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 F _z 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 φ _d zugeführt, während über die Kanäle 134 und 136 das kontinuierliche Fluid mit einem Fluidfluss φ _c zugeführt wird. Die in Fig. 5 gezeigte Kanalstruktur stellt eine sogenannte „Sheath-Flow"-Struktur dar. Die zu dispergierende Phase φ _d wird in dem Kontaktierungsbereich 132 mit den kontinuierlichen Phasen φ _c von beiden Seiten kontaktiert, wodurch ein Tropfenabriss induziert wird.

Die unterschiedliche Ausführung, d. h. Länge und Querschnitt, der Kanäle definiert die hydrodynamischen Widerstände R _d und R _c der Zuleitungskanäle sowie den hydrodynamischen Widerstand R _aUs 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 F _v 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 φ _c benetzt die Kanäle bevorzugt im Vergleich zu der dispersi- ven Phase φ _d - Somit muss die dispersive Phase durch die Zentrifugalkraft F ₂ aktiv aus dem Mittelkanal 130 gezogen werden. Ab einer bestimmten Größe der in den Kontaktie-

rungsbereich ragenden Front der dispersiven Phase φ _d kommt es aufgrund der einschnürenden Wirkung der Seitenströme φ _c 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 F _σ der Oberflächenspannung. Bei kleinen Drehfrequenzen ruht der Wasserpfropfen somit in dem mittleren Kanal, sodass der Arbeitsbereich, über dem eine Tropfenbildung stattfindet, eine untere Grenzfrequenz vi _ow 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 v _hOc h 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 R _c , Rd und R _au sr 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 φ _c zugeführt, während über den Kanal 182 eine Tropfen 140 enthaltende Emulsion zugeführt wird. Somit wirkt die kontinuierliche Phase φ _c 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 φ _c und eines kleinen R _au s

erzeugt werden. Vertikal gequetschte Tröpfchenzüge können unter Verwendung einer geringen Flussrate φ _c und eines großen R _aus 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.