Bij veel industriële processen zoals in bioreactoren die brandstoffen of geneesmiddelen produceren, schuim kan in de weg zitten. Schuimende bubbels kunnen veel ruimte innemen, het beperken van het beschikbare volume voor het maken van het product en soms het dichtslibben van leidingen en kleppen of het beschadigen van levende cellen. Bedrijven geven naar schatting 3 miljard dollar per jaar uit aan chemische additieven die ontschuimers worden genoemd. maar deze kunnen de zuiverheid van het product aantasten en kunnen extra verwerkingsstappen vereisen om ze te verwijderen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een eenvoudige, goedkoop, en volledig passief systeem voor het verminderen of elimineren van de schuimopbouw, met behulp van bubbelaantrekkende vellen van speciaal gestructureerd gaas waardoor bubbels net zo snel instorten als ze zich vormen. Het nieuwe proces wordt beschreven in het tijdschrift Geavanceerde materiaalinterfaces , in een paper van recent afgestudeerde Leonid Rapoport Ph.D. '18, bezoekende student Theo Emmerich, en hoogleraar werktuigbouwkunde Kripa Varanasi.

Het nieuwe systeem maakt gebruik van oppervlakken die de onderzoekers "aerofiele, " die lucht- of gasbellen aantrekken en afstoten op vrijwel dezelfde manier als hydrofiele (wateraantrekkende) oppervlakken ervoor zorgen dat waterdruppels aan een oppervlak blijven kleven, verspreiden, en val weg, Varanasi legt uit.

"Schuim is overal" in industriële processen, hij zegt, inclusief bier brouwen, papier maken, productie en verwerking van olie en gas, opwekking van biobrandstof, productie van shampoo en cosmetica, en chemische verwerking.

Ook, "Het is een van de grootste uitdagingen in celcultuur of in bioreactoren, " voegt hij eraan toe. Om de celgroei te bevorderen, verschillende gassen worden typisch verspreid door het water of een ander vloeibaar medium. Maar dit kan leiden tot schuimvorming, en als de kleine belletjes barsten, kunnen ze schuifkrachten produceren die de cellen kunnen beschadigen of doden, dus het beheersen van het schuim is essentieel.

De gebruikelijke manier om het schuimprobleem aan te pakken is door chemicaliën toe te voegen zoals glycolen of alcoholen, die meestal dan weer moeten worden uitgefilterd. Maar dat voegt kosten en extra verwerkingsstappen toe, en kan de chemie van het product beïnvloeden. Dus, vroeg het team "Hoe kom je van schuim af zonder chemicaliën toe te voegen? Dat was onze uitdaging, ' zegt Varanasi.

Om het probleem aan te pakken, ze maakten high-speed video om te bestuderen hoe bubbels reageren wanneer ze een oppervlak raken. Ze ontdekten dat de bubbels de neiging hebben om weg te stuiteren als een rubberen bal, meerdere keren stuiteren voordat het uiteindelijk op zijn plaats blijft plakken, net zoals druppeltjes vloeistof doen wanneer ze een oppervlak raken, alleen ondersteboven. (De bubbels stijgen, zodat ze naar beneden stuiteren.)

"Om de impactbel effectief op te vangen, we moesten begrijpen hoe de vloeibare film die het van het oppervlak scheidt, wegvloeit, ", zegt Rapoport. "En we moesten bij het begin beginnen, want er was niet eens een vaste maatstaf om te meten hoe goed een oppervlak is in het opvangen van inslaande luchtbellen. uiteindelijk, we waren in staat om de fysica te begrijpen achter wat ervoor zorgt dat een luchtbel wegstuitert, en dat begrip dreef het ontwerpproces aan."

Het team bedacht een plat apparaat met een reeks zorgvuldig ontworpen oppervlaktestructuren op verschillende schalen. Het oppervlak was zo afgesteld dat bellen zich meteen zouden hechten zonder te stuiteren, en snel uitspreiden en verdwijnen om plaats te maken voor de volgende bel in plaats van zich op te hopen als schuim.

"De sleutel tot het snel opvangen van luchtbellen en het beheersen van schuim bleek een drielaags systeem te zijn met kenmerken van steeds fijnere afmetingen, ", zegt Emmerich. Deze kenmerken helpen een zeer dunne laag lucht langs het oppervlak van een materiaal op te vangen. Dit oppervlak, bekend als een plastron, heeft overeenkomsten met de textuur van sommige veren op duikende vogels die helpen de dieren onder water droog te houden. In dit geval, de plastron helpt om de bellen aan het oppervlak te laten kleven en te laten verdwijnen.

Het netto-effect is dat de tijd die een luchtbel nodig heeft om aan het oppervlak te kleven met een factor honderd wordt verminderd, zegt Varanasi. Bij testen, de stuitertijd werd teruggebracht van honderden milliseconden tot slechts enkele milliseconden.

Om het idee in het lab te testen, het team bouwde een apparaat met een bubbelvangend oppervlak en stopte het in een beker waar bubbels doorheen stegen. Ze plaatsten die beker naast een identieke beker met schuimend sop met een vel van dezelfde grootte, maar zonder het getextureerde materiaal. In de beker met het bellenvangende oppervlak, het schuim verdween snel tot bijna niets, terwijl een volle laag schuim op zijn plaats bleef in de andere beker.

Dergelijke bellenvangende oppervlakken kunnen gemakkelijk achteraf worden aangebracht in veel industriële verwerkingsfaciliteiten die momenteel afhankelijk zijn van ontschuimende chemicaliën, zegt Varanasi. Hij speculeerde dat op de langere termijn, zo'n methode kan zelfs worden gebruikt als een manier om methaan op te vangen dat uit de smeltende permafrost sijpelt terwijl de wereld opwarmt. Dit kan zowel voorkomen dat een deel van dat krachtige broeikasgas in de atmosfeer terechtkomt, en tegelijkertijd een bron van brandstof zijn. Op dit punt is die mogelijkheid "taart in de lucht, " hij zegt, maar in principe zou het kunnen werken.

In tegenstelling tot veel nieuwe technologische ontwikkelingen, dit systeem is zo eenvoudig dat het gemakkelijk kan worden geïmplementeerd, zegt Varanasi. "Het is klaar voor gebruik. ... We kijken ernaar uit om met de industrie samen te werken."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.