Устройство с микроканальной структурой, выполненной в объеме

Настоящая полезная модель относится к области микрореакторного проточного синтеза и микрофлюидной технологии, а именно к проточному микрореактору смешения.
Использование микрореакторного проточного синтеза по сравнению емкостным синтезом дает преимущества, такие как лучшее смешивание, более эффективный теплообмен и более простое масштабирование [Plutschack, M. B., Pieber, B., Gilmore, K., Seeberger, P. H. The Hitchhiker’s Guide to Flow Chemistry//, Chem. Rev. 2017, 117, 11796-11893.]. Другим преимуществом проточного синтеза является возможность проводить многоступенчатые реакции с несколькими реакторами в одной системе [Britton, J., Raston, C. L., Multi-step continuous-flow synthesis, Chemical Society Reviews 2017, 46, 1250-1271.]. Одним из применений таких многостадийных реакций является, например, производство фармацевтических препаратов по требованию с использованием компактных модульных систем непрерывного действия [Adamo, A., Beingessner, R. L., Behnam, M., Chen, J., Jamison, T. F.,Jensen, K. F., Monbaliu, J.-C. M., Myerson, A. S., Revalor, E. M.,Snead, D. R., Stelzer, T., Weeranoppanant, N., Wong, S. Y., Zhang, On-demand continuous-flow production of pharmaceuticals in a compact, reconfigurable system, Science 2016, 352, 61-67.].
Полезная модель была разработана для решения ряда задач, связанных с использованием трехмерной печати из полимерных материалов для получения микрореакторов для проточного синтеза. На данный момент в литературе неизвестно использование конструкции, в которой реакционный канал выполняется в объеме всего тела объекта в трех измерениях в форме спирали.
Сочетание проточного синтеза с реакторами, полученными методом трехмерной печати из полимерных материалов, является экономически эффективным ввиду достаточно быстрой разработки, быстрого изготовления новых образцов и невысокой стоимости микрореакторов. Трехмерная печать, также известная как аддитивное производство, представляет собой процесс, в котором объект создается слой за слоем непосредственно из трехмерной модели, полученной в программе автоматизированного проектирования. Существует достаточно много технологий, которые могут позволить напечатать микрореакторы для проточного синтеза, например: технология послойного наплавления (FDM, FFF)[Neumaier J. M., Madani A., Klein T., Ziegler T., Low-budget 3D-printed equipment for continuous flow reactions, Beilstein J. Org. Chem. 2019, 15, 558-566.], селективное лазерное спекание (SLS) [Elias, Y., Rudolf von Rohr, P., Bonrath, W., Medlock, J., Buss, A., A porous structured reactor for hydrogenation reactions, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2015, 95, 175-185], стереолитография (SLA) [Comina, G., Suska, A., Filippini, D., Low cost lab-on-a-chip prototyping with a consumer grade 3D printer, Lab on a Chip, 2014, 14, 2978-2982], струйная трехмерная печать (3DP). Однако каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Печать по технологиям SLA, SLS, 3DP позволяет получить объекты с высоким разрешением, но материалы, используемые в технологиях SLA и 3DP, имеют низкую химическую устойчивость и подходят только для небольшого количества сред и реакций. В случае с технологией SLA объект получается спеканием порошка исходного материала, который остается в каналах напечатанного устройства, после этого возникает ряд проблем с удалением неспеченного порошка из каналов. С другой же стороны технология послойного наплавления является самой недорогой из всех, позволяет работать с множеством материалов, но обладает самым низким разрешением печати. Технология послойного наплавления позволяет работать с полиэтиленом, полипропиленом, термопластичным полиуретаном, полиэфирэфиркетоном и циклоолефинами, все эти материалы могут быть использованы при изготовлении микрореакторов согласно полезной модели.
Микрореактор (микрофлюидный чип) - это устройство, которое представляет собой единую комплексную систему различного размера (как правило от 1 мм до 10 см) и позволяет произвести преобразование реагента(ов) к продукту или пробы к анализу. [Demello A.J. Control and detection of chemical reactions in microfluidic systems // Nature. 2006. Vol.442. №. 7101. P. 394-402.]. Микрореактор выполняется в виде компактного устройства, в каналах которого в один момент времени находится небольшое количество жидкости или газа при нормальных или повышенных давлениях, для преобразования веществ используются каналы диаметром от 1 до 1000 микрометров. Топология и конструкция конкретного микрореактора определяется теми операциями, для которых планируется его применять.
В случае с полимерными микрореакторами, они представляют собой объект произвольной формы, как правило близкий к прямоугольному параллелипипиду, в котором в процессе печати формируется система из каналов, реакционных зон, зон смешения, вспомогательных элементов в едином производственном цикле, могут быть установлены электроды, сенсоры или другие конструкции, которые будут необходимы для выполнения задач.
Микрореактор описанный в изобретении был получен по технологии трехмерной печати методом послойного наплавления из трех химически стойких материалов полипропилена, термопластичного полиуретана (ТПУ) и циклоолифинового сополимера (циклоолефин).
Каждый из полимерных материалов, использованных для получения микрореактора, имеет свои преимущества и недостатки, как для процесса печати, так и в области химической стойкости.
Микрореакторы, изготовленные из полипропилена, полностью непрозрачны, и позволяют работать в средах органических растворителей, концентрированных кислот и щелочей, но невозможно создать каналы с менее чем 0,5 мм из-за особенностей технологии печати этим материалом. Рабочий диапазон температур находится в диапазоне от -50°C до+100°C , для некоторых сред температурный диапазон может быть сужен.
Микрореакторы, изготовленные из ТПУ, прозрачны и позволяют работать в средах алифатических органических растворителей, водных растворов слабых кислот или щелочей. Рабочий диапазон температур находится в диапазоне от -50°C до+100°C, для некоторых сред могут быть исключения.
Микрореакторы, изготовленные из циклоолефинов, в зависимости от конкретной марки материала, могут быть как оптически прозрачны, так и непрозрачны, можно получить различную устойчивость к воздействию повышенных или пониженных температур в диапазоне от -50°C до 200°C. Обладают высокой химической устойчивостью ко всем распространенным реагентам, кроме галогенсодержащих углеводородов.
Микрореакторы, полученные методом трехмерной печати имеют значительно более низкую себестоимость, относительно стеклянных или металлических чипов. Себестоимость полимерных микрореакторов с такими же параметрами, как и у стеклянных меньше в 10-20 раз за счет меньшего количества операций, которые необходимо выполнить в процессе изготовления. При этом для полимерных микрореакторов не требуется покрытие каналов дополнительными составами или их иная модификация в виду невысокого гидравлического сопротивления.
В результате чего стоимость напечатанных микрореакторов оказывается меньше чем у аналогов из стекла или металла, что позволяет полимерные микрореакторы сделать одноразовыми и избавиться от проблем с их очисткой, что достаточно актуально в случае работы в области биотехнологического производства.
Описание патентного поиска
Из уровня техники известна группа изобретений, включающая оснастку для получения заготовки микрофлюидного чипа, способ получения заготовки микрофлюидного чипа, заготовку микрофлюидного чипа, способ изготовления микрофлюидного чипа и микрофлюидный чип [патент RU 2658495C1, 16.08.2018]. Установка для формирования микрофлюидного чипа состоит из двух частей, в одной из которых выполнено отверстие для заливки формовочного материала. При этом формирование каналов происходит за счет содержащегося на внутренней поверхности оснастки рельефа, советующего топологии изготавливаемого микрофлюидного устройства.
Из уровня техники известен микрофлюидный чип смешения [RU 2724254 C1, 07.10.2019], который выполняется из стекла или металла, представляет собой пластину, на которой выполнена в одной плоскости тем или иным способом топология микрофлюидного устройства в виде каналов определенной формы и сечения и для формирования закрытой системы накрыта второй пластиной из того же материала, герметизация между пластинами происходит, либо за счет качества выполнения поверхностей, либо за счет клеевой основы.
Из уровня техники известна заготовка микрофлюидного чипа и микрофлюидный чип для культивирования и/или исследования клеток [RU 2675998C1, 02.02.2018]. Заготовка включает представляющую собой пластину с отверстиями и основу. На одной из сторон основы размещен слой формовочного материала с микрофлюидной системой заданной топологии, а на противоположной стороне основы размещен уплотнительный слой в виде единой эластичной детали из формовочного материала. При этом уплотнительный слой размещен на поверхности основы и на внутренней поверхности отверстий основы. Микрофлюидный чип включает вышеуказанную заготовку и пластину из оптически прозрачного материала, зафиксированную на заготовке со стороны микрофлюидной системы с обеспечением ее герметизации.
Из уровня техники известен способ получения фармацевтических композиций на основе полимерных наночастиц методом микрофлюидной технологии [RU 2637653C1, 10.08.2016]. Способ заключается в пропускании через проточный микрореактор, выполненный из боросиликатного стекла, водного раствора, содержащего поливиниловый спирт и раствор в ацетоне или ацетонитриле этопозида или никлозамида и биодеградируемого полимера в виде сополимера молочной и гликолевой кислот или его смесь с полиметилметакрилатом для медицинского применения Eudragit, при этом предварительно через проточный микрореактор из боросиликатного стекла пропускают водный раствор поливинилового спирта.
Из уровня техники известен микрофлюидный чип для получения частиц для доставки лекарств субъекту [WO 2007150030 A2, 27.12.2007]. Микрофлюидная система для получения органических частиц, содержащая, по меньшей мере, два канала, которые сходятся в смесительное устройство, в котором ширина или высота каждого канала составляет от 1 мкм до 1000 мкм, посредством чего поток текучей среды способен протекать через каждый канал и смесительное устройство, и при этом потоки из по меньшей мере двух каналов соединяются и поступают в смесительное устройство и благодаря чему смесительный аппарат позволяет получать органические частицы.
Из уровня техники известно устройство микромиксер (микросмеситель), содержащее, по меньшей мере, один входной канал для жидкости и, по меньшей мере, один выходной канал для жидкости; и множество путей между одним впускным каналом для жидкости и по одним выпускным каналом для жидкости, причем ширина некоторых из множества путей изменяется по существу по параболическому принципу вдоль, по меньшей мере, одного размера микромиксера [US 8414182 B2, 09.04. 2013].
Полезная модель является конструкций микрореактора, предназначенного для трехмерной печати обеспечивающего эффективное смешение малых объемов жидкостей, снижение расхода реагентов при химическом, биологическом синтезе или при использовании в аналитических методиках.
Полезная модель характеризуется тем, что микрореактор представляет собой цельный объект, выполняемый в едином производственном цикле с выполненным в нем каналом, имеющим на своей траектории две точки ввода [4], потенциальный канал стабилизации подаваемых потоков, перекресток смешения каналов с точкой смешения [2], канал смешения [6], реакционный канал в форме спирали [3], точку вывода продукта [1], полученного в результате смешения и протекания реакции между исходными реагентами и, необязательно, отверстия для крепления в ложементе (Фиг.1).
Полезная модель на данном этапе развития техники не может быть изготовлена из стекла или металла, либо изготовление такого объекта будет экономически нецелесообразно. При этом возможна экономически выгодная печать подобной модели из полимерных материалов. Кроме того полученные в результате печати объекты не требуют дополнительной обработки и могут использоваться непосредственно после печати.
Описанная полезная модель может быть получена методом послойного наплавления по технологиям FFF (fused filament fabrication) или FDM (fused deposition modeling). В качестве исходных материалов используются специальные филаменты, представляющие собой длинные нити, состоящие из, как правило, полимерного материала, имеющего необходимый для выполнения задачи состав.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в расширении арсенала микрореакторных устройств и способов их изготовления, в частности микрореакторов смешения, обеспечивающих эффективное смешивание жидкостей, без дополнительного оборудования, для интенсификации химического проточного синтеза, уменьшения расхода реагентов, снижения опасности химических и биологических производств ввиду минимизации рабочего объема реактора, в котором происходит смешение реагентов. Конструкция микрореактора по настоящей полезной модели, обеспечивает интенсификацию процесса смешивания растворов малого пути диффузии и в за счет создания специальных конструкций в канале смешения.
Заявленный микрореактор представляет собой закрытую герметичную систему каналов для смешивания и движения реакционной массы, с двумя входами и, как правило, одним выходом продуктов реакции. При этом возможно изготовление микрореактора с дополнительными точками ввода, либо отбора вещества в любой точке реакционного канала.
Технический результат достигается тем, что микрореактор по настоящему изобретению может быть выполнен из термопластичных полимерных материалов или металлов методом трехмерной печати или иным подобным методом. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является микрореактор, выполненный из полипропилена или циклоолефинов различных марок. Объем микрореактора, по настоящему изобретению, может составлять от 200 до 5000 мкл, при этом размер микрореактора может составлять: длина, мм: от 20 до 100; ширина, мм: от 20 до 100; высота, мм: от 28 до 250.
Описанный микрореактор, может содержать каналы стабилизации подаваемых потоков. Каналы стабилизации могут иметь различную геометрию канала, различное количество изгибов и различную длину. Эти каналы добавляются в топологию микрореактора в тех случаях, когда необходимо перед смешиванием реагентов дополнительно стабилизовать состояние потоков, их температуру, а также сгладить неравномерность подачи. Параметры каналов подбираются опытным путем в зависимости от поставленных перед микрореактором задач. Это повышает эффективность смешивания двух подаваемых потоков в канале смешения.
Ключевыми зонами конструкции полезной модели, обеспечивающими выполнение микрореактором своих функций, являются точка и канал смешивания и реакционный канал. Точка смешивания - это зона микрореактора, в которой происходит соединение двух или более каналов (в которые подаются потоки смешиваемых жидкостей или газов). Канал, в котором выполнены специальные конструкции, интенсифицирующие смешение компонентов, называется каналом смешивания (Фиг.1, номер 6). Канал, следующий после канала смешения, условно называется реакционным каналом (Фиг.1, номер 3), так как в этой зоне микрореактора проходит и заканчивается необходимое преобразование исходных компонентов.
Перекресток смешения каналов в микрореакторе - это место, где два или более канала устройства встречаются и переходят в один, по настоящему изобретению, может быть выполнен в виде Т-образного, U-образного или стреловидного перекрестков. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является перекресток смешения, выполненный в U-образном или стреловидном виде (Фиг.3, номер 2).
Канал смешения по настоящему изобретению, может быть выполнен в форме змеевидного канала, прямого плоского канала модифицированной поверхностью, зигзагообразного канала или канала, содержащего конструкции, вызывающие завихрения потока. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является канал смешения, выполненный в форме прямого канала (Фиг.3, номер 6).
Реакционный канал по настоящему изобретению выполнен в форме цилиндрической спирали, при этом от него могут быть выведены дополнительные точки ввода или вывода компонентов.
2
2
Поперечное сечение канала в микрореакторе, по настоящему изобретению, может быть выполнено в форме квадратного сечения, овального сечения, круглого, полукруглого сечения или иной формы. Предпочтительным вариантом, по настоящему изобретению, является сечение круглой формы. Диаметр круглого сечения канала может находиться в диапазоне от 0,2 мм до 2 мм. При этом канал имеет площадь поперечного сечения от 0,13 мм до 3,2 мм, а его протяженность может составлять от 100 до 1100 мм. При этом площадь поперечного сечения канала по всей длине микрореактора одинакова.
При изготовлении описанной полезной модели из полимерных материалов не требуется дополнительное покрытие канала гидрофобным или иным покрытием для уменьшения гидравлического сопротивления, так как исходные материалы обеспечивают данные свойства. Кроме того в результате печати поверхность канала микрореактора не является абсолютно гладкой, а имеет характерную структуру, которая оказывает дополнительное влияние на потоки жидкости внутри микрореактора.
При изготовлении описанной полезной модели из полимерных материалов реакционный канал может быть покрыт дополнительным слоем материалов, необходимых для нахождения в реакционной массе в твердом агрегатном состоянии, например, таким материалом может быть твердое вещество, обладающее свойствами катализатора.
При изготовлении описанной полезной модели в реакционный канал или рядом с ним могут быть установлены электроды, ультразвуковые и иные излучатели и иные вспомогательные элементы в зависимости от задач, предъявляемых к микрореактору.
Скорость подачи жидкостей в заявленный микрореактор подбирается опытным путем и зависит от таких параметров, как плотность жидкостей, объем шприцевого насоса и природа смешиваемых компонентов. При этом следует учитывать максимальные рабочие значения установки. Максимальное рабочее значение для полученных микрореакторов согласно полезной модели составляет от 20 бар до 50 бар в зависимости от конкретной конструкции.
Заявленный микрореактор может быть установлен в специальное крепление, которое обеспечит подвод веществ в него и вывод продуктов реакции. Крепление для микрореактора может быть выполнено из различных материалов, важно, чтобы оно обеспечивало герметичное соединение капилляров (внешний диаметр - 1,6 мм, внутренний диаметр - 0,5 мм) с точками ввода и вывода компонентов из микрореактора. Соединение микрорактора с капиллярами необходимо для введения реакционных сред в микрореактор с помощью насосов в определенном, точном соотношении.
Заявитель обращает внимание на то, что термины «микрофлюидный чип», «микрореактор», «микросмеситель», «микромиксер» в рамках настоящей заявки взаимозаменяемые понятия.
Настоящее изобретение проиллюстрировано прилагаемыми изображениями:
Краткое описание изображения:
1 - Точка вывода продукта;
2 - Место смешения потоков;
3 - Реакционный спиральный канал, расположенный в объеме реактора;
4 - Точки ввода реагентов;
5 - Тело микрореактора;
6 - Зона смешения потоков, которая может быть модифицирована для конкретных задач.