Mehrdimensionale Fraktionierung von Feinstpartikelsystemen in Mikrosystemen

• Antragsteller: Professor Dr. Andreas Dietzel; Professor Dr.-Ing. Arno Kwade
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382122102

Bei der industriellen Herstellung von hochwertigen Produkten wie pharmazeutischen Wirkstoffen, Keramiken oder partikelbeladenen Tinten steigen die Anforderungen an die Partikeleigenschaften stetig an, wobei vermehrt Partikel im Größenbereich unterhalb von 10 µm mit definierten Eigenschaften gefordert werden. Auch Verunreinigungen, wie sie z.B. durch Abrieb bei Zerkleinerungsprozessen entstehen, müssen entfernt werden. Die dafür notwendige mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Suspensionen mit Partikeln unterhalb von 10 µm ist mit aktuellen Trennmethoden jedoch nicht zufriedenstellend möglich. Deshalb sollen in diesem Projekt ein Mikrosystem aus kombinierten passiven und aktiven Mikroelementen zur mehrdimensionalen Fraktionierung nach den Partikeleigenschaften Größe und elektrische Permittivität entwickelt und untersucht werden. Die Systeme werden vom Institut für Mikrotechnik mittels des FLICE-Verfahrens (Femtosecond Laser Irradiation and Chemical Etching) in Glas und durch Trockenätzen (Deep Reactive Ion Etching) in Silizium hergestellt. In der ersten Förderphase wurden bislang Mikroelemente entwickelt, die auf zwei unterschiedlichen Wirkprinzipien beruhen: der passiven Deterministic Lateral Displacement Methode (DLD) sowie (di)elektrophoretischen Kräften in (inhomogenen) elektrischen Feldern. In der zweiten Förderphase liegt der Schwerpunkt auf der Integration der Methoden in einem Mikrosystem. Durch die Überlagerung der DLD mit (inhomogenen) elektrischen Feldern soll eine kombinierte Trennung nach Größe und Ladung bzw. Permittivität erfolgen. Kernstücke für das Verständnis der Trennung sind intensive µ-PIV-Untersuchungen sowie gekoppelte CFD-DEM-Simulationen. Hiermit wurden bisher insbesondere der Einfluss der Strömungsgeschwindigkeit und der Pfostenform auf das Trennergebnis untersucht. Die Arbeiten werden im Folgenden insbesondere im Hinblick auf die mehrdimensionale Trennung weitergeführt. Das übergeordnete Ziel der Arbeiten, insbesondere auch der Simulationen, ist die gezielte Gestaltung und Auslegung der Strukturen hinsichtlich der mehrdimensionalen Klassierung technischer Suspensionen mit möglichst hohem Feststoffanteil und möglichst hohem Durchsatz. Gemeinsam nutzen die beiden Projektpartner die Erkenntnisse, um weiterentwickelte Mikrosysteme herzustellen und diese zu einem effektiven Gesamtsystem zu verbinden. Aufgrund der breiten Partikelgrößenverteilung realer Suspensionen und der damit verbundenen Verstopfungsgefahr muss auf dem Mikrochip ein weiterer Fraktionierungsschritt vorgeschaltet werden, in dem der obere Partikelgrößenbereich abgetrennt wird. Auf Basis der experimentellen und simulativen Ergebnisse sowie des vertieften Verständnisses der Wirkprinzipien sollen Modelle und Richtlinien zur Gestaltung der Mikrosysteme für die technische Nutzung entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2045: Hochspezifische mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen
• Mitverantwortliche: Dr.-Ing. Ingo Kampen; Dr.-Ing. Monika Leester-Schädel