Oferta nr. 24/11

INSTYTUT CHEMII FIZYCZNEJ POLSKIEJ AKADEMII NAUK
Oferta nr. 24/11
Tytuł
Urządzenie i sposób do wysokoprzepustowego tworzenia i łączenia kropli na żądanie
(Parallel DOD)
Pełne Streszczenie
Techniki mikroprzepływowe pozwalają tworzyć niezwykle monodyspersyjne emulsje o
ściśle kontrolowanych objętościach kropli. Podobnie, pozwalają również tworzyć krople
wielokrotne, zawierające zestaw ciekłych rdzeni otoczonych ciekłą koszulką. Techniki
tworzenia kropli na żądanie pozwalają tworzyć emulsje o ściśle zaprogramowanym
rozkładzie rozmiarów kropli w emulsji oraz o ściśle zadanym rozkładzie architektury
kropli wielokrotnych. Dla przykładu, możliwe jest stworzenie emulsji zawierających
krople podwójne z rdzeniem zawierającym substancje aktywną oraz koszulką o
regulowanej grubości, kontrolującą uwalnianie substancji aktywnej. Możliwe jest
stworzenie emulsji o ściśle zadanym rozkładzie grubości koszulek co pozwala
kontrolować profil czasowy tempa uwalniania substancji aktywnych w docelowym
środowisku. Ponadto, układy objęte zastrzeżeniami we wniosku patentowym
pozwalają na tworzenie kropli z dwóch lub więcej różnych płynów, oraz łączenie
parami kropli zawierających różne roztwory, mieszanie tych roztworów i prowadzenie
reakcji chemicznych wewnątrz kropli w celu podniesienia wydajności i selektywności
syntezy. Niniejsze zgłoszenie patentowe obejmuje układy równoległe, tzn. takie, które
oferują bardzo dużą przepustowość. Odpowiednie zaprojektowanie sieci kanałów
umożliwia rozdzielenie przepływu z jednego kanału na szereg równoległych gałęzi,
tak, aby wolumetryczne prędkości przepływu we wszystkich gałęziach były
jednakowe. Dzięki takiemu powieleniu przepływu możliwe jest następnie generowanie
jednakowych kropel jednocześnie na wielu równoległych złączach. Autorzy zgłoszenia
patentowego pokazali eksperymentalnie możliwość zwiększenia w ten sposób
częstości generowania kropel o dwa rzędy wielkości, jednak zasadniczo nie ma
ograniczenia na dalsze jej zwiększenie poprzez zwiększenie liczby kanałów.
Warunkiem równomiernego rozłożenia przepływu na wszystkie gałęzie jest
odpowiednie dobranie oporności hydrodynamicznej kanałów. Początkowo przepływ
przekierowywany jest do szerokiego i głębokiego zbiornika służącego jako rezerwuar
ciśnienia, z którego następnie odchodzą równoległe gałęzie doprowadzające płyn do
złącz generujących krople. Istotnym czynnikiem warunkującym stabilność
wytwarzania kropel jest odpowiednio duży opór hydrodynamiczny gałęzi wylotowych
zawierających już wygenerowane krople. Powinien on być taki, żeby obecność kropel
w danej gałęzi nie prowadziła do istotnych względnych zmian w jej oporności.
Twórcy
Jan Guzowski, Piotr Korczyk, Sławomir Jakieła, Piotr Garstecki
Dziedzina
Przyrządy - Sterowanie
Budowa maszyn - Inne maszyny specjalne
Zalety / innowacyjne aspekty
Istotnymi zaletami techniki wysokoprzepustowego tworzenia kropel przy pomocy
zaworów, będącej przedmiotem zgłoszenia, jest możliwość generowania i)
monodyspersyjnych emulsji niezależnie od fluktuacji ciśnienia zasilającego oraz ii)
emulsji o wyjątkowo dużej frakcji objętości kropel. Uzyskanie zadanego rozmiaru
kropel niezależnie od chwilowej prędkości przepływu fazy kroplowej możliwe jest
dzięki zastosowaniu sprzężenia zwrotnego odcinającego przepływ fazy kroplowej
dopiero gdy kropla osiąga ona zadaną długość w kanale (detekcja następuje np. przy
pomocy kamery). Jednocześnie użycie zaworów umożliwia wygenerowanie dowolnie
dużych kropel przy ustalonej objętości fazy ciągłej. Gdy frakcja objętości kropel
przekracza ok 74% krople wewnątrz emulsji samoorganizują się w sieć krystaliczną.
Tego typu „uporządkowane” emulsje mogą być następnie użyte do syntezy materiałów
porowatych o dobrze zdefiniowanej strukturze oraz zadanych rozmiarach porów oraz
połączeń między nimi. W ostatnich latach nastąpił burzliwy rozwój syntezy chemicznej
opartej na układach mikroprzepływowych. Jest to spowodowane faktem znacznie
lepszej kontroli warunków reakcji dla syntez prowadzonych w reaktorach
przepływowych. Takie parametry reakcji jak, równomierny rozkład stężeń reagentów i
temperatury w całej objętości mieszaniny reakcyjnej, precyzyjny dobór proporcji
reagentów i katalizatorów mają decydujące znaczenie na wydajność i selektywność
prowadzonych reakcji. Jednym z najważniejszych problemów jaki pojawia się podczas
opracowywania nowych metod syntezy chemicznej jest optymalizacja warunków
prowadzenia reakcji. Wymaga ona precyzyjnego doboru stężeń reagentów,
temperatury, czasu reakcji, odpowiedniego rozpuszczalnika. Układy
mikroprzepływowe doskonale nadają się jako narzędzie do prowadzenia optymalizacji
reakcji. Pozwalają na wyjątkowo precyzyjny dobór składu reagentów (katalizatorów)
poprzez prostą manipulację wielkością łączonych kropel. Pozwalają na łatwą kontrolę
nad czasem i temperaturą reakcji a integracja z układani analitycznymi takimi jak
HPLC, UV, IR umożliwia kontrolę wydajności i selektywności. Niewątpliwą zaletą takich
układów jest możliwość przeprowadzenia pełnej optymalizacji przy użyciu
minimalnych ilości reagentów i rozpuszczalników co prowadzi do wytworzenia bardzo
małych ilości odpadów.
Słowa kluczowe
mikrofluidyka, kropla, napięcie powierzchniowe, wysoka przepustowość, emulsja,
automatyzacja, monodyspersyjność, kropla wielokrotna, emulsje wielokrotna,
mikroreaktor, równoległe złącza mikroprzepływowe
Zastosowanie
Wysokoprzepustowe układy kroplowe mogą mieś także zastosowanie do syntez
kombinatorycznych prowadzących do otrzymania bibliotek produktów, które mogą być
bezpośrednio poddawane testom aktywności w dalszej części układu
mikroprzepływowego. Wynalazek objęty zastrzeżeniami w zgłoszeniu patentowym
może mieć następujące zastosowania przemysłowe. 1. Wysoko-przepustowe
tworzenie emulsji prostych o ściśle zadanych rozkładach rozmiaru kropel.
Zastosowania w przemyśle spożywczym i kosmetycznym. 2. Wysoko-przepustowe
tworzenie emulsji złożonych o ściśle zadanych rozkładach rozmiarów rdzeni i koszulek.
Zastosowania w przemyśle kosmetycznym i farmaceutycznym. 3. Urządzenia do
prowadzenia specjalistycznych syntez chemicznych w ściśle kontrolowany i
bezpieczny sposób, oferujących łatwe skalowanie produkcji. Automatyka,
Rozdrabnianie, Kontrolowanie procesów, Chemikalia, Przechowywanie materiałów
(ciała stale, gazy, ciecze), Farmaceutyki, Powlekanie, Inżynieria mechaniczna,
Hydraulika, Mikro. i Nano.technologie, Farmacja i Leki, Inżynieria biomedyczna
Stan zaawansowania
etap badania
Prawa własności intelektualnej
Zgłoszenie patentowe nr P-395775 – 27.07.2011 - Polska
IChF dla Firm ul. Kasprzaka 44/52 01-224 Warszawa
TEL: 22 343 33 12 | FAX: 22 343 33 33
[email protected] | NIP: 525-000-87-55