Im hier vorgestellten Forschungsvorhaben wurde eine Messmethode zur Charakterisierung und Modellierung des Verweilzeitverhaltens von mikrofluidischen Bauteilen für Flüssigphasen-Anwendungen entwickelt. Die entwickelte Methode umfasst die messtechnische Erfassung und die Auswertung der Daten, die anschließend als Basis für eine Modellierung dienen.
Bei der Entwicklung des Messverfahrens wurde insbesondere berücksichtigt, dass es möglichst universell und Hersteller unabhängig angewendet werden kann und auch von späteren Anwendern möglichst einfach zu realisieren ist. Trotz des Verzichts auf unverhältnismäßig aufwändige und kostspielige Messtechnik ist das Messverfahren ausreichend schnell, genau und wiederholbar.
Da besonders die Austauschbarkeit der mikrofluidischen Bauteile im Messaufbau berücksichtigt wurde, ist es nicht möglich, das Verweilzeitverhalten isoliert messtechnisch zu erfassen. Die Messdaten müssen von den Einflüssen der notwendigen fluidischen Peripherie (z.B. Zu- und Ablaufkapillaren) mathematisch separiert werden. Dafür wurden verschiedene numerische Algorithmen umgesetzt und in sämtliche in der Praxis notwendige Auswerteroutinen implementiert.
Neben der messtechnischen Erfassung des Verweilzeitverhaltens von mikrofluidischen Bauteilen war auch dessen Modellierung auf Grundlage der Messdaten Gegenstand des Forschungsprojektes. Die Modellierung wurde auf Basis algebraischer Verweilzeitmodelle durchgeführt. Damit kann das integrale Strömungsverhalten von Mikroreaktoren bzw. Mikromischern abgebildet werden, ohne die genauen strömungstechnischen Vorgänge beschreiben zu müssen. Es wurden unterschiedliche Modelle eingesetzt und auf die Anwendbarkeit für mikrofluidische Bauteile getestet. Sowohl auf physikalischen Formulierungen basierende Modelle als auch rein empirische Modelle wurden angewendet, um einen möglichst breiten Anwendungsbereich in der Mikroreaktionstechnik abzudecken.
Basierend auf der Analyse der modellierten Verweilzeitverteilungen ist ein direkter Leistungsvergleich unterschiedlicher mikrofluidischer Bauteile möglich. Dazu werden ermittelte Verteilungsparameter herangezogen, die ebenso zur Bestimmung gängiger verfahrenstechnischer Kennzahlen wie z.B. der Peclet-Zahl oder des axialen Dispersionskoeffizienten verwendet werden. Dies trägt zu einem besseren Verständnis fluiddynamischer Vorgänge in Mikrostrukturen bei und kann sich positiv auf die Entwicklung neuer Bauteile auswirken. Die Kennzahlen bieten die Möglichkeit, eine geeignete Komponente für eine spezifische reaktions- oder verfahrenstechnische Aufgabe auszuwählen. Den KMU, die mikrofluidische Bauteile herstellen, kann dies in Form von Kennwert-Diagrammen zur Verfügung gestellt werden, um ihre Produkte gezielter für spezifische Applikationen entwickeln und anbieten zu können.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.
Forschungsstelle: Fraunhofer Institut für Chemische Technologie ICT
Projektleiter: Dr. S. Löbbecke
Laufzeit: 01.10.2007-30.09.2009
Betreut durch: AK 1
Das IGF-Vorhaben Nr. 15386 N der Forschungsvereinigung Forschungs-Gesellschaft Verfahrens-Technik e.V., Theodor-Heuss-Allee 25, 60486 Frankfurt am Main wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.