En muchos procesos industriales, como en los biorreactores que producen combustibles o productos farmacéuticos, la espuma puede interponerse. Las burbujas espumosas pueden ocupar mucho espacio, lo que limita el volumen disponible para fabricar el producto y, a veces, engoma las tuberías y válvulas oDaña las células vivas.Las empresas gastan aproximadamente $ 3 mil millones al año en aditivos químicos llamados antiespumantes, pero estos pueden afectar la pureza del producto y pueden requerir pasos de procesamiento adicionales para su eliminación.
Ahora, los investigadores del MIT han creado un sistema simple, económico y completamente pasivo para reducir o eliminar la acumulación de espuma, utilizando láminas de malla especialmente texturizada que atraen burbujas que hacen que las burbujas colapsen tan rápido como se forman. El nuevo procesose describe en la revista Interfaces de materiales avanzados , en un artículo del recién graduado Leonid Rapoport PhD '18, el estudiante visitante Theo Emmerich y el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.
El nuevo sistema utiliza superficies que los investigadores llaman "aerófilas", que atraen y arrojan burbujas de aire o gas de la misma manera que las superficies hidrófilas que atraen agua hacen que las gotas de agua se adhieran a una superficie, se extiendan ycaer, explica Varanasi.
"Las espumas están en todas partes" en los procesos industriales, dice, incluida la elaboración de cerveza, la fabricación de papel, la producción y el procesamiento de petróleo y gas, la generación de biocombustibles, la producción de champús y cosméticos y el procesamiento químico.
Además, "es uno de los principales desafíos en el cultivo celular o en los biorreactores", agrega. Para promover el crecimiento celular, normalmente se difunden varios gases a través del agua u otro medio líquido. Pero esto puede provocar la acumulación de espuma,y a medida que las pequeñas burbujas estallan, pueden producir fuerzas de corte que pueden dañar o matar las células, por lo que controlar la espuma es esencial.
La forma habitual de lidiar con el problema de la espuma es agregando productos químicos como glicoles o alcoholes, que normalmente deben filtrarse nuevamente. Pero eso agrega costos y pasos de procesamiento adicionales, y puede afectar la química del producto., el equipo preguntó: "¿Cómo puede deshacerse de las espumas sin tener que agregar productos químicos? Ese fue nuestro desafío", dice Varanasi.
Para abordar el problema, crearon videos de alta velocidad con el fin de estudiar cómo reaccionan las burbujas cuando golpean una superficie. Descubrieron que las burbujas tienden a rebotar como una pelota de goma, rebotando varias veces antes de quedarse en su lugar, solocomo hacen las gotas de líquido cuando golpean una superficie, solo al revés las burbujas están subiendo, por lo que rebotan hacia abajo.
"Para capturar efectivamente la burbuja impactante, tuvimos que entender cómo se drena la película líquida que la separa de la superficie", dice Rapoport. "Y tuvimos que comenzar desde el punto de partida porque ni siquiera había una métrica establecida paramedir qué tan buena es una superficie para capturar burbujas impactantes. Al final, pudimos comprender la física detrás de lo que hace que una burbuja rebote, y esa comprensión impulsó el proceso de diseño ".
El equipo ideó un dispositivo plano que tiene un conjunto de texturas de superficie cuidadosamente diseñadas en una variedad de escalas de tamaño. La superficie se ajustó para que las burbujas se adhieran de inmediato sin rebotar, y se extiendan y disipen rápidamente para dar paso ala siguiente burbuja en lugar de acumularse como espuma.
"La clave para capturar rápidamente las burbujas y controlar la espuma resultó ser un sistema de tres capas con características de tamaños progresivamente más finos", dice Emmerich. Estas características ayudan a atrapar una capa muy delgada de aire a lo largo de la superficie de un material.Esta superficie, conocida como plastrón, tiene similitudes con la textura de algunas plumas de aves buceadoras que ayudan a mantener a los animales secos bajo el agua. En este caso, el plastrón ayuda a que las burbujas se peguen a la superficie y se disipen.
El efecto neto es reducir cien veces más el tiempo que tarda una burbuja en pegarse a la superficie, dice Varanasi. En las pruebas, el tiempo de rebote se redujo de cientos de milisegundos a solo unos pocos milisegundos.
Para probar la idea en el laboratorio, el equipo construyó un dispositivo que contenía una superficie para capturar burbujas y lo insertó en un vaso de precipitados que tenía burbujas subiendo a través de él. Colocaron ese vaso junto a otro idéntico que contenía espuma espumosa con una hoja dedel mismo tamaño, pero sin el material texturizado. En el vaso de precipitados con la superficie de captura de burbujas, la espuma se disipó rápidamente hasta casi desaparecer, mientras que una capa completa de espuma permaneció en su lugar en el otro vaso.
Tales superficies de captura de burbujas podrían adaptarse fácilmente a muchas instalaciones de procesamiento industrial que actualmente dependen de productos químicos antiespumantes, dice Varanasi. Él especuló que, a largo plazo, tal método podría incluso usarse como una forma de capturar el metano que se filtra desde la fusión.permafrost a medida que el mundo se calienta. Esto podría evitar que parte de ese potente gas de efecto invernadero llegue a la atmósfera y, al mismo tiempo, proporcionar una fuente de combustible. En este punto, esa posibilidad es "un pastel en el cielo", dice.pero en principio podría funcionar.
A diferencia de muchos desarrollos de nuevas tecnologías, este sistema es lo suficientemente simple como para que se pueda implementar fácilmente, dice Varanasi. "Está listo para funcionar ... Esperamos trabajar con la industria".
El trabajo fue apoyado por la Fundación Bill y Melinda Gates.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Tecnología de Massachusetts . Original escrito por David L. Chandler. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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