ES2350208A1 - Metodo para la produccion de micro y nano-burbujas monodispersas mediante co-flujo giratorio. - Google Patents
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Abstract
Método para la producción de micro- y nano-burbujas monodispersas mediante co-flujo giratorio. El objeto de esta invención es un método para producir micro-burbujas de tamaño uniforme utilizando un flujo co-axial de líquido que está sometido a una elevada velocidad angular en la dirección de la corriente, generándose un tamaño de burbuja mucho menor que el producido por ningún otro método que utilice co-flujo. El gas que forma las micro-burbujas es inyectado coaxialmente a través de un tubo capilar posicionado en la cercanía de un orificio generalmente circular o una tobera convergente con simetría de revolución, a través del cual descarga la corriente co-axial rotatoria de líquido y las burbujas de gas. La rotación del líquido genera una alta depresión en el eje de giro, formando chorros de gas extraordinariamente finos que dan lugar a burbujas de tamaño comparable muy pequeñas. Esta invención tiene muchas aplicaciones en tecnologías de alimentación, farmacia, biomedicina, diagnosis, ingeniería química, y medio ambiente.
Description
Método para la producción de micro- y
nano-burbujas monodispersas mediante
co-flujo giratorio.
El objeto de esta invención es un método para
producir micro-burbujas de tamaño uniforme
utilizando un flujo co-axial de líquido que está
sometido a una elevada velocidad angular en la dirección de la
corriente, generándose un tamaño de burbuja mucho menor que el
producido por ningún otro método que utilice
co-flujo. El gas que forma las
micro-burbujas es inyectado coaxialmente a través de
un tubo capilar posicionado en la cercanía de un orificio
generalmente circular o una tobera convergente con simetría de
revolución, a través del cual descarga la corriente
co-axial rotatoria de líquido y las burbujas de gas.
La rotación del líquido genera una alta depresión en el eje de giro,
formando chorros de gas extraordinariamente finos que dan lugar a
burbujas de tamaño comparable muy pequeñas. Esta invención tiene
muchas aplicaciones en tecnologías de alimentación, farmacia,
biomedicina, diagnosis, ingeniería química, y medio ambiente.
Esta invención se encuadra en el sector de la
tecnología industrial, para la mezcla eficiente de una fase gaseosa
en una fase líquida, donde la fase gaseosa constituye la llamada
fase dispersa y el líquido la fase continua. En particular, se trata
de maximizar la superficie de contacto entre las dos fases
mencionadas por unidad de volumen de fase dispersa, lo cual implica
reducir lo más posible el tamaño de las burbujas.
También se encuadra esta invención en el sector
de la medicina clínica, biomedicina y diagnosis, en aplicaciones
como la oxigenación sanguínea, el contraste ultrasónico para
diagnosis por la imagen, o la perfusión celular controlada mediante
excitación ultrasónica. Excepto en el caso de los contrastes
ultrasónicos, que ya están bastante desarrollados, estas técnicas
son conocidas desde hace tiempo, pero no han sido aplicadas
masivamente porque no se ha desarrollado aún una metodología
robusta, controlable y escalable que permita generar masivamente
microburbujas lo suficientemente pequeñas y de tamaño homogéneo.
Otro sector en el que también se encuadra esta
invención es el medioambiental, para la alimentación de cultivos de
microalgas con CO_{2}, Ja oxigenación de piscifactorías, la
depuración de aguas residuales, y la disolución y secuestro masivo
de CO_{2}.
Existen una gran multitud de métodos para
producir burbujas pequeñas. Entre los métodos más antiguos destacan:
la agitación vigorosa y mezclado de las dos fases; el paso forzado
de las dos fases a través de pequeños orificios una o varías veces;
el paso forzado del gas a través de membranas porosas (Blach Vizoso,
1997, US pat. 10736212); la descarga del gas a través de pequeños
orificios o tubos alrededor de los que se fuerza una corriente de
líquido (Dávila, WO/2007/096443), etc. También se pueden generar
masivamente burbujas de pequeño tamaño disolviendo cierta cantidad
de gas mientras se somete a presión el líquido, y descomprimiéndolo
posteriormente.
Otros métodos más sofisticados emplean
geometrías convergentes para enfocar la corriente de gas mediante la
corriente de líquido. En particular, en la tecnología conocida como
"Flow Focusing" se fuerza un líquido a pasar a través de un
orificio o estrechamiento mientras que se inyecta la fase gaseosa
aguas arriba del orificio y suficientemente cerca de éste para que
se forme un menisco capilar estacionario en forma de cúspide, de
cuyo vértice emana una corriente de microburbujas
(Gañán-Calvo 1997, US pat. 6,197,835;
Gañán-Calvo y Gordillo 2001, Phys. Rev. Lett.
87, 274501).
A excepción del método termodinámico de la
compresión y descompresión del líquido, los métodos mecánicos
anteriores producen burbujas que, en el caso de aire en agua, no son
menores de unas 30 micras si se consigue un tamaño homogéneo; pueden
alcanzarse tamaños más pequeños pero muy heterogéneos. Como
consecuencia, no pueden ser empleados en aplicaciones tan
sofisticadas como la perfusión celular controlada, la oxigenación
sanguínea o la infusión directa de gases terapéuticos en el torrente
sanguíneo.
El efecto de introducir giro en el proceso de
rotura capilar de un chorro de líquido rodeado de gas o de un chorro
de gas rodeado de líquido ha sido analizado de forma teórica en la
literatura científica por medio de análisis de estabilidad. Por
ejemplo, la aplicación de giro a un chorro de gas inyectado en un
co-flujo de líquido que no gira tiene un efecto
desestabilizador en el proceso de rotura (Parthasarathya y
Subramaniam 2001, Phys. Of Fluids. 13, 2845).
Resultados similares se encuentran cuando se inyecta un chorro
giratorio de líquido en un co-flujo de gas libre de
giro, es decir, el chorro se desestabiliza al aumentar el giro (Kang
y Lin, 1989, Int. J. Eng. Fluid Mech. 16, 2052). Por
el contrario, cuando es el fluido externo el que gira mientras que
el chorro está libre de giro, el efecto es inverso: el giro
estabiliza. Se demostró en el caso de un chorro de gas inyectado en
un co-flujo giratorio de líquido (Lian y Lin, 1990,
Phys. Fluids A 2, 2134). Hay estudios que llegan a la
misma conclusión cuando un chorro de líquido es inyectado en un
co-flujo giratorio de gas (Liao, Jeng, Jog y
Benjamin 2000, J. Fluid Mech. 424,
1-20). En este último caso, la presencia de giro en
el gas externo inhibía el desarrollo de los modos helicoidales de
rotura del chorro de líquido. La idea principal es hacer uso de los
resultados teóricos mencionados que prevén una estabilización de la
corriente de gas por la presencia de un co-flujo
giratorio de líquido.
Figura 1.- La figura 1 muestra un esquema de la
invención. La línea a trazos 3 indica un ejemplo de línea de
corriente típica en espiral, exhibiendo un giro coaxial con la
dirección de descarga de los fluidos a través del orificio de salida
1. El tubo capilar 4 inyecta un caudal dado de fluido A
aproximadamente en el eje de simetría axial de la salida 1, a través
de la cual descarga el fluido B inyectado aguas arriba en la cámara
2. El fluido A puede formar, a la salida del tubo 4, un menisco 5 en
forma de cúspide de cuyo vértice emerge una corriente de
micro-burbujas o micro-gotas 6.
Figura 2.- La figura 2 muestra la sección
lateral (con simetría de revolución) para un ejemplo de operación y
condiciones geométricas dadas. Los números de los ejes indican
medidas en décimas de milímetros. Líquido A: aire; líquido B: agua.
Velocidad máxima del aire en la entrada del tubo de alimentación
(cota z=0): 0.05 m/s. El perfil de velocidades en la entrada se
supone parabólico. Velocidad axial máxima del agua en la entrada
(perfil parabólico): 1 m/s. (a) Sin giro; (b) Con un giro coaxial de
1 m/s (perfil acimutal plano) para el agua en el centro de la
sección de entrada del agua a la cámara. Este ejemplo ha sido
obtenido mediante simulación numérica directa y completa (todos los
efectos incluidos en todos los dominios: inercia, viscosidad,
tensión superficial), usando la técnica de los elementos de volumen
("Volumes of Fluid", VOF). Compruébese la enorme reducción del
tamaño de las burbujas resultantes debida al giro coaxial en este
ejemplo bajo las mismas condiciones de caudal para ambos fluidos:
mientras que sin giro se obtienen burbujas de 50 micras, con giro se
obtienen burbujas de tamaño inferior a 10 micras, cuyo volumen es
inferior al 1% de las anteriores, y se produce 5 veces más
superficie entre las dos fases por unidad de volumen de gas
dispersado.
Figura 3.- Fotografía de un dispositivo
construido en base al método descrito en esta invención. Consta de
un tubo de vidrio de 4 mm de diámetro exterior, con un diámetro
interior de 1.2 mm, y que termina en una tobera como se ilustra. El
gas es inyectado a través de un tubo de óxido de silicio de 365
micras diámetro externo y 100 micras de diámetro interno, terminado
en un extremo cónico, que se monta concéntricamente en el tubo de
vidrio mediante un hilo de acero inoxidable de 0.4 mm de diámetro
en forma de espiral, como se indica en la figura. Dicho hilo en
espiral cumple dos papeles: asegura la concentricidad del tubo de
gas, e induce el necesario flujo giratorio al líquido que se fuerza
a pasar entre el tubo de gas y el tubo exterior con la tobera, como
se indica en la figura.
Figura 4.- Detalle del funcionamiento del
dispositivo produciendo micro-burbujas en agua, en
condiciones en las que, en ausencia de giro inducido, las burbujas
eran 10 veces mayores en volumen. El diámetro mínimo de la tobera de
la fotografía es 120 micras.
En esta invención se propone un método de
generación de microburbujas de tamaño homogéneo y mucho más pequeño
que el producido por la técnica "Flow Focusing" a igualdad de
condiciones de operación (caudales de gas y líquido descargados y
presión de alimentación), utilizando una geometría análoga a la de
esta última técnica, pero forzando al líquido a girar en la
dirección de la corriente, de manera que las líneas de corriente del
líquido son hélices coaxiales. Para ello, el orificio de salida ha
de ser sustancialmente circular, y el gas debe ser alimentado de
forma sustancialmente coaxial y axilsimétrica respecto del orificio
de descarga (ver Figura 1).
Así, esta invención hace uso de la distribución
radial de presiones que se produce en un flujo giratorio de líquido,
enfocado o forzado a discurrir a través de un orificio o canal de
sección circular, para estabilizar una corriente de gas inyectada en
su eje de giro. La corriente de gas mencionado, en forma de menisco
con cúspide y con dimensiones típicas entre 1 nanómetro y varios
milímetros, es alimentada de forma sustancialmente coaxial con el
eje de giro de la corriente de líquido, que a su vez avanza en la
dirección de dicho eje. Cuando se desea producir burbujas de tamaño
micrométríco, debido a las pequeñísimas dimensiones de la corriente
de gas, éste fluye en condiciones en las que las fuerzas de tensión
superficial son dominantes, o al menos importantes. Dichas fuerzas
producen finalmente la rotura de la corriente de gas en burbujas de
dimensiones conmensurables con las del chorro de gas que se produce
en el eje de giro, tras la inyección del gas desde una fuente (e.g.
tubo capilar) también coaxial con todo el sistema. Consecuentemente,
el resultado final de la inyección de gas en las condiciones
mencionadas es una corriente de micro- o
nano-burbujas dispersadas en el eje de giro del
sistema.
Esta invención se caracteriza por que el
dispositivo hace uso de una geometría axilsimétrica del tipo "flow
focusing", en la cual se fuerza una corriente de fluido
"enfocante" a circular a través de un orificio o canal de
sección circular desde otro ámbito o cámara aguas arriba, de
dimensiones sustancialmente mayores que las del mencionado orificio
o canal de salida. Dicha corriente se produce siempre para esta
invención en condiciones en las que las fuerzas de viscosidad son
menos importantes que la inercia del fluido. En esta invención, el
fluido enfocante siempre es un líquido. El fluido enfocado puede ser
un gas o un líquido de densidad más baja que la del fluido
enfocante.
Además, también se caracteriza esta invención
por que el propio fenómeno de "enfocamiento", por conservación
del momento cinético, produce una amplificación o magnificación de
la velocidad de giro existente aguas arriba, o incluso puede crear
las condiciones para las que cualquier irregularidad acimutal del
dispositivo produzca asimetrías que se convierten en un giro intenso
cuando el fluido atraviesa la salida.
Más aun, esta invención también está
caracterizada por que cuando se inyecta en el eje de giro de la
corriente giratoria coaxial de líquido una corriente de un fluido de
menor densidad, por ejemplo un gas, éste tiende a ocupar la región
donde la presión es menor, es decir, el eje de giro. Si dicha
corriente forma un chorro continuo, la tendencia mencionada a
permanecer en el eje de giro es contrapuesta a la que provocan las
fuerzas de tensión superficial que se originan en la entrefase entre
los dos fluidos, si ambos son inmiscibles. El resultado de la
mencionada contraposición de fuerzas es que el chorro producido se
estabiliza, y por tanto puede inyectarse en forma de chorro
localmente estable un caudal mucho menor que en ausencia de giro. En
otras palabras: en ausencia de giro, la corriente inyectada gotearía
sin formar chorro para las condiciones en las que, con giro, la
misma corriente inyectada formaría un finísimo chorro. Una vez que
el chorro formado en el eje de giro discurre aguas abajo a lo largo
de una cierta distancia, las perturbaciones naturales del sistema
son amplificadas por la tensión superficial y, finalmente, la
perturbación de longitud de onda que crece más rápidamente rompe a
chorro en forma de burbujas o gotas de tamaño comparable al del
diámetro del chorro formado aguas arriba.
Una característica fundamental de esta invención
es que las burbujas generadas son mucho más pequeñas que las que se
producen bajo las mismas condiciones de flujo axial y la misma
geometría, pero sin giro.
Además, es necesario apuntar también que otra
característica de esta invención, compartida con otras invenciones
microfluídicas, es que la importancia de las fuerzas de tensión
superficial hace que la diferencia de velocidad de crecimiento entre
las perturbaciones de distintas longitudes de onda sea muy
significativa, y por tanto el sistema actúa como un filtro dinámico
extraordinariamente efectivo: tan efectivo que no sólo favorece el
crecimiento de una sola longitud de onda frente a las demás, sino
que la perturbación filtrada actúa como "semilla" de
realimentación aguas arriba, produciéndose un "bloqueo" del
sistema en torno a una sola frecuencia (o varias parecidas). Como
consecuencia de este fenómeno esencialmente provocado por la tensión
superficial, las burbujas o gotas resultantes son de tamaño
fundamentalmente homogéneo.
Se ha construido un dispositivo en base al
método descrito en esta invención. Para ello se ha utilizado un tubo
de vidrio terminado en una tobera de descarga de diámetro mínimo en
la salida igual a 120 micras, como se muestra en la figura 3. Otro
tubo capilar de óxido de silicio (sílica) de diámetro interior 100
micras, se monta coaxialmente en el interior del tubo de vidrio
mencionado. El gas es forzado a través del tubo de sílica, mientras
que el líquido se fuerza a través del interior del tubo de vidrio,
en dirección de la tobera de descarga. La concentricidad entre los
dos tubos se asegura mediante un hilo de acero inoxidable enrollado
en forma de una espiral ajustada al diámetro del tubo de vidrio como
se indica en la figura. Dicha espiral tiene el papel fundamental de
inducir un giro elevado en la corriente del líquido que se fuerza a
pasar entre los dos tubos. En las distintas combinaciones de presión
y caudal ensayadas utilizando co-flujo giratorio
mediante este dispositivo, las burbujas obtenidas han sido 10 veces
menores en volumen que las obtenidas en experimentos convencionales
de co-flujo. La escala de la fotografía se puede
deducir sabiendo que el diámetro mínimo de la tobera de la
fotografía es 120 micras. Las burbujas no pueden apreciarse debido a
la alta frecuencia de producción, y que correspondería a la zona con
forma de chorro más difuso en la fotografía de la figura, justo
antes de diámetro mínimo de la tobera y después del diámetro mínimo
del chorro capilar que sale del tubo interno.
Claims (3)
1. Método para la generación de burbujas o gotas
cuyo diámetro es entre 1 nanómetro y 1 centímetro, de un fluido A
dispersado en otro fluido B, inmiscible con el primero y de mayor
densidad que éste, caracterizado por que
- a.
- El fluido B es forzado a fluir a través de un orificio o canal convergente (1) de sección sustancialmente circular, de tamaño entre 10 nanómetros y 100 milímetros, desde una cámara o recinto de mayores dimensiones (2).
- b.
- El fluido B es forzado desde dicha cámara a girar coaxialmente (3) con el eje del orificio de salida, mediante una o varias de las siguientes soluciones: haciendo girar todo el conjunto de los dos fluidos sobre el eje; inyectando el fluido B desde la cámara con una componente de giro de dirección sustancialmente coaxial con el orificio de salida, o forzando dicho giro coaxial con el orificio de salida en la propia cámara mediante elementos fijos o móviles de deflexión del flujo; en cualquiera de los casos, se produce necesariamente una amplificación del giro mencionado conforme al principio de conservación del momento cinético cuando dicho fluido B atraviesa la salida (1).
- c.
- El fluido A es inyectado coaxiaimente en la corriente del fluido B desde una fuente (4) situada en la cámara mencionada, en las proximidades del orificio o canal de salida, en forma de un chorro o menisco capilar convergente (5). Ambos fluidos A y B fluyen coaxiaimente a lo largo del eje de rotación del fluido B a través del orificio o canal de salida (1).
- d.
- La corriente de fluido A en forma de chorro rompe en gotas o burbujas (6) en el orificio de salida (1) o aguas debajo de éste, de manera que inicialmente dichas gotas o burbujas fluyen sustancialmente alineadas en el eje de giro del fluido B.
2. Método para la generación de burbujas o gotas
según la reivindicación 1, caracterizado por que las burbujas
o gotas generadas son de tamaño sustancialmente homogéneo, con
variaciones relativas inferiores al 50% en torno al valor medio
obtenido bajo condiciones de operación estacionarias.
3. Método para la generación de burbujas o gotas
según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que los
elementos de deflexión del flujo comprenden aletas, canales o guías
dispuestos helicoidalmente.
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