En muchos procesos industriales, como en biorreactores que producen combustibles o productos farmacéuticos, la espuma puede estorbar. Las burbujas espumosas pueden ocupar mucho espacio, limitando el volumen disponible para fabricar el producto y, a veces, atascando tuberías y válvulas o dañando las células vivas. Las empresas gastan aproximadamente $ 3 mil millones al año en aditivos químicos llamados antiespumantes, pero estos pueden afectar la pureza del producto y pueden requerir pasos de procesamiento adicionales para su eliminación.

Ahora, Los investigadores del MIT han elaborado un sencillo barato, y sistema completamente pasivo para reducir o eliminar la acumulación de espuma, utilizando láminas de malla especialmente texturizada que atraen burbujas y que hacen que las burbujas colapsen tan rápido como se forman. El nuevo proceso se describe en la revista Interfaces de materiales avanzados , en un artículo del recién graduado Leonid Rapoport Ph.D. '18, estudiante visitante Theo Emmerich, y el profesor de ingeniería mecánica Kripa Varanasi.

El nuevo sistema utiliza superficies que los investigadores llaman "aerófilas, "que atraen y arrojan burbujas de aire o gas de la misma manera que las superficies hidrófilas (que atraen el agua) hacen que las gotas de agua se adhieran a una superficie, extendido, y caer Varanasi explica.

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

También, "Es uno de los principales desafíos en cultivo celular o en biorreactores, ", agrega. Para promover el crecimiento celular, varios gases se difunden típicamente a través del agua u otro medio líquido. Pero esto puede provocar una acumulación de espuma, y a medida que estallan las pequeñas burbujas, pueden producir fuerzas de corte que pueden dañar o matar las células, por lo que controlar la espuma es fundamental.

La forma habitual de abordar el problema de la espuma es añadiendo productos químicos como glicoles o alcoholes, que, por lo general, deben volver a filtrarse. Pero eso agrega costos y pasos de procesamiento adicionales, y puede afectar la química del producto. Entonces, el equipo preguntó, "¿Cómo puede deshacerse de las espumas sin tener que agregar productos químicos? Ese fue nuestro desafío, "Dice Varanasi.

Para abordar el problema, crearon videos de alta velocidad para estudiar cómo reaccionan las burbujas cuando golpean una superficie. Descubrieron que las burbujas tienden a rebotar como una pelota de goma, rebotando varias veces antes de finalmente quedarse en su lugar, al igual que las gotas de líquido cuando golpean una superficie, solo al revés. (Las burbujas están subiendo, para que reboten hacia abajo.)

"Para capturar eficazmente la burbuja impactante, teníamos que entender cómo se escurre la película líquida que lo separa de la superficie, ", dice Rapoport." Y tuvimos que comenzar desde el punto de partida porque ni siquiera había una métrica establecida para medir qué tan buena es una superficie para capturar burbujas impactantes. Por último, pudimos entender la física detrás de lo que hace que una burbuja rebote, y esa comprensión impulsó el proceso de diseño ".

El equipo ideó un dispositivo plano que tiene un conjunto de texturas de superficie cuidadosamente diseñadas en una variedad de escalas de tamaño. La superficie se ajustó para que las burbujas se adhieran de inmediato sin rebotar, y rápidamente se extienden y se disipan para dar paso a la siguiente burbuja en lugar de acumularse como espuma.

"La clave para capturar rápidamente las burbujas y controlar la espuma resultó ser un sistema de tres capas con características de tamaños progresivamente más finos, ", dice Emmerich. Estas características ayudan a atrapar una capa muy fina de aire a lo largo de la superficie de un material. Esta superficie, conocido como plastrón, tiene similitudes con la textura de algunas plumas en aves buceadoras 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 cien veces más el tiempo que tarda una burbuja en adherirse a la superficie, Dice Varanasi. En pruebas, el tiempo de rebote se redujo de cientos de milisegundos a solo unos pocos milisegundos.

Para probar la idea en el laboratorio, el equipo construyó un dispositivo que contenía una superficie para capturar burbujas y lo insertó en un vaso de precipitados que tenía burbujas subiendo a través de él. Colocaron ese vaso junto a otro idéntico que contenía espuma espumosa con una hoja del mismo tamaño, pero sin el material texturizado. En el vaso de precipitados con superficie captadora de burbujas, la espuma se disipó rápidamente hasta casi la nada, mientras que una capa completa de espuma permaneció en su lugar en el otro vaso.

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

A diferencia de muchos desarrollos tecnológicos nuevos, este sistema es lo suficientemente simple como para que pueda implementarse fácilmente, Dice Varanasi. "Está listo para funcionar ... Esperamos trabajar con la industria".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.