CHEMICKO-INŽENÝRSKÉ JEDNOTKOVÉ OPERACE V MIKROFLUIDNÍCH ZAŘÍZENÍCH

HTML
DOWNLOAD

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "CHEMICKO-INŽENÝRSKÉ JEDNOTKOVÉ OPERACE V MIKROFLUIDNÍCH ZAŘÍZENÍCH"

Eva Hájková
před 6 lety
Počet zobrazení:

1 CHEMICKO-INŽENÝRSKÉ JEDNOTKOVÉ OPERACE V MIKROFLUIDNÍCH ZAŘÍZENÍCH 1

2 CHEMICKO-INŽENÝRSKÉ JEDNOTKOVÉ OPERACE (JOP) stavební jednotky chemických a potravinářských technologií, biotechnologií, zpracovatelského průmyslu vyskytují se často, jsou všudypřítomné -> vyžadují zaměřené studium ( CHI), které má již dlouhou historii v makrosvětě existují pro všechny JOP specializovaná (standardizovaná) zařízení pro mikrosvět byla některá zařízení již vyvinuta, odzkoušena a (částečně) standardizována; řada procesů na svoje specifické mikrozařízení ještě čeká 2

3 Mikrozařízení = zmenšenina (klasického) makrozařízení???? Obvykle NE 3

4 DĚLENÍ JEDNOTKOVÝCH OPERACÍ MECHANICKÉ: manipulace s pevnými látkami & sypkými hmotami (mletí, drcení, granulace, třídění ) HYDRO-MECHANICKÉ: operace s tekutinami, tekutými směsmi a disperzními soustavami (tok v trubkách a kanálech, čerpání, sedimentace, filtrace, fluidace ) OPERACE ZALOŽENÉ NA SDÍLENÍ TEPLA: ohřev/chlazení pevných částí a tekutých proudů, výměna tepla mezi proudy, odpařování 4

5 OPERACE ZALOŽENÉ NA SDÍLENÍ HMOTY: difusní procesy, rovnovážné dělicí procesy - kapalinová extrakce, vyluhování, destilace, absorpce, sušení; kineticky řízené separace - membránové procesy CHEMICKÉ PROCESY: chemické reakce (homogenní heterogenní/katalytické, vícefázové g-l, l-l, g-l-s), enzymové reakce (rozpustné imobilizované enzymy) BIOLOGICKÉ PROCESY: využití enzymových nebo metabolických systémů mikrobiálních, rostlinných nebo živočišných buněk, nebo buněčných organel 5

6 VÝHODY USKUTEČŇOVÁNÍ JOP V MIKROMĚŘÍTKU vyšší výkonnost při menších/minimalizovaných prostorových nárocích, nižší spotřeba energií (celkově na jednotku produkce), možno vytvořit výrobní jednotku do aktovky (mobilita, flexibilita), zvýšení bezpečnosti provozu ( malá množství látek = malé explose, malá množství toxických látek), optimalizace podmínek pro sdílení tepla a hmoty: zkrácení transportních vzdáleností + zvětšení ploch pro výměnu (oproti makrozařízením) -> zkrácení procesních časů/trvání JOP zkrácení doby potřebné na výzkum a vývoj (rychlé experimenty + paralelizace) přenesení zařízení na libovolné místo produkty na míru dle přání nebo potřeby zákazníka (zákazníkem definované produkty, personální léčiva, aplikace v krizových oblastech) snazší řízení procesu 6

7 NEVÝHODY JOP V MIKROMĚŘÍTKU dosažení potřebné produkční kapacity nutná paralelizace nároky na čistotu tekutých proudů (mechanická nebo biologická znečištění) propojení s okolním světem zařízení s pohyblivými díly obtížně vyrobitelná často vysoká cena nedůvěra 7

8 HYDRO- MECHANICKÉ OPERACE 8

9 Součinitel tření DOPRAVA TEKUTIN mikrokanály: d ek, Re, mikroventily mikročerpadla Reynoldsovo číslo Velké ztráty mechanické energie při velmi nízké hodnotě Re 9

10 MIKROČERPADLA: MECHANICKÁ (diskrétní objemy): - piezolektrická - pneumatická - thermo-pneumatická - elektrostatická JINÁ (kontinuální): - ultrazvuková - elektroosmotická - elektrohydrodynamická 10

11 MIKROČERPADLA: diskrétní objemy - diskrétní objemy: transformace mechanické energie na energii čerpání (vibrace membrány, pohyb ventilů,...) - princip: kmitající membrána mění objem komory kterou uzavírá - sání a výtlak, - vyžadují většinou dva ventily, které řídí tok tekutiny (pasivní nebo aktivní) - principy: magnetické, piezoelektrické, termopneumatické,... 11

12 systém tryska-diffusér 12

MIKROČERPADLA: kontinuální - přímá přeměna mechanické nebo nemechanické energie na čerpání - tradiční mechanismy: magnetohydrodynamické, electrochemické, elektroosmotické,.

13 MIKROČERPADLA: kontinuální - přímá přeměna mechanické nebo nemechanické energie na čerpání - tradiční mechanismy: magnetohydrodynamické, electrochemické, elektroosmotické,... Magnetická: - skládá se:elastická membrána, permanentní magnet, elektromagnet, (časově závislý signál na elektromagnet (2-100 Hz, průtoky stovky ml/min)) - ferrofluid 13

14 - kombinace permanentního magnetického pole a DC elektrickéh pole (elektrochemické reakce) - kombinace AC electrického pole a AC magnetického pole - typické průtoky - ml/min 14

Paměťové slitiny SMA = shape memory alloy : TiNi jev

tato vlastnost vyskytuje, přechází při určité teplotě z

vratné přechody mezi austenitickou a martensitickou

15 Paměťové slitiny SMA = shape memory alloy : TiNi jev tvarové paměti je způsoben tím, že kov, u kterého se tato vlastnost vyskytuje, přechází při určité teplotě z jedné krystalické struktury do jiné teplotně závislé vratné přechody mezi austenitickou a martensitickou formou slitiny = změny tvaru průtoky: stovky ml/min frekvence: až 100 Hz 15

Piezoelektrické mikropumpy - mechanické napětí vede k polarizaci

mechanickým napětím vedoucím k deformaci - PTZ: piezoelectric

polem - ml až ml/min Elektrostatické mikropumpy - přitažlivé

16 Piezoelektrické mikropumpy - mechanické napětí vede k polarizaci materiálu - naopak takový materiál se v elektrickém poli pod mechanickým napětím vedoucím k deformaci - PTZ: piezoelectric lead titanium zirconate - membrána s PTZ diskem a AC elektrickým polem - ml až ml/min Elektrostatické mikropumpy - přitažlivé síly mezi dvěma opačně nabitými elektrodami - jedna elektroda na membráně 16

17 Electroosmotické pumpy 17

18 Elektroosmotické pumpy 200 V, žádná kapilára 200 V, kapilára 50 cm (ID 200 um) 18

19 Elektroosmotické mikročerpadlo 19

20 Termopneumatické mikropumpy: - změna objemu pracovní tekutiny s teplotou, způsobuje deformaci membrány 20

21 Ultrazvuková mikročerpadla Pohyb tekutiny je způsoben pohybujícími se zvukovými vlnami. Tekutina se pohybuje ve směru pohybu vlny. Rychlost čerpání je úměrná čtverci akustické amplitudy. Hasegawa et al., ULTRASONICS 44, E575-E579,

22 Elektrohydrodynamická mikročerpadla Čerpání je omezeno na slabě vodivé nebo nevodivé tekutiny, obvykle plyny. Plyn je ionizován střídavým elektrickým polem vysoké intenzity. Ionty pak putují k opačně nabitým elektrodám a strhávají okolní plyn. Pokud jsou elektrody nestejně velké nebo jinak asymetrické, může střídavé elektrické pole způsobit čerpání plynu preferenčně v jednom směru. Mezera mezi dvěma elektrodami by měla být co nejmenší. Kocik et al., konference ISEHD

23 Bublinové mikropumpy: - bubliny jsou generovány v důsledky elektrochemických reakcí - rozklad peroxidu vodíku na katalyzátoru Další principy: - kapilární síly, botnající částice,... 23

24 MIKROVENTILY: s vnějším ovládáním: - solenoidové - piezolektrické - pneumatické - s tvarově-paměťovými prvky s vnitřním ovládáním: - elektrostatické - bimetalové - thermo-pneumatické - elektromagnetické bez pohyblivých částí: - elektroosmotické 24

Délka takové cívky obvykle převyšuje její průměr, magnetické pole uvnitř cívky se tak obvykle považuje za rovnoměrné (konstantní).

25 solenoidové mikroventily působením magnetického pole na kovový člen uvnitř solenoidu Solenoid je podlouhlá cívka se stejně hustými závity stejného kruhového tvaru po celé délce. Délka takové cívky obvykle převyšuje její průměr, magnetické pole uvnitř cívky se tak obvykle považuje za rovnoměrné (konstantní). piezoelektrický mikroventil založené na deformaci piezoelektrického materiálu Piezoelektrický jev je schopnost krystalu při deformaci generovat elektrické napětí, popřípadě jev opačný, kdy se krystal v elektrickém napětí deformuje. 25

26 Pneumatický mikroventil 26

27 Elektrostatický mikroventil elektrostatické přitahování/ odpuzování částí ventilu 27

28 Elektroosmotická v křížení mikrokanálů vlivem změny orientace elektrického pole 28

MIKROFLUDNÍ FILTRACE kapalné/plynné proudy se filtrují před vstupem do mikrofluidních zařízení mikrofluidní filtry spíše zachycují zbytkové znečištění filtrace/filtry v

29 MIKROFLUDNÍ FILTRACE kapalné/plynné proudy se filtrují před vstupem do mikrofluidních zařízení mikrofluidní filtry spíše zachycují zbytkové znečištění filtrace/filtry v mikrofluidních zařízeních = vytvoření/ zadržení lože pevných mikročástic v zařízení filtrační přepážky: pravidelné struktury, pilířky- lamely přesně definované vlastnosti koláč 29

30 mikrofiltrační komůrka 30

31 mikrofluidní filtr z uhlíkových nanovláken 31

32 Použití mikrofiltrů pro další účely mechanická desintegrace buněk na filtrační lamelární struktuře 32

33 MIKROMÍSIČE (většinou) bez pohyblivých mechanických částí difusní homogenizace/mísení 33

ohýbání tekutin, způsob označovaný jako "rozděl a spoj"

34 PASIVNÍ a AKTIVNÍ MIKROMIXÉRY: - pasivní míchání spoléhá na difusi a využívá geometrie mikrosystému - natahování a ohýbání tekutin, způsob označovaný jako "rozděl a spoj" (split and recombine) - vyžadují externí pumpy k pohybu tekutin 34

35 T-difúzní kanálkové mísiče 35

36 Difúzní mísiče 36

37 Housenkové mikromísiče Fungují na principu rozdělení a opětovného spojení čerpané tekutiny. Stěny mikrokanálků jsou členité. Je potlačena nežádoucí Taylorova disperze. IMM Mainz 37

38 Pasivní míchání v mikrosystémech pomocí geometrie kanálků

39 Cyklónové mikromísiče Dvě tekutiny, které se mají mísit jsou rozděleny do několika mikrokanálků. Jednotlivé mikrokanálky uvádějí tekutiny do komůrky v tangenciálním směru. Promísení je velmi rychlé. IMVT 39

40 Aktivní mísení v mikrofluidiních systémech - aktivní míchání pomocí mechanických součástek alei objemových sil MHD mikromísič: EOF mikromísič: 40

41 Miniaturizované magnetické míchadlo: Vibrující membrána: 41

42 Mikrofluidní centrifugy Vhodné k rychlému oddělování buněk a mikročástic ze směsí. Zařízení je možno také využít k rozsazení emulzí. Mikrofluidní rotor je umístěn v nepohyblivém statoru rpm (přibližně 4500g) 42

Podobné dokumenty

Průtokové metody (Kontinuální měření v proudu kapaliny)

Průtokové metody (Kontinuální měření v proudu kapaliny) 1. Přímé měření: analyzovaná kapalina většinou odvětvena + vhodný detektor 2. Kapalinová chromatografie (HPLC) Stanovení po předchozí separaci 3.