Autarker Mikroentgaser

Garaus den Gasblasen

Gasblasen sind der „Sand im Getriebe“ der Mikrofluidik, denn sie können chemische oder biotechnologische Verarbeitungsprozesse empfindlich stören. Die Flüssigkeit muss daher vorher entgast werden. Forschende der Fraunhofer EMFT haben einen autarken Mikroentgaser entwickelt, der ohne aufwändige Infrastruktur auskommt und perspektivisch handliche Entgaser-Tischgeräte ermöglichen könnte.

Der Mikroentgaser verfügt über eine integrierte Silicium-Mikropumpe, die den nötigen Unterdruck erzeugt. (Bild: Fraunhofer EMFT/Bernd Müller)

Mitarbeiter in der chemischen Industrie kennen das Problem: Bei Analytikanwendungen wie etwa der HPLC oder bei Wasseranalysen können schon geringe Druck- oder Temperaturschwankungen dazu führen, dass sich in Flüssigkeiten winzige Gasblasen bilden – man bezeichnet dieses Phänomen als „Ausgasen“. Mögliche Folgen: Messgeräte, die auf optischen Prinzipien basieren, ermitteln verfälschte Werte, wenn sich Gasblasen im Strahlengang befinden. Durch den unterschiedlichen Brechungsindex von Gas und Flüssigkeit kommt es zur Brechung des Lichts an der Gasblase und zu Intensitätsabweichungen durch die ungleichmäßige Medienverteilung im Strahlengang.

Sensoren, die auf Temperatur, Druck oder mechanischen Größen basieren, werden ebenfalls durch Gasblasen beeinflusst. Diese bewirken lokal einen Sprung in Dichte und Wärmekapazität und - gemittelt über das Messmedium - eine Änderung in Viskosität und Kompressibilität.

Aber auch bei diversen anderen Prozessen der Medizintechnik, Biotechnologie oder der chemischen Industrie, in denen Flüssigkeiten verarbeitet werden, können Gasblasen einen reibungslosen Betrieb behindern.

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Um solchen Komplikationen vorzubeugen, muss der Flüssigkeit vor dem Verarbeitungsprozess möglichst viel Gas entzogen werden. Bislang verfügbare Entgaser sind jedoch unhandlich und relativ teuer. Zum Betrieb benötigen sie entweder eine externe Vakuumpumpe oder einen Vakuumanschluss, über den meist nur gut ausgestattete Labore verfügen.

Silicium-Mikropumpe erzeugt Unterdruck bis 55 kPa
Forscher der Fraunhofer EMFT haben jetzt einen autarken, portablen Mikroentgaser entwickelt, der sowohl Gasblasen als auch gelöstes Gas aus einer Flüssigkeit entfernen kann. Im Entgaser ist eine an der Fraunhofer EMFT entwickelte Silicium-Mikromembranpumpe integriert. Diese kann sehr hohe Unterdrücke von bis zu -55 kPa aufbauen – das ist ausreichend, um den nötigen Unterdruck in der Kammer zu erzeugen und während der Entgasung aufrechtzuerhalten. Ein Funktionsdemonstrator des Mikroentgasers zeigt in bisherigen Tests eine Entgasungseffizienz von ca. 50% bei Förderraten 50-200 µl/min. Er verfügt über zwei Standard-Luer-Anschlüsse für Zulauf und Ablauf sowie einen Stecker für die Spannungssteuerung der Mikropumpe, so dass das System ohne großen Aufwand in die meisten Anlagen integriert werden kann. 

Stabiler Unterdruck durch Minimierung des Totvolumens
Zentrale Knackpunkte der Entwicklung waren vor allem die Unterdruck- und Kompressionsfähigkeit der Pumpe. Um einen stabilen Unterdruck zu gewährleisten, müssen die Ventile so schließen, dass der Rückfluss minimiert wird. Die Kompressionsfähigkeit der Pumpe haben die Forscher durch eine Minimierung des Totvolumens optimiert: Wenn man das Kompressionsverhältnis als Quotient aus Hubvolumen und Totvolumen – ungenutztes Volumen innerhalb der Pumpkammer, das nicht zum Hubvolumen beiträgt – versteht, lässt sich dieses bei begrenztem Hubvolumen durch die Minimierung des Totvolumens verbessern. Je höher das Kompressionsverhältnis ist, umso kleiner ist der erreichbare Unterdruck in der Entgaserkammer. Die Entgasungsrate ist direkt abhängig vom anliegenden Unterdruck. Die vorliegenden Silicium-Mikromembranpumpen haben ein Kompressionsverhältnis von 1,1 und ermöglichen Unterdrücke bis zu -55 kPa. 

Fazit
Im Gegensatz zu bisherigen kommerziellen Entgasern benötigt der portable Mikroentgaser nur einen Stromanschluss für seinen Betrieb. Damit ermöglicht er einen mobilen und flexiblen Einsatz im Rahmen von Analyse- und Verarbeitungsprozessen. Die kleine Bauform und der niedrige Stromverbrauch machen portable Geräte für die oben genannte Analytik und als handliche Tischgeräte für Labore erst möglich.

Katrin Möbius, Fraunhofer EMFT, München,
katrin.moebius@emft.fraunhofer.de

Dr. Axel Wille, Fraunhofer EMFT, München,
axel.wille@emft.fraunhofer.de

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