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Segmentierter Fluss: Der Tropfen als Reaktor

In mikrostrukturierten Reaktoren lassen sich mehrphasige Stoffsysteme (beispielsweise flüssig/flüssig oder gas/flüssig) mit hoher Präzision in Form von segmentierten Flüssen prozessieren – was interessante Anwendungsmöglichkeiten bietet.

In speziell entwickelten mikrofluidischen Strukturen segmentieren wir Fluide durch Abriss oder Abschnürung in Form von Tropfen oder Blasen in eine zweite Flüssigphase. Über die gewählten Strömungsverhältnisse, Reaktorgeometrien und andere Prozessbedingungen lassen sich dabei die Größe der erzeugten Tropfen und Blasen sowie die Frequenz der Segmentierung sehr genau kontrollieren. Die Tropfen oder Flüssigsegmente fungieren als abgeschlossene Reaktionsräume mit wenigen Nanoliter Volumen, die mit der Transportphase keine chemischen Wechselwirkungen eingehen. Auf diese Weise können wir insbesondere bei hochwertigen Wirkstoffsynthesen Querkontaminationen, Verdünnungs- und Dispersionseffekte durch Konvektion und Diffusion unterdrücken. Darüber hinaus wird die Durchmischung der Reaktionspartner im Nanoliter-Segment durch Advektion stark intensiviert.

Eine segmentierte Prozessführung kann aber auch eingesetzt werden, um die Wechselwirkung zwischen zweiphasigen Systemen gezielt zu intensivieren. Durch die Bereitstellung großer Grenzflächen können wir Stofftransportprozesse über die Phasengrenzfläche im Vergleich zu makroskopischen Prozessen z. T. drastisch beschleunigen. Typische Anwendungen sind Phasentransferkatalysen und andere zweiphasige organische Synthesen.

Die segmentierte Prozessführung in Mikroreaktoren wird am Fraunhofer ICT auch für die Herstellung mikroskaliger partikulärer Produkte eingesetzt. Die exakte Kontrolle über die Tropfengröße wird beispielsweise genutzt, um monomodale sphärische Polymerpartikel im Mikroreaktor zu synthetisieren oder um polymere Mikrokapseln herzustellen, die im Prozess mit unterschiedlichsten Wirkstoffen gefüllt werden können. Die Größe der Polymerpartikel kann stufenlos in einem breiten Bereich, zum Beispiel zwischen 5 µm und 300 µm, eingestellt werden, typische Wandstärken von polymeren Mikrokapseln liegen bei ca. 100 nm.


Mikroreaktor für die Erzeugung von segmentierten Flüssen

 

Herstellung von segmentierten Flüsen in einem Mikroreaktor (High-Speed Video).


Reagentiendosierung in einzelne Tropfen innerhalb eines Mikrokanals (High-Speed Video).  

Tropfen-Fusion im Mikrokanal (High-Speed Video).


Herstellung von sphärischen Polymerpartikeln.

 

Vereinigung von Reaktionspartnern durch Tropfen-Fusion (High-Speed Video).


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Kontinuierliche Synthese von gefüllten Mikrokapseln an einem High-Speed-Mikroskop.


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Herstellung von Tropfen-in-Tropfen Composites in Mikroreaktoren (High-Speed Videos)


 

         
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