MischerExpo - Grundlagen

Split-recombine-Mikromischer
2. Generation von Raupenmischern

Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH
www.imm-mainz.de

Mischkonzept des Raupenmischers:
Split-Recombine-Prinzip
Der Raupenmischer nutzt das Split-Recombine-Prinzip. Dabei werden zwei Bereiche eines ungemischten Fluidstroms, zumeist ausgehend von zwei gleich großen Lamellen, voneinander weg geführt, so in jeweils zwei neue Bereiche zerteilt, und wieder zusammengeführt. Dadurch werden alle vier Bereiche so alternierend nebeneinander angeordnet, dass die Ursprungsgeometrie wieder hergestellt wird. Bei idealer Ausführung wird so die Lamellenzahl eines eingekoppelten Fluidstroms beim Durchlaufen einer 'Elementarzelle' verdoppelt. Die damit einhergehende Halbierung der lateralen Lamellenausdehnung hat eine Reduktion der charakteristischen Mischzeit auf ein Viertel zur Folge.

REM-Abbildungen der Führungsstrukturen des Raupenmischers 1. Generation und schematische Darstellung seines Split-Recombine-Prinzips.

Durch sukzessives Durchlaufen mehrerer 'Elementarzellen' lassen sich extrem feine Lamellen bei gleichzeitig moderatem Druckverlust erzeugen:

	Volumenstrom
	Flusswiderstand einer Elementarzelle
	Lamellendicke am Anfang, bzw. nach N Elementarzellen

Im Gegensatz zu Interdigitalmikromischern verzichtet der Raupenmischer somit auf eine den Druckverlust erhöhende Gleichverteilungsstruktur. Die Fluidzerteilung findet ohne Führung in parallelen Mikrokanälen statt. Stattdessen führen interne, auf der Kanaloberfläche aufgebrachte Strukturen die Fluide.

Optimierung der Strömungsführung im Raupenmischer
Split-Recombine als abstraktes Prinzip bedarf nur zweier Grundschritte - Trennen und Zusammenfügen - und ist somit ein einfaches Konzept. Da dies allgemein mit einfachen Führungsstrukturen (beim Raupenmischer besonders berücksichtigt) bewirkt wird, ist die diesbezügliche konkrete mikrofluidische Umsetzung aber zumeist komplex und führt so in der Praxis zu Strömungsführungen, die vom Ideal des stufenweisen Lamellenverdoppelns mehr oder weniger abweichen. Es steht zu erwarten, dass deshalb viele der herkömmlichen Split-Recombine-Mischergeometrien zu solchen abweichenden Fluidprofil bewirken. In der Tat zeigen Simulationen der Strömungen im Raupenmischer 1. Generation nicht das perfekte alternierende Rechteckprofil von Multilamellenanordnungen. Die Hauptströmung wird Scherströmungen überlagert, die die parallele Aufspaltung so deformieren, dass Meso-Vermischung neben Mikro-Vermischung stattfindet.

Strömungslinien für Raupenmischer 1. Generation

Mittels rechnergestützter Optimierung (FV) konnte die Fluidführung so optimiert werden, dass sich ein wesentlich verbessertes geschichtetes Lamellenprofil generieren lässt. Im Besonderen erhält man nunmehr eine klar erkennbare Verdopplung der Lamellenzahl, einhergehend mit einer Halbierung der Lamellenschichtdicke, pro Durchfluß einer Elementarzelle. So sind z.B. nach Durchlauf von zwei Elementarzellen klar acht Lamellen erkennbar; nach drei Elementarzellen ist eine weitere Vervielfachung der Lamellenstruktur zu sehen, die sich jedoch im Einzelnen aufgrund der verwendeten Lagrange-Methode nicht ins Detail auflösen lässt. Diese Begrenzung der Auflösung der Simulationsresultate tritt für die folgenden Durchläufe noch deutlicher hervor.

Querschnittsprofile für Raupenmischer 2. Generation

Diese Optimierung der Fluidschichtung wird erreicht, indem neben der mikrostrukturierten Wandfläche, die den gesamten Fuidstrom umgibt und führt, weitere Strukturen in den Fluidstrom hinein gebracht werden. Dadurch ergeben sich mehrere separate Führungsstrukturen anstelle von einer, wie in dem Bauteil 1. Generation. Dies wird durch Einbringen einer wenigen µm dicken Trennschicht zwischen den beiden mikrostrukturierten Platten erreicht. Diese weist an einigen Stellen auch trapezförmige Durchbrüche mit einer Abmessung im Bereich der Kanalgesamtbreite (also für die Hauptausführungsform: 1250 µm) zur erneuten Zusammenführung auf. Außerdem befinden sich im Mikrokanal selbst finartige Strukturen, die die Aufgabe haben, den Fluidstrom aufzuteilen.



Elementarzellengeometrie des Raupenmischers 2. Generation	und zugehörige Split-Recombine-Funktionsprinzip

Klicken Sie auf das Bild, um eine Animation zu sehen (GIF)

Bevorzugte Einsatzgebiete des Raupenmischers
Die erreichbaren, im Vergleich zu anderen Mikromischern hohen Durchflüsse bei geringem Druckverlust und die Einfachkeit des Prinzips empfehlen Raupenmischer (wie auch andere Split-Recombine-Mischer) für Hochdurchfluß-Labor- über Pilot- bis hin zu Produktionsanwendungen. Aufgrund einer fehlenden Gleichverteilungproblematik wie etwa bei den Interdigitalmischern weist der Raupenmischer zudem allgemein eine geringere Störungsanfälligkeit auf, gerade auch was mögliche Verstopfungen betrifft. Raupenmischer genügen damit insbesondere industriellen Ansprüchen.
Ein Nachteil des Raupenmischers wie auch aller anderen Split-Recombine-Mischer ist aber, dass bei den meisten heute bekannten Ausführungsformen die Strömungsführung oft nicht in gleicher Weise definiert ist wie bei den Interdigitalmischern (siehe oben). Dies kann insbesondere bei Prozessen mit Mehrphasenströmungen die Anwendungsbreite begrenzen. In Interdigitalmischern lassen beispielsweise durch hydrodynamische Instabilitäten wie die Rayleigh-Plateau-Instabilität sehr regelmäßige Fragmentationen von flüssig/flüssig-Systemen zu Tropfen erzeugen. Dies kann in heutigen Split-Recombine-Mischern nicht oder nicht in gleicher Weise genutzt werden. Eine Evaluierung des Raupenmischers 2. Generation für diese Anwendungen steht noch aus.
Damit lässt sich feststellen, dass sich Split-Recombine-Mischer bevorzugt für Hochdurchsatzanwendungen (10 - 100 l/h (1-10 bar) pro Mischer) für mischbare flüssig/flüssig-Systeme, gerade auch mit Partikelbeladung oder -erzeugung, eignen.