Modellierung und Simulation asymmetrischer Fluss-Feldfluss-Fraktionierung

Die asymmetrische Fluss-Feldfluss-Fraktionierung (AFFFF) und die elektrische Feldfluss-Fraktionierung (EFFF) sind einfache und robuste Methoden zur Separierung von Nano- und Mikropartikeln in Lösungen und Dispersionen. AFFFF ist eine ausgereifte und häufig von der pharmazeutischen Industrie und an Hochschulen eingesetzte Technologie. Sie macht sich die Interaktion von Diffusion und Strömungsfeld auf Partikeln mit unterschiedlichen Radien zunutze.

 

Schematische Darstellung der AFFFF

In der oberen Abbildung ist eine schematische Darstellung der AFFFF zu sehen: Die Partikel werden separiert wegen der Interaktion von parabolischer Strömung nach rechts und vertikaler Querströmung mit unterschiedlicher Diffusion.

  1. Anfangstadium: Die Partikel sind gemischt (Verteilungsfunktionen liegen aufeinander).
  2. Mit der Zeit verschieben sich die Verteilungsfunktionen, da die kleineren Partikel (höhere Diffusion) schneller nach rechts transportiert werden.
  3. Das Ziel ist erreicht, wenn beide Typen von Partikeln getrennt sind.

Die Konzeption des Trennsystems beruht auf einer sorgfältigen analytischen Studie der Strömungsverhältnisse und der Trennung in einem Mikrokanal. Eine weitere Verbesserung der Leistung dieser Geräte ist mithilfe mathematischer Modelle und Computersimulationen möglich.

Skizze der Vorrichtung und des Trennungsvorgangs
© Foto Wyatt Technology

Eine Skizze der Vorrichtung und des Trennungsvorgangs.

Simulierter Bereich mit Darstellung der Patchlines
© Foto Wyatt Technology

Simulierter Bereich mit Darstellung der Patchlines in einer der Simulationen.

Dreidimensionale Strömungssimulationen

Dreidimensionale Strömungssimulationen liefern eine detaillierte Ansicht der Strömungen und der Partikelbewegung im Inneren des Spacers. Im Vergleich zu analytischen Verfahren liefern Strömungssimulationen (CFD, Computational Fluid Dynamics) bei komplexen Geometrien detailliertere Informationen. Diese Informationen ergänzen den analytischen Ansatz bei der Optimierung der Strömungsverhältnisse und helfen bei der weiteren Entwicklung des Geräts.

Insbesondere erlauben es Simulationen mit verschiedenen Größen und Anordnungen des Injektionsrohrs und mit verschiedener Anzahl bzw. Größe der Auslässe, die Wirkung dieser Parameter auf die wichtigsten Komponenten des Prozesses zu untersuchen.

Zu diesen Komponenten zählen:

  • Größe und Form des Fokussierungsbereichs
  • Symmetrie und Trennung von Maximalwerten in dem Fraktogramm.

In diesem Fall ermöglichen die CFD-Simulationen die Untersuchung der Position der Fokussierungszone bei allen praktikablen Verhältnissen der Durchsatzraten und den verschiedenen Formen und Größen des Spacers. Größe und Form der Fokussierungszone beeinflussen wesentlich die Trennung der Partikel in der Elutionsphase. Ihre Untersuchung ist daher für die weitere konstruktive Verbesserung der Fraktionierungseinrichtung von besonderer Bedeutung.

 

Optimierung der Dichte der Probe in dem Fokussierungsbereich

Die Kombination der Simulation mit optimalen Flusssteuerungsalgorithmen macht es möglich, die Dichte der Probe in dem Fokussierungsbereich zu optimieren. Dies ist sehr wichtig für die Hohlfaser-FFF, bei welcher der kleine Fokussierungsbereich zu hohen Konzentrationen der Probe führen kann (ungewünschte Agglomeration von Partikeln bzw. Molekülen).

Die EFFF-Technologie ist hilfreich für die Separation von Partikeln gleicher Größe mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Eine Kombination von EFFF und AFFFF erlaubt die Separierung eines breiteren Spektrums von Partikeln und somit die Reduzierung der notwendigen Anlagen. CFD-Simulationen ermöglichen die Bewertung und Vorauswahl verschiedener neuer Konstruktionsvarianten, ohne dass hierzu teure Prototypen gebaut werden müssen.