La superficie que atrapa burbujas ayuda a eliminar la espuma

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En muchos procesos industriales, como los biorreactores que producen combustibles o productos farmacéuticos, la espuma puede interferir. Las burbujas brillantes pueden ocupar mucho espacio, lo que limita el volumen disponible para fabricar el producto y, a veces, borra tuberías y válvulas o daña las células vivas. Las empresas gastan alrededor de $ 3 mil millones al año en aditivos químicos llamados antiespumantes, pero estos pueden afectar la pureza del producto y requieren pasos de procesamiento adicionales para eliminarlos.

Ahora, los investigadores del MIT han desarrollado un sistema simple, económico y completamente pasivo para reducir o eliminar la acumulación de espuma, utilizando láminas de malla con textura especial que atraen burbujas que colapsan burbujas tan rápido como se forman. El nuevo proceso se describe en la revisión. Interfaces avanzadas de materiales, en un artículo del recién graduado Leonid Rapoport PhD '18, estudiante visitante Theo Emmerich y profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.

El nuevo sistema utiliza superficies que los investigadores llaman "aerofílicas", que atraen y esparcen burbujas de aire o gas de la misma manera que las superficies hidrofílicas (que atraen agua) hacen que se formen gotas de agua. El agua se aferra a una superficie, se extiende y cae, explica Varanasi.

"Las espumas están en todas partes" en los procesos industriales, dice, incluida la elaboración de cerveza, la fabricación de papel, la producción y el procesamiento de petróleo y gas, la producción de biocombustibles, la producción de champús y Cosmética y tratamiento químico.

"Este es uno de los principales desafíos en cultivo celular o biorreactores", agrega. Para promover el crecimiento celular, varios gases se difunden generalmente a través del agua u otro medio líquido. Pero puede conducir a la acumulación de espuma, y ​​cuando explotan las pequeñas burbujas, pueden producir fuerzas de corte que pueden dañar o matar las células, por lo que es esencial controlar la espuma.

En dos vasos de precipitados idénticos con un flujo constante de burbujas, la inserción de una pieza del nuevo material texturizado desarrollado por el equipo del MIT (derecha) hace que la espuma se disipe casi por completo en la parte superior del vaso de precipitados, mientras que un material similar sin textura superficial especial (izquierda) deja la espuma intacta. Cortesía de Varanasi Lab.

La forma habitual de tratar el problema de la espuma es agregar productos químicos como glicoles o alcoholes, que generalmente deben filtrarse nuevamente. Pero esto agrega costos adicionales y pasos de procesamiento, y puede afectar la química del producto. Entonces el equipo preguntó: "¿Cómo puedes deshacerte de los musgos sin tener que agregar productos químicos?" Fue nuestro desafío ”, dice Varanasi.

Para resolver el problema, crearon un video de alta velocidad para estudiar la reacción de las burbujas cuando golpean una superficie. Descubrieron que las burbujas tendían a rebotar como una pelota de goma, rebotando varias veces antes de finalmente pegarse en su lugar, al igual que las gotas de líquido cuando tocan una superficie, solo al revés. . (Las burbujas suben, por lo que rebotan).

"Para capturar efectivamente la burbuja impactante, tuvimos que entender cómo drena la película líquida que la separaba de la superficie", dice Rapoport. "Y tuvimos que comenzar desde el principio, porque ni siquiera había una métrica establecida para medir la capacidad de una superficie para capturar burbujas impactantes". Al final, pudimos comprender la física detrás de lo que hace que una burbuja rebote, y esa comprensión impulsó el proceso de diseño. "

El equipo desarrolló un dispositivo plano con un conjunto de texturas de superficie cuidadosamente diseñadas a diferentes escalas de tamaño. La superficie se ha ajustado para que las burbujas se adhieran inmediatamente sin rebotar, luego se extiendan y se disipen rápidamente para dejar espacio para la siguiente burbuja en lugar de acumularse en forma de espuma.

"La clave para capturar burbujas rápidamente y controlar la espuma ha demostrado ser un sistema de tres capas con características de tamaño progresivamente más fino", dice Emmerich. Estas características ayudan a atrapar una capa muy delgada de aire a lo largo de la superficie de un material. Esta superficie, conocida como plastrón, tiene similitudes con la textura de algunas plumas de pájaros que ayudan a mantener a los animales secos bajo el agua. En este caso, el plastrón ayuda a que las burbujas se adhieran a la superficie y se disipen.

El efecto neto es reducir en cien veces el tiempo que tarda una burbuja en adherirse a la superficie, explica Varanasi. En las pruebas, el tiempo de rebote pasó de cientos de milisegundos a solo unos pocos milisegundos.

Para probar la idea en el laboratorio, el equipo construyó un dispositivo que contiene una superficie de captura de burbujas y lo insertó en un vaso de precipitados con burbujas que se elevan allí. Colocaron este vaso de precipitados al lado de un vaso de precipitados idéntico que contiene espuma espumosa con una lámina del mismo tamaño, pero sin el material texturizado. En el vaso de precipitados con la superficie de captura de burbujas, la espuma se disipó rápidamente a casi nada, mientras que una capa completa de espuma permaneció en el otro vaso de precipitados.

Estas superficies de captura de burbujas podrían adaptarse fácilmente a muchas instalaciones de procesamiento industrial que actualmente dependen de productos químicos antiespumantes, dice Varanasi. Él especuló que a largo plazo, tal método podría incluso usarse como una forma de capturar el metano que se filtra en el permafrost derritiéndose a medida que el mundo se calienta. Esto podría evitar que parte de este potente gas de efecto invernadero ingrese a la atmósfera y al mismo tiempo proporcionar una fuente de combustible. En este punto, esa posibilidad es "un pastel en el cielo", dice, pero en principio, podría funcionar.

A diferencia de muchos desarrollos tecnológicos nuevos, este sistema es lo suficientemente simple como para implementarse fácilmente, dice Varanasi. "Está listo para partir … … esperamos trabajar con la industria".

El trabajo fue apoyado por la Fundación Bill y Melinda Gates.

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