Mikrofluidiksystem

Die Erfindung betrifft ein Mikrofluidiksystem.

Aus der DE 10 2005 047 041 Bl ist ein Mikrofluidiksystem bekannt, das aus nebeneinander angeordneten Modulen besteht. Jedes Modul enthält ein plattenförmiges Mikrofluidikteil mit Kanalstrukturen im Platteninneren, welche in seitlichen Randbereichen auf der Plattenoberseite in Fluidöffnungen münden. Zur fluidischen Hintereinanderschaltung von Mikrofluidik- teilen benachbarter Module dienen jeweils zweiteilige Verbindungsstücke, die in den seitlichen Randbereichen an den je- weils benachbarten und miteinander fluchtenden Mikrofluidik- teilen diese überbrückend montierbar sind und über in ihnen enthaltene Verbindungskanäle die Fluidöffnungen der benachbarten Mikrofluidikteilen miteinander verbinden. Die zweiteiligen Verbindungsstücke liegen jeweils mit einem Teil an der Plattenoberseite und mit dem anderen Teil an der Plattenunterseite der von ihnen verbundenen Mikrofluidikteile an und sind im Bereich zwischen den beiden Mikrofluidikteilen mittels einer Klemmvorrichtung gegeneinander gepresst.

Wenn im Rahmen des sogenannten "Numbering up" beim übergang vom Labormaßstab zur Pilotanlage oder zur industriellen Produktion größere Fluiddurchsätze erzielt werden sollen, müssen solche Mikrofluidiksysteme parallel geschaltet werden. Zum Austausch einzelner Mikrofluidikteile müssen bei dem bekann- ten Mikrofluidiksystem die zugehörigen Verbindungsstücke abmontiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Austausch einzelner Mikrofluidikteile zu vereinfachen und im Weiteren den mit der Parallelschaltung von Mikrofluidiksystemen verbundenen apparativen und arbeitsmäßigen Aufwand zu verringern.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Mikrofluidiksystem gelöst, von dem vorteilhafte Weiterbildungen den Unteransprüchen zu entnehmen sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Mikrofluidiksystem lassen sich die einzelnen Mikrofluidikteile von vorne in den Gehäuserahmen einschieben, wobei die Fluidstecker der rückseitigen Anschlussstücke automatisch in die entsprechenden, zur Ver- und Entsorgung der Mikrofluidikteile mit Fluiden dienenden Fluid- buchsen in der rückseitigen Anschlusswand des Gehäuserahmens einrasten und Fluidverbindungen herstellen. In den Gehäuserahmen können je nach Größe der zu verarbeitenden Fluidmengen mehrere Mikrofluidikteile desselben Typs eingeschoben und parallel betrieben werden. Da es bei der industriellen Pro- duktion erforderlich ist, einzelne der parallel geschalteten Mikrofluidikteile, beispielsweise bei Verstopfung der fluid- führenden Kanäle, im laufenden Produktionsbetrieb austauschen zu können, sind die Fluidbuchsen vorzugsweise im ungestöpsel- ten Zustand selbstdichtend ausgebildet, so dass beim Ziehen einzelner Mikrofluidikteile keine Fluide aus den Fluidbuchsen austreten.

Die Anschlussstücke mit den Fluidsteckern sind jeweils zweiteilig ausgebildet, wobei im rückwärtigen Randbereich des je- weiligen Mikrofluidikteils ein Teil an der Plattenoberseite und das andere Teil an der Plattenunterseite anliegt und beide Teile mittels einer Klemmvorrichtung in einem Bereich außerhalb des Mikrofluidikteils gegeneinander gepresst sind. Dadurch wird eine drucksichere Fluidverbindung zwischen den Anschlusskanälen in dem Anschlussstück und den Kanälen der Kanalstruktur im Inneren des Mikrofluidikteils hergestellt.

Zur Ver- und Entsorgung der in dem Gehäuserahmen enthaltenen und fluidisch parallel geschalteten Mikrofluidikteile sind die auf jeweils senkrecht zu den parallelen Mikrofluidik- teilen verlaufenden Linien gemeinsam liegenden Fluidbuchsen auf der Rückseite des Gehäuserahmens an gemeinsamen Fluidver- oder -entsorgungsleitungen angeschlossen, die zuzuführende

Fluide zu gleichen Anteilen auf die parallel geschalteten Mikrofluidikteile verteilen bzw. aus den parallel geschalteten Mikrofluidikteilen abzuführende Fluide sammeln.

Zur mehrstufigen Verarbeitung von Fluiden, beispielsweise zuerst in einem Mischer, dann einem Reaktor und schließlich einem Verweiler, sind in mehrere Gehäuserahmen vorgesehen, von denen jeder Gehäuserahmen jeweils Mikrofluidikteile eines anderen Typs enthält (z. B. Mischer, Reaktor, Verweilstrecke) Die unterschiedlichen Mikrofluidikteile in den unterschiedlichen Gehäuserahmen sind fluidisch in Reihe geschaltet, indem die entsprechenden Fluidbuchsen auf den Rückseiten der Gehäuserahmen mittels der Fluidver- oder -entsorgungsleitun- gen miteinander verbunden sind.

Je nach Verbindung der Fluidbuchsen auf den Rückseiten der Gehäuserahmen können die Mikrofluidikteile desselben Typs in den einzelnen Gehäuserahmen zunächst parallel und dann die einzelnen Parallelschaltungen in Reihe geschaltet werden, oder es können unterschiedliche Mikrofluidikteile in unterschiedlichen Gehäuserahmen zunächst hintereinander und dann die einzelnen Hintereinanderschaltungen parallel geschaltet werden. Im letzteren Fall kann es von Vorteil sein, wenn unterschiedliche Mikrofluidikteile (z. B. Reaktor und Ver- weilstrecke) zunächst außerhalb der Gehäuserahmen miteinander verbunden und dann als Paar in die Gehäuserahmen eingebaut werden oder im Fehlerfall als Paar ausgetauscht werden. Hierfür ist in vorteilhafter Weise vorgesehen, dass in den Mikro- fluidikteilen enthaltenen Kanalstrukturen zusätzlich in seit- liehen Randbereichen auf der Plattenober- und/oder -Unterseite in weiteren Fluidöffnungen münden und dass zur Hintereinanderschaltung seitlich benachbarter Mikrofluidikteile jeweils Verbindungsstücke in den seitlichen Randbereichen an den betreffenden Mikrofluidikteilen diese überbrückend montierbar sind und über in ihnen enthaltene Verbindungskanäle die weiteren Fluidöffnungen in den benachbarten Mikrofluidikteilen miteinander verbinden. Wie die Anschlussstücke sind auch die Verbindungsstücke vorzugsweise zwei-

teilig ausgebildet, wobei sie mit einem Teil an der Plattenoberseite und mit dem anderen Teil an der Plattenunterseite der von ihnen verbundenen Mikrofluidikteile anliegen und wobei beide Teile mittels einer Klemmvorrichtung in einem Bereich zwischen den beiden Mikrofluidikteilen gegeneinander gepresst sind. Nicht benutzte Fluidöffnungen können mittels an den Randbereichen der Mikrofluidikteile aufgesetzter Klemmteile verschlossen werden.

Um bei der Parallelschaltung von Mikrofluidikteilen desselben Typs Fehlfunktionen, z. B. Verstopfungen der Kanäle, frühzeitig erkennen und rechtzeitig einen Austausch vornehmen zu können, sind vorzugsweise an den parallel geschalteten Mikro- fluidikteilen Temperaturmesseinrichtungen angeordnet und an den Temperaturmesseinrichtungen eine Auswerteeinrichtung angeschlossen, die solche Mikrofluidikteile identifiziert, deren gemessene Temperatur von der der anderen Mikrofluidikteile abweicht. Im stationären Betrieb haben alle Mikro- fluidikteile dieselbe Temperatur. Wenn es z. B. bei exother- mer Reaktion von Fluiden in einem Mikrofluidikteil zu einer Verstopfung kommt, wird weniger Wärme abgeführt und die Temperatur steigt im Vergleich zu den anderen Mikrofluidikteilen .

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen; im Einzelnen zeigen:

Figur 1 ein Beispiel für in zwei Gehäuserahmen eingeschobene Mikrofluidikteile unterschiedlichen Typs in Rückansicht,

Figur 2 die Mikrofluidikteile in den Gehäuserahmen in Draufsicht,

Figur 3 die Mikrofluidikteile in den Gehäuserahmen in Seitenansicht (Schnitt) und

Figur 4 ein weiteres Beispiel für die in einem Gehäuserahmen eingeschobenen Mikrofluidikteile desselben Typs und ihre Verbindung mit Mikrofluidikteilen in einem benachbarten Gehäuserahmen in Vorderansicht.

Figur 1 zeigt einen ersten Gehäuserahmen Rl, in dem mehrere plattenförmige Mikrofluidikteile MIl bis M15 desselben Typs in unterschiedlichen parallelen Ebenen übereinander angeordnet sind. In einem benachbarten weiteren Gehäuserahmen R2 sind in gleicher Weise weitere plattenförmige Mikrofluidikteile M21 bis M25 desselben Typs aber unterschiedlich zu den Mikrofluidikteilen MIl bis M15 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung nach Figur 1.

Figur 3 zeigt dieselbe Anordnung in einem seitlichen Schnitt durch die Mikrofluidikteile MIl bis M15.

Die Mikrofluidikteile MlI bis M25 enthalten jeweils Kanal- Strukturen KS (Fig. 3), die z. B. Mischerstrecken oder Verweilerstrecken bilden oder zur Führung von Hilfsfluiden zur Temperierung der Mikrofluidikteile dienen. Die Kanalstrukturen KS münden im rückwärtigen Bereich der Mikrofluidikteile MIl bis M25 auf deren Oberseiten in Fluidöffnungen FOl. An den Stellen der Fluidöffnungen FOl sind an den platten- förmigen Mikrofluidikteilen MIl bis M25 jeweils zweiteilige Anschlussstücke AS montiert. Diese verbinden über in ihnen enthaltene Anschlusskanäle AK (Figur 3) die Fluidöffnungen FOl mit Fluidsteckern FS, welche auf den Rückseiten der An- Schlusstücke AS in rückwärtiger Ausrichtung ausgebildet sind. In jedem Gehäuserahmen Rl, R2 kommen die einander entsprechenden Fluidöffnungen FOl der Mikrofluidikteile MIl bis M15 bzw. M21 bis M25 und ebenso die zugehörigen Fluidstecker FS auf jeweils einer Geraden untereinander zu liegen. Die zwei- teiligen Anschlussstücke AS liegen jeweils mit einem Teil ASl an der Oberseite und mit dem anderen Teil AS2 an der Unterseite des jeweiligen Mikrofluidikteils MIl bis M25 an und sind mittels einer Klemmvorrichtung K, hier in Form einer

Schraubverbindung, in einem Bereich außerhalb des Mikro- fluidikteils MIl bis M25 gegeneinander gepresst.

Wie Figur 3 zeigt, sind in einer rückseitigen Anschlusswand AW des Gehäuserahmens Rl Fluidbuchsen FB zur Ver- und Entsorgung der Mikrofluidikteile MIl bis M15 mit Fluiden in der Weise angeordnet sind, dass beim Einschieben der Mikro- fluidikteile MIl bis M15 in den Gehäuserahmen Rl die Fluid- stecker FS der Anschlusstücke AS in die Fluidbuchsen FB ein- rasten. Die Fluidbuchsen FB sind im offenen Zustand selbstdichtend ausgebildet, so dass beim Ziehen einzelner Mikro- fluidikteile MIl bis M15 keine Fluide aus den Fluidbuchsen FB austreten und somit einzelne Mikrofluidikteile MIl bis M15 im laufenden Produktionsbetrieb ausgetauscht werden können.

Um höhere Fluiddurchsätze zu erreichen, sind die in jeweils einem Gehäuserahmen Rl bzw. R2 gehaltenen Mikrofluidikteile MIl bis M15 bzw. M21 bis M25 desselben Typs fluidisch parallel geschaltet. Die Parallelschaltung erfolgt an den in jeweils einer Linie untereinander liegenden Fluidbuchsen FB durch Fluidver- oder -entsorgungsleitungen FL, die in einem gemeinsamen Fluidanschluss FA münden. Die Fluidver- oder -entsorgungsleitungen FL zwischen dem Fluidanschluss FA und den einzelnen Fluidbuchsen FB sind bezüglich ihrer Länge und ihres Durchmessers derart bemessen, dass an den Fluidbuchsen FB jeweils gleiche Druckverhältnisse herrschen und in den parallel geschalteten Mikrofluidikteile MIl bis M15 übereinstimmende Strömungsverhältnisse herrschen.

Die in dem Gehäuserahmen Rl enthaltenen Mikrofluidikteile MIl bis M15 des einen Typs (z. B. Mikroreaktoren) und die in dem Gehäuserahmen R2 enthaltenen Mikrofluidikteile M21 bis M25 eines anderen Typs (z. B. Verweilstrecken) sind paarweise fluidisch hintereinander geschaltet. Dazu münden die in den Mikrofluidikteilen MIl bis M25 enthaltenen Kanalstrukturen KS zusätzlich in seitlichen Randbereichen auf den Plattenoberseiten in weiteren Fluidöffnungen FO2. Zur Hintereinanderschaltung der benachbarten Mikrofluidikteile MIl, M21 bis

M15, M25 sind jeweils Verbindungsstücke VS an den betreffenden Mikrofluidikteilen MIl, M21 bis M15, M25 montiert, die die Mikrofluidikteilen MIl, M21 bis M15, M25 überbrücken und über in ihnen enthaltene Verbindungskanäle die weiteren Fluidöffnungen FO2 der benachbarten Mikrofluidikteilen MIl, M21 bis M15, M25 miteinander verbinden. Wie die Anschlussstücke AS sind auch die Verbindungsstücke VS zweiteilig ausgebildet, wobei sie mit einem Teil VSl an der Plattenoberseite und mit dem anderen Teil VS2 an der Plattenunterseite der von ihnen verbundenen Mikrofluidikteile MIl, M21 bis M15, M25 anliegen und mittels einer Klemmvorrichtung K, hier in Form einer Schraube, im Bereich zwischen beiden Mikrofluidikteilen MIl, M21 bis M15, M25 gegeneinander gepresst sind. Nicht benutzte Fluidöffnungen FO werden mit Hilfe von Klemm- teilen KT verschlossen, die an den Randbereichen der Mikro- fluidikteile M21 bis M25 auf diese aufgesetzt werden. Die Klemmteile KT können ähnlich den Anschlussstücken AS aufgebaut sein, weisen aber keine Kanäle und Fluidstecker auf.

Figur 4 zeigt ein Mikrofluidiksystem mit in drei Gehäuserahmen Rl, R2 und R3 angeordneten Mikrofluidikteilen MIl bis M35, wobei die in den Gehäuserahmen Rl und R2 angeordneten Mikrofluidikteile MIl bis M15 bzw. M21 bis M25 über Verbindungsstücke VS hintereinander geschaltet sind, so wie dies auch in den Figuren 1 und 2 gezeigt ist. Die in den Gehäuserahmen R2 und R3 enthaltenen Mikrofluidikteile M21 bis M25 bzw. M31 bis M35 sind über die Fluidanschlüsse FA (Figur 3) in Reihe geschaltet.