ES2578283B2 - Sistema y procedimiento para la generación de microburbujas monodispersas en configuración de co-flujo - Google Patents

Abstract

La invención describe un sistema (10) y procedimiento para generar microburbujas monodispersas en configuración de co-flujo, donde el sistema (10) comprende: un dispositivo (1) de co-flujo que comprende un canal (2) de fluido interior; y al menos un canal (3) de fluido exterior, donde el canal (3) de fluido exterior presenta una configuración de co-flujo con respecto del canal (2) de fluido interior, y donde dicho canal (3) de fluido exterior rodea sustancialmente el canal (2) de fluido interior; y un medio (14) de forzado conectado al canal (2) de fluido interior o al canal (3) de fluido exterior del dispositivo (1) de co-flujo, donde dicho medio (14) de forzado está configurado para proporcionar una variación periódica alrededor de su valor medio en el caudal de fluido a través de uno de entre dicho canal (2) interior o dicho canal (3) exterior.

Description

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DESCRIPCION

Sistema y procedimiento para la generacion de microburbujas monodispersas en configuracion de co-flujo

OBJETO DE LA INVENCION

La presente invention pertenece al campo de la mecanica de fluidos, y mas particularmente a los dispositivos empleados para la generacion de microburbujas.

Un primer objeto de la presente invencion es un nuevo sistema para la generacion de microburbujas monodispersas en configuracion de co-flujo que permite controlar la frecuencia de generacion de las microburbujas mediante la modulation del caudal de uno de los fluidos.

Un segundo objeto de la presente invencion es un procedimiento asociado al sistema anterior.

ANTECEDENTES DE LA INVENCION

La generacion de burbujas de tamano micrometrico y nanometrico ha atraido una gran atencion en los ultimos tiempos debido a que presentan una gran relation superficie- volumen, una alta solubilidad en un liquido acuoso, una baja velocidad de ascenso [Zimmerman et al., 2013], y una auto-presurizacion inducida por la tension superficial. Es por ello que pueden mejorar el intercambio gaseoso entre las fases de liquido y gas o potenciar fenomenos de transporte [Bird et al. 2007]. Asimismo, las microburbujas presentan oportunidades singulares y especiales como poder ser excitadas foto-acusticamente [Ashkin, 1997; Lauterborn y Kurz, 2010] o poder ser utilizadas como sensores o marcadores [Tremblay-Darveau et al., 2014]. Por todo lo anterior, la aplicacion de las burbujas de tamano micrometrico esta presente en numerosos procesos industriales, tales como los propios de la biomedicina [Liu et al., 2006], procesamiento de alimentos, reactores de gas- liquido, o la generacion de espumas, entre otros, asi como en muchas areas de la ciencia, por ejemplo en el estudio de liquidos con burbujas. La eficiencia de los procesos anteriores depende en gran medida de la utilization de burbujas de tamanos controlables. Sin embargo, la formation controlada de burbujas dentro de las escalas micrometricas representa un objetivo muy dificil de conseguir en la actualidad. En este punto, la generacion

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de burbujas clasica por medio de la inyeccion de gas a traves de un orificio o una boquilla [Davidson y Schuler, 1960, Ramakrishnan et al., 1968, Marmur y Rubin, 1970, Kumar y Kuloor, 1976, Longuet-Higgins et al., 1991, Oguz y Prosperetti, 1993 y Bolanos-Jimenez et al., 2008] esta limitada a caudales pequenos y los volumenes mmimos conseguibles al volumen de Fritz (el conseguido mediante un balance entre la gravedad y la tension superficial).

En las ultimas decadas se han propuesto tecnicas y dispositivos alternativos, muchos de ellos basados en la introduction de fuerzas externas adicionales para facilitar el desprendimiento de burbujas. MacIntyre (1967), o posteriormente otros investigadores como Vejrazka et al. (2008), proponen el control de la frecuencia y tamano de las burbujas a traves de la vibration de la aguja inyectora. Ademas, Ohl (2001), y mas tarde Tomiyama et al. (2002), exploraron la inyeccion intermitente de los flujos para controlar el desprendimiento de las burbujas. Del mismo modo, Kariyasaki y Ousaka (2001) Sanada (2005), Najafi et al. (2008) o Shirota et al. (2008) estudiaron el proceso de formation mediante la variation de la presion de alimentation. Sin embargo, las tecnicas antes mencionadas no son adecuadas para la produccion masiva de microburbujas, ya que estan limitadas en tamano de burbuja y frecuencia de production.

Por otro lado, el uso de agitadores [Kawecki, 1967], mezcladores de orificios [Unno y Inoue 1980], mezcladores multi-fluidos [Sadatomi et al. 2012] o inyectores Venturi [Yin et al. 2015] proporciona producciones masivas de burbujas de pequeno tamano. Sin embargo, estas tecnicas presentan inconvenientes, como la falta de generation de burbujas monodispersas, ya que se obtiene una distribution de burbujas de diferentes tamanos, o el control de la frecuencia de burbujeo, entre otros.

La produccion masiva de microburbujas con diametros en el rango de 1 a 10 micras tambien es posible a traves de insonacion [Makuta et al. 2006] o agitation mecanica [J. Ellenberger y R. Krishna 2002], pero estas tecnicas proporcionan burbujas polidispersas.

En los ultimos anos, la produccion de pequenas burbujas se ha logrado por medio de metodos y dispositivos tecnologicamente muy avanzados y sofisticados, conocidos como dispositivos nano y microfluidicos, cuyo uso esta fundamentado por el control del proceso de produccion que los mismos proporcionan. En este punto, los dispositivos denominados de T- junction (union en T) [P. Garstecki, et al. 2006, Fu y Ma, 2015] o flow-focusing (concentration de flujo) [Gordillo et al. 2004, Gastecki et al 2004], proporcionan burbujas

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casi monodispersas del orden de un micrometro [Castro-Hernandez et al. 2011, Kobayashi et al. 2007, Malloggi et al. 2009]. Sin embargo, estos dispositivos son complejos y muy costosos de fabricar, lo que limita su uso. Ademas, estas tecnicas proporcionan relaciones de volumen y frecuencia que dependen de las condiciones de flujo, no siendo posible el control independiente de las ultimas caracteristicas. En este sentido, recientemente, Hoeve et al. (2015), patente WO2013141695 A1, han propuesto un metodo para producir microburbujas monodispersas de diametros inferiores a 10 ^m. La tecnica de emulsificacion por microcanal [Yasuno et al. 2004] ha sido tambien estudiada para formar burbujas de gas microscopicas. Ademas, Stoffel et al. (2012) han disenado y caracterizado recientemente un generador de burbujas micrometricas, que permite el control de la frecuencia y del volumen de la burbuja de manera independiente y produce burbujas monodispersas en un canal en paralelo. Sin embargo, con este dispositivo se logra la formacion de burbujas monodispersas cuando se usa unicamente un canal, mientras que se observa polidispersion cuando se utilizan todos los canales, fundamentalmente a causa del acoplamiento entre los generadores. Ademas, estos dispositivos estan limitados tambien por la relacion de viscosidad de los fluidos considerados.

Las tecnicas comentadas anteriormente se han traducido en un numero significativo de patentes, que presentan las caracteristicas ya mencionadas. Por ejemplo, a principios de los 90, la US005122312 (1992) propuso un sistema de inyeccion en la configuration de un inyector de burbujas modificado, combinando el flujo de liquido que proporciona el arranque de las burbujas (como en US3545731A (1970)), pero que presenta algunos inconvenientes como la coalescencia de las burbujas en otras mas grandes. Este tipo de dispositivos tampoco son capaces de generar un numero suficiente de burbujas ni las que se generan son monodispersas. Ademas, se requiere el uso de orificios ultrafinos o de tamano de micras para producir microburbujas. Por otro lado, la patente US2006 / 0284325A1 (2006) propone un microdispositivo basado en la inyeccion y dispersion de un gas a traves de un cuerpo poroso en un liquido, lo que implica el uso de poros extremadamente pequenos, y por lo tanto muy complicado de construir. Ademas, el control de las burbujas producidas tampoco es posible con este metodo. En este sentido, se han patentado dispositivos basados en la tecnica de flow-focusing, tal como en US006116516A (2000) o el mas reciente WO2013141695 A1, que tambien se consideran microdispositivos, con su consiguiente complejidad constructiva.

La electrolisis es usada en US006689262B2 (2004), lo cual limita los fluidos y soluciones de trabajo, asi como impide la selection del gas. En el documento US 7338551B2 (2008), se

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usa el fenomeno de cavitacion para generar burbujas, pero de nuevo sin proporcionar burbujas monodispersas y no siendo posible regular completamente el gas utilizado. Por ultimo, en US8186653B2 (2012), se propone un aparato de generacion de burbujas pequenas que reduce el tamano de las mismas usando para su rotura la cortadura proporcionada por un flujo con giro generado a tal fin. Sin embargo, el dispositivo genera burbujas de tamano de micra polidispersas.

En conclusion, existe una falta de un sistema, distinto, mas sencillo y barato de la utilization de microdispositivos, simple de construir y capaz de generar microburbujas monodispersas y que proporcione el control independiente del volumen de las burbujas y la frecuencia de formacion.

El uso de una configuration de co-flujo constituye una alternativa a todos los metodos y tecnicas descritas anteriormente para generar de manera masiva burbujas pequenas [Gordillo et al. 2001, Sevilla et al. 2002, Gordillo et al. 2004, Sevilla et al. 2005, Gordillo et al. 2007, Bolanos-Jimenez et al. 2011, Gutierrez-Montes et al. 2013, Gutierrez-Montes et al. 2014]. Ademas, estos tipos de dispositivos son simples de construir. Sin embargo, el tamano y la frecuencia de las burbujas se limitan a un tamano de decenas/cientos de micras y unos cientos de hercios, respectivamente. Asimismo, el control individual y preciso del volumen de la burbuja y la frecuencia de formation no se consigue plenamente.

DESCRIPCION DE LA INVENCION

La presente invention resuelve los problemas descritos, al permitir obtener microburbujas monodispersas de un modo mucho mas sencillo que los sistemas descritos en los documentos de la tecnica anterior. Ademas, esta invencion proporciona un control completo del proceso de formacion, lo que permite seleccionar de manera independiente la frecuencia de generacion de las microburbujas y el tamano de las burbujas generadas. Esto constituye una gran ventaja con relation a los sistemas descritos en los documentos anteriores.

En este documento, el termino “fluido en fase dispersa" hace referencia al fluido suministrado por el canal interior del dispositivo de co-flujo, que constituira la fase dispersa al quedar alojado en el seno del fluido en fase continua en forma de microburbujas, mientras que el termino “fluido en fase continua’’ hace referencia al fluido suministrado por el, al menos, un canal exterior del dispositivo de co-flujo, que constituira la fase continua al quedar en el exterior de las microburbujas generadas.

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En este documento, el termino “dispositivo de co-flujo’’ hace referencia un dispositivo dotado de un canal de fluido interior y, al menos, un canal de fluido exterior donde dichos canales estan dispuestos esencialmente en paralelo, de tal modo que a la salida de los mismos se generan dos corrientes de fluido en disposition de co-flujo. De este modo, la corriente de fluido interior descarga en el seno de la corriente de fluido exterior.

En este documento, la expresion “el canal de fluido exterior rodea sustancialmente el canal de fluido interior’ hace referencia a que el canal exterior rodea completamente todo el canal interior, o bien que rodea casi la totalidad de dicho canal interior con exception de unas zonas muy pequenas con relation al perimetro total del canal interior. Este concepto quedara mas claro mas adelante a partir de la description de las posibles configuraciones geometricas del dispositivo de la invention.

Un primer aspecto de la invencion esta dirigido a un sistema para para la generation de microburbujas monodispersas en configuration de co-flujo que comprende fundamentalmente dos elementos:

a) Un dispositivo de co-flujo, que a su vez comprende:

- Un canal de fluido interior para un fluido en fase dispersa.

- Al menos un canal de fluido exterior para un fluido en fase continua, donde el canal de fluido exterior presenta una configuracion de co-flujo con respecto del canal de fluido interior, y donde dicho canal de fluido exterior rodea sustancialmente el canal de fluido interior.

b) Un medio de forzado conectado al canal de fluido interior o al canal de fluido exterior del dispositivo de co-flujo, donde dicho medio de forzado esta configurado para proporcionar una variation periodica alrededor de su valor medio en el caudal de fluido que pasa a traves de uno de entre dicho canal interior o dicho canal exterior.

El canal de fluido interior y el canal de fluido exterior del dispositivo de co-flujo pueden estar implementados mediante sendas paredes delgadas esencialmente paralelas, como se vera mas adelante en este documento, de modo que los dos fluidos entraran en contacto en el

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extremo de salida del canal interior que se interpone entre ambos. Para operar este sistema, basta con suministrar un fluido en fase dispersa al fluido de co-flujo a traves del canal interior y un fluido en fase continua a traves de al menos un canal exterior, aplicando una variation periodica de caudal alrededor de su valor medio a uno de los dos fluidos.

En efecto, los inventores de la presente solicitud han descubierto que la adicion de una oscilacion en el caudal de uno de entre los dos fluidos que recorren los canales respectivamente interior o exterior del dispositivo de co-flujo, hace que la interaction a la salida del canal interior entre la corriente del fluido en fase dispersa y la, al menos, una corriente del fluido en fase continua provoque la generation de microburbujas a una frecuencia que coincide con la frecuencia de las oscilaciones del caudal, y cuyo tamano depende del caudal de primer fluido por el canal interior. Por lo tanto, controlando al menos el caudal del primer fluido que pasa por el canal interior y la frecuencia de las oscilaciones aplicadas al caudal de uno de los dos fluidos, se puede controlar el tamano y frecuencia de las microburbujas de forma independiente.

Esto contrasta con las caracteristicas de los metodos de generacion en co-flujo tradicionales (sin medio de forzado), donde el diametro y frecuencia de la microburbujas se controla a traves de variaciones de los caudales del fluido en fase continua y en fase dispersa. Mas concretamente, en los metodos de generacion tradicionales cuanto menor es la relation caudal de fase continua/fase dispersa, mayor es la frecuencia de formation de las microburbujas obtenida, de modo que el volumen queda determinado por la relacion entre el caudal de fase dispersa y la frecuencia de formacion de las burbujas determinada de forma natural. Al incorporar al sistema de la presente invention un medio de forzado para modificar periodicamente el caudal de uno de los dos fluidos alrededor de un valor, se induce la aparicion de fenomenos adicionales que modifican los espesores de las corrientes, gobernando el proceso de formacion de las microburbujas para amplitudes de la modulation suficientemente grandes. Esto permite conseguir que la frecuencia de generacion de las microburbujas sea la impuesta por el medio de forzado. Gracias a ello, se puede controlar de manera independiente tanto el tamano de las microburbujas como la frecuencia de generacion de las mismas.

En principio, el canal de fluido interior y el canal de fluido exterior del dispositivo de co-flujo pueden presentar cualquier geometria siempre que cumpla con las caracteristicas mencionadas anteriormente. Por ejemplo, en una realization preferida de la invencion, la geometria del dispositivo de co-flujo se elige de entre las siguientes: plana, cilmdrica, anular,

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y poliedrica.

En este contexto, un dispositivo de co-flujo de configuration plana hace referencia de manera general a un dispositivo de co-flujo esencialmente con forma de paralelepipedo donde una dimension de la seccion transversal de los canales interior y exterior es mucho mayor que la dimension perpendicular a la misma. En un caso particular de la configuracion plana cada section transversal de los canales interior y exterior esta delimitada por lmeas rectas, en cuyo caso la seccion transversal de los canales interior y exterior tendra forma rectangular. Sin embargo, son posibles otras formas alternativas de esta configuracion plana, como se detallara mas adelante. Un dispositivo de co-flujo de configuracion cilmdrica se refiere en general a un dispositivo de co-flujo donde la seccion transversal del canal interior es circular y el canal exterior rodea exteriormente al canal interior. Un dispositivo de co-flujo de configuracion anular se refiere en general a un dispositivo de co-flujo donde la seccion transversal del canal interior es anular y el canal exterior rodea interior y exteriormente al canal interior. Un dispositivo de co-flujo de configuracion poliedrica se refiere en general a un dispositivo de co-flujo donde la seccion transversal del canal interior es poliedrica y el canal exterior rodea exteriormente al canal interior.

De este modo, volviendo a la definition de la expresion “el canal de fluido exterior rodea sustancialmente el canal de fluido interior’, cuando el dispositivo de co-flujo de la invention tiene una configuracion cilmdrica, el canal exterior rodea completamente el canal interior. Alternativamente, cuando el dispositivo de co-flujo de la invencion tiene una configuracion plana, existen dos canales exteriores de seccion transversal rectangular con una dimension mucho mayor que la otra que encierran a modo de sandwich el perimetro de la seccion transversal del canal interior de fluido de fase dispersa, cuya seccion transversal tambien es rectangular con una dimension mucho mas larga que la otra. Por lo tanto, en este caso los dos canales exteriores rodean casi completamente el canal interior excepto por las dos paredes laterales del canal interior de fluido de fase dispersa. El caso mas generico de la configuracion poliedrica podria combinar o ajustarse a alguna de las caracteristicas antes mencionadas.

En cuanto al extremo de salida de los canales, de acuerdo con una realization preferida de la invencion el extremo de salida del canal interior tiene una dimension transversal menor que 1 mm y el extremo de salida del canal exterior tiene una dimension transversal menor que 3 mm.

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En este contexto, el termino “dimension transversal” referido al extremo de salida del canal interior hace referencia a su diametro hidraulico, en un dispositivo de co-flujo de configuration cilmdrica o similar, o bien a la anchura de su lado corto, en un dispositivo de co-flujo de configuracion plana. Por su parte, la “dimension transversal’ referida al extremo de salida del, al menos, un canal exterior hace referencia a la diferencia entre su diametro hidraulico y el diametro hidraulico del canal interior sumado al espesor de la pared separadora, en un dispositivo de co-flujo de configuracion cilmdrica o similar, o bien a la anchura del lado corto de uno de los dos canales, en un dispositivo de co-flujo de configuracion plana. Es decir, para un dispositivo de co-flujo de configuracion cilmdrica, la dimension transversal del canal interior es el diametro hidraulico del canal interior, y la dimension transversal del canal exterior es la diferencia entre su diametro hidraulico y el diametro hidraulico del canal interior sumado al espesor de la pared separadora. Para un dispositivo de co-flujo de configuracion plana, la dimension transversal del canal interior es la anchura del lado corto del canal interior y la dimension transversal del canal exterior es la anchura del lado corto de uno de los dos canales exteriores.

En otra realization preferida de la invention, el canal de fluido exterior tiene una section transversal que puede ser constante o bien disminuir en direction al extremo de salida. En el caso de una disminucion de la seccion transversal, que puede responder a diferentes geometrias, tiene el objeto de reducir al mmimo las perdidas de presion, garantizar unas condiciones de suministro estables, asi como un perfil de velocidades del fluido en fase continua controlado. Por ejemplo, la seccion transversal puede disminuir en la zona cercana al extremo de salida del canal exterior a traves de una boquilla en forma de tobera, mediante paredes planas, u otras formas. Tambien se contempla una seccion transversal de fluido exterior constante a lo largo de la direccion del flujo. En cualquier caso, preferentemente la geometria del canal exterior es simetrica con respecto del eje del dispositivo de co-flujo (configuracion cilmdrica o similar) o plano central del dispositivo de co-flujo (configuracion plana).

En otra realizacion preferida de la invencion, el extremo de salida del canal de fluido exterior sobresale longitudinalmente con relation al extremo de salida del canal de fluido interior. Esto permite mejorar el direccionamiento del flujo con el proposito de obtener un efecto mas eficaz de la modulacion conseguida a traves del medio de forzado, que se describira mas adelante. Alternativamente, el extremo de salida del canal de fluido interior puede sobresalir longitudinalmente con relacion al extremo de salida del canal o canales de fluido exterior para favorecer la rotura de las microburbujas y por tanto variar la frecuencia de formation de

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las mismas.

Ademas, en otra realization preferida de la invention la direction del extremo de salida del canal de fluido exterior esta orientada hacia el eje o plano de simetria del dispositivo de co- flujo. De ese modo, se induce una componente transversal de la velocidad del fluido en fase continua y asi se facilita la rotura de la corriente interior de fluido en fase dispersa en microburbujas.

Por otra parte, en una realizacion preferida de la invencion, el canal de fluido interior tiene una section transversal esencialmente constante. En cuanto a su longitud, debe ser lo suficientemente grande como para asegurar un control completo sobre la velocidad del flujo y unas condiciones preferentes de regimen laminar. Ademas, preferentemente la seccion de salida del canal de fluido interior puede presentar una seccion transversal decreciente para uniformizar el perfil de velocidad del fluido en fase dispersa a la salida del canal interior y, de esta forma, poder alterar el proceso de formation de microburbujas.

En otra realizacion preferida mas de la invencion, las paredes que delimitan el canal de fluido interior tienen un espesor en la salida de menos de 0,5 mm. Estas paredes pueden fabricarse de cualquier material o mezcla de materiales siempre que el punto de anclaje de la entrefase de ambos fluidos este perfectamente controlado.

Preferentemente, el perfil del borde de la pared del extremo de salida del canal de fluido interior del dispositivo de co-flujo tiene una forma que se elige entre: curvilmea en direccion exterior-interior, recta en direccion exterior-interior, plana, redondeada y poligonal. Cada una de estas formas particulares tendra un efecto determinado sobre la entrefase entre el fluido interior y el fluido exterior, como por ejemplo la variation de las amplitudes de la modulation necesarias para controlar el proceso, la variacion de los espesores locales de las diferentes corrientes o, en general, las condiciones del flujo de salida y, por ende, la frecuencia. Esto ultimo se consigue mediante la variacion de la position relativa de la entrefase de ambos fluidos en la salida. Por ejemplo, en el caso de un borde de salida en arista viva, se favorece que la entrefase de ambos fluidos se fije en el borde exterior.

Adicionalmente, la invencion contempla la posibilidad de que la geometria de las paredes de los canales de fluido presente diferentes formas de actuation sobre la dinamica del flujo. Por ejemplo, en una realizacion preferida de la invencion dirigida a un dispositivo de co-flujo de configuration plana o anular, los extremos de salida del canal de fluido interior y el canal de

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fluido exterior pueden comprender ondulaciones configuradas para inducir inestabilidades en la direction transversal que provoquen la rotura de la corriente del fluido en fase dispersa en esta direccion. Como se apreciara con mayor detalle en las figuras, estas ondulaciones pueden estar dispuestas en un plano esencialmente paralelo a la direccion de la corriente de los fluidos, o bien en un plano esencialmente perpendicular a la direccion de la corriente de los fluidos.

En otra realization preferida mas de la invention, en un dispositivo de co-flujo que tiene una configuration plana el canal interior puede estar dividido en una pluralidad de sub-canales paralelos de fluido en fase dispersa y una pluralidad de sub-canales paralelos de fluido en fase continua dispuestos de forma alterna. Esta configuracion permite incrementar considerablemente el numero de burbujas generadas.

En cuanto al medio de forzado, en principio puede ser de cualquier tipo siempre que permita modificar periodicamente el caudal de la lmea de fluido en cuestion alrededor de su valor medio. Por ejemplo, puede tratarse de una bomba de desplazamiento positivo, como una bomba de jeringa, capaz de generar un caudal variable, conectada a la primera o la segunda lmea de fluido. Alternativamente, puede utilizarse un recipiente de volumen periodicamente variable dispuesto en la primera o la segunda lmea de fluido. Este recipiente puede tener una superficie movil cuya position pueda controlarse a traves de un actuador mecanico, dinamico o acustico.

En cualquiera de los casos, el sistema tambien puede comprender un controlador conectado al medio de forzado para permitir al usuario regular la frecuencia y la amplitud de las variaciones periodicas de caudal generadas.

De acuerdo con un segundo aspecto de la invencion, se describe un metodo para la generation de microburbujas monodispersas en configuracion de co-flujo por medio de un dispositivo de co-flujo que comprende un canal de fluido interior para un fluido en fase dispersa, y al menos un canal de fluido exterior para un fluido en fase continua dispuesto en configuracion de co-flujo con respecto del canal de fluido interior, donde el canal de fluido exterior rodea sustancialmente el canal de fluido interior. Este metodo comprende fundamentalmente:

a) Suministrar un primer fluido al canal de fluido interior. Este primer fluido sera el

fluido en fase dispersa, que a la salida del dispositivo quedara encerrado en el

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interior de las microburbujas.

b) Suministrar un segundo fluido al canal de fluido exterior. Se trata del fluido en fase continua que contendra las microburbujas generadas en su interior.

c) Modificar el caudal de uno de entre el primer fluido y el segundo fluido de modo que varie periodicamente alrededor de su valor medio.

Como se ha descrito con anterioridad en este documento, la oscilacion del caudal de uno de los dos fluidos que recorren los canales respectivamente interior y exterior provocara la aparicion de microburbujas a una frecuencia que coincide con la frecuencia de las oscilaciones del caudal y cuyo tamano depende del caudal de primer fluido por el canal interior. Por tanto, si se modifica la frecuencia de variation del caudal que varia periodicamente, se consigue controlar la frecuencia de generacion de microburbujas. Por otro lado, si se modifica el caudal del primer fluido que pasa por el canal interior, se consigue controlar el tamano de las microburbujas.

En una realization preferida de la invention, el primer fluido es un gas. En otra realization preferida de la invencion, el segundo fluido es un liquido, que ademas puede contener una sustancia surfactante con el proposito de estabilizar las burbujas formadas por medio de la formation de una capa de revestimiento en su superficie que garantice que estas perduran en el tiempo.

BREVE DESCRIPCION DE LAS FIGURAS

La Fig. 1 muestra un diagrama esquematico de un sistema para la generation de microburbujas monodispersas que comprende un dispositivo segun la invencion.

La Figs. 2a y 2b muestran respectivamente una vista parcial de un dispositivo de co-flujo segun la invencion de configuracion plana y una vista parcial de un dispositivo segun la invencion de configuration cilmdrica.

Las Figs. 3a, 3b y 3c muestran respectivamente un dispositivo de co-flujo segun la invencion donde el extremo de salida del canal exterior sobresale con respecto del canal interior con section constante, un dispositivo de co-flujo segun la invencion donde el extremo de salida del canal exterior sobresale con respecto del canal interior con seccion decreciente, y un

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dispositivo de co-flujo segun la invention donde el canal interior sobresale con respecto del canal exterior.

La Fig. 4 muestra un dispositivo de co-flujo segun la invencion donde las paredes del canal exterior no son paralelas con relation al eje central del dispositivo, y por tanto la corriente de fluido en fase continua presenta una componente transversal no nula hacia el eje en la salida.

Las Figs. 5a y 5b muestran dos ejemplos de secciones de extremo de un canal interior que presentan sendos estrechamientos de diferentes formas, alternativas a la section constante.

La Fig. 6 muestra diferentes formas del perfil de la pared que constituye el extremo de salida del canal interior.

Las Fig. 7a y 7b muestran un dispositivo de co-flujo de configuration plana segun la invencion cuyo extremo de salida de los canales interior y exterior comprende oscilaciones respectivamente en un plano paralelo a la corriente y en un plano perpendicular a la corriente.

La Fig. 8 muestra un dispositivo de co-flujo de configuracion plana segun la invencion cuyo canal interior esta dividido en una pluralidad de sub-canales paralelos individuales.

La Fig. 9 muestra un grafico que representa las variaciones temporales de presion en el fluido de fase dispersa cuando no se aplica forzado.

La Fig. 10 muestra un grafico que representa las variaciones temporales de presion en el fluido de fase dispersa cuando se aplica forzado, reflejando el control de la frecuencia de formacion y la monodispersion de las burbujas producidas.

La Fig. 11 muestra un grafico que representa las variaciones temporales de la velocidad en el fluido de fase continua producidas por el forzado aplicado en la Fig. 10.

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

A continuation, se describe con mayor detalle la presente invencion haciendo referencia a las figuras adjuntas, que muestran varios ejemplos de constitution del sistema (10) de

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acuerdo con la presente invention.

La Fig. 1 muestra una vista esquematica de un sistema (10) para la generation de microburbujas monodispersas en configuration de co-flujo formado por un dispositivo (1) de co-flujo que esta conectado respectivamente a una primera lmea (12) de fluido por la que discurre un fluido que constituira la fase dispersa, preferentemente un gas, y a una segunda lmea (13) de fluido por la que discurre un fluido que constituira la fase continua. Un medio (14) de forzado esta conectado a las respectivas lmeas (12, 13) de fluido para provocar una variation periodica del caudal de al menos una de dichas lmeas (12, 13) de fluido en funcion de las ordenes que recibe de un medio (15) de control que esta conectado al mismo.

El dispositivo (1) de co-flujo comprende un canal (2) de fluido interior para el fluido en fase dispersa a cuya entrada esta conectada la primera lmea (12) de fluido y uno o varios canales (3) exteriores de fluido para el fluido en fase continua a los que esta conectada la segunda lmea (13) de fluido. En este ejemplo concreto se trata de un dispositivo (1) de co- flujo de configuracion plana donde el canal (2) de fluido interior tiene una section transversal constante de forma esencialmente rectangular, y que comprende dos canales (3) exteriores de fluido que tienen una seccion transversal tambien esencialmente rectangular que se estrecha en la segunda mitad de su longitud a modo de tobera. Los dos canales (3) exteriores de fluido estan dispuestos de manera que rodean la practica totalidad del canal (2) interior, que queda emparedado entre ambos, de acuerdo con una configuracion de co- flujo.

Cuando se suministran a los canales (2, 3) respectivamente interior y exterior del dispositivo (1) de co-flujo sendos fluidos a traves de las lmeas (12, 13), la interaction entre ambos fluidos a la salida del canal interior (2) provoca la aparicion de microburbujas monodispersas. Para controlar el tamano de las microburbujas, basta con variar el caudal del fluido suministrado a traves de la primera lmea (12) de fluido correspondiente al canal (2) interior, tal y como se ha comentado anteriormente. Para controlar ademas la frecuencia de generacion de las microburbujas, el medio (14) de forzado aplica en cualquiera de las dos lmeas (12, 13) de fluido una variacion periodica del caudal alrededor de su valor medio segun una determinada frecuencia. Como consecuencia, la generacion de microburbujas se producira precisamente a dicha frecuencia predeterminada. El medio (15) de control actua sobre el medio (14) de forzado para determinar sobre que lmea (12, 13) de fluido se actua en cada momento y las caracteristicas de la variacion periodica que se aplica a la misma: frecuencia y amplitud de las oscilaciones.

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Las Figs. 2a y 2b muestran sendos ejemplos de configuration geometrica del dispositivo de co-flujo (1) de la presente invention.

Concretamente, la Fig. 2a muestra un dispositivo (1) de co-flujo similar al mostrado esquematicamente en la Fig. 1. Se trata de un dispositivo (1) de configuracion plana donde la seccion transversal del canal (2) interior es esencialmente rectangular con una dimension mucho mayor que otra, y donde existen dos canales (3) exteriores que rodean dicho canal (2) interior por sus dos lados largos a modo de sandwich. La section transversal del canal (2) interior puede disminuir ligeramente a lo largo de su longitud, mientras que la seccion transversal de los canales (3) exteriores sufre una disminucion de una magnitud mucho mayor. En este ejemplo, los extremos de salida de los canales interior (2) y exterior (3) estan alineados en un mismo plano perpendicular al plano longitudinal del dispositivo (1) de co- flujo.

La Fig. 2b muestra un dispositivo (1) de co-flujo de configuracion cilmdrica. El canal (2) interior tiene forma cilmdrica de seccion constante, mientras que el canal (3) exterior tiene una forma obtenida a partir de una curva de revolution cuya seccion transversal es decreciente. Al igual que en el caso anterior, los canales interior (2) y exterior (3) tienen sus respectivos extremos de salida alineados en un mismo plano perpendicular al eje longitudinal central del dispositivo (1) de co-flujo.

Las Figs. 3a y 3b muestran tres ejemplos de configuracion de los extremos de salida de los canales interior (2) y exterior (3). Concretamente, las Figs. 3a y 3b muestran un ejemplo de dispositivo (1) de co-flujo donde el extremo de salida del canal exterior (3) sobresale longitudinalmente mas alla del extremo de salida del canal interior (2) respectivamente sin disminucion de seccion transversal y con disminucion de la seccion transversal. Esta configuracion permite un guiado mas preciso de la corriente de fluido despues de que los dos fluidos hayan entrado en contacto. Alternativamente, la Fig. 3c muestra otro ejemplo de dispositivo (1) de co-flujo donde es el extremo de salida canal interior (2) el que sobresale longitudinalmente mas alla del extremo de salida del canal (3) exterior. Como se describio anteriormente, los efectos inducidos por esta modification favorecen la rotura de las microburbujas y por tanto modifican la frecuencia de formacion de las mismas.

La Fig. 4 muestra otro ejemplo de configuracion del dispositivo (1) de co-flujo donde el extremo de salida del canal (3) exterior esta inclinado con relation a un plano o eje central

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longitudinal del dispositivo (1). Esto provoca que la direction del fluido en fase continua a la salida del dispositivo (1) de co-flujo forme un determinado angulo de inclination con relation a la direccion del fluido en fase dispersa, que coincide con la direccion de dicho eje central longitudinal. Como se ha mencionado anteriormente, esto tiene el efecto de inducir una componente transversal de la velocidad del fluido en fase continua y asi facilitar la rotura de la corriente interior de fluido en fase dispersa en microburbujas.

Las Figs. 5a y 5b muestran sendos ejemplos de estrechamientos practicados en la portion de extremo del canal (2) interior. La forma del estrechamiento permite alterar el perfil de velocidad de la corriente a la salida y modificar/controlar las condiciones de generation de las microburbujas.

La Fig. 6 muestra diferentes perfiles del borde del extremo de salida del canal (2) interior donde el fluido interior en fase dispersa entra en contacto con el fluido exterior en fase continua. De izquierda a derecha, se representa un perfil curvo en direccion exterior-interior, un perfil recto en direccion exterior-interior, un perfil plano, y un perfil redondeado.

Las Fig. 7a y 7b muestran otro ejemplo de un dispositivo (1) de co-flujo de configuration plana donde los extremos de salida del canal (2) interior y el canal (3) exterior presentan ondulaciones respectivamente en un plano esencialmente paralelo a la corriente y en un plano esencialmente perpendicular a la corriente. Con ello, se inducen inestabilidades en la direccion transversal que provocan la rotura de la corriente del fluido en fase dispersa en esta direccion.

La Fig. 8 muestra un ejemplo mas del dispositivo (1) de co-flujo que tiene una configuracion plana donde el canal (2) interior esta subdividido en una multiplicidad de sub-canales (2’) individuales de fluido en fase dispersa dispuestos en paralelo unos a otros a lo largo del plano central longitudinal del dispositivo (1) de co-flujo que estan separados entre si por medio de una pluralidad de sub-canales (3’) de fluido en fase continua tambien paralelos. El canal (2) interior adopta asi la forma de una hilera donde se alternan sub-canales (2’) de fluido en fase dispersa y sub-canales (3’) de fluido en fase continua, y esta ademas emparedado entre los dos canales (3) exteriores. En este dispositivo (1) de co-flujo, cada uno de los sub-canales (2’) de fase dispersa, junto los dos sub-canales (3’) de fase continua adyacentes y la correspondiente porcion de los canales (3) exteriores que lo empareda, constituye una especie de sub-dispositivo de generacion de microburbujas individual, de manera que este dispositivo (1) de co-flujo como un todo permite la generacion simultanea

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en paralelo de una pluralidad de microburbujas.

Como ejemplo de los resultados conseguidos por la invention, la Fig. 9 muestra la senal de presion de las microburbujas formadas en un dispositivo de co-flujo clasico (sin medio de forzado), en los que se observan diferentes picos de presion dentro del fluido de fase dispersa que pasa a traves del canal interior (2), lo que indica la polidispersion de las microburbujas formadas. La Fig. 10 muestra los resultados correspondientes al caso en el que el dispositivo (1) de co-flujo del presente documento esta funcionando con medio de forzado, donde la monodispersion se infiere de los picos de presion de amplitud y frecuencia de formation constantes medidos en el fluido de fase dispersa durante el proceso de formation de las microburbujas. La Fig. 11 muestra la modulation de la velocidad, en este caso de la fase continua que pasa a traves del canal exterior (3), empleada en el caso de la Fig. 10.

Las pruebas realizadas con un sistema (10) segun la invencion de configuration plana y donde el forzado se realiza en la fase continua del canal (3) exterior muestran incrementos de la frecuencia de formacion de microburbujas hasta valores de orden de kilo hercios (kHz) y reducciones de caudal de fase dispersa del canal (2) interior hasta de 20 veces los valores del co-flujo en condiciones naturales, con la consiguiente reduction del tamano de las microburbujas generadas. De igual forma, los ensayos realizados con un sistema (10) segun la invencion de configuracion cilmdrica y donde el forzado se realiza en la fase dispersa del canal (2) interior muestran igualmente incrementos de la frecuencia de formacion de burbujas hasta valores de orden de kilo hercios (kHz).

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Claims (22)

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   REIVINDICACIONES

   1. Sistema (10) para la generation de microburbujas monodispersas en configuration de co- flujo, caracterizado por que comprende:

   - un dispositivo (1) de co-flujo que comprende:

   - un canal (2) de fluido interior para un fluido en fase dispersa; y

   - al menos un canal (3) de fluido exterior para un fluido en fase continua, donde el canal (3) de fluido exterior presenta una configuracion de co-flujo con respecto del canal (2) de fluido interior, y donde dicho canal (3) de fluido exterior rodea sustancialmente el canal (2) de fluido interior; y

   - un medio (14) de forzado conectado al canal (2) de fluido interior o al canal (3) de fluido exterior del dispositivo (1) de co-flujo, donde dicho medio (14) de forzado esta configurado para proporcionar una variation periodica alrededor de su valor medio en el caudal de fluido que pasa a traves de uno de entre dicho canal (2) interior o dicho canal (3) exterior.
2. 2. Sistema (10) de acuerdo con la revindication 1, donde el dispositivo (1) de co-flujo presenta una geometria que se elige de entre las siguientes: plana, cilmdrica, anular, y poliedrica.
3. 3. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el extremo de salida del canal (2) de fluido interior tiene una dimension transversal menor que 1 mm y el extremo de salida del canal (3) de fluido exterior tiene una dimension transversal menor que 3 mm.
4. 4. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el canal (3) de fluido exterior tiene una section transversal constante o que disminuye en direction al extremo de salida.
5. 5. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el extremo de salida del canal (3) de fluido exterior sobresale longitudinalmente con relation al extremo de salida del canal (2) de fluido interior.
6. 6. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-4, donde el extremo de salida del canal (2) de fluido interior sobresale longitudinalmente con relacion al extremo de salida del canal (3) de fluido exterior.

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7. 7. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la direccion del extremo de salida del canal (3) de fluido exterior esta orientada hacia un eje o plano de simetria del dispositivo (1) de co-flujo.
8. 8. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el canal (2) de fluido interior tiene una seccion transversal esencialmente constante.
9. 9. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la seccion de salida del canal (2) de fluido interior tiene una seccion transversal decreciente.
10. 10. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las paredes que delimitan el canal (2) de fluido interior tienen un espesor en la salida de menos de 0,5 mm.
11. 11. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el perfil del borde de la pared del extremo de salida del canal (2) de fluido interior tiene una forma que se elige entre: curvilmea en direccion exterior-interior, recta en direccion exterior- interior, plana, redondeada y poligonal.
12. 12. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el dispositivo (1) de co-flujo tiene una configuracion plana o anular, y donde los extremos de salida del canal (2) de fluido interior y el canal (3) de fluido exterior comprenden ondulaciones en un plano esencialmente paralelo a la direccion de la corriente.
13. 13. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1-11, donde el dispositivo (1) de co-flujo tiene una configuracion plana o anular, y donde los extremos de salida del canal (2) de fluido interior y el canal (3) de fluido exterior comprenden ondulaciones en un plano esencialmente perpendicular a la direccion de la corriente.
14. 14. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el dispositivo (1) de co-flujo tiene una configuracion plana o anular, y donde el canal interior (2) esta dividido en una pluralidad de sub-canales (2’) paralelos de fluido en fase dispersa y una pluralidad de sub-canales (3’) paralelos de fluido en fase continua dispuestos de forma alterna.

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15. 15. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde el medio (14) de forzado se elige entre: una bomba de desplazamiento positivo de generacion de caudal variable conectada a la primera o la segunda lmea de fluido, y un recipiente de volumen periodicamente variable dispuesto en la primera o la segunda lmea de fluido.
16. 16. Sistema (10) de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que ademas comprende un controlador (15) conectado al medio de forzado para regular la frecuencia y la amplitud de las variaciones periodicas de caudal generadas.
17. 17. Metodo para la generacion de microburbujas monodispersas en configuracion de co- flujo por medio de un dispositivo (1) de co-flujo que comprende un canal (2) de fluido interior, y al menos un canal (3) de fluido exterior en configuracion de co-flujo con respecto del canal (2) de fluido interior, donde dicho canal (3) de fluido exterior rodea sustancialmente el canal (2) de fluido interior, caracterizado porque comprende:

    - suministrar un primer fluido al canal de fluido interior (2);

    - suministrar un segundo fluido al canal de fluido exterior (3);

    - modificar el caudal de uno de entre el primer y el segundo fluido de modo que varie periodicamente alrededor de su valor medio.
18. 18. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 17, que comprende modificar la frecuencia de variacion del caudal que varia periodicamente para modificar la frecuencia de generacion de microburbujas.
19. 19. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende modificar el caudal del primer fluido que pasa por el canal (2) interior para modificar el tamano de las microburbujas.
20. 20. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-19, donde el primer fluido es un gas.
21. 21. Metodo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 17-20, donde el segundo fluido es un liquido.
22. 22. Metodo de acuerdo con la reivindicacion 21, donde el segundo fluido comprende una sustancia surfactante.