Deterministisch-hydrodynamische Größen-, Form- und Dichtefraktionierung polydisperser Feinstpartikelsysteme

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr.-Ing. Jeanette Hussong; Professor Dr.-Ing. Harald Kruggel-Emden
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382080385

Der Bedarf, Feinstpartikelsysteme (Partikel <10 Mikrometer) in industriell relevanten Durchsatzraten nach multiplen Merkmalen zu fraktionieren, ist in den letzten Jahren gestiegen. Wo klassische Ansätze wie Sieben, Filtern, Sedimentieren, Zentrifugieren und Sichten an ihre Grenze stoßen, können in mikrofluidischen Separatoren unter laminaren Strömungsbedingungen hohe hydrodynamische Kräfte auf Mikro- und Submikropartikel ausgeübt werden. Besonders passive mikrofluidische Trennverfahren können sehr kompakt gestaltet und parallelisiert werden, um Durchsatzraten zu steigern.Die erfolgreichsten mikrofluidischen Verfahren zur Größenfraktionierung von Mikropartikeln sind die Multi Orifice Fluid Fraktionierung (MOFF), die Fraktionierung in mikrofluidischen Serpentinenkanälen sowie das Prinzip der Deterministic Lateral Displacement Fraktionierung (DLDF). Diese wurden in Förderperiode 1 erfolgreich zur Größen und Dichtefraktionierung von Modellpartikeln eingesetzt und eigenen sich auch zur mehrdimensionalen Trennung. Dennoch besteht für die Trennung von Realpartikeln nach multiplen Merkmalen wie Größe, Dichte und Form für die genannten Verfahren noch ein lückenhaftes Verständnis, welches durch komplementäre numerisch-experimentelle Untersuchungen in Förderperiode 2 verbessert werden soll. Ein zentrales Ziel im geplanten Projektvorhaben ist es durch eine Kombination gezielter Modellpartikel- und Realpartikelversuche erstmals auch die mehrdimensionale Trennung von Partikeln kleiner 1µm zu realisieren. Hierfür werden bestehende Kanalgeometriehen um eine Teilstromabführung erweitert. So werden einerseits nachgeschaltete Analysen der Partikelfraktionen möglich, andererseits können so in Kooperation mit anderen Teilprojekten mehrstufige Fraktionierungsverfahren nach weiteren Merkmalen getestet werden.Die in der ersten Förderperiode erfolgreich etablierten numerischen und experimentellen Methoden ermöglichen es, komplexe Bewegungsdynamiken von Mikropartikeln zeitlich und räumlich aufgelöst zu untersuchen. Die Komplexität der Trennverfahren und die experimentellen Einschränkungen auf wenige Kanalgeometrien erfordert dabei auch in der zweiten Förderperiode eine enge Kooperation zwischen Simulation und Experiment, um durch numerische Sensitivitätsstudien die dominierenden Trennmechanismen isoliert betrachten zu können und eine gezielte Versuchsauslegung und Ergebnisauswertungen zu gewährleisten. Für die Untersuchung der Dynamik von Partikeln kleiner 1µm mit brownscher Molekularbewegung bei der Fraktionierung sind im Hinblick auf die erste Förderperiode nur moderate Erweiterungen der Numerik und Versuchstechnik erforderlich. Um eine Erhöhung der Durchsatzraten im Hinblick auf eine spätere industrielle Nutzung zu realisieren und den Partikelinteraktionseinfluss auf Trenngrad und Selektivität zu quantifizieren, finden im Projekt insbesondere höhere Partikelkonzentrationen Betrachtung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2045: Hochspezifische mehrdimensionale Fraktionierung von technischen Feinstpartikelsystemen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Han Gardeniers