Flüssig-Flüssig-Gleichgewichtsbestimmung mittels Mikrofluidik

Die Flüssig-Flüssig-Extraktion basiert auf unterschiedlichen Löslichkeiten der Komponenten in zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. Die Zielkomponente wird dabei möglichst selektiv durch Zugabe eines Lösungsmittels aus einer Lösung extrahiert. Nach der Extraktion liegt diese Komponente in einer der Phasen, die restlichen Stoffe liegen in einer weiteren Phase vor. Geeignete Lösungsmittel und eine zweckmäßige Prozessgestaltung sind nur mit Daten von Flüssig-Flüssig-Gleichgewichten möglich. Großes Potenzial bergen miniaturisierte Messtechniken können die Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte schneller, günstiger, präziser und unter gut kontrollierbaren Bedingungen messen, benötigen geringere Probemengen und reduzieren den Umgang mit giftigen Stoffen.

Ziel dieses Projekts war die Entwicklung eines mikrofluidischen Messsystems, das im Mikroliterbereich arbeitet und „auf Knopfdruck“ vollautomatisch Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte von Vielstoffsystemen vermisst. Kern des Messaufbaus ist ein Mikrochip, der aus einem schlangenförmig angeordneten Kanal mit einem Volumen im Mikroliterbereich besteht. Die Flüssigkeiten werden präzise auf den Mikrochip gepumpt, auf dem sie sich entlang des Kanals mischen und zwei Phasen ausbilden. Die Position der Phasengrenze wird mit einem Mikroskop überwacht, die Dichte der Phasen mit einem Mikrodensimeter bestimmt. Die Zusammensetzungen der getrennten Phasen werden im Anschluss berechnet. Nach Automatisierung des Messsystems erfolgt dessen Bedienung über ein User-Interface, das im Anschluss an die jeweilige Messung die Ergebnisse ausgibt.

Das optimale Kanaldesign für Mikrochips zur Vermischung und Trennung der Flüssigkeiten wurde mithilfe von CFD-Simulationen bestimmt. Eine vollautomatisierte Messroutine wurde entwickelt. Nach Eingabe der Komponenten wird der Messablauf vollständig bis zur Ausgabe der Flüssig-Flüssig-Gleichgewichte in grafischer und tabellarischer Form dargestellt.