WO2004065019A1 - Método y dispositivo de generación de microcorrientes fluidas para la producción de microburbujas, microgotas, microemulsiones, y microcápsulas - Google Patents

Método y dispositivo de generación de microcorrientes fluidas para la producción de microburbujas, microgotas, microemulsiones, y microcápsulas Download PDF

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Alfonso Miguel GAÑÁN CALVO
José Manuel GORDILLO ARIAS DE SAAVEDRA
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Definitions

  • the following describes a device and a method for the production of fluid jets composed of different immiscible fluids with each other, of micro or nanometric size. It can be used for the generation of microbubbles, micro-foams, micro-drops, microemulsions or microcapsules.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) genuinely an axial symmetry (axilsymmetric) in the area of the interface in which the jet is produced, although in its materialization there may be disymmetries associated with irregularities in the feeding tubes, misalignments between the feeding tubes and the focusing hole, etc. ., or simply because the outlet orifice and / or the feeding tube do not have axial symmetry (Anna, Bontoux and Stone 2002, private communication). In sum, they are methods in which the three dimensions of the fluid domain are comparable, and there is a main and unique direction of flow that is responsible for axial symmetry.
  • the state of the art report will be divided into three sections, one dedicated to the generation of microbubbles and foams, another to atomization and the last to encapsulation and emulsion generation.
  • This last feature has special utility in the field of food (manufacture of mousses, yogurt creams, mayonnaises, chocolates ”) since in this industry it is intended to reduce costs by using less raw material in the manufacture of the product : The greater the volume of air introduced in the form of microbubbles, the greater the savings in raw material.
  • microbubbles The basic procedures for obtaining microbubbles can be classified, generically, into two large groups, those that use mechanical means and those that use pneumatic means.
  • Microbubble generating devices based on mechanical means are basically "blenders" (PAT US4578278, PAT WO0174478).
  • the air that enters a liquid that contains natural (egg) or artificial surfactants when removed by means of mobile blades or blades, is confined in the form of small bubbles.
  • These bubbles have a very varied distribution of sizes and the generation process is energetically very expensive due to the fact that it has to move a lot of liquid mass so that finally an appreciable amount of gas enters.
  • Bubble generating device with moving parts consists in rotating in a liquid bath a cylindrical surface with small holes and which is fed inside by gas (PAT WO0160504).
  • PAT WO0160504 gas
  • the viscous stresses and the small pressure differences caused by the relative movement between the cylinder and the liquid causes the generation of small bubbles.
  • This procedure like the previous one, has the disadvantage of making a great energy expenditure and owning moving parts.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) on which the liquid jet affects, is at a pressure higher than the environment (US5783118). This procedure allows to obtain bubbles of much smaller sizes than those obtained according to (US4162970). Despite this, all these methods have the disadvantage that the injected gas flow rate is small compared to the flow rate of liquid needed to generate the bubbles. This makes the process energy efficient and the foam obtained has small volumetric gas / liquid ratios.
  • Emulsion generator or encapsulator
  • the capsules are generated by chemical processes of deposition of a substance on the surface of a drop of a compound or active ingredient.
  • the purpose of the outer shell which is usually elastic or rigid, is to protect the active substance that is inside.
  • the outer shell is made solid by some method (for example, by making the outer fluid a photopolymer that increases its viscosity or stiffens with ultraviolet light), solid capsules can be generated. Emulsions can be generated in these devices by simply injecting a liquid using any of the procedures outlined above in a bath of an immiscible liquid with the injected fluid.
  • the first procedure belongs to the family of devices known as flow focusing, and is protected by patents US 6174469, US 6187214 and US 6450189. In this case, as with the atomizers of the flow focusing type, the two concentric streams of fluid they are accelerated due to the favorable pressure gradient that exists between a chamber
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) pressurized with gas and outside.
  • the diameter of the inner and outer jets decreases and, finally, by a fundamentally capillary mechanism, the compound drops are generated.
  • These compound drops can have diameters of the order of 100 microns.
  • the inner and outer concentric jets are accelerated using an electric field.
  • the capsules generated can have nanometric sizes (the capsules produced according to this procedure are the smallest ever generated), and are protected according to patents P200100231, PCT ES02 / 00047 and PCT US 02/02787.
  • This procedure has, however, the disadvantage compared to flow focusing devices that electric fields are necessary and that the flow rates of the order are 1000 to 100 times smaller than those that can be used in flow focusing technology.
  • a first object of the present invention is a device for producing fluid jets composed of different immiscible fluids of each other, of micrometric or nanometric size consisting of:
  • a border, 9D ⁇ being this a continuous and closed line of perimeter p.
  • a second solid surface which will be called S 2 , delimited by the border dD, connected and totally impermeable or connected and impermeable throughout its area except for one or more holes so that the total area, A 2 , of the open or permeable gaps is a maximum of 30% of the total area of the
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) surface, understood by total area of the surface that which includes both the waterproof and the permeable or hollow part, this between 1 square square and 1 square meter, with a maximum difference of 30% between the total areas of the first and the Second surfaces d) The only points of contact between the two surfaces are on the 3D ⁇ border and the distance of any point belonging to the surface If up to 0.2 times the second surface, S, is less than 0.2 times the square root of the total area of the smaller surface. e) The volume contained between surfaces 1 and 2 is hollow. This volume, of small height compared to its other two natural lengths, will be called a cell.
  • N + M Of the total of the holes, N + M, with N> 2 and M ⁇ l, existing in the surface of the cell, N of them will be entrance holes, understanding that through them fluids are injected into the inside the cell, while M of them will be fluid outlets, meaning that through them the injected fluids in the cell are dislodged.
  • N immiscible fluids are injected through the N inlets, with n ⁇ N. Only one fluid can be injected through an inlet port.
  • the n inlet fluids will flow out of the M orifices, and several of the n injected fluids can flow through the same outlet orifice simultaneously.
  • the sum of the areas of the M exit holes contained in the cell surfaces is less than 0.3 times the sum of the areas of the N entry holes.
  • the surface S 2 bounded by the -5D ⁇ border, is a maximum of 10% of the total surface area, with a maximum difference of 10% between the areas of the first and second surfaces.
  • the sum of the areas of the M output holes is less than 0.1 times the sum of the areas of the N input holes.
  • Si and S 2 surfaces can be surfaces composed of several smooth or derivable surfaces in mathematical terms.
  • Another object of the present invention is a process for producing fluid jets composed of different immiscible fluids of each other, of micrometric or nanometric size according to claims 1 and 2 such that
  • N of them will be entry holes, understood as entry hole that whereby a fluid is injected into the cell, while M of them will be fluid exit orifices, which means that one or more of the fluids injected into the cell are discharged.
  • N immiscible fluids are injected through the N inlets, with n ⁇ N. Only one fluid can be injected through an inlet port.
  • the n inlet fluids will flow out of the M orifices, and several of the n injected fluids may flow through the same outlet orifice.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) domain except as possible but not necessarily in an area adjacent to each exit hole and the volume of each of these adjacent areas being less than 2 (A SJ ) 3/2 , where A Sj is the area of the exit hole j.
  • Figure 1 Scheme of the operation of the device as a foam generator. For certain combinations of gas overpressure and liquid flow, foam generation occurs.
  • FIG. 1 Photocomposition of the bubble generation process.
  • the images have been taken using a high speed camera with a shooting time of 20 ⁇ s. In spite of what it may seem, the images are not consecutive in time, but that they belong to a series of 100,000 images and ornaments for 90 minutes. The fact that consecutive events of a random sample can be achieved shows the complete robustness and periodicity of the bubble generation process.
  • fluid 3 (F3 in Figure 10.2) is air at 192 millibars
  • fluid 2 (F2) is silicone oil with a flow rate of 10 ml / h
  • fluid 1 (Fl) is water with a flow rate of 0.5 ml / min.
  • Figure 8 First embodiment of the invention. It is interesting to note the relative roughness of this first embodiment, without precision in any of the measures except in the output micro-channel (not visible in the photo because of its small size), despite which the operation of the device is correct .
  • FIG. 11 Plate with through holes (A), with holes through which fluid 1 (Cl and C2) passes and that feed the small height chamber in which the movement of fluids 1 and 2 takes place.
  • the holes Cl and C2 are fed with the fluid 1 through the chamber D, which is in turn fed through C, which is a through hole of the plate 4 (See Figure 18.2).
  • This plate (2) also has hole B, which is the one that feeds fluid 2 to the small chamber.
  • FIG. 13 Plate with the through holes for the thymes (A) and with the feed holes for fluid 1 (C) and fluid 2 (B). Feed needles pass through holes B and C. The feeding needle that passes through B passes plates 2 and 4. The needle that passes through hole C passes plate 4 and the part of plate 2 in which chamber D is located.
  • FIG. 14 Elements that make up the device.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) 1-
  • the fluid domain in which the microcurrent is generated is substantially two-dimensional, that is, that it is a fluid sheet or that the thickness h of the domain is substantially smaller than its other two dimensions. - It should happen that the surface tension forces associated with the radius of curvature imposed by the thickness of the fluid sheet (and the wetting conditions on the solids that limit it) must be very large compared to any of the mass forces that may appear in the system.
  • the fluid sheet must be limited by an impermeable solid or by an area of "overpressure” or positive fluid feeding on all sides, except for a small outlet channel of width comparable to the thickness of the sheet and located in some border point of the sheet.
  • the micro-current of the first fluid is caused by the flow of the substrate fluid (the second fluid) to the small outlet channel.
  • both gas and liquid are injected at the same time. That is, the bubble formation process occurs within the liquid that is being injected.
  • the scheme of the device used for the generation of bubbles is indicated in Figure 1.
  • the method consists in introducing into a chamber of small width in front of its other two natural dimensions, a gas at an overpressure ⁇ p and a flow rate of liquid Qi.
  • the liquid is injected through the lower holes marked with an L, while the gas is injected through the upper hole marked with a G.
  • This chamber has an outlet to the outside (see Figure 1) through which they exit at the same time both the liquid and the gas when the ⁇ p overpressure meets certain requirements, obtaining the foam (see Figure 2). Indeed, if the overpressure at which the gas is introduced into the chamber is slightly
  • the parameter ⁇ Q g / Q ⁇ , where Q g is the flow of gas leaving through the outlet channel and Q the flow of liquid, and therefore measures the relationship between the volume of gas and the of liquid introduced into the foam, can assume values greater than unity, which makes this method unique among all those protected and described above.
  • Figure 3 shows that, despite the high values of ⁇ , the diameter of the bubbles scales with the width of the outlet channel, d, and are of the order of 50 to 100 ⁇ m
  • this bubble production process lacks moving parts, and the energy used is minimal since only the right amount of liquid is set in motion. In addition, it does not require the centering of the gas injector needles with the outlet holes, which makes its manufacture trivial and that multiplexing can be carried out very simply (See Figure 4). The most important feature is, however, that foams with values of ⁇ can be achieved that far exceed the unit. For all this, this device is optimal for the generation of foams for any type of application, whether medical, in food, in water purification or in the manufacture of materials (solids).
  • the same effect is achieved as with flow focusing (the liquid flow decreases its characteristic cross-section due to the acceleration of the liquid produced by the favorable pressure gradient that exists between the height chamber h and the atmosphere and, in addition, the gas that leaves the chamber disintegrates the flow of liquid in drops of the size
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) characteristic of the thickness of the sheet formed), but with the additional advantage that no liquid injection needle is used. This avoids the problems of centering, so that the manufacture of the present invention is much simpler than that of the flow focusing devices.
  • Another of the additional advantages of the geometry of the present invention is that multiplexing is somewhat immediate as shown in Figure 4.
  • Figure 1 there is a schematic of the device at 1 which is effected 1 to the present. invention working as an atomizer. The liquid can be injected through the upper central hole, and the gas can be injected through the two lower holes or vice versa. In both cases, the average size of the drops generated is less than 30 microns.
  • Emulsion and microcapsule generator Emulsion and microcapsule generator.
  • the device and method objects of the present invention have the advantage, compared to the flow focusing devices, that they are very easy to construct and the packing of several injectors is very easy as it was shown in Figure 4.
  • emulsions can be generated whose scale laws are analogous to those of flow focusing technology (US 6174469, US 6187214 and US 6450189).
  • a small modification of the device is required with respect to the basic geometry of Figures 1 and 5. This modification is simply to add more feed holes for
  • Figure 7 shows the generation of a water emulsion in silicone oil. This mixture is accelerated, in order to reduce the size of the possible capsules generated, through a favorable pressure gradient established by air introduced through the lower holes.
  • the thickness of the domain is 50 microns, while its width measures 3000 microns (60 times greater) and its length is 15000 microns (300 times greater).
  • water is being injected through the two visible holes on the right and left, and air through a central hole located above (not visible).
  • the amber sheet is Kapton 50 microns thick, and the distance between the centers of the holes is 3mm. Note the manifest imperfection of the exit channel, the asymmetry of the lateral feeding holes, etc.
  • the hole or chamber in the sheet had a rectangular shape 3mm wide and 15mm high (thickness 0.05mm), and the exit channel was located in the center of one of the 3mm sides.
  • the exit channel was lmm in length and a width of approximately 0.12mm, with a thickness of 0.05mm.
  • the fluids were supplied through 1.6mm diameter tubes that discharged in the direction perpendicular to the sheet as shown in Figure 8.
  • the proposed method participates with "flow focusing" of the characteristic that the formed fluid ligament is more “thin” than the width of the exit channel or orifice because a second fluid is used that is flowed concentrically or simultaneously with the first through of said hole, the new method is essentially "two-dimensional" in its geometry, and does not require an alignment between the feed tubes and the outlet hole.
  • the device of the present invention can be made with 3 methacrylate plates, several thymes and a sheet of small thickness of any material that can be easily cut (2-sided adhesive, K apton, and even small metal sheets).
  • the manufacturing of the device is quite simple: 3 plates of any material (methacrylate, plastic, metal) are taken and the holes detailed in figures 10, 11, 12, and 13 are made.
  • Chamber D is made in plate 2 as indicated in Figure 1.
  • a sheet of any material (2-sided adhesive, Kapton, plastic, metal) of the same area as the plates of Figures 10, 11 and 12 is taken. This sheet is cut in the manner indicated in Figure 12 and the holes are made through which the through screws will pass.
  • the sheet 3 is placed between the plates 1 and 2, thus forming between the plates 1 and 2 and in the hollow area of the sheet 3, the chamber in which the movement of the fluids 2 and 1 is to be developed, (respectively supplied to this chamber through holes B and Cl, C2 of Figure 11) before leaving through the exit channel.
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) - The very small number of parts of a device, which greatly facilitates its mass manufacturing. - The enormous robustness and reproducibility of the system. The fluid currents are always in contact with a solid, which determines in a special way the robustness of the system, that is, there are no free or floating capillary areas that are particularly susceptible to imperfections and irregularities of the feeding tubes on those that are anchored (as is the case with electrospray or flow focusing). - The enormous versatility of the system. As with flow focusing, it has been verified that the device can be used as: a. Liquid nebulizer device. b. Device producing micro-foams. c. Device producing micro-emulsions. d.
  • Micro-encapsulator device especially robust, having tested various combinations of fluids. -

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Abstract

Método y dispositivo de generacíon de microcorrientes fluidas para la produccíon de microburbujas, microespumas, microgotas, microemulsiones y microcápsulas. Consiste en un dispositivo y casi-bidimensional (en el que el espesor interior es sensiblemente inferior al largo y al alto) con diversos canales de entrada según la direccíon del espesor para fluidos inmiscibles entre sí introducidos por presión, y uno p varios canales de salida perpendiculares a aquéllos, de sección y número menor que la de los de entrada. Las parades interiores son superficies compuestas por varias superficies suaves. En el procedimiento, las interfases entre fluidos en el interior del dispositivo son estacionarias y las fuerzas de tensión superfical son mucho mayores que el resto de las fuerzas másicas.

Description

FLUIDAS PARA LA PRODUCCIÓN DE MICROBURBUJAS, MICROGOTAS, MICROEMULSIONES Y MICROCÁPSULAS
INTRODUCCIÓN Y OBJETO DE LA INVENCIÓN.
En lo que sigue se describe un dispositivo y un procedimiento para la producción de chorros fluidos compuestos de diferentes fluidos inmiscibles entre si, de tamaño micro o nanométrico. Puede ser utilizado para la generación de microburbujas, microespumas, microgotas, microemulsiones o microcápsulas.
ESTADO DE LA TÉCNICA
En los últimos años se han multiplicado los estudios, invenciones y aplicaciones relacionadas con el control microscópico de las corrientes fluidas, y entre estos estudios e invenciones destacan los que involucran superficies libres o interfases entre dos fluidos inmiscibles para poder conseguir estructuras microscópicas (micro-gotas, micro-burbujas, micro-cápsulas, etc.) de forma reproducible y robusta. Conviene destacar aquí dos fenómenos/inventos peculiares representativos de la generación de micro-chorros: (i) el electrospray o producción de micro-chorros de líquido mediante fuerzas electrostáticas, conocido desde hace siglos, y (ii) el "flow focusing" capilar, que emplea fuerzas de presión (puramente mecánicas) y un orificio de "enfocamiento" para generar el chorro, y que fue descubierto por A. M. Gañán Calvo. Es necesario aclarar que el orificio de enfocamiento en "flow focusing" tiene un diámetro significativamente mayor que el diámetro del micro-chorro generado, ya que se utiliza un segundo fluido forzado concéntricamente con el primero como "enfocante" a través del orificio de enfocamiento. Respondiendo a su geometría, ambos métodos presentan
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) genuinamente una simetría axial (axilsimétricos) en la zona de la interfase en la que se produce el chorro, aunque en su materialización puedan surgir disimetrías asociadas a irregularidades en los tubos de alimentación, desalineamientos entre los tubos de alimentación y el orificio de enfocamiento, etc., o simplemente porque el orificio de salida y/o el tubo de alimentación no presenten simetría axial (Anna, Bontoux y Stone 2002, comunicación privada). En suma, son métodos en los que las tres dimensiones del dominio fluido son comparables, y existe una dirección principal y única de flujo que es la responsable de la simetría axial.
En el caso del electrospray, los principales inconvenientes provienen de:
(i) la inherente e inevitable dependencia del fenómeno respecto a las propiedades eléctricas del líquido, lo cual limita enormemente la libertad paramétrica fisiciquímica del método (aunque hayan surgido aplicaciones de enorme relevancia en bioquímica -espectometría de masas de moléculas biológicas),
(ii) la pequeña productividad de método (caudal másico muy pequeño) y la dificultad para "escalarlo" o "multiplicarlo" (multiplexing) (iii) la mediocre robustez del método por su gran dependencia de las condiciones superficiales y tamaños de los tubos de alimentación de los líquidos.
En "flow focusing", aunque se eliminan los inconvenientes de la dependencia respecto a las propiedades del fluido y se trata de un método muy fácilmente escalable o multiplicable, aún se tienen problemas respecto al alineamiento de los tubos de alimentación respecto a los orificios de enfocamiento, y la naturaleza esencialmente "tridimensional" de la geometría involucrada.
Puesto que el dispositivo presentado puede tener múltiples aplicaciones, el informe del estado de la técnica se dividirá en tres secciones, una dedicada a la generación de microburbujas y e spumas, otra a la atomización y la última a la encapsulación y la generación de emulsiones.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Formación de burbujas:
Son muchos los métodos utilizados para la generación de burbujas y microespumas. Estos métodos son empleados para la aireación y purificación de aguas, como agentes de contrastes en aplicaciones médicas, para la generación de productos alimenticios como mayonesas, yogures o mousses con un alto contenido en aire. Para solucionar estos problemas es necesario un procedimiento de manera que el tamaño de las burbujas sea el menor posible (al disminuir el tamaño de la burbuja, para un volumen fijo de gas, se aumenta la superficie de contacto con el líquido), que el procedimiento suponga el menor gasto energético posible y que la relación entre el volumen de gas y el de líquido de la espuma g enerada pueda ser c ontrolado. Además, e s deseable un sistema que permita la generación de espumas con una elevada relación de volumen de gas frente a volumen de líquido utilizado. Esta última característica tiene especial utilidad en el campo de la alimentación (fabricación de mousses, de cremas de yogurt, de mayonesas, de chocolates...) puesto que en esta industria se pretende disminuir costes al emplear menos materia prima en la fabricación del producto: a mayor volumen de aire introducido en forma de microburbujas, mayor ahorro en materia prima.
Los procedimientos básicos para la obtención de microburbujas pueden c lasificarse, genéricamente, en dos grandes grupos, los que utilizan medios mecánicos y los que utilizan medios neumáticos.
Los dispositivos generadores de microburbujas basados en medios mecánicos, son, básicamente "batidoras" (PAT US4578278, PAT WO0174478). En efecto, el aire que entra en un líquido que contenga surfactantes naturales (huevo) o artificiales, al ser removido mediante palas o alabes móviles queda confinado en forma de pequeñas burbujas. Estas burbujas poseen una distribución de tamaños muy variada y el proceso de generación es energéticamente muy costoso por el hecho de tener que mover mucha masa líquida para que finalmente entre una cantidad apreciable de gas. Otro tipo de
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) dispositivo generador de burbujas con partes móviles consiste en hacer rotar en un baño líquido una superficie cilindrica con pequeños orificios y que se encuentra alimentada en su parte interior por gas (PAT WO0160504). Los esfuerzos viscosos y las pequeñas diferencias de presión originadas por el movimiento relativo entre el cilindro y el líquido produce la generación de pequeñas burbujas. Este procedimiento, al igual que el anterior, tiene la desventaja de realizar un gran gasto energético y de poseer partes móviles.
En cuanto a los dispositivos basados en medios neumáticos para la producción de burbujas, estos se basan en hacer pasar aire a través de tubos de pequeño tamaño y descargar el gas en un recipiente relleno de líquido en reposo (WO0187052, US6461500), o bien descargar el aire en una corriente líquida en movimiento (US5674433, EP0523202, WO09212788, WO0176728). Otro tipo de dispositivos parecidos a los anteriores pero conceptualmente ligeramente distintos, son aquellos en los que se hace fluir de manera simultánea el líquido y el gas a través de pequeños orificios (WO0174722, US6394429, US6299145). En el caso de las patentes US6394429 y US6299145 (flow focusing) es necesario que el gas sea inyectado a través de una aguja que está situada de manera concéntrica con el orificio de salida. Este método presenta la desventaja del centrado de la aguja con el orificio, siendo el problema mucho más acusado en el caso de la producción de cantidades de espuma a nivel industrial, puesto que en este caso son necesarios múltiples agujas inyectoras de gas y orificios de salida. En cualquier c aso, en los p rocedimientos a los que hacen referencia las patentes WO0174722, US6394429, US6299145 el gasto de líquido es muy superior al de gas, resultando una espuma con una baja cantidad de aire, aunque el tamaño de las burbujas conseguidas sea pequeño y el gasto energético sea inferior a los métodos referidos en US5674433, EP0523202, WO09212788, WO0176728. También existen métodos de aireación que generan microburbujas haciendo impactar un chorro líquido sobre una entrefase en contacto con una atmósfera gaseosa. Debido al movimiento turbulento del líquido, la entrefase líquido-gas se deforma permitiendo la entrada de gas en la masa líquida (US4162970). También existe un método parecido a e ste ú ltimo p ero e n e 1 q ue 1 a atmósfera e n 1 a que s e e ncuentra 1 a s uperficie 1 ibre
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) sobre la que incide el chorro líquido, está a una presión superior a la ambiente (US5783118). Este procedimiento permite obtener burbujas de tamaños mucho menores que los conseguidos según (US4162970). A pesar de esto, todos estos métodos presentan la desventaja de que el caudal de gas inyectado es pequeño en comparación con el caudal que se necesita de líquido para generar las burbujas. Esto hace que el proceso sea energéticamente poco eficiente y que la espuma obtenida tenga relaciones volumétricas de gas/líquido pequeñas.
Atomizador:
Las aplicaciones de la atomización (disgregación de una corriente continua de un líquido en gotas en el seno de un gas) en la industria actual son innumerables. Entre ellas cabe citar: la combustión, la generación de inhaladores con fines terapéuticos, el enfriamiento evaporativo, el tratado de superficies, las impresoras... Existe una gran cantidad de tipos distintos de atomizadores en el mercado. Uno de los muchos métodos utilizados en la generación de sprays es la utilización de las fuerzas aerodinámicas para disgregar una corriente de líquido. A este tipo de atomizadores se les conoce con el nombre genérico de atomizadores neumáticos. Entre los atomizadores neumáticos que se conocen, tienen especial relevancia los atomizadores conocidos con el nombre genérico de flow focusing. En este tipo de atomizadores el líquido es inyectado a través de una aguja que descarga en una cámara en la que hay gas a presión. La aguja se coloca de manera concéntrica con el orificio de salida de la cámara de gas a presión. Con esta disposición geométrica, tanto el líquido como el gas abandonan conjuntamente la cámara a presión y el diámetro (dj) del chorro líquido que se forma puede ser, dependiendo de la presión a la que se encuentre el gas, mucho menor que el diámetro de la aguja de inyección de líquido. Posteriormente, la corriente gaseosa disgrega el chorro líquido en gotas que son del orden de dj. Este método permite obtener gotas líquidas de tamaños mícrométricos, y está protegido según las patentes US 6241159 y US 6119953.
Generador de emulsiones o encapsulador:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) En los últimos tiempos, existe un interés creciente por parte de la industria alimenticia, farmacéutica o química de generar cápsulas que contengan en su interior un principio activo y que exteriormente están recubiertas de una coraza flexible o rígida. Son innumerables las patentes que registran un procedimiento para la producción de cápsulas o de emulsiones. En el caso de cápsulas para aplicación alimenticia se encuentran los ejemplos de las patentes AU754712 y EP1263451. En aplicaciones a la industria química (principalmente empresas dedicadas a la fabricación de detergentes), EP1288287 y WO03002160. Las aplicaciones a la industria farmacéutica son las más comunes y cuentan con innumerables registros, entre los que cabe citar WO03004003, WO0041740, US6514526, EP1151746. En la mayor parte de estos ejemplos, las cápsulas son g eneradas m ediante procesos químicos de deposición de una sustancia sobre la superficie de una gota de un compuesto o principio activo. El fin de la cubierta externa, que suele ser elástica o rígida, es la de proteger el principio activo que se encuentra en su interior. Existen procedimientos, patentados inicialmente en la Universidad de Sevilla, que siguen un procedimiento diferente para encapsular líquidos o generar emulsiones. Ambos se basan en hacer fluir de manera coaxial dos corrientes fluidas inmiscibles. Es bien sabido que los chorros cilindricos se rompen en gotas debido al crecimiento de una inestabilidad capilar, también conocida como inestabilidad de Rayleigh. Cuando esta rotura se produce de manera simultánea en los chorros interior y exterior, se generan gotas que en su interior poseen otras gotas de menor tamaño. Si la cubierta externa se hace sólida mediante algún procedimiento (por ejemplo, haciendo que el fluido exterior sea un fotopolímero que aumente su viscosidad o que se rigidice con luz ultravioleta), pueden generarse cápsulas sólidas. Las emulsiones pueden generarse en estos dispositivos sin más que inyectar un líquido utilizando cualquiera de los procedimientos antes señalados en un baño de un líquido inmiscible con el fluido inyectado. El primer procedimiento pertenece a la familia de dispositivos conocidos como flow focusing, y está protegido por las patentes US 6174469, US 6187214 y US 6450189. En este caso, al igual que ocurre con los atomizadores del tipo flow focusing las dos corrientes concéntricas de fluido son aceleradas debido al gradiente favorable de presión que existe entre una cámara
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) presurizada con gas y el exterior. El diámetro de los chorros interior y exterior decrece y, finalmente, por un mecanismo fundamentalmente capilar, se generan las gotas compuestas. Estas gotas compuestas pueden llegar a tener diámetros del orden de las 100 mieras. Por otra parte, con la tecnología conocida como Y-Flow, los chorros concéntricos interior y exterior son acelerados haciendo uso de un campo eléctrico. Las cápsulas generadas pueden llegar a tener tamaños nanométricos (las cápsulas producidas según este procedimiento son las más pequeñas jamás generadas), y está protegido según las patentes P200100231, PCT ES02/00047 y PCT US 02/02787. Este procedimiento tiene, sin embargo, la desventaja frente a los dispositivos flow focusing de que son necesarios campos eléctricos y que los caudales de líquido son del orden de 1000 a 100 veces menores que los que se pueden utilizar en la tecnología flow focusing.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Constituye un primer objeto de la presente invención un dispositivo de producción de chorros fluidos compuestos, de diferentes fluidos inmiscibles entre sí, de tamaño micrométrico o nanométrico que consiste en :
a) Una frontera, 9Dι siendo ésta una línea continua y cerrada de perímetro p. b) Una primera superficie sólida, que se denominará Si, cuyo borde coincide con la frontera 9Dι, conexa e impermeable en toda su área salvo por uno o más huecos de manera que el área total, Ai, de los huecos abiertos o permeables es como máximo un 30% del área total de la superficie, entendiendo por área total de la superficie aquella que comprende tanto la parte impermeable como aquella permeable o hueca y estando la superficie total comprendida entre 1 miera cuadrada y 1 metro cuadrado. c) Una segunda superficie sólida, que se denominará S2, delimitada por la frontera dD , conexa y totalmente impermeable o bien conexa e impermeable en toda su área salvo por uno o más huecos de manera que el área total, A2, de los huecos abiertos o permeables es como máximo un 30% del área total de la
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) superficie, entendiendo por área total de la superficie aquella que comprende tanto la parte impermeable como aquella permeable o hueca, comprendida ésta entre 1 miera cuadrada y 1 metro cuadrado, habiendo una diferencia máxima de un 30% entre las áreas totales de la primera y la segunda superficies. d) Los únicos puntos de contacto entre las dos superficie se encuentran sobre la frontera 3Dι y la distancia de cualquier punto perteneciente a la superficie Si hasta la segunda de las superficies, S , es inferior a 0.2 veces la raíz cuadrada del área total de la superficie más pequeña. e) El volumen contenido entre las superficies 1 y 2 está hueco. Este volumen, de altura pequeña comparada con sus otras dos longitudes naturales, será denominado celda. f) Del total de los huecos, N+M, con N>2 y M≥l, existentes en la superficie de la celda, N de ellos serán orificios de entrada, entendiendo por esto que a través de ellos se inyectan fluidos hacia el interior de la celda, mientras que M de ellos serán orificios de salida de fluidos, entendiendo por esto que a través de ellos se desalojan los fluidos inyectados en la celda. g) A través de los N orificios de entrada se inyectan n fluidos inmiscibles entre sí, con n≤N. A través de un orificio de entrada sólo se podrá inyectar un único fluido. h) A través de los M orificios de salida saldrán los n fluidos de entrada, pudiendo salir a través de un mismo orificio de salida y de manera simultánea, varios de los n fluidos inyectados. i) La suma de las áreas de los M huecos de salida contenidos en las superficies de la celda, es inferior a 0.3 veces la suma de las áreas de los N huecos de entrada.
En particular, la superficie S2, delimitada por la frontera -5Dι, es como máximo un 10% del área total de la superficie, habiendo una diferencia máxima de un 10% entre las áreas de la primera y la segunda superficie. También, la suma de las áreas de los M huecos de salida es inferior a 0.1 veces la suma de las áreas de los N huecos de entrada.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Las superficies Si y S2 pueden ser superficies compuestas por varias superficies suaves o derivables en términos matemáticos.
Constituye otro objeto de la presente invención un procedimiento de producción de chorros fluidos compuestos de diferentes fluidos inmiscibles entre sí, de tamaño micrométrico o nanométrico según las reivindicaciones 1 y 2 tal que
a) Del total de los huecos, N+M, con N>2 y M>1, existentes en la superficie de la celda definida en las reivindicaciones 1 y 2, N de ellos serán orificios de entrada, entendiendo por orificio de entrada aquél por el que se inyecta un fluido hacia el interior de la celda, mientras que M de ellos serán orificios de salida de fluidos, entendiendo por orificio de salida aquél por el que se desalojan uno o varios de los fluidos inyectados en la celda. b) A través de los N orificios de entrada se inyectan n fluidos inmiscibles entre sí, con n≤N. A través de un orificio de entrada sólo se podrá inyectar un único fluido. c) A través de los M orificios de salida saldrán los n fluidos de entrada, pudiendo salir a través de un mismo orificio de salida y de manera simultánea, varios de los n fluidos inyectados. d) Los n fluidos inmiscibles inyectados a través de los N orificios de entrada abandonan 1 a c elda a través d e 1 os M o rificios de s alida, d e m añera q ue 1 as interfases existentes entre los distintos fluidos son estacionarias en el interior de la celda definida en las reivindicaciones 1 y 2, salvo posible pero no . necesariamente en la zona adyacente a cada orificio de salida y siendo el volumen de cada una de estas zonas adyacentes inferior a 2 (ASj) , siendo ASj 0 el área d e d el o rificio de s alida j , s i 1 os caudales i nyectados a través d e 1 os orificios de entrada no varían con el tiempo. e) Las fuerzas de tensión superficial en la interfase entre los fluidos inyectados en la celda de las reivindicaciones 1 y 2, son mucho mayores que cualquier otra fuerza másica presente en el dominio, debido a lo pequeño del espesor de dicho
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) dominio, salvo posible pero no necesariamente en una zona adyacente a cada orificio de salida y siendo el volumen de cada una de estas zonas adyacentes inferior a 2 (ASJ)3/2, siendo ASj el área de del orificio de salida j.
Alguna de las superficies que delimitan la celda referida anteriormente, pueden recibir un tratamiento hidofóbico o hidrófilo, sin que ello suponga un cambio cualitativo en el comportamiento del dispositivo. También, la superficie que rodea por el exterior a los M orificios de salida, entendiendo por exterior el volumen complementario al volumen de la celda, puede recibir un tratamiento hidrófobo o hidrófilo.
Preferentemente, el número de fluidos inmiscibles inyectados por los huecos de entrada en la celda definida anteriormente para producir la atomización de un líquido en un gas es dos (n=2).
Para la generación de espumas con burbujas de tamaño micrométrico, el número de fluidos inmiscibles inyectados por los huecos de entrada en la celda definida anteriormente es preferentemente dos (n=2), siendo uno de ellos un líquido y el otro un gas.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Figura 1. Esquema del funcionamiento del dispositivo como generador de espumas. Para cierta combinaciones de sobrepresión del gas y de caudal de líquido, se produce la generación de la espuma.
Figura 2. Fotocomposición del proceso de generación de burbujas. Las imágenes han sido tomadas utilizando una cámara de alta velocidad con un tiempo de disparo de 20 μs. A pesar de lo que pueda parecer, las imágenes no son consecutivas en el tiempo, sino q ue p ertenecen a u na s erie de l 000 i mágenes t ornadas d urante 90 m inutos. E 1 hecho de que se puedan conseguir eventos consecutivos de una muestra aleatoria muestra la completa robustez y periodicidad del proceso de generación de burbujas.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Como se observa en la imagen, las burbujas comienzan a formarse justamente en la entrada del canal de salida
Figura 3. Espuma generada para
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ml/h y Δρ=480 mbar. El valor de λ es de 0.87. El diámetro de la aguja de sílica que se ha incluido en la foto a efectos de comparación es de 360 μm. El diámetro de las burbujas de mayor tamaño es, aproximadamente, de
120 μm. Propiedades físicas del líquido: p=1104 kg m-3 , μ=0.00437 kg m"1 s"1 , σ«0.04 N/m
V Figura 4. Esquema de una posible configuración para la multiplexación. G indica inyección de gas a través del orificio superior y L inyección de líquido a través de los orificios inferiores.
Figura 5. Esquema de utilización del dispositivo como atomizador.
Figura 6. Esquema del dispositivo para la producción de emulsiones de los fluidos 2 y 3 en el fluido 1 (fase continua). Este mismo esquema puede ampliarse a un número indeterminado de fluidos.
Figura 7. En esta fotografía, el fluido 3 (F3 en la Figura 10.2) es aire a 192 milibares, el fluido 2 (F2) es aceite de silicona con un caudal de 10 ml/h y el fluido 1 (Fl) es agua con un caudal de 0.5 ml/min.
Figura 8. Primera realización del invento. Es interesante notar la relativa tosquedad de esta primera realización, sin precisión en ninguna de las medidas salvo en el micro- canal de salida (no visible en la foto por su pequeño tamaño), a pesar de lo cual el funcionamiento del dispositivo es el correcto.
Figura 9. Detalle del funcionamiento del dispositivo bajo unas condiciones arbitrarias.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) Figura 10. Placa con orificios (marcados con A) a través de los que pasan tomillos pasantes.
Figura 11. Placa con los orificios pasantes (A), con orificios a través de los que pasa el fluido 1 (Cl y C2) y que alimentan la cámara de pequeña altura en la que se desarrolla el movimiento de los fluidos 1 y 2. Los orificios Cl y C2 están alimentados del fluido 1 a través de la cámara D, que se encuentra alimentada a su vez a través de C, que es un orificio pasante de la placa 4 (Ver figura 18.2). Esta placa (2) también posee el orificio B, que es el que alimenta de fluido 2 a la cámara de pequeña altura.
Figura 12. Lámina de pequeño espesor perforada con los orificios a través de los que pasan los tornillos. La parte recortada de esta lámina forma la cámara en la que ase desarrolla el movimiento y el canal de salida.
Figura 13. Placa con los orificios pasantes para los tomillos (A) y con los orificios de alimentación del fluido 1 (C) y de fluido 2 (B). A través de los orificios B y C pasan agujas de alimentación. La aguja de alimentación que pasa por B traspasa las placas 2 y 4. La aguja que pasa por el orificio C traspasa la placa 4 y la parte de la placa 2 en la que se encuentra la cámara D.
Figura 14. Elementos que componen el dispositivo.
Figura 15. Dispositivo completamente montado
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
Presentamos un nuevo método para la generación y control de micro-corrientes fluidas (líquido o gas) en el seno de otro fluido inmiscible con el primero, que presenta las siguientes peculiaridades:
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) 1- El dominio fluido en el que se genera la micro-corriente es sustancialmente bidimensional, es decir, que se trata de una lámina fluida o que el espesor h del dominio es sustancialmente menor que sus otras dos dimensiones. - Debe ocurrir que las fuerzas de tensión superficial asociadas al radio de curvatura impuesto por el espesor de la lámina fluida (y las condiciones de mojado sobre los sólidos que la limitan) deben ser muy grandes en comparación con cualquiera de las fuerzas másicas que puedan aparecer en el sistema.
3- La lámina fluida debe estar limitada por un sólido impermeable o por un área de "sobrepresión" o de alimentación positiva de fluido por todos sus lados, salvo por un pequeño canal de salida de anchura comparable al espesor de la lámina y situado en algún punto de la frontera de la lámina. La micro-corriente del primer fluido es provocada por el flujo del fluido-sustrato (el segundo fluido) hacia el pequeño canal de salida.
En relación con las aplicacones indicadas en el estado de la técnica, se describe a continuación el funcionamiento del dispositivo y procedimiento objetos de la presente invención.
Generador de microespumas.
En la presente invención, tanto el gas como el líquido son inyectados a la vez. Es decir, que el proceso de formación de burbujas se produce en el seno del líquido que está siendo inyectado. El esquema del dispositivo empleado para la generación de burbujas se indica en la Figura 1. El método consiste en introducir en una cámara de anchura pequeña frente a sus otras dos dimensiones naturales, un gas a una sobrepresión Δp y un caudal de líquido Qi . E 1 líquido es inyectado a través de los orificios inferiores marcados con una L, mientras que el gas es inyectado a través del orificio superior marcado con una G. Esta cámara tiene una salida al exterior (véase la Figura 1) a través del que salen a la vez tanto el líquido como el gas cuando la sobrepresión Δp cumple ciertos requisitos, obteniéndose la espuma (véase la Figura 2). En efecto, si la sobrepresión a la que se introduce el gas en la cámara es ligeramente
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) superior a una determinada, parte del gas abandonará la cámara en forma de burbujas en el seno de la corriente de líquido (Véanse las Figuras 2).
En la presente invención, el parámetro λ=Qg/Qι, siendo Qg el caudal de gas que sale a través del canal de salida y Q el caudal de líquido, y que por tanto mide la relación entre el volumen de gas y el de líquido introducido en la espuma, puede asumir valores mayores que la unidad, lo que hace a este método singular entre todos los protegidos y anteriormente descritos.
En cuanto al tamaño de las burbujas de la espuma generada, las Figura 3 muestra que, a pesar de los elevados valores de λ, el diámetro de las burbujas escala con el ancho del canal de salida, d, y son del orden de 50 a 100 μm.
Como se puede comprobar, este procedimiento de producción de burbujas carece de partes móviles, y la energía empleada es mínima puesto que sólo se pone en movimiento la cantidad justa de líquido. Además, no requiere el centrado de las agujas inyectoras de gas con los orificios de salida, lo que hace que su fabricación sea trivial y que la multiplexación se pueda realizar de manera muy simple (Véase la figura 4). La característica más importante es, sin embargo, que pueden conseguirse espumas con valores de λ que superan con creces la unidad. Por todo ello, este dispositivo es óptimo para la generación de espumas para cualquier tipo de aplicación, bien sea médica, en alimentación, en depuración de agua o en la fabricación de materiales (sólidos).
Atomizador.
Con el dispositivo y procedimiento propuestos en la presente invención se consigue el mismo efecto que con flow focusing (la corriente de líquido disminuye su sección transversal característica debido a la aceleración del líquido producida por el gradiente favorable de presiones que existe entre la cámara de altura h y la atmósfera y, además, el gas que sale de la cámara disgrega la corriente de líquido en gotas del tamaño
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) característico del espesor de la lámina formada), pero con la ventaja adicional de que no se emplea ninguna aguja de inyección de líquido. Esto evita los problemas de centrado, con lo que la fabricación del presente invento es mucho más simple que la de los dispositivos flow focusing. Otra de las ventajas adicionales de la geometría de la presente invención es que la multiplexación es algo inmediato como lo demuestra la Figura 4. E n 1 a figura 5 s e m uestra un e squema d el d ispositivo a 1 q ue s e r efiere 1 a presente invención funcionando como atomizador. El líquido puede inyectarse a través del orificio central superior, y el gas ser inyectado a través de los dos orificios inferiores o viceversa. En ambos casos, la media de tamaños de las gotas generadas es inferior a las 30 mieras. En cualquier caso, se compmeba que las leyes de escala para las gotas generadas mediante este invento son iguales a las de los dispositivos flow focusing, con la ventaja por parte de este tipo de dispositivos de que no hay agujas de inyección y por tanto los problemas de centrado con los orificios de salida no existen y de que el empaquetamiento es algo inmediato como lo demuestra la figura 4.
La ventaja fundamental de este dispositivo frente a los mencionados anteriormente es su fácil construcción y la facilidad de empaquetamiento puesto que con esta configuración es posible empaquetar del orden de los 5 inyectores por milímetro lineal.
Generador de emulsiones y microcápsulas.
El dispositivo y procedimiento objetos de la presente invención presentan la ventaja, frente a los dispositivos flow focusing, de que son muy fáciles de construir y el empaquetamiento de varios inyectores es muy fácil como se compmeba de la Figura 4. Con el dispositivo de esta invención, pueden generarse emulsiones cuyas leyes de escala son análogas a las de la tecnología flow focusing (US 6174469, US 6187214 y US 6450189). Para poder realizar emulsiones y cápsulas se requiere una pequeña modificación del dispositivo con respecto a la geometría básica de las Figuras 1 y 5. Esta modificación consiste simplemente en añadir más orificios de alimentación para
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) los fluidos adicionales que se quieren mezclar, siendo el esquema del dispositivo para la generación de emulsiones el de la figura 6.
En la Figura 7 se observa la generación de una emulsión de agua en aceite de silicona. Esta mezcla es acelerada, para así disminuir el tamaño de las posibles cápsulas generadas, a través de un gradiente favorable de presiones establecido por aire introducido a través de los orificios inferiores.
MODO PREFERENTE DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN.
En la primera realización del invento (Figura 8) el espesor del dominio es de 50 mieras, mientras que su ancho mide 3000 mieras (60 veces mayor) y su largo es 15000 mieras (300 veces mayor). En la Figura 9, se está inyectando agua por los dos orificios visibles a derecha e izquierda, y aire por un orifio central situado por encima (no visible). La lámina de color ámbar es Kapton de 50 mieras de espesor, y la distancia entre los centros de los orificios es de 3mm. Obsérvese la imperfección manifiesta del canal de salida, la asimetría de los orificios de alimentación laterales, etc. La hueco o cámara en la lámina tenía forma rectangular de ancho 3mm y alto 15mm (espesor 0.05mm), y el canal de salida se situó en el centro de uno de los lados de 3mm. El canal de salida tenía lmm de longitud y una anchura de 0.12mm aproximadamente, con un espesor de 0.05mm. Los fluidos se suministraban a través de tubos de 1.6mm de diámetro que descargaban en la dirección perpendicular a la lámina como se muestra en la figura 8.
Aunque el método propuesto participa con "flow focusing" de la característica que el ligamento fluido formado es más "delgado" que la anchura del canal u orificio de salida porque se utiliza un segundo fluido que se hace fluir concéntrica o simultáneamente con el primero a través de dicho orificio, el nuevo método es esencialmente "bidimensional" en su geometría, y no requiere de un alineamiento entre los tubos de alimentación y el orificio de salida. De hecho, los tubos de
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) alimentación se encuentran significativamente "lejos" del orificio de salida (ver Figuras 1 y 8).
El dispositivo de la presente invención puede realizarse con 3 placas de metacritato, varios tomillos y una lámina de pequeño espesor de cualquier material que pueda cortarse c on facilidad ( adhesivo d e 2 c aras, K apton, e i ncluso láminas metálicas d e pequeño espesor).
La fabricación del dispositivo es bastante simple: se toman 3 placas de cualquier material (metacrilato, plástico, metal) y se efectúan los taladros detallados en las figuras 10, 11, 12, y 13. Se realiza la cámara D en la placa 2 como se indica en la Figura 1. Se toma una lámina de cualquier material (adhesivo de 2 caras, Kapton, plástico, metal) de igual área que las placas de las figuras 10,11 y 12. Se recorta esta lámina en la forma indicada en la figura 12 y se realizan los orificios a través de los que pasarán los tornillos pasantes. La lámina 3 se coloca entre las placas 1 y 2 formándose, por tanto, entre las placas 1 y 2 y en la zona hueca de la lámina 3, la cámara en la que se va a desarrollar el movimiento de los fluidos 2 y 1, (suministrados respectivamente a esta cámara a través de los huecos B y Cl, C2 de la figura 11) antes de salir por el canal de salida. El espesor de esta lámina es importante que sea pequeño (debe estar comprendido entre las 5 mieras y las 1000 mieras). Tras la placa 2 se sitúa la placa 4 de manera que todos los orificios de tipo A coincidan entre sí. Se colocan los tomillos pasantes en los orificios de tipo A y se aprietan con tuercas. Una vez realizada esta operación, se introducen agujas de alimentación a través de los orificios B y C de la placa 4. y el dispositivo está listo para operar. En la Figura 14 se muestran todos los elementos referidos en las figuras 10-13, y en la Figura 15 el dispositivo una vez montado.
Entre las ventajas fundamentales de este nuevo invento cabría destacar:
1- La enorme simplicidad del concepto, que supera en sencillez incluso afiow focusing.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) - El reducidísimo número de partes de que consta un dispositivo, lo cual facilita enormemente su fabricación masiva. - La enorme robustez y reproducibilidad del sistema. Las corrientes de fluido se encuentran siempre en contacto con un sólido, lo que determina de manera especial la robustez del sistema, es decir, no se tienen zonas capilares exentas o flotantes que son particularmente susceptibles a las imperfecciones e irregularidades de los tubos de alimentación sobre los que se anclan (como es el caso del electrospray o flow focusing). - La enorme versatilidad del sistema. Al igual que con flow focusing, se ha verificado que el dispositivo puede emplearse como: a. Dispositivo nebulizador de líquidos. b. Dispositivo productor de micro-espumas. c. Dispositivo productor de micro-emulsiones. d. Dispositivo micro-encapsulador especialmente robusto, habiéndose probado variadas combinaciones de fluidos. - La intrínseca facilidad del sistema para su escalado o multiplicación (multiplexing), pudiendo alcanzase densidades de canales de salida mucho más altas que en cualquier otro sistema debido a que se pueden apilar las láminas, y éstas pueden ser arbitrariamente finas (desde la miera a las varias centenas de mieras), lo cual supone una ventaja muy sustancial frente a cualquier otro método conocido, incluso frente a. flow focusing.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)

Claims

REIVINDICACIONES :
1- Dispositivo de producción de chorros fluidos compuestos de diferentes fluidos inmiscibles entre sí, de tamaño micrométrico o nanométrico caracterizado porque consiste en:
j) Una frontera, <3Dι siendo ésta una línea continua y cerrada de perímetro p. k) Una primera superficie sólida, que se denominará Si, cuyo borde coincide con la frontera 9Dι, conexa e impermeable en toda su área salvo por uno o más huecos de manera que el área total, Ai, de los huecos abiertos o permeables es como máximo un 30% del área total de la superficie, entendiendo por área total de la superficie aquella que comprende tanto la parte impermeable como aquella permeable o hueca y estando la superficie total comprendida entre 1 miera cuadrada y 1 metro cuadrado.
1) Una segunda superficie sólida, que se denominará S2, delimitada por la frontera 9Dι, conexa y totalmente impermeable o bien conexa e impermeable en toda su área salvo por uno o más huecos de manera que el área total, A2, de los huecos abiertos o permeables es como máximo un 30% del área total de la superficie, entendiendo por área total de la superficie aquella que comprende tanto la parte impermeable como aquella permeable o hueca, comprendida ésta entre 1 miera cuadrada y 1 metro cuadrado, habiendo una diferencia máxima de un 30% entre las áreas totales de la primera y la segunda superficies. m) Los únicos puntos de contacto entre las dos superficie se encuentran sobre la frontera SDi y la distancia de cualquier punto perteneciente a la superficie Si hasta la segunda de las superficies, S2 , es inferior a 0.2 veces la raíz cuadrada del área total de la superficie más pequeña. n) El volumen contenido entre las superficies 1 y 2 está hueco. Este volumen, de altura pequeña comparada con sus otras dos longitudes naturales, será denominado celda.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) o) Del total de los huecos, N+M, con N>2 y M≥l, existentes en la superficie de la celda, N de ellos serán orificios de entrada, entendiendo por esto que a través de ellos se inyectan fluidos hacia el interior de la celda, mientras que M de ellos serán orificios de salida de fluidos, entendiendo por esto que a través de ellos se desalojan los fluidos inyectados en la celda. p) A través de los N orificios de entrada se inyectan n fluidos inmiscibles entre sí, con n≤N. A través de un orificio de entrada sólo se podrá inyectar un único fluido, q) A través de los M orificios de salida saldrán los n fluidos de entrada, pudiendo salir a través de un mismo orificio de salida y de manera simultánea, varios de los n fluidos inyectados, r) La suma de las áreas de los M huecos de salida contenidos en las superficies de la celda, es inferior a 0.3 veces la suma de las áreas de. los N huecos de entrada.
2- Dispositivo de producción de chorros fluidos compuestos de diferentes fluidos inmiscibles entre sí, de tamaño micrométrico o nanométrico caracterizado porque consiste en:
a) Una frontera, dD siendo ésta una línea continua y cerrada de perímetro p. b) Una primera superficie sólida, que se denominará Si, cuyo borde coincide con la frontera 5Dι, conexa e impermeable en toda su área salvo por uno o más huecos de manera que el área total, Ai, de los huecos abiertos o permeables es como máximo un 10% del área total de la superficie, entendiendo por área total de la superficie aquella que comprende tanto la parte impermeable como aquella permeable o hueca y estando la superficie total comprendida entre 1 miera cuadrada y 1 centímetro cuadrado. c) Una segunda superficie sólida, que se denominará S2, delimitada por la frontera 9Dι, conexa y totalmente impermeable o bien conexa e impermeable en toda su área salvo por uno o más huecos de manera que el área total, A2, de los huecos abiertos o permeables es como máximo un 10% del área total de la
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) superficie, entendiendo por área total de la superficie aquella que comprende tanto la parte impermeable como aquella permeable o hueca, comprendida ésta entre 1 miera cuadrada y 1 centímetro cuadrado, habiendo una diferencia máxima de un 10% entre las áreas totales de la primera y la segunda superficies. d) Los únicos puntos de contacto entre las dos superficie se encuentran sobre la frontera 6Dι y la distancia de cualquier punto perteneciente a la superficie S¡ hasta la segunda de las superficies, S2 , es inferior a 0.1 veces la raíz cuadrada del área total de la superficie más pequeña. e) El volumen contenido entre las superficies 1 y 2 está hueco. Este volumen, de altura pequeña comparada con sus otras dos longitudes naturales, será denominado celda. f) Del total de los huecos, N+M, con N>2 y M≥l, existentes en la superficie de la celda, N de ellos serán orificios de entrada, entendiendo por esto que a través de ellos se inyectan fluidos hacia el interior de la celda, mientras que M de ellos serán orificios de salida de fluidos, entendiendo por esto que a través de ellos se desalojan los fluidos inyectados en la celda. g) A través de los N orificios de entrada se inyectan n fluidos inmiscibles entre sí, con n<N. A través de un orificio de entrada sólo se podrá inyectar un único fluido. h) A través de los M orificios de salida saldrán los n fluidos de entrada, pudiendo salir a través de un mismo orificio de salida y de manera simultánea, varios de los n fluidos inyectados. i) La suma de las áreas de los M huecos de salida contenidos en las superficies de la celda, es inferior a 0.1 veces la suma de las áreas de los N huecos de entrada.
3- Dispositivo de producción de chorros fluidos compuestos de diferentes fluidos inmiscibles entre sí, según las reivindicaciones 1 y 2 tales que las superficies Si y S2
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) pueden ser superficies compuestas por varias superficies suaves o derivables en términos matemáticos.
4- Procedimiento de producción de chorros fluidos compuestos de diferentes fluidos inmiscibles entre sí, de tamaño micrométrico o nanométrico según las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque
f) Del total de los huecos, N+M, con N≥2 y M≥l, existentes en la superficie de la celda definida en las reivindicaciones 1 y 2, N de ellos serán orificios de entrada, entendiendo por orificio de entrada aquél por el que se inyecta un fluido hacia el interior de la celda, mientras que M de ellos serán orificios de salida de fluidos, entendiendo por orificio de salida aquél por el que se desalojan uno o varios de los fluidos inyectados en la celda. g) A través de los N orificios de entrada se inyectan n fluidos inmiscibles entre sí, con n≤N. A través de un orificio de entrada sólo se podrá inyectar un único fluido, h) A través de los M orificios de salida saldrán los n fluidos de entrada, pudiendo salir a través de un mismo orificio de salida y de manera simultánea, varios de los n fluidos inyectados. i) Los n fluidos inmiscibles inyectados a través de los N orificios de entrada abandonan 1 a c elda a través d e 1 os M o rificios de s alida, d e m añera q ue 1 as interfases existentes entre los distintos fluidos son estacionarias en el interior de la celda definida en las reivindicaciones 1 y 2, salvo posible pero no necesariamente en la zona adyacente a cada orificio de salida y siendo el volumen de cada una de estas zonas adyacentes inferior a 2 (ASj)3 2, siendo ASJ- el á rea d e d el o rificio de s alida j , s i 1 os caudales i nyectados a t ravés dé los orificios de entrada no varían con el tiempo, j) Las fuerzas de tensión superficial en la interfase entre los fluidos inyectados en la celda de las reivindicaciones 1 y 2, son mucho mayores que cualquier otra fuerza másica presente en el dominio, debido a lo pequeño del espesor de dicho dominio, salvo posible pero no necesariamente en una zona adyacente a cada
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26) orificio de salida y siendo el volumen de cada una de estas zonas adyacentes inferior a 2 (ASJ)3 2, siendo ASJ- el área de del orificio de salida j.
5.- Procedimiento de producción de chonos fluidos compuestos de diferentes fluidos inmiscibles entre sí, de tamaño micrométrico o nanométrico según la reivindicación 4 caracterizado porque
a) Alguna de las superficies que delimitan la celda referida en las reivindicaciones 1 y 2 , p ueden recibir un tratamiento hidofóbico o hidrófilo, sin que ello suponga un cambio cualitativo en el comportamiento del dispositivo. b) La superficie que rodea por el exterior a los M orificios de salida, entendiendo por exterior el volumen complementario al volumen de la celda, puede recibir un tratamiento hidrófobo o hidrófilo.
6.- Procedimiento de atomización de un líquido en gas, en gotas de tamaño micrométrico o nanométrico según el dispositivo de las reivindicaciones 1, 2 y 3, y según el procedimiento de las reivindicaciones 4 y 5 de manera que el número de fluidos inmiscibles inyectados por los huecos de entrada en la celda definida en las reivindicaciones 1, 2 y 3 es dos (n=2), siendo uno de ellos un líquido y el otro un gas.
7.- P rocedimiento d e generación d e e spumas con b urbujas d e t amaño m icrométrico según el dispositivo de las reivindicaciones 1, 2 y 3, y según el procedimiento de las reivindicaciones 4 y 5 de manera que el número de fluidos inmiscibles inyectados por los huecos de entrada en la celda definida en las reivindicaciones 1 y 2 es dos (n=2), siendo uno de ellos un líquido y el otro un gas.
HOJA DE SUSTITUCIÓN (REGLA 26)
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