Experimentelle Bestimmung und Modellierung des Verweilzeitverhaltens mikrofluidischer Strukturen

Boskovic, Dusan

Microfluidic devices become increasingly important in chemistry, chemical process engineering and biochemical laboratory applications. In order to effectively benefit of the particular advantages resulting from the miniaturization and continuous processing, knowledge of the optimal process conditions is essential. One of the most important characteristics of a continuous flow system and therefore most microfluidic devices is the residence time distribution, which is considered in this work. A new testing method which involves measurement and necessary data processing was developed for the characterization and modelling of the residence time distribution of microfluidic devices for liquid phase applications. The method is mainly based on the time and spatial resolved spectroscopic tracking of a tracer molecule passing through the microfluidic device. As an isolated observation of the microdevice is not possible with the applied experimental technique different numerical algorithms for the deconvolution of the measured data were developed and implemented in all necessary evaluation procedures. Modelling of the residence time distribution was performed by application of algebraic models. In this way the integral flow behaviour of microdevices can be depicted without a detailed description of the fluid dynamic processes. Different types of models were applied and tested for suitability for microfluidic devices. In order to choose a model which describes the residence time distribution best, an approach based on a combination of direct deconvolution, analysis of the residues of a fitting procedure and implementation of information criteria is proposed. The obtained residence time distributions allow detailed analysis of the overall flow behaviour and also comparison of different microfluidic devices. Therefore, specific distribution parameters can be evaluated and also applied in order to determine common parameters like the reactor Peclet number and the axial dispersion coefficient. As it is shown in this work by means of examination of three different microfluidic devices, this accounts for a better understanding of fluiddynamic processes in complex microfluidic structures and allows an optimized operation and utilization of these devices by identifying appropriate flow conditions.

Mikrofluidische Bauelemente gewinnen in weiten Bereichen der Chemie, chemischen Verfahrenstechnik und biochemischen Labortechnik immer mehr an Bedeutung. Um die besonderen Vorteile, die sich durch die Miniaturisierung und die kontinuierliche Prozessführung ergeben optimal nutzen zu können, ist die Kenntnis der optimalen Betriebsbedingungen notwendig. Eine der wichtigsten Charakteristiken von kontinuierlichen Strömungssystemen und damit auch von den meisten mikrofluidischen Bauteilen ist die Verweilzeitverteilung, die in dieser Arbeit betrachtet wird. Zur Charakterisierung und Modellierung des Verweilzeitverhaltens von mikrofluidischen Bauteilen für Flüssigphasen-Anwendungen wurde eine neue spektroskopische Messmethode entwickelt. Diese umfasst die messtechnische Erfassung und Auswertung der spektroskopischen Daten eines Tracer-Farbstoffes, die anschließend als Basis für eine Modellierung dienen. Da die isolierte Betrachtung des mikrofluidischen Bauteils unter Ausschluss der notwendigen Peripherie mit dem angewendeten Messprinzip experimentell nicht möglich ist, wurden verschiedene numerische Algorithmen zur Entfaltung der Messsignale umgesetzt und in sämtliche in der Praxis notwendige Auswerteroutinen implementiert. Die Modellierung wurde auf Basis algebraischer Verweilzeitmodelle durchgeführt. Damit kann das integrale Strömungsverhalten von Mikroreaktoren bzw. Mikromischern abgebildet werden, ohne die genauen strömungs¬technischen Vorgänge beschreiben zu müssen. Es wurden unterschiedliche Modelle eingesetzt und im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit für mikrofluidische Bauteile getestet. Für die Auswahl des Modells welches die fluiddynamischen Vorgänge am besten beschreibt wurde eine Vorgehensweise entwickelt, die auf einer Abschätzung durch eine direkte Entfaltung, der Einführung von Informationskriterien und der Analyse der Residuen einer Kurvenanpassung basiert. Mit Hilfe der modellierten Verweilzeitverteilungen sind genaue Analysen der Strömungsvorgänge und der Vergleich 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. Wie in dieser Arbeit anhand von drei verschiedenen mikrofluidischen Bauteilen gezeigt wird, trägt dies zu einem besseren Verständnis fluiddynamischer Vorgänge in Mikrostrukturen bei und ermöglicht einen anwendungsoptimierten Einsatz der Bauteile für spezifische reaktions- und verfahrenstechnische Aufgaben.

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Boskovic, Dusan: Experimentelle Bestimmung und Modellierung des Verweilzeitverhaltens mikrofluidischer Strukturen. 2011.

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