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'''Mikromischer''' sind Bauteile der [[Mikrofluidik]]. Sie werden in der Verfahrenstechnik zum Vermischen von [[Fluid]]en genutzt. Solche Mischer finden Anwendung in der [[Pharmazeutische Technologie|pharmazeutischen]], [[Chemische Technologie|chemischen]], [[Biotechnologie|biotechnologischen]] und [[Analytische Chemie|analytischen]] Technik in Prozessen, die besonders schnelle und präzise Vermischungen erfordern. Typischerweise sind die charakteristischen Kanalgrößen der Mikromischer im Bereich weniger Mikrometer bis wenigen Millimetern.<ref>{{Literatur |Autor=Nam-Trung Nguyen |Titel=Chapter 1 - Introduction |Sammelwerk=Micromixers (Second Edition) |Verlag=William Andrew Publishing |Ort=Oxford |Datum=2012-01-01 |Reihe=Micro and Nano Technologies |ISBN=978-1-4377-3520-8 |DOI=10.1016/b978-1-4377-3520-8.00001-2 |Seiten=1–8 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781437735208000012 |Abruf=2025-08-22}}</ref>

Sie können unter 1 mL/h bis 10.000 L/h betrieben werden, wobei die Mischprinzipien in den Großmaßstab durch [[Scale-up|Scale-Up]] oder Numbering-Up übersetzt werden können. Aus diesem Grund eignen sich Mikromischer nicht nur für die Entwicklung und Analytik, sondern auch für die chemische oder biotechnologische Produktion.<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Volker Hessel, Holger Löwe, Friedhelm Schönfeld |Titel=Micromixers—a review on passive and active mixing principles |Sammelwerk=Chemical Engineering Science |Band=60 |Nummer=8 |Datum=2005-04-01 |Reihe=5th International Symposium on Mixing in Industrial Processes (ISMIP5) |ISSN=0009-2509 |DOI=10.1016/j.ces.2004.11.033 |Seiten=2479–2501 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250904009364 |Abruf=2025-08-22}}</ref><ref>{{Literatur |Titel=Handbuch Chemische Reaktoren |Sammelwerk=Springer Reference Naturwissenschaften |Datum=2020 |ISSN=2522-8161 |DOI=10.1007/978-3-662-56434-9 |Online=https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-662-56434-9 |Abruf=2025-08-22}}</ref>
[[Datei:Mikromischer.JPG|mini|Mikromischerstruktur eines Zyklonmischers]]
== Anwendung ==
Mikromischer können kleinste Mengen an Substanzen mischen und werden in der pharmazeutischen und chemischen Industrie verwendet. Aus strömungstechnischen Besonderheiten im Bereich der [[Gewichtskraft]] und der [[Reibung|inneren Reibung]] verhalten sich mikrofluidische anders als makrofluidische Prozesse, so dass andere Effekte z. B. bei der Nanopartikelherstellung, erzielt werden können. Der größte Unterschied hierbei ist, dass deutlich größere Oberflächen zu Volumen Verhältnis als bei [[Rührkessel|makroskopischen Mischern]], wodurch Reibungskräfte gegenüber den Trägheitskräften dominieren. Beim Durchströmen entsteht dadurch eine [[laminare Strömung]] ohne nennenswerte [[Turbulente Strömung|Turbulenzen]] und demzufolge kleine [[Reynoldszahl]]en<ref name=":0" />. Dadurch erfolgt das Mischen von Fluiden hauptsächlich durch [[Diffusion]], was eine genaue Kontrolle des Mischprozesses auf molekularer Ebene ermöglicht. Die kleinen Maßstäbe der Mischkanäle führen zusätzlich zu sehr geringen Mischzeiten von bis zu wenigen Millisekunden.<ref>{{Literatur |Autor=L. Falk, J. -M. Commenge |Titel=Performance comparison of micromixers |Sammelwerk=Chemical Engineering Science |Band=65 |Nummer=1 |Datum=2010-01-01 |Reihe=20th International Symposium in Chemical Reaction Engineering—Green Chemical Reaction Engineering for a Sustainable Future |ISSN=0009-2509 |DOI=10.1016/j.ces.2009.05.045 |Seiten=405–411 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250909003819 |Abruf=2025-08-22}}</ref>

Ein sehr aktuelles Anwendungsfeld mikrofluidischer Mischer liegt in der Herstellung von [[Nanopartikel]]n für die [[Nanomedizin]], insbesondere bei der Verkapselung von Wirkstoffen in Nanopartikel wie z. B. [[Lipidnanopartikel]] (LNPs), [[Liposom]]en oder [[Polymersom|polymere Nanopartikel]]. Mikromischer ermöglichen dabei durch die Kontrolle der Mischzeit definierte Größen, enge Größenverteilung und hohe Verkapselungseffizienzen<ref>{{Literatur |Autor=Daixin Chen, Zhikai Liu, Letao Guo, Lixia Yang, Yuchao Zhao, Mei Yang |Titel=Controlled preparation of lipid nanoparticles in microreactors: Mixing time, morphology and mRNA delivery |Sammelwerk=Chemical Engineering Journal |Band=505 |Datum=2025-02-01 |ISSN=1385-8947 |DOI=10.1016/j.cej.2025.159318 |Seiten=159318 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894725001172 |Abruf=2025-08-22}}</ref>. Dies ist entscheidend für die effektive Freisetzung des Arzneimittels. Ein prominentes Beispiel hierfür ist der COVID-19-Impfstoff [[Tozinameran|Comirnaty]]® von [[Biontech|BioNTech]]/[[Pfizer]], der durch kontinuierliches Mischen der [[mRNA]] mit [[Lipide]]n in einem T-Mischer hergestellt wurde.

== Mischertypen ==
Es gibt zwei Arten von Mikromischern: passive und aktive. '''Aktive Mischer''' verwenden eine externe Energiequelle, entweder elektrisch oder magnetisch, um die Fluide zu mischen. Antriebsfelder für aktive Mischer können beispielsweise ein Ultraschallfeld, ein magnetisches Feld, oder ein elektrisches Feld sein<ref name=":1">{{Literatur |Autor=Nam-Trung Nguyen |Titel=Fundamentals and Applications of Microfluidics, Third Edition |Auflage=1st ed |Verlag=Artech House |Ort=Norwood, MA |Datum=2019 |ISBN=978-1-63081-365-9 |Abruf=2025-08-25}}</ref>. Beispiele für aktive Mikromischer sind:

* '''Coriolis Mikroreaktor'''

Auf einer sich drehenden Scheibe werden die zu mischenden Fluide durch Mikrokanäle gepumpt. Der hierbei auftretende [[Corioliskraft|Corioliseffekt]] bewirkt eine Vermischung.

* '''Akustische Mischer'''

Ein [[Ferroelektrischer Lautsprecher|piezoelektrischer Oszillator]] überträgt eine hochfrequente Schwingung auf Bläschen, die in Kavitäten immobilisiert sind. Durch [[akustische Oberflächenwelle]]n wird eine Mikro-Strömung („acoustic streaming“) im flüssigen Medium induziert, welche den Mischprozess antreibt. Für eine maximale Mischleistung werden die Gasbläschen bei ihrer eigenen [[Resonanzfrequenz]] zur Schwingung angeregt.<ref name="Mariia_16332530LED" />

'''Passive Mischer''' haben keine eigene Energiequelle und nutzen Druckdifferenzen, um den Fluss des Fluids zu steuern. Sie mischen die Fluide durch Reduktion des Abstandes im Kontakt befindlichen Medien und dadurch Beschleunigung der Diffusion<ref name=":1" /><ref name=":0" />. Die passiven Mischer kann man in folgende Mischertypen unterscheiden:
* '''[[Laminationsmischer]]'''
[[Laminationsmischer]] sind passive Mikromischer, in denen zwei oder mehrere Flüssigkeitsströme zusammengeführt werden, sodass parallele Flüssigkeitsschichten entstehen. Unterschieden wird dabei in Y-Mischer, Multilaminationsmischer und Split- and Recombine-Mischer. Die einfachste Bauweise eines Laminationsmischers ist ein Y-Mischer oder T-Mischer mit nur einem Laminationsschritt, bei dem in einem einzigen Laminationsschritt zwei Ströme nebeneinander in einen Kanal geführt werden.<ref name=":2">{{Literatur |Autor=Volker Hessel, Holger Löwe, Friedhelm Schönfeld |Titel=Micromixers—a review on passive and active mixing principles |Sammelwerk=Chemical Engineering Science |Band=60 |Nummer=8 |Datum=2005-04-01 |Reihe=5th International Symposium on Mixing in Industrial Processes (ISMIP5) |ISSN=0009-2509 |DOI=10.1016/j.ces.2004.11.033 |Seiten=2479–2501 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250904009364 |Abruf=2025-08-25}}</ref>

Multilaminationsmischer erzeugen ein alternierendes, interdigitales Zuführungsarray, indem die Flüssigkeitsströme in einem Schritt in mehrere dünne Schichten aufgeteilt und wieder in einem Kanal zusammengeführt werden. Diese Mischer sind aufgrund der mikrostrukturierten Kanäle empfindlich gegenüber Partikeln und Verunreinigungen.<ref>
{{Patent
| Land = DE
| V-Nr = 19927554A1
| Titel = Mikromischer
| A-Datum = 1999-06-16
| V-Datum = 2000-12-28
| Anmelder = Institut für Mikrotechnik Mainz GmbH
| Erfinder = Wolfgang Ehrfeld, Frank Michel, Astrid Lohf, Volker Graeff
}}
</ref> Durch geeignete, benachbarte Anordnung der Auslässe wird eine effektive Vermischung erzielt.

Split-and-Recombine-Mischer(SAR-Mischer) funktionieren durch das wiederholte Aufteilen und Zusammenführen der Flüssigkeitsströme. Da sie aus einem strukturierten Einzelkanal bestehen, können diese Mischer auch erfolgreich eingesetzt werden, wenn während der Reaktion Ausfällungen auftreten oder feine Schlämme bzw. [[Suspension (Chemie)|Suspensionen]] verarbeitet werden sollen. Diese Mischer gibt es in verschiedenen Ausführungen, beispielsweise als Raupen-Mischer (Caterpillar-Mixer)<ref name=":3">{{Literatur |Autor=Christina Wenck, Nils Meier, Eilien Heinrich, Verena Grützner, Frank Wiekhorst, Regina Bleul |Titel=Design and characterisation of casein coated and drug loaded magnetic nanoparticles for theranostic applications |Sammelwerk=RSC Advances |Band=14 |Nummer=36 |Datum=2024-08-16 |ISSN=2046-2069 |DOI=10.1039/D4RA02626H |PMC=11334153 |PMID=39165790 |Seiten=26388–26399 |Online=https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2024/ra/d4ra02626h |Abruf=2025-08-25}}</ref> oder als Mikromischer mit doppelschichtigen Y-förmigen Mischeinheiten<ref>{{Literatur |Autor=Guojun Liu, Meng Wang, Luntao Dong, Duanyi Zhu, Conghui Wang, Yanhui Jia, Xinbo Li, Jibo Wang |Titel=A novel design for split-and-recombine micromixer with double-layer Y-shaped mixing units |Sammelwerk=Sensors and Actuators A: Physical |Band=341 |Datum=2022-07-01 |ISSN=0924-4247 |DOI=10.1016/j.sna.2022.113569 |Seiten=113569 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424722002072 |Abruf=2025-08-25}}</ref>.

Das Prinzip der [[Laminationsmischer]] basiert auf der Aufteilung der Ströme in mehrere dünne Schichten („Laminae“), wodurch die Kontaktfläche zwischen den Fluiden stark vergrößert und die [[Diffusion]]sstrecke vermindert wird. Wenn man bei jedem Schritt einen Strom in Teilströme aufteilt, ergeben sich nach <math>x</math> Schritten <math>x^n</math> Schichten mit einer Schichtdicke von <math>\frac{1}{x^n}</math> der ursprünglichen Dicke des Stroms. Die charakteristische Struktur kann dabei in zweidimensionaler Geometrie (z. B. Y-Mischer) oder dreidimensionaler Geometrie (z. B. Caterpillar-Mischer<ref name=":3" />) stattfinden. Laminationsmischer werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen schnelles und kontrolliertes Mischen bei niedrigen [[Volumenstrom|Durchflussraten]] erforderlich ist<ref name=":2" />.

* '''lnjektionsmischer'''

Injektionsmischer mischen zwei [[Fluid]]e durch das gezielte Einspeisen eines Fluidstroms in den eines anderen, um dadurch Strömungsstörungen (z. B. Wirbel) und [[Scherkraft|Scherkräfte]] zu initiieren, die zur Vermischung beider Fluide führen. Dabei wird meist ein Sekundärfluid über seitliche oder zentrale Injektionskanäle in einen Hauptkanal eingeleitet. Die entstehenden lokalen Turbulenzen oder Strömungswirbel fördern die Durchmischung auch bei ansonsten [[Laminare Strömung|laminarer]] Gesamtströmung. Zusätzlich werden durch ein hydrodynamisches Fokussieren die Strömungsschicht zusammengedrückt, wodurch die Diffusionswege kürzer werden.<ref>{{Literatur |Autor=James B. Knight, Ashvin Vishwanath, James P. Brody, Robert H. Austin |Titel=Hydrodynamic Focusing on a Silicon Chip: Mixing Nanoliters in Microseconds |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=80 |Nummer=17 |Datum=1998-04-27 |DOI=10.1103/PhysRevLett.80.3863 |Seiten=3863–3866 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.80.3863 |Abruf=2025-09-17}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Guilhem Velvé Casquillas, Timothée Houssin |Titel=Microfluidic mixers : a short review |Sammelwerk=Elveflow |Datum=2019-07-09 |Online=https://elveflow.com/microfluidic-reviews/microfluidic-mixers-a-short-review/ |Abruf=2025-09-17}}</ref>

* '''Interdigital-Mikromischer'''

Der Interdigital-Mikromischer kombiniert ein durch Mehrfachlaminierung erzeugtes regelmäßiges Strömungsmuster mit einer geometrischen Fokussierung, die das Mischen von Flüssigkeiten beschleunigt. Aufgrund dieser zweistufigen Vermischung eignen sich die Interdigitalmischer für eine Vielzahl von Prozessen wie Mischen, Emulgieren, sowie einphasige und mehrphasige organische Synthesen.<ref>{{Literatur |Autor=Volker Hessel, Holger Löwe, Friedhelm Schönfeld |Titel=Micromixers—a review on passive and active mixing principles |Sammelwerk=Chemical Engineering Science |Band=60 |Nummer=8 |Datum=2005-04-01 |Reihe=5th International Symposium on Mixing in Industrial Processes (ISMIP5) |ISSN=0009-2509 |DOI=10.1016/j.ces.2004.11.033 |Seiten=2479–2501 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250904009364 |Abruf=2025-09-17}}</ref>

* '''Chaotische Mikromischer'''

Chaotische Mikromischer nutzen gezielt erzeugte sekundäre Strömungen, um Fluide auf mikroskopischer Ebene effizient zu durchmischen. Ein häufig genutzter Mischer ist dabei der ''Staggered Herringbone Mischer'' (SHM), bei dem gezackte Rillen (herringbone = Fischgrätenmuster) auf dem Boden eines Mikrokanals asymmetrisch angeordnet sind. Diese Struktur erzeugt transversale Wirbel und chaotische Advektion, wodurch sich Fluidelemente ständig neu anordnen, ohne dass dafür Turbulenz nötig ist. Der SHM erlaubt somit eine schnelle, diffusionsunterstützte Durchmischung auch bei sehr niedriger Reynolds-Zahl und geringem Druckverlust. Solche Mischer kombinieren strukturelle Einfachheit mit hoher Mischleistung und werden häufig in Lab-on-a-Chip-Anwendungen eingesetzt.<ref>{{Literatur |Autor=Suet Ping Kee, Asterios Gavriilidis |Titel=Design and characterisation of the staggered herringbone mixer |Sammelwerk=Chemical Engineering Journal |Band=142 |Nummer=1 |Datum=2008-08-01 |ISSN=1385-8947 |DOI=10.1016/j.cej.2008.02.001 |Seiten=109–121 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894708001009 |Abruf=2025-09-17}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Volker Hessel, Holger Löwe, Friedhelm Schönfeld |Titel=Micromixers—a review on passive and active mixing principles |Sammelwerk=Chemical Engineering Science |Band=60 |Nummer=8 |Datum=2005-04-01 |Reihe=5th International Symposium on Mixing in Industrial Processes (ISMIP5) |ISSN=0009-2509 |DOI=10.1016/j.ces.2004.11.033 |Seiten=2479–2501 |Online=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009250904009364 |Abruf=2025-09-17}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=J. Aubin, D.f. Fletcher, J. Bertrand, C. Xuereb |Titel=Characterization of the Mixing Quality in Micromixers |Sammelwerk=Chemical Engineering & Technology |Band=26 |Nummer=12 |Datum=2003 |ISSN=1521-4125 |DOI=10.1002/ceat.200301848 |Seiten=1262–1270 |Online=https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ceat.200301848 |Abruf=2025-09-17}}</ref>
* '''Zyklonmischer'''
Durch einen tangentialen Eintritt in den Mischraum werden die zu mischenden Fluide in Rotation versetzt. Durch [[Strömungslehre|strömungsmechanische]] Vorgänge kommt es zur Vermischung.<ref>HARDT, S. et al. Radial and tangential injection of liquid/liquid and gas/liquid streams and focusing thereof in a special cyclone mixer. In: ''Proc. 6th Int. Conf. on Microreaction Technology''. 2002. S. 329–44.</ref>

== Fertigungstechniken ==
[[LIGA (Fertigungsverfahren)|Lithografietechniken]] sind für die Herstellung von Mikromischern von grundlegender Bedeutung. Bei der Fotolithografie werden Masken und UV-Licht verwendet, um Fotolacke zu strukturieren, wodurch hochauflösende, komplexe Designs ermöglicht werden, gefolgt von Ätz- oder Abscheidungsverfahren ([[LIGA (Fertigungsverfahren)|LIGA: steht für die Verfahrensschritte: ''Lithographie, Galvanik und Abformung'']]). Die [[Ätzen|Ätztechniken]] (nass oder trocken) werden benötigt, um die Mikrokanäle selbst auf Grundlage der Lithografie-Maske herzustellen. Beim Nassätzen werden chemische Lösungen zum Abtragen des Materials verwendet, während beim Trockenätzen Plasma oder reaktive Gase für ein kontrolliertes Ätzen eingesetzt werden.

Weitere Herstellungsverfahren sind die Mikrobearbeitung ([[CNC-Maschine|CNC]] oder [[Laserschneiden|Laser]]) für den präzisen Materialabtrag, der [[3D-Druck]] ([[Stereolithografie]], selektives [[Selektives Lasersintern|Lasersintern]], [[Fused Deposition Modeling|Schmelzschichtverfahren]]) für den schichtweisen Aufbau komplexer Geometrien und Verbindungstechniken (thermisch, anodisch, adhäsiv, PDMS) zum Verbinden von Mikrokanalsubstraten. Häufig wird eine Kombination verschiedener Techniken verwendet, um einen einzelnen Mikromischer herzustellen.

Die Wahl der geeigneten Fertigungstechnik hängt von mehreren Faktoren ab, darunter:
* die für den Mikromischer verwendeten Materialien (z. B. Silizium, Glas, Polymere, Metalle)
* die Komplexität des Mikrokanaldesigns
* die erforderlichen Strukturgrößen und Toleranzen
* die Kosten für den Herstellungsprozess.

== Weblinks ==
* [https://www.imtek.de/data/dokumente/imagebroschuere/view?searchterm=mikromischer Konstruktion von Mikrosystemen, Institut für Mikrosystemtechnik - IMTEK, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg]
* [https://www.imm.fraunhofer.de/de/expertise_technologien/mikrofluidik.html Mikrofluidik am Fraunhofer-Institut für Mikrotechnik und Mikrosysteme IMM]
* [https://www.tci.uni-hannover.de/mikrofluidik.html Mikrofluidik an der Uni Hannover]

== Einzelnachweise ==
<references>
<ref name="Mariia_16332530LED">Zahra Ghorbani Kharaji, Morteza Bayareh, Vali Kalantar: ''A review on acoustic field-driven micromixers.'' International Journal of Chemical Reactor Engineering, Bd. 19, Nr. 6, 2021, S. 553–569, [[doi:10.1515/ijcre-2020-0188]].</ref>
</references>

[[Kategorie:Mikrotechnik]]

Mikromischer - Versionsgeschichte

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