Adsorptionsprozesse in Mikrokanälen: Mechanismen, Modelle, Parameter

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Adsorptionsprozesse in Mikrokanälen sind von grundlegender Bedeutung für die Lab-on-Microchip-Technologie, insbesondere bei der Entwicklung von Sensoren und Trennprozessen, aber auch im Falle unerwünschter Adsorption zu transportierender Substanzen. Sie bieten zugleich ein hervorragendes Experimentierfeld für das Studium komplexer technischer Adsorptionsprozesse durch die Untersuchung physikalisch/chemischer Grundphänomene mit gezielt entworfenen Experimenten. Da Adsorptionsvorgänge zu den für Mikrosysteme stets dominanten Grenzflächenphänomenen gehören, lassen sie sich nicht entkoppelt vom Einfluss der Mikrofluidik, Diffusion oder Elektrokinetik beobachten. Die Auswertung entsprechender Experimente erfordert daher zwingend den Einsatz simulativer Methoden. In diesem Projekt sollen in enger Kopplung an das Experiment mathematische Modelle für Adsorptionsprozesse in Mikrokanälen entwickelt und validiert werden.Dazu werden Modellsysteme herangezogen, die unter möglichst einfachen Strömungsverhältnissen verschiedene Adsorptionsphänomene und möglichst große Zeitskalenbereiche bei gleichzeitig guter raum-zeitlicher Messbarkeit (z.B. durch Fluoreszenz) abdecken können. Aus simulationstechnischer Sicht werden die Methoden der Modellselektion, der Parameterschätzung und der Versuchsplanung eingesetzt, um Experimente zu konzipieren, die eine Unterscheidung möglicher physikalisch/chemischer Mechanismen und eine möglichst genaue Bestimmung einzelner Parameter erlauben. Dafür sind parallele Simulationen auf einem Höchstleistungs-Rechnercluster erforderlich. Die Modelle sollen unter anderem dazu verwendet werden, den für die Chromatographie zentralen Prozess der Adsorption und Desorption zweier um Bindungsstellen konkurrierender Stoffe besser zu verstehen und modellgestützt zu optimieren.