Método y dispositivo para la producción de micro- y nano-burbujas monodispersas.

El objeto de esta invención es un método y dispositivos para producir microburbujas de tamaño pequeño y uniforme,

utilizando una combinación de geometrías y tratamientos superficiales hidrófilos e hidrófobos, para crear las condiciones de fijación parcial de una corriente de gas a una pequeña zona que sirve de punto fijo de nucleación o formación de las burbujas, siendo dichas burbujas arrastradas por la corriente de líquido en la que se forman. En particular, se puede utilizar un hilo o alambre metálico que sobresale del interior del tubo de alimentación del gas en la sección de descarga, habiendo recibido un tratamiento hidrófobo la superficie de dicho alambre. Dado que se pueden utilizar fibras o hilos metálicos, cerámicos, poliméricos, etc. tan delgados como uno desee, el tamaño de las burbujas producidas puede llegar a tamaños por debajo de la micra sin necesidad de utilizar surfactantes, incluso en metales líquidos. Alternativamente, se puede definir una superficie alargada y muy estrecha del canal de descarga, siendo dicha superficie contigua a la sección de descarga y en la dirección del flujo, como superficie hidrófoba sobre la que discurrirá una vena continua de gas, al final de la cual se formarán las microburbujas. Esta invención tiene una amplia variedad de aplicaciones en tecnologías de alimentación, farmacia, biomedicina, diagnosis, ingeniería química, medio ambiente, etc.

Metodo y dispositivos para la produccion de micro- y buras monodispersas OBJETO DE LA INVENCION 5 Esta invenciOn se encuadra en el sector de la tecnologia industrial, para la mezcla eficiente de una fase gaseosa en una fase liquida, donde la fase gaseosa constituye la Ramada fase dispersa y el liquido la fase continua En particular, se trata de maximizar la superficie de contacto entire las dos fases mencionadas por unidad de volumen de fase dispersa, lo cual implica reducir lo mas posible 10 el tamaiio de las burbujas. Tambien se encuadra esta invenciOn en el sector de la medicina clinica, biomedicina y diagnosis, en aplicaciones como la oxigenaciOn sanguinea, el contraste ultrasonicº para diagnosis por la imagen, o la perfusion celular controlada mediante excitaciOn ultrasemica. Excepto en el caso de los 15 contrastes ultrasOnicos, que ya estan bastante desarrollados, estas tecnicas son conocidas desde hace tiempo, pero no han sido aplicadas masivamente porque no se ha desarrollado aün una metodologia robusta, controlable y escalable que permita generar masivamente microburbujas lo suficientemente pequerias y de tamano homogeneo. 20 Otto sector en el que tambien se encuadra esta invenciOn es el medioambiental, pan la alimentaciOn de cultivos de microalgas con CO2, la oxigenaciOn de piscifactorias, la depuraciOn de aguas residuales, y la disoluciOn y secuestro masivo de CO2. Un primer objeto de esta invenciOn es un procedimiento y dispositivo para la 25 generaciOn de burbujas cuyo diametro es entire 1 nanOmetro y 1 cent:linenº , caracterizado por que 1- el gas que constituye las burbujas es descargado a traves de un primer canal cerrado o tubo capilar con una anchura entire 0.1 micra y 1 centimetro; 2- el liquidº en el cual se van a format las burbujas se alimenta desde otro segundo canal cerrado con una anchura entre 0.1 micra y 1 centimetro, independiente del primero, de forma que la corriente de liquido descargado por dicho segundo canal intercepta la corriente de gas descargada por el primer canal; 3- las corrientes de liquido y de gas son recogidas en un tercer canal o who capilar de descarga, con una anchura entre 0.1 micra y 1 centimetro, siendo hidrofila la superficie intema de dicho canal; 4- el tercer canal o who capilar de descarga tiene tratada hidrofobamente 5 una zona de su superficie interna que empieza en el borde de la boca de salida del canal de descarga de gas y en la direcciOn de la descarga, de forma que el gas descargado desde el primer canal se adhiere a dicha zona hidrofoba sin perdida de continuidad con la corriente de gas que proviene de dicho primer canal; 5- el gas adherido a la zona hidredoba es arrastrado por el liquido hasta que se produce la rotura de dicha corriente de gas en forma de burbujas, ya dentro del tercer canal de descarga, y las burbujas son transportadas pot el liquidº y descargadas con el. 15 Tambien es objeto de la presente invenciOn un procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entire 1 nal-le:metro y 1 centimetro segun lo expuesto arriba, caracterizado pot que la zona del tercer canal de descarga tratada hidrófobamente es una prominencia sada en la direccion del flujo de gas y de =lath) caractenstico menor que la longitud 20 caracteristica mas pequeria de dicha seccion de descarga, como puede apreciarse en las Figuras 1 y 2. Ademas, tambien es objeto de esta invenciOn el dispositivo descrito en este parrafo de manera que la prominencia sada forme parte del borde del canal de descarga de gas (Figura 2b) , o bien que la prominencia sada este constituida pot el extremo de un elementº cilindrico o 25 prismaticº que sobresalga del interior del canal de descarga de gas (Figuras 2a y 2c) . Otto objeto de esta invenciOn es un procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entire 1 nanOmetro y 1 centimetro, 30 segnn se describin en el primer objeto, caracterizado pot que la zona hidredoba de la superficie intema del tercer canal es alargada en la direccion de la corriente de liquido, y su anchura caracteristica es menor que el diametro o anchura de dicho tercer canal, como se puede apreciar en la Figura 2c. Mas concretamente, un objeto particular de esta invenciOn es que la zona 35 hidrófoba de la superficie interna del tercer canal sea una banda rectangular definida en dicha superficie interna, en la direcciOn de la corriente de liquidº , con un ancho w menor que el diametro o anchura L de dicho tercer canal (Figura 3) , y una longitud de al menos el doble del ancho (Figura 2c) . Asi, el gas descargado desde el primer canal forma una corriente sin discontinuidades arrastrada pot la corriente de liquidº , formando pot tension superficial una bOveda aproximadamente cilindrica adherida a la superficie hidrOfoba rectangular a traves de la cual circula el gas, de modo que el angulo de 5 contacto que forma el liquidº que rodea dicha corriente en el lado mas largo de la zona hidrofoba rectangular puede ser mayor o menor de n/2 radianes. Si es menor de 7c/2 radianes, la corriente de gas puede formar un cordon continuo a lo largo de la superficie hidrOfoba, rompiendose en burbujas solo cuando dicho cordon de gas llega al extremo de dicha superficie hidrOfoba en la direcciOn del flujo en el canal de descarga (vet Figura 2c) . ESTADO DE LA TECNICA Las burbujas juegan un papel fundamental en procesos que aparecen en multitud de campos cientificos y tecnolOgicos, tales como la producciOn de 15 petrOleo, la industria quimica y metahlrgica, la ciencia de los materiales, la industria alimentaria, la generaciOn de energia, etc. Existen una gran multitud de metodos para producir burbujas pequefias. Entre los metodos mas antiguos destacan: la agitaciOn vigorosa y mezclado de 20 las dos fases; el paso forzado de las dos fases a traves de pequetios orificios una o varias veces; el paso forzado del gas a traves de membranas porosas (Blach Vizoso, 1997, US pat. 10736212 [89]) ; la descarga del gas a traves de pequefios orificios o tubos alrededor de los que se fuerza una corriente de liquidº (Davila, WO/2007/096443 [90]) , etc. Tambien se pueden generar 25 masivamente burbujas de pequefio tamario disolviendo cierta cantidad de gas mientras se somete a presiOn el liquidº , y descomprimiendolo posteriormente. En particular, las burbujas micrometricas ocupan un lugar esencial en una gran variedad de aplicaciones biomedicas, bioquirnicas, y de biologia molecular (ver, por ejemplo, Ref. [1] y las referencias alli citadas) . Las 30 microburbujas son utilizadas como agentes de contraste, portadoras de principios activos, o vectores geneticos. Pueden ser utilizadas en trombos, en la destrucciOn de tumores, y tratamientos de disfunciones pulmonares agudas. En todas estas aplicaciones, se requieren burbujas de algunas micras de tamafio y monodispersas. 35 La sonicaciOn es probablemente la tecnica més comUnmente utilizada para producir microburbujas. Esencialmente, involucra la dispersion de un gas en un material de recubrimiento, y la estabilizaciOn de la suspension con ultrasonidos de alta intensidad [2]. Microburbujas recubiertas de material 5 polirnerico son tambien frecuentemente producidas mediante "shear stirring", utilizando como estabilizador un liquidº inmiscible con tanto el polirnero como el agua p]. En la emulsificaciOn mediante membranas, se fuerza a que los componentes pasen a traves de una membrana, lo que produce microburbujas con un cierto control sobre su tamatio y un grado de 10 monodispersidad mayor que los alcanzados mediante tanto sonicaciOn como "shear stirring" [4]. La tecnologia de impresiOn de tinta [5] y la atomizaciOn electro-hidrodinamica [6] han sido adaptadas para formar microburbujas. Estas tecnicas peuniten 15 seleccionar el tarnario de la burbuja ajustando los parametros de control correspondientes; es decir, la frecuencia y longitud del pulso de presiOn en la tecnologia de impresiOn por tinta p], y el caudal y el voltaje en la atomizaciOn electro-hidrodinamica [6]. Tambien se han producido microburbujas a partir de otros procesos fisicos, tales como ondas de choque [7] y flujos rotatorios 20 [8], pero su aplicabilidad tecnolOgica no se ha determinado ann. Se han utilizado diferentes tecnologias microfluidicas para format burbujas. La mas simple es probablemente la inyecciOn de gas en un bario liquidº a traves de microtoberas [9] o un conjunto de microcanales [10]. Se pueden emplear 25 fuerzas hidrodinamicas para controlar la rotura de la entrefase liquido-gas y asi modificar el tamario de las burbujas, la frecuencia de producciOn, etc. Los dispositivos microfluidicos diseriados para este propOsito pueden set agrupados en ties categorias principales: sistemas de co-flujos, dispositivos de flujo enfocado ("Flow Focusing") , y uniones T. En un sistema de co-flujo, el 30 gas es inyectado a traves de una tobera micrometrica en una corriente liquida que co-fluye paralelamente al eje de la tobera... [Seguir leyendo]

1- Procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entre 1 nanometro y 1 centimetro, caracterizado pot que 5 a. el gas que constituye las burbujas es descargado a traves de un primer canal cerrado o tubo capilar con una anchura entire 0.1 micra y 1 centimetro; b. el liquido en el cual se van a formar las burbujas se alirnenta desde al menos otro segundo canal cerrado con una anchura 10 entre 0.1 micra y 1 centimetro, independiente del primero, de forma que la corriente de liquidº descargado por dicho segundo canal intercepta la corriente de gas descargada por el primer canal; c. las corrientes de liquido y de gas son recogidas en un tercer 15 canal o who capilar de descarga, con una anchura entire 0.1 micra y 1 centimetro, siendo hidrofila la superficie interim de dicho canal; d. el tercer canal o who capilar de descarga tiene tratada hidthfobamente una zona de su superficie interna al principio 20 de dicho canal y en la direccion de la descarga, de forma que el gas descargado desde el primer canal se adhiere a dicha zona hidrofoba sin perdida de continuidad con la corriente de gas que proviene de dicho primer canal; e. el gas adherido a la zona hidrofoba es arrastrado pot el 25 liquidº hasta que se produce la rotura de dicha corriente de gas en forma de burbujas, ya dentro del tercer canal de descarga, y las burbujas son transportadas por el liquido y descargadas con el. 2- Procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo 30 diametro es entire 1 nanometro y 1 centimetro segUn la reivindicacion 1, caracterizado pot que la zona del tercer canal de descarga tratada hidnifobamente es una prominencia sada en la direcciOn del flujo de gas y de tamario caracteristico transversal menor o igual que la longitud caracteristica mas pequetia de dicha 35 secciOn de descarga. 3- Procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entire 1 nanometro y 1 centimetro segtan las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que la pronainencia sada esta constituida por el extremo de un elemento cilindrico o prismaticº que partiendo del interior del canal de descarga de gas, sobresale de este y se introduce en el tercer canal. 4- Procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo 5 diametro es entre 1 nanOmetro y 1 centimetro segun las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado pot que la prominencia sada es un elemento cilindrico o prismaticº que comienza a la salida del canal de descarga de gas y se introduce en el tercer canal. 5- Procedinnento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo 10 diametro es entre 1 nanometro y 1 centimetro segUn las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado por que la prominencia sada empieza en el borde del canal de descarga de gas y se introduce en el tercer canal. 6- Procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo 15 diametro es entre 1 nanOmetro y 1 centinietro seg-Un la reivindicacion 1, caracterizado por que la zona hidinfoba de la superficie interna del tercer canal esta definida en la misma pared interior de dicho canal a partir del borde del primer canal y es alargada en la direccion de la corriente de liquidº , y su anchura 20 caracteristica es menor que el diametro o anchura de dicho tercet canal. 7- Procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entre 1 nanometro y 1 centimetro seg-Un las reivindicaciones 1 y 6, caracterizado pot que la zona hidnifoba de la 25 superficie interna del tercer canal es una banda rectangular definida en la misma pared interior de dicho canal a partir del borde del primer canal, en la direccion de la corriente de liquidº , con un ancho menor que el diametro o anchura de dicho tercer canal, y una longitud de al menos el doble del ancho. 30 8- Procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entire 1 nanOmetro y 1 centimetro segUn las reivindicaciones 1, 6 y 7, caracterizado por que el gas arrastrado pot la corriente de liquidº forma una corriente continua de gas con forma de boveda aproximadamente cilindrica adherida a la 35 superficie hidrófoba rectangular, y que finalmente se rompe en burbujas al extremo de dicha superficie hidrOfoba en la direccion del flujo.