Produção dos microgéis - MATERIAL E MÉTODOS

Capítulo 3. MATERIAL E MÉTODOS

3.2 MÉTODOS

3.2.3 Produção dos microgéis

As etapas para o estudo e caracterização dos microgéis de goma gelana estão apresentadas na Figura 3.4.

Figura 3.4. Etapas para a obtenção e caracterização dos microgéis de goma gelana

3.2.3.1 Formação dos macrogéis

Ensaios preliminares foram realizados com o objetivo de determinar as concentrações adequadas do agente gelificante (acetato de cálcio) para a formação de gel das dispersões de goma gelana (0,5 a 0,7% m/m). O processo de gotejamento foi utilizado, pois permitiu a produção de macroesferas (diâmetro de aproximadamente 3 mm), facilitando a avaliação das propriedades mecânicas dos géis.

Microgéis

nos

microcanais

Formação dos

Macrogéis

Preparo das

Soluções

Propriedades físicas das fases aquosa e oleosa:

» Densidade

»Tensão interfacial

» Propriedades Reológicas

Caracterização dos macrogéis: » Compressão Uniaxial Caracterização dos microgéis: » Microscopia Ótica » Distribuição de Tamanho e Tamanho Médio

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Dispersões aquosas de goma gelana, a temperatura ambiente (25°C), foram gotejadas manualmente nas soluções contendo óleo de soja, PGPR e o agente gelificante acetato de cálcio. O gotejamento foi através da extrusão em seringa de 5 mL acoplada a agulha hipodérmica com diâmetro de 0,8 mm. A altura entre a saída da agulha e a solução gelificante foi fixada em 10 cm (CHAN et al., 2009). As partículas foram mantidas por 30 minutos no banho, posteriormente foram filtradas em peneira de abertura 0,210 mm e lavadas com água destilada. Após 24 horas foi realizada análise de compressão uniaxial (Seção 3.2.4) para determinar a força máxima das macroesferas.

3.2.3.2 Processo de obtenção dos microgéis

Os dispositivos microfluídicos foram operados em uma base de vidro, posicionada sobre um microscópio óptico Multizoom AZ100 (Nikon, Japão), a fim de visualizar a formação e gelificação dos microgéis nos microcanais. As fases oleosa e aquosa foram introduzidas pelas mangueiras de silicone fixadas no dispositivo, sendo as vazões das respectivas fases controladas por três bombas seringa (PHD22/2000, Harvard Apparatus, EUA). A Figura 3.5 mostra a disposição dos equipamentos usados para a avaliação do processo de produção dos microgéis nos microcanais.

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Figura 3.5. Aparatos para observação da formação dos microgéis nos microcanais. A) Bomba seringa e B) microscópio

3.2.3.2.1 Estudo do processo de formação de gotas

Para estudar o processo de formação das gotas (etapa de emulsificação) de goma gelana em dispositivos de microfluídica optou-se em utilizar um sistema que não houvesse a presença do agente gelificante acetato de cálcio. Desta forma, a dispersão aquosa de goma gelana foi inserida no canal A e a mistura do óleo de soja com o emulsificante PGPR no canal B (Figura 3.2). Como controle foi inserida a água no canal A e a mistura do óleo de soja com o emulsificante PGPR no canal B (Figura 3.2). Durante o processo de produção de gotas nos dispositivos microfluídicos, foi variada a vazão com que as fases do sistema atravessavam o canal. A vazão de entrada para a fase dispersa (água ou dispersão aquosa de goma gelana) variou de 0,5 a 4,0 μL/min e para a fase contínua (mistura oleosa) de 0,5 a 3,0 μL/min. Vazões maiores que 4,0 μL/min causavam elevada pressão interna nos microcanais, levando ao rompimento das mangueiras, e por isso foram evitadas. Além das

B

A

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vazões, avaliou-se as razões entre as vazões das fases dispersa e contínua (q), como dado pela Equação 3.1.

q =

Q_c (3.1)

sendo que, Qd e Qc representam as vazões das fases dispersa e contínua, respectivamente.

O objetivo desta etapa foi avaliar o regime de formação de gotas em diferentes vazões das fases e razões entre as vazões das fases dispersa e contínua, determinar as velocidades reais das fases dentro dos dispositivos de microfluídica e calcular os números adimensionais de Reynolds, Capilar e Weber que descrevem o escoamento dos fluidos nos microcanais. Os números de Capilar e Reynolds foram descritos a partir das propriedades da fase contínua (óleo de soja + PGPR), uma vez que esta possuiu a maior viscosidade atuante no sistema (η= 0,059 Pa.s) e foi predominante em termos de volume (BAROUD; GALLAIRE; DANGLA, 2010). No escoamento de fluidos nos microcanais o número de Reynolds (Re) expressa a razão entre as forças inerciais e viscosas das fases, dado pela Equação 3.2.

Re =

ρ𝑐 vc DH

µ_c

(3.2)

O número de Capilar (Ca) descreve o efeito relativo entre forças viscosas e interfaciais que agem sobre os fluidos durante o escoamento, e é descrito pela Equação 3.3.

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Ca =

µc vc

γ (3.3)

O número de Weber compara a importância dos efeitos inerciais com as forças interfaciais, dado pela Equação 3.4, e é normalmente definido a partir das propriedades da fase dispersa.

We =

vd2 ρd l

γ (3.4)

sendo que,

ρc = densidade da fase contínua (kg.m-3)

ρ_d = densidade da fase dispersa (kg.m-3) v_c= velocidade da fase contínua (m.s-1) v_d= velocidade da fase dispersa (m.s-1)

𝐷_H= diâmetro hidráulico (m) que é avaliado como:

𝐷𝐻= (4𝑥 Á𝑟𝑒𝑎 𝑑𝑒 𝑒𝑠𝑐𝑜𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜) 𝑃𝑒𝑟í𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜 𝑚𝑜𝑙ℎ𝑎𝑑𝑜⁄

µc= viscosidade da fase contínua (Pa.s)

l= largura do microcanal (m) γ = tensão interfacial (N.m-1

)

3.2.3.2.2 Determinação da velocidade real das fases

Determinou-se a velocidade real das fases pelo método desenvolvido por Steegmans el al. (2009), adaptado para a geometria desenvolvida neste projeto. A vazão real da fase contínua foi determinada através da velocidade das gotas, assumindo que a velocidade da

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gota após o desprendimento era igual à velocidade da fase contínua. Usando o software NIS- Elements D3.2 (Japão) a distância entre a junção e o lado esquerdo da gota foi determinada imediatamente após o desprendimento da gota. A velocidade foi calculada pela diferença da posição da gota (D) em um intervalo de tempo (t) de 0,60 ms, que é o intervalo de tempo entre dois frames (Figura 3.6). A vazão da fase contínua (Qc) foi

calculada pela multiplicação dessa velocidade (v_g) pela área da seção transversal (A_t) do microcanal, de acordo com a Equação 3.5.

Q

= v

_𝑔

. A

_t (3. 5)

Figura 3.6. Desprendimento da gota para obtenção da diferença de posição (D) e diâmetro da gota (dg) determinados a partir da análise da imagem pelo NIS- Elements D3.2 (Japão)

A vazão da fase dispersa (Qd) foi calculada a partir do volume da gota (V) e da

frequência (f) de formação da gota, como mostra a Equação 3.6.

Q

= V ∙ f (m

. s

−1

)

(3.6) Frame 1 Frame 2 D t=0 ms t=0,60 ms dg

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O volume da gota foi calculado a partir do diâmetro da gota (d_g), assumindo que estas eram discos com bordas arredondas e com curvatura na ordem da profundidade do canal (Equação 3.7). Então:

V =

π 12

( 2d

g 3

_{− (d}

− h)

(2d

+ h)

(3.7)

f =

1 t_g (3.8)

onde, d_g é o diâmetro da gota, determinado pela medida no software NIS- Elements D3.2 (Japão), h é a altura do microcanal (h = 50 µm) e tg é tempo de geração. A câmera gera

imagens a cada 0,60 ms. Independente das condições de processo, as gotas estavam completamente formadas em 0,180 ms. Desta forma, o tempo de 0,180 ms foi considerado como o tempo de geração da gota.

3.2.3.2.3 Formação dos microgéis

O método de gelificação externa foi utilizado para a gelificação das gotas de goma gelana. A dispersão aquosa de goma gelana foi inserida pelo canal A e a mistura de óleo de soja com o emulsificante PGPR e acetato de cálcio foi inserida no canal B (Figura 3.2). A vazão de entrada para a fase contínua variou de 2,0 a 3,0 μL/min, mantendo as razões entre as vazões das fases dispersa e contínua em valores menores que 0,5 (q < 0,5) ou maiores que 1,0 (q > 1,0). O processo de formação dos microgéis foi observado em imagens

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capturadas por uma câmera Ds-Ri1 (Nikon, Japão) acoplada ao microscópio. Os microgéis foram coletados com uma pipeta Pasteur e caracterizados por distribuição de tamanho, tamanho médio das partículas e microscopia ótica (Seção 3.2.6).

Utilizou-se esse mesmo dispositivo para avaliar a possibilidade deste sistema ser usado como veículo para compostos ativos. Uma mistura da Rhodamina B e da dispersão aquosa de goma gelana foi inserida pelo microcanal A e a mistura oleosa foi inserida no canal B (Figura 3.2). Também foi avaliado o potencial da utilização dos microgéis na encapsulação de Rhodamina B pelo método de gelificação da mistura in-situ. No canal A foi inserida a dispersão aquosa de goma gelana, no B a Rhodamina B e no canal C a mistura de óleo de soja com o emulsificante PGPR e acetato de cálcio (Figura 3.3). O resumo das etapas para a obtenção e caracterização dos microgéis de goma gelana está apresentado na Tabela 3.1.

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Tabela 3.1. Etapas para avaliação da obtenção e caracterização dos microgéis de goma gelana Sistemas Fase Aquosa Fase Oleosa Qd (μL/min) Qc (μL/min) Variáveis analisadas Geometria Emulsões Água Óleo de soja + PGPR 0,5 – 4,0 0,5 – 3,0 » Regime de formação de gotas; » Vazão real das

fases; » Números adimensionais. Dispersão aquosa de goma gelana (0,6% m/m) Microgéis Dispersão aquosa de goma gelana (0,6% m/m) Óleo de soja + PGPR + Acetato de Cálcio 1,0 – 3,0 2,0 – 3,0 » Distribuição de tamanho, tamanho médio, span e coeficiente de variação; » Microscopia Ótica. Razão entre vazões

q < 0,5 ou q > 1,0 Dispersão aquosa de goma gelana (0,6% m/m) e Rhodamina B Óleo de soja + PGPR + Acetato de Cálcio » Microscopia de fluorescência. (Encapsulação)

No documento Produção de microgéis de goma gelana em dispositivos de microfluídica (páginas 56-64)