Während in konventionellen Anlagen eine Abrasion von einigen Mikrometern in der Regel vernachlässigbar ist, kann dies z. B. bei Mikrozahnradpumpen mit Spaltweiteh von 2 bis 3 um zum Versagen der Komponenten führen. Entsprechendes gilt nicht nur für den Abtrag von Material sondern auch für Abla- gerungen. Bekannt sind Ablagerungen z. B. aus Wärmeübertra- gern (sog. Fouling) die unter anderem die Effektivität des Wärmeübergangs stören. In Mikrowärmeübertragern sind die gleichen Effekte zu erwarten, nur dass diese zur Blockade einzelner oder aller Fluidkanäle führen. Berücksichtigt man, dass Mikroreaktoren insbesondere auch für extreme exotherme Reaktionen, explosive Gemische oder toxische Chemikalien ein- gesetzt werden, so wird verständlich, dass frühzeitig erkannt werden muss, wenn eine sichere Temperierung aufgrund der Ver- stopfung von Wärmeübertragern nicht mehr gewährleistet werden kann. Zur Durchsatzerhöhung sind in Mikroreaktoren und Mikro- apparaturen häufig Fluidkanäle parallel geschaltet. Eine Gleichverteilung der Fluide auf diese Fluidkanäle wird durch deren relativ hohen Strömungswiderstand erreicht. Werden nun einzelne Fluidkanäle blockiert, so wird die Verweilzeitver- teilung im Reaktor aufgeweitet, wodurch die Selektivität der Reaktion sinkt. Schließlich sollen mikrofluidische Anlagen als Mehrproduktanlagen eingesetzt werden können, mit denen in unterschiedlichen Nutzungsphasen unterschiedliche Produkte, aber auch zu unterschiedlichen Zeitpunkten die gleichen Pro- dukte nach einem vorgegebenen Rezept produziert werden kön- nen. Dazu ist es aber notwendig, dass diese Anlagen nicht aufgrund von Ablagerungen oder Abrasion erheblich voneinander

abweichen, so dass der Grad der Abnutzung diagnostiziert werden muss.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Diagnose der Abnutzung bei mikrofluidischen Anlagen zu ermöglichen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch eine Mikro- fluidik-Einrichtung mit Fluidkanälen, diesen zugeordneten Sensoren zur Erfassung strömungsrelevanter Größen, eine Spei- chereinrichtung zur Speicherung der Werte der erfassten strö- mungsrelevanten Größen, einer Vergleichseinrichtung zum Ver- gleich der Werte der erfassten Größen mit bereits abgespei- cherten früheren Werten und mit einer Auswerteeinrichtung zur Erzeugung einer Meldung bei einer ein vorgegebenes Maß über- steigenden Abweichung zwischen den miteinander verglichenen Werten.

Bei den Sensoren kann es sich um Durchflusssensoren zur Er- fassung des Durchflusses in den Fluidkanälen oder um Diffe- renzdrucksensoren zur Erfassung von Druckdifferenzen an un- terschiedlichen Stellen der Fluidkanäle handeln. In besonders vorteilhafter Weise sind Drucksensoren zur Erfassung des Fluiddrucks in den Fluidkanälen vorgesehen, wobei als abzu- speichernde und miteinander zu vergleichende Werte die Diffe- renzwerte der von den Drucksensoren an unterschiedlichen Stellen der Fluidkanäle erfassten Drücke herangezogen werden.

Im einfachsten Fall werden die Druckdifferenzen an den Fluid- eingängen und Fluidausgängen der Mikrofluidik-Einrichtung und somit der Druckabfall in der Mikrofluidik-Einrichtung er- fasst.

Eine zunehmende Verschmutzung oder Verstopfung der Fluidkanä- le der Mikrofluidik-Einrichtung wird dadurch diagnostiziert, dass bei unveränderten Rahmenbedingungen der Fluiddurchfluss abnimmt bzw. der Druckabfall über der Mikrofluidik-Einrich- tung zunimmt. Umgekehrt wird eine Abrasion durch eine Erhö- hung des Fluiddurchflusses und eine Abnahme des Druckabfalls

detektiert. Dabei sind mehrere Typen von Mikrofluidik-Ein- richtungen zu unterscheiden : a) Bei Einrichtungen ohne Regelventile oder Pumpen, wie z. B.

Mischer-und Verweilermodule, ist der Druckverlust von Be- triebsparametern der Einrichtung, wie den Kanalgeometrien (Länge, Durchmesser, Querschnittsform), der Strömungsge- schwindigkeit des Fluids und der dynamischen Viskosität des Fluids (Art des Fluids, Fluidtemperatur, Druck) abhängig.

Steigende Druckverluste lassen auf Verstopfungen schließen, wogegen sinkende Druckverluste auf Abrasion zurückzuführen sind. Soweit Mehrwegventile vorhanden sind, müssen diese hierfür geöffnet sein. b) Bei Mikrofluidik-Einrichtungen mit Regelventilen, z. B.

Nadelventilen, erzeugen diese durch das Öffnen und Schließen des Ventilweges definierte Druckverluste. In diesem Fall ist neben den unter a) genannten Betriebsparameter noch die Ven- tilstellung zu berücksichtigen. Bei offenem Ventil können die Fluidkanäle wie oben beschrieben auf Abrasion und Ablagerun- gen geprüft werden, während das Ventil im geschlossenen Z : u- stand auf Dichtheit geprüft werden kann. c) Bei Mikrofluidik-Einrichtungen mit Pumpen muss die erziel- te Drucksteigerung bzw. der erzielte Fluiddurchfluss bestimmt werden, wobei die zu berücksichtigenden Betriebsparameter je nach Pumpentyp unterschiedlich sein können. Werden z. B.

Zahnradpumpen getestet, so muss neben den unter a) angeführ- ten Betriebsparameter auch die Pumpendrehzahl berücksichtigt werden. Besonders ist hier auf die Verwendung gasfreier Flüs- sigkeiten zu achten, da die Pumpenleistung von Zahnradpumpen bei Gasen extrem stark abfallen kann. Hinzu kommt die Tempe- ratur des Pumpenkopfs. Wird eine kalte Zahnradpumpe in Be- trieb genommen, so kann sich der Pumpenkopf erwärmen, auch wenn Fluide mit Umgebungstemperatur gepumpt werden. Dadurch werden die Spalte zwischen den Zahnrädern kleiner und die Pumpleistung steigt bei ansonsten unveränderten Parametern

an. In diesem Fall ist also sicherzustellen, dass die Erfas- sung der durchflussrelevanten Größen wirklich in stationärem Zustand durchgeführt wird. Bei Zahnradpumpen kann der Abnut- zungszustand statt über die erzeugte Druckdifferenz auch über Änderungen bei der Leistungsaufnahme ermittelt werden. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass druckseitig keine Schwan- kungen auftreten, was zum Beispiel der Fall sein kann, wenn zwei Pumpen fluidisch über einen Mikromischer gekoppelt sind.

Für die Durchführung der Diagnose der Mikrofluidik-Einrich- tung lassen sich drei Zustände, nämlich Neuzustand, Startzu- stand und aktueller Zustand, unterscheiden. Im Neuzustand werden die durchflussrelevanten Größen, insbesondere der Druckabfall vor der ersten Benutzung der Mikrofluidik-Ein- richtung ermittelt. Der Startzustand beschreibt den Zustand bei Beginn jeder neuen Nutzungsphase und im aktuellen Zustand wird der Druckabfall überwacht, um die Abnutzung, also Abla- gerungen oder Abrasion zu erkennen.

Im Neuzustand kann der Druckabfall der Mikrofluidik-Einrich- tung unter definierten Bedingungen (Druck, Durchfluss, Tempe- ratur des Fluids, Fluidart wie z. B. Wasser) ermittelt und in der Speichereinrichtung der Mikrofluidik-Einrichtung abge- speichert werden ("Wassertest").

Bei Beginn einer neuen Nutzung, nachdem die Mikrofluidik-Ein- richtung früher bereits benutzt worden war, wird der Druckab- fall im Startzustand zunächst mit dem Wassertest ermittelt.

Wird dieses Ergebnis mit dem Druckabfall im Neuzustand ver- glichen, so kann daraus der Grad der Abnutzung bestimmt wer- den. Auch diese Druckabfälle werden in der Speichereinrich- tung abgespeichert. Anschließend kann die Mikrofluidik-Ein- richtung mit den tatsächlich benötigten Edukten und den ent- sprechenden Betriebsparametern betrieben werden. Zu Beginn der Produktion, wenn der gewünschte stationäre Betriebszu- stand erreicht ist, wird der Druckabfall im Startzustand,

jetzt allerdings mit den realen Produktionsparametern, erneut ermittelt und in der Speichereinrichtung abgespeichert.

Im laufenden Betrieb (aktueller Zustand) werden die Druckab- fälle laufend überwacht und ausgewertet. Im Vergleich zu den Druckabfällen im Startzustand mit realen Produktionsparame- tern kann auf den weiteren Abnutzungsgrad geschlossen werden.

Dieser durch die momentane Nutzung hervorgerufene Abnut- zungsgrad und der bereits beim Start der Nutzung anhand des Wassertests ermittelte Abnutzungsgrad ergeben den Gesamtab- nutzungsgrad der Mikrofluidik-Einrichtung. Bei einer Auto- matisierung der Mikrofluidik-Einrichtung kann die Ermittlung der Druckabfälle der einzelnen Zustände im Rahmen von auto- matisierten Betriebsarten, wie z. B. Anfahren, Produktivbe- trieb, Abfahren usw. automatisch erfolgen. Für die Ermittlung der Druckabfälle im Neuzustand oder für zusätzliche manuell anzustoßende Wassertests kann eine eigene Betriebsart einge- führt werden.

Durch die Speicherung der Werte der erfassten Größen, hier der Druckabfälle, in den verschiedenen Zuständen der Mikro- fluidik-Einrichtung, z. B. eines Mikrofluidik-Moduls, ist sichergestellt, dass diese Daten auch über den gesamten Le- benslauf des Moduls diesem eindeutig zugeordnet werden kön- nen, auch wenn das Modul in verschiedenen Anlagenkonfigura- tionen eingesetzt wird.

Die erfindungsgemäße Überwachung und Diagnose der Mikroflui- dik-Einrichtung ermöglicht nicht nur das bloße Erkennen von Abnutzung sondern auch die Vorhersage, wie lange eine Nutzung noch möglich ist. Hier können zwei Fälle unterschieden wer- den. Im ersten Fall wird aufgrund des Wassertests im Neuzu- stand und des Wassertests vor einer erneuten Nutzung, z. B.

Produktion, der Abnutzungsgrad ermittelt und die verbleibende Restnutzungsdauer vorhergesagt. Basis dafür sind die Gesamt- betriebszeit der Mikrofluidik-Einrichtung und der aktuelle Abnutzungsgrad, aus denen die verbleibende Restnutzungsdauer

berechnet werden kann. Damit kann ein Anwender z. B. vor dem Produktionsstart entscheiden, ob die verwendete Einrichtung für einen geplanten Produktiveinsatz über eine bestimmte Dauer noch geeignet ist. Im zweiten Fall wird im laufenden Betrieb ebenfalls die verbleibende Restnutzungsdauer ständig berechnet, wobei hierzu zusätzlich die momentanen Betriebspa- rameter herangezogen werden, wodurch die Vorhersage genauer wird.

Bei der oben beschriebenen Vorgehensweise ist für jeden pro- duktiven Einsatz der Mikrofluidik-Einrichtung ein Wassertest notwendig. Werden jedoch beim ersten Wassertest unter Varia- tion der Betriebsparameter Kennlinienfelder ermittelt, die es erlauben, die Druckabfälle unter den realen Produktionsbedin- gungen zu ermitteln, so kann dieser zusätzlicher Wassertest entfallen.

Bei der Mikrofluidik-Einrichtung kann es sich um eine kom- plette mikrofluidische Anlage, um einzelne Mikrofluidik- Module oder um Modulkombinationen von mehreren in Reihe und/oder in Serie geschalteten Mikrofluidik-Modulen handeln.

Im Falle von Mikrofluidik-Modulen weist vorzugsweise jedes einzelne Modul jeweils eigene Sensoren und eine eigene Spei- chereinrichtung, Vergleichseinrichtung und Auswerteeinrich- tung auf. Die Sensoren erfassen dabei vorzugsweise Eingangs- und Ausgangsgrößen der Module, wobei zur Reduzierung des Sen- soraufwandes vorzugsweise an jedem Modul entweder nur die Eingangsgrößen oder nur die Ausgangsgrößen erfasst werden und als Ersatz für die Ausgangsgrößen bzw. die Eingangsgrößen die an einem nachgeordneten Modul erfassten Eingangsgrößen bzw. die an einem vorgeordneten Modul erfassten Ausgangsgrößen herangezogen werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figur der Zeichnung Bezug genommen, die ein vereinfachtes Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Mikrofluidik-Einrich- tung zeigt.

Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Mikro- fluidik-Einrichtung aus mehreren in Reihe geschalteten Mikro- fluidik-Modulen 1, 2,3, 4, die an ihren Fluideingängen 5 und Fluidausgängen 6 miteinander verbunden sind. Zwischen den Fluideingängen 5 und den Fluidausgängen 6 erstrecken sich in- nerhalb jedes Moduls 1 bis 4 Fluidkanäle 7, in deren Verlauf Funktionseinheiten, wie z. B. ein Mischer 8 angeordnet sein können. Im Bereich der Fluideingänge 5 sind den einzelnen Fluidkanälen 7 Drucksensoren 9 zugeordnet, die den Fluiddruck in den Fluidkanälen 7 erfassen. Die Drucksensoren 9 sind an einer moduleigenen Recheneinrichtung 10 angeschlossen, die über eine Busverbindung 11 auch die Werte der von den Druck- sensoren 9 in dem nachfolgenden Modul erfassten Fluiddrücke erhält und in einer Subtrahiereinrichtung 12 die Differenz- werte der beispielsweise von den Drucksensoren 9 der Module 2 und 3 erfassten Drücke bildet. Die Druckdifferenzwerte werden in einer Speichereinrichtung 13 abgelegt und gleichzeitig einer Vergleichseinrichtung 14 zugeführt wo sie mit den zu einem früheren Zeitpunkt in der Speichereinrichtung 13 abge- legten Differenzdruckwerten verglichen werden. Eine nachge- ordnete Auswerteeinrichtung 15 wertet das von der Vergleichs- einrichtung 14 kommende Vergleichsergebnis unter zusätzlicher Berücksichtigung von Betriebsparametern des Moduls 2 aus und erzeugt eine Meldung, wenn die Abweichung zwischen den mit- einander verglichenen Werten ein vorgegebenes Maß übersteigt und somit auf eine erhöhte Abnutzung hinweist. Die Meldung kann über den Datenbus 11 an eine zentrale Überwachungsein- richtung 16 übertragen werden. Die Betriebsparameter, wie z. B. Geometrien der Fluidkanäle 7, Art der Fluide, Fluidtem- peratur, können, soweit möglich, mittels weiterer Sensorik gemessen oder an der Überwachungseinrichtung 16 eingegeben und über die Busverbindung 11 an die einzelnen Module 1 bis 4 übertragen und dort in der Speichereinrichtung 13 abgespei- chert werden. Die Ergebnisse der Auswertung durch die Auswer- teeinrichtung 15, insbesondere der berechnete Abnutzungsgrad bzw. die Restnutzungsdauer, werden ebenfalls in der Spei- chereinrichtung 13 abgespeichert.