Dünyanın dört bir yanındaki endüstriyel tesislerde küçük kabarcıklar büyük sorunlara yol açıyor. Kabarcıklar filtreleri tıkar, kimyasal reaksiyonları bozar, biyo-üretim sırasında verimi düşürür ve hatta elektronik ve nükleer enerji santrallerinde aşırı ısınmaya neden olabilir.
MIT Profesörü Kripa Varanasi uzun süredir kabarcık bozulmasını azaltacak yöntemler üzerinde çalışıyor. Yeni bir çalışmada, Varanasi, doktora adayı Bert Vandereydt ve eski postdoc Saurabh Nath ile birlikte, Yunanca "hava seven" anlamına gelen "aerophilic" olan umut verici bir tür debubbling membran malzemesinin arkasındaki fiziği ortaya çıkardı. Bu malzeme her tür sistemde kullanılabilir ve herkesin kabarcık kaynaklı aksaklıklardan kurtularak makinelerinin performansını optimize etmesine olanak tanır.
Çalışmanın kıdemli yazarı Varanasi, "Gazın mümkün olan en hızlı şekilde tahliye edilmesini sağlamak için bu kabarcık çekici membran malzemelerinin yapısını çözdük" diyor. "Balı bir kahve süzgecinden geçirmeye çalıştığınızı düşünün: Kolayca geçmeyecektir, oysa su geçecektir ve gaz daha da kolay geçecektir. Ancak gaz bile, gazın ve ilgili sıvının özelliklerine bağlı olan bir verim sınırına ulaşacaktır. Araştırmamız bu sınırları ortaya çıkararak mühendislerin sistemleri için daha iyi membranlar inşa etmelerine olanak sağlıyor."
Bu hafta PNAS dergisinde yayınlanan makalede araştırmacılar bulgularını, herkesin sistemlerinin birkaç özelliğini (gazlarının ve çevreleyen sıvının viskozitesi gibi) çizmesine ve kabarcık gidermeyi neredeyse anlık hale getirecek en iyi membranı bulmasına olanak tanıyan bir grafiğe dönüştürüyor. Araştırma ekibi, yaklaşımlarını kullanarak ilaç endüstrisinde, yiyecek ve içecek üretiminde, kozmetikte, kimyasal üretimde ve daha pek çok alanda kullanılan bir biyoreaktörde kabarcık giderme işleminin 1.000 kat hızlandığını gösterdi.
Araştırmacılar, suyu iten membranların, bugüne kadar çalışması kabarcıklar nedeniyle sorunlu olan çok çeşitli gelişmiş sistemlerin verimini artırmak için kullanılabileceğini söylüyor.
Daha iyi kabarcık kırıcılar
Şirketler bugün kabarcıkları patlatmak için her şeyi deniyor. Onları fiziksel olarak kesen köpük kırıcılar, köpük önleyici maddeler olarak işlev gören kimyasallar, hatta ultrason bile kullanıyorlar. Bu tür yaklaşımların, kimyasal köpük kesicilerin hücreler için toksik olabileceği ve mekanik çalkalamanın hassas biyolojik malzemelere zarar verebileceği biyoreaktörler gibi sıkı kontrol edilen ortamlarda dezavantajları vardır. Benzer sınırlamalar, kontaminasyon veya fiziksel rahatsızlığın kabul edilemez olduğu diğer endüstriler için de geçerlidir. Sonuç olarak, kimyasal köpük gidericileri veya mekanik müdahaleyi tolere edemeyen birçok uygulama, köpük oluşumu nedeniyle temelde darboğazda kalmaktadır.
Vandereydt, "Biyo-üretim son 10 yılda gerçekten gelişti" diyor. "Hücreler ve bakteriler gibi biyolojik sistemlerden çok daha fazlasını üretiyoruz ve reaktörlerimizin verimi milimetre çözelti başına 5 milyon hücreden milimetre başına 100 milyon hücreye yükseldi. Bununla birlikte, kabarcık tahliyesi ve köpük giderme buna ayak uyduramadı - bu önemli bir hız sınırlayıcı adım haline geliyor."
Aerofilik membranlar ve kabarcıklar arasındaki etkileşimi daha iyi anlamak için MIT araştırmacıları, boyutları 10 mikron ila 200 mikron arasında değişen deliklere sahip bir dizi küçük gözenekli silikon membran oluşturmak için MIT.nano tesislerini kullandılar. Membranları hidrofobik silika nanoparçacıklarla kapladılar.
Membranları farklı sıvıların yüzeyine yerleştiren araştırmacılar, değişen viskoziteye sahip tek kabarcıkları serbest bıraktılar ve her biri membranlarla çarpışırken yüksek hızlı görüntüleme kullanarak etkileşimi kaydettiler.
Vandereydt, "Bir biyoreaktörde üretilen köpük gibi çok karmaşık bir sistemi almaya ve neler olduğunu anlamak için en basit haliyle incelemeye çalışarak başladık" diyor.
İlk başta, delikler ne kadar büyükse, kabarcıklar o kadar hızlı kayboldu. Araştırmacılar ayrıca kabarcık gazını havadan yarı viskoziteye sahip hidrojene değiştirdiler ve kabarcık yok olma hızının iki katına çıktığını gördüler.
Ancak kabarcık yok olmasında yaklaşık 1.000 kat hızlanmadan sonra, araştırmacılar zar delikleri ne kadar büyük olursa olsun bir duvara çarptılar. Araştırmak için farklı bir fiziksel sınırla karşılaşmışlardı.
Araştırmacılar daha sonra sıvılarının viskozitesini sudan bala daha yakın bir şeye değiştirmeyi denediler. Viskozitenin kabarcıkların yok olma hızında sadece sıvının viskozitesinin 200 katı olduğunda rol oynadığını buldular. Daha ileri deneyler, kabarcık tahliyesini yavaşlatan en büyük faktörün sıvıdaki atalet direnci olduğunu ortaya çıkardı.
"Deneyler yoluyla, [kabarcık yok etme hızının] üç farklı sınırı olduğunu gösterdik," diyor Vandereydt. "Düşük viskoziteli, düşük geçirgenlikli bir düzenekte gazın viskoz limiti var. Sonra yüksek geçirgenlik, yüksek viskozite rejiminde sıvının viskoz direnci var. Bir de sıvının eylemsizlik sınırı var."
Ekip, bulgularını deneysel olarak doğrulamak için bir biyoreaktör kullandı ve bunları mühendislerin sistemlerinin özelliklerini girmek ve hem kendi durumları için en iyi membranı hem de kabarcık tahliyesini yavaşlatan en büyük faktörü bulmak için kullanabilecekleri bir harita haline getirdi.
Kabarcık bilimi
Araştırma, endüstriyel cihazlarındaki kabarcıkların yok edilmesini hızlandırmaya çalışan herkes için faydalı olmalı, ancak aynı zamanda kabarcık dinamiklerinin altında yatan fizik anlayışımızı da geliştiriyor.
"Üç farklı verim sınırı ve bu sınırların arkasındaki fiziği belirledik ve bunu çok basit yasalara indirgedik," diye açıklıyor Nath. "Ne kadar hızlı gidebileceğiniz ilk olarak yüzey gerilimi ve atalet arasında belirleniyor. Ancak gözeneklerin son derece küçük olduğu, dolayısıyla gazın içlerinde hareket etmekte zorlandığı farklı bir sınıra da ulaşabilirsiniz. Bu durumda, gazın viskozitesi anlamlıdır. Ama aynı zamanda başlangıçta bal gibi bir şeyin içinde olan bir baloncuğunuz da olabilir, bu da gazın hareket etmesinin yeterli olmadığı, sıvının da arkasındaki boşluğu doldurması gerektiği anlamına gelir. Koşullarınız ne olursa olsun, bu üç sınır arasında geçiş yapacaksınız."
Varanasi, sağlık şirketlerinin, kimyasal üreticilerinin ve hatta bira fabrikalarının çalışmaya ilgi gösterdiğini söylüyor. Ekibi, membranları endüstriyel kullanım için ticari olarak geliştirmeyi planlıyor.
Varanasi, "Bu fiziksel bilgiler, oldukça şaşırtıcı bir şekilde, kabarcıkları serbest bir sıvı-gaz arayüzünden bile daha hızlı tahliye eden membranlar tasarlamamızı sağladı" diyor.
Araştırmacıların tasarım haritası, doğal sistemleri ve hatta sıvı-sıvı sistemlerini modellemek için de kullanılabilir; bu, sudan petrol sızıntılarını gideren veya su ayrıştırma elektrotlarından verimli bir şekilde hidrojen çıkarmaya yardımcı olan membranlar oluşturmak için kullanılabilir. Nihayetinde bulguların en büyük faydalanıcıları kabarcıklarla boğuşan şirketler olacaktır.
"Küçük olmalarına rağmen kabarcıklar birçok gelişmiş teknolojinin performans sınırlarını sessizce belirler" diyor Varanasi. "Sonuçlarımız bu darboğazı ortadan kaldırmanın ve endüstriler arasında tamamen yeni performans seviyelerinin kilidini açmanın bir yolunu sunuyor. Bu membranlar mevcut sistemlere kolayca uyarlanabilir ve çerçevemiz bunların belirli uygulamalar için hızla tasarlanmasına ve optimize edilmesine olanak tanır. Bu içgörüleri etkiye dönüştürmek için sektörle birlikte çalışmaktan heyecan duyuyoruz."
Çalışma kısmen MIT Lincoln Laboratuvarı tarafından desteklendi ve MIT.nano tesisleri kullanıldı.
