Acoustic Mixing

Die technischen Fortschritte bei der Miniaturisierung in den letzten Jahrzehnten haben unter anderem die Technologie der so genannten „Lab-on-a-Chip“-Systeme (LOC) hervorgebracht. Diese Systeme bieten die Möglichkeit, bestimmte Laborprozesse, z.B. in der biomedizinischen Diagnostik, auf der Mikroskala zu automatisieren und zu beschleunigen. LOC-Systeme bestehen in der Regel aus einem Netz von submillimeterbreiten Kanälen zur Verarbeitung von Flüssigkeiten. Häufig müssen die Flüssigkeiten gemischt werden, z.B. für diagnostische Zwecke. Aufgrund des laminaren Charakters der Strömung in diesen Mikrokanälen wird der Mischmechanismus durch langsame Diffusionsprozesse bestimmt, die für eine homogene Durchmischung ungeeignet lange Kanäle erfordern würden. Die aktive Einbringung von Konvektionsprozessen in die Strömung erhöht die Mischeffizienz erheblich.

In verschiedenen Veröffentlichungen (z.B. Nama et al., 2016) der letzten Jahre wurde die Möglichkeit diskutiert, Ultraschall in Kombination mit scharfkantigen Strukturen in den Wänden von Mikrokanälen einzusetzen, um eine schnelle Durchmischung zu erreichen. Bei der Beaufschlagung des Kanals mit Ultraschall schwingen die scharfen Kanten und erzeugen lokale akustische Strömungsphänomene, die wiederum zu einer wesentlich besseren Durchmischung der Flüssigkeiten führen. Bei akustischen Frequenzen im niedrigen kHz-Bereich ist die Wellenlänge viel größer als die Kanalbreite, so dass von einer einheitlichen Anregung des Kanalsegments und damit der scharfen Kanten ausgegangen werden kann. Aufbauend auf diesen früheren Arbeiten verwenden wir die neue akustische Strömungsschnittstelle im Akustikmodul, sowie verschiedene andere Module von Comsol Multiphysics, um die Vermischung zweier identischer Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Spezieskonzentrationen in einem 2D- und 3D-Segment eines geraden Mikrokanals mit scharfen, gleichmäßig verteilten, dreieckigen Kanten zu simulieren.

Die erzielten Simulationsergebnisse zeigen eine bemerkenswerte Verbesserung des Mischprozesses durch die Einführung akustisch angeregter scharfer Kanten in das LOC-System. Wir nutzten den Simulationsaufbau, um Parameterstudien durchzuführen und die optimalen geometrischen Eigenschaften der erwähnten scharfen Kanten zu bestimmen, z.B. Höhe, Spitzenwinkel und -abstand, sowie andere Prozessparameter wie Anregungsfrequenz und Einlassgeschwindigkeit. In der Parameterstudie wurden die Höhe und der Abstand der scharfen Kanten als kritische Parameter des geometrischen Aufbaus ermittelt. Darüber hinaus konnte die Einlassgeschwindigkeit als kritischer Parameter ermittelt werden, der die Mischqualität bei niedrigeren Einlassgeschwindigkeiten verbessert. Unsere Ergebnisse sind vergleichbar mit früher veröffentlichten Ergebnissen, die mit Hilfe von Simulationen unter Verwendung des Interface für schwache Formulierungen des PDE-Moduls von Comsol erzielt wurden.

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