2012-09-05 | Corning Incorporated | Process intensified microfluidic devices |
CA2732430C (en) * | 2008-07-30 | 2016-01-12 | Sulzer Chemtech Ag | Method and system for phase inversion using a static mixer/coalescer |
EP2172260A1 (en) * | 2008-09-29 | 2010-04-07 | Corning Incorporated | Multiple flow path microfluidic devices |
EP2216093A1 (en) | 2009-01-30 | 2010-08-11 | Corning Incorporated | In situ formation and deposition of palladium Pd(0) in reactors |
US8329117B2 (en) * | 2009-05-14 | 2012-12-11 | Canon U.S. Life Sciences, Inc. | Microfluidic chip features for optical and thermal isolation |
RU2009120627A (ru) * | 2009-05-29 | 2010-12-10 | Корнинг Инкорпорейтед (US) | Микрожидкостные устройства с регулированием потока |
EP2289845A1 (en) * | 2009-08-28 | 2011-03-02 | Corning Incorporated | Layered sintered microfluidic devices with controlled compression during sintering and associated methods |
JP5340419B2 (ja) * | 2009-12-25 | 2013-11-13 | 学校法人常翔学園 | 固液分離機能を有する装置、μ−TASデバイス及び固液分離方法 |
US8511889B2 (en) * | 2010-02-08 | 2013-08-20 | Agilent Technologies, Inc. | Flow distribution mixer |
EP2409982A3 (en) | 2010-02-25 | 2012-02-08 | Corning Incorporated | Chemical processes generating solid(s) carried out continuously within microreactors |
WO2012025224A1 (en) * | 2010-08-24 | 2012-03-01 | Chemtrix B.V. | Micro-fluidic device |
EP2457886B1 (en) * | 2010-11-29 | 2014-04-02 | Corning Incorporated | Sulfonation in continuous-flow microreactors |
CN102188943B (zh) * | 2011-05-16 | 2013-08-28 | 利穗科技(苏州)有限公司 | 一种撞击流多级微反应器 |
EP2617703B1 (en) | 2012-01-17 | 2014-07-30 | Corning Incorporated | Improved catalyzed hypohalous oxidation of alcohol groups |
CN103301799B (zh) * | 2013-04-18 | 2014-12-31 | 万华化学集团股份有限公司 | 一种制备异佛尔酮腈的反应器及采用该反应器连续制备异佛尔酮腈的方法 |
FR3015308B1 (fr) * | 2013-12-19 | 2017-10-13 | Air Liquide | Geometrie d'un reacteur catalytique alliant bonne tenue mecanique et bonne distribution des fluides |
US9534062B2 (en) | 2014-07-02 | 2017-01-03 | Corning Incorporated | Synthesis of an acrylate polymer in flow reactor |
EP3031518B1 (en) * | 2014-12-08 | 2021-01-20 | Lonza Ltd | Fluid mixing structure, continuous reaction unit, continuous reaction reactor and method of using the same |
WO2016166771A1 (en) * | 2015-04-13 | 2016-10-20 | Council Of Scientific & Industrial Research | Continuous micro mixer |
CN105056821B (zh) * | 2015-08-17 | 2017-05-03 | 江苏大学 | 一种对称椭圆弧挡板的十字微混合器 |
CA3019314A1 (en) | 2016-04-08 | 2017-10-12 | Ineos Europe Ag | Polymerisation unit and polymerisation process |
CN105964198A (zh) * | 2016-04-21 | 2016-09-28 | 常州大学 | 一种具有竹节状微结构的微反应器 |
DE102016110498B4 (de) * | 2016-06-07 | 2024-04-04 | Karlsruher Institut für Technologie | Mikroreaktor und Verfahrensführung zur Methanisierung |
JP7082579B2 (ja) | 2016-07-06 | 2022-06-08 | イネオス ユーロープ アクチェンゲゼルシャフト | 重合プロセス及び重合設備 |
CN106492719B (zh) * | 2016-10-31 | 2018-01-05 | 山东豪迈化工技术有限公司 | 一种微反应器 |
CN115178206B (zh) | 2017-07-31 | 2023-09-29 | 康宁股份有限公司 | 改进的工艺强化流反应器 |
CN109647307A (zh) * | 2019-01-28 | 2019-04-19 | 北京理工大学 | Y型组合式微通道结构 |
CN114432980B (zh) * | 2020-10-16 | 2024-01-09 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种微通道反应装置及其应用 |
WO2022232122A1 (en) | 2021-04-30 | 2022-11-03 | Corning Incorporated | Microfluidic devices for nanomixing and related systems and methods |
CN115554943A (zh) * | 2021-07-02 | 2023-01-03 | 中国石油化工股份有限公司 | 微反应器 |
CN115178199B (zh) * | 2022-05-31 | 2024-04-30 | 清华大学 | 无源微流控微反应器以及微流控芯片 |
WO2023235374A1 (en) | 2022-06-03 | 2023-12-07 | Corning Incorporated | Fluid channel segment with stud arrangement and fluid path having said fluid channel segment |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US2511291A (en) * | 1947-03-12 | 1950-06-13 | Grover C Mueller | Mixer for liquids |
DE10041823C2 (de) * | 2000-08-25 | 2002-12-19 | Inst Mikrotechnik Mainz Gmbh | Verfahren und statischer Mikrovermischer zum Mischen mindestens zweier Fluide |
SE0201738D0 (sv) * | 2002-06-07 | 2002-06-07 | Aamic Ab | Micro-fluid structures |
US7118920B2 (en) * | 2002-10-22 | 2006-10-10 | Battelle Memorial Institute | Multiphasic microchannel reactions |
US7001013B2 (en) | 2002-12-12 | 2006-02-21 | Brother International Corporation | Nanostructure based microfluidic pumping apparatus, method and printing device including same |
JP3888632B2 (ja) * | 2003-03-26 | 2007-03-07 | 靖浩 堀池 | マイクロミキサ、試料分析キット及びその製造方法 |
JP3959436B2 (ja) * | 2003-08-29 | 2007-08-15 | 独立行政法人物質・材料研究機構 | 流れ変動構造及びマイクロミキサ |
DE10352535A1 (de) | 2003-11-07 | 2005-06-16 | Steag Microparts Gmbh | Mikrostrukturierte Trennvorrichtung und Verfahren zum Abtrennen von flüssigen Bestandteilen aus einer Partikel enthaltenden Flüssigkeit |
JPWO2006043642A1 (ja) * | 2004-10-20 | 2008-05-22 | 株式会社荏原製作所 | 流体反応装置 |
EP1679115A1 (en) * | 2005-01-07 | 2006-07-12 | Corning Incorporated | High performance microreactor |
JP4378337B2 (ja) * | 2005-09-15 | 2009-12-02 | 松江土建株式会社 | 気液溶解装置 |
US7794136B2 (en) * | 2006-05-09 | 2010-09-14 | National Tsing Hua University | Twin-vortex micromixer for enforced mass exchange |
CN100455345C (zh) * | 2006-07-17 | 2009-01-28 | 南京工业大学 | 复合换热式微反应器 |
EP2017000B1 (en) * | 2007-07-11 | 2012-09-05 | Corning Incorporated | Process intensified microfluidic devices |
-
2007
- 2007-07-11 EP EP07301225A patent/EP2017000B1/en active Active
-
2008
- 2008-07-11 CA CA2693463A patent/CA2693463A1/en not_active Abandoned
- 2008-07-11 MX MX2010000485A patent/MX2010000485A/es unknown
- 2008-07-11 JP JP2010516065A patent/JP2011508657A/ja active Pending
- 2008-07-11 KR KR1020107003067A patent/KR101666635B1/ko active IP Right Grant
- 2008-07-11 RU RU2010104674/05A patent/RU2010104674A/ru not_active Application Discontinuation
- 2008-07-11 WO PCT/US2008/008535 patent/WO2009009129A1/en active Application Filing
- 2008-07-11 US US12/171,403 patent/US7939033B2/en active Active
- 2008-07-11 TW TW097126566A patent/TWI363656B/zh not_active IP Right Cessation
- 2008-07-11 CN CN2008801070305A patent/CN101873890B/zh active Active
- 2008-07-11 AU AU2008275602A patent/AU2008275602A1/en not_active Abandoned
- 2008-07-11 BR BRPI0813700-5A2A patent/BRPI0813700A2/pt not_active Application Discontinuation
-
2010
- 2010-02-09 ZA ZA201000944A patent/ZA201000944B/xx unknown
-
2014
- 2014-03-19 JP JP2014056426A patent/JP6204235B2/ja active Active
-
2017
- 2017-08-31 JP JP2017166629A patent/JP6674933B2/ja active Active
-
2020
- 2020-03-09 JP JP2020039661A patent/JP7049381B2/ja active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN101873890A (zh) | 2010-10-27 |
EP2017000B1 (en) | 2012-09-05 |
TW201107029A (en) | 2011-03-01 |
CN101873890B (zh) | 2013-07-24 |
KR101666635B1 (ko) | 2016-10-14 |
JP2020114585A (ja) | 2020-07-30 |
JP6674933B2 (ja) | 2020-04-01 |
JP7049381B2 (ja) | 2022-04-06 |
WO2009009129A1 (en) | 2009-01-15 |
BRPI0813700A2 (pt) | 2014-12-30 |
JP6204235B2 (ja) | 2017-09-27 |
RU2010104674A (ru) | 2011-08-20 |
MX2010000485A (es) | 2016-01-27 |
EP2017000A1 (en) | 2009-01-21 |
CA2693463A1 (en) | 2009-01-15 |
US7939033B2 (en) | 2011-05-10 |
US20090028763A1 (en) | 2009-01-29 |
AU2008275602A1 (en) | 2009-01-15 |
KR20100049060A (ko) | 2010-05-11 |
JP2014147930A (ja) | 2014-08-21 |
JP2018051553A (ja) | 2018-04-05 |
JP2011508657A (ja) | 2011-03-17 |
ZA201000944B (en) | 2010-10-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
TWI363656B (en) | Process intensified microfluidic devices | |
TWI451903B (zh) | 多個流動路徑微流體設計 | |
US8551417B2 (en) | Reactor and reaction plant | |
CA2582378C (en) | Multiphase mixing process using microchannel process technology | |
US20100182868A1 (en) | Microfluidic Self-Sustaining Oscillating Mixers and Devices and Methods Utilizing Same | |
EP1908514B1 (en) | Microreactor | |
JP2000503894A (ja) | マイクロミキサ | |
JP2006528541A (ja) | 静止型マイクロミキサーのための構成部品、当該構成部品から構成されたマイクロミキサー、および混合、分散または化学反応の実施のためのそれらの使用 | |
CN109529692B (zh) | 一种用于低扩散系数流体的被动式收敛-发散微混合器 | |
JP2004016870A (ja) | マイクロリアクター及びそれを用いた化学反応方法 | |
JP2009262106A (ja) | マイクロリアクタ | |
TW200918162A (en) | Microfluidic devices and methods for immiscible liquid-liquid reactions | |
TW200940162A (en) | A micromixer and microreactor with split-and-recombination and chaotic mechanisms | |
CN110975775A (zh) | 一种基于迪恩流效应的高通量三维微流体混合装置及其混合方法 | |
US20110194995A1 (en) | Microfluid device | |
JP4298671B2 (ja) | マイクロデバイス | |
TWI450852B (zh) | 微型混合器 | |
JP2004024992A (ja) | マイクロリアクター及びそれを用いた化学反応方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | Annulment or lapse of patent due to non-payment of fees |