Vazão Real das Fases

A Figura 4.10 mostra os estágios de formação da gota de goma gelana (0,6% m/m) no microcanal. Foi observado que, independente das condições de processo, as gotas estavam completamente formadas no tempo espacial de 0,180 ms.

100 µm

Figura 4.10. Estágios de formação da gota de goma gelana (0,6% m/m) no microcanal em função do tempo espacial.Vazão da fase contínua Qc= 1µL/min e vazão da fase dispersa Qd =1 µL/min,

onde: A) 0,00 ms; B) 0,60 ms; C) 0,120 ms; D) 0,180 ms B V B C D A

Capítulo 4 Resultados e Discussão

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Em geral, a formação das gotas ocorre em três etapas. Na primeira etapa a gota está ligada nas junções do canal e expande em todas as direções. O rompimento da gota se inicia quando um “pescoço” é formado e esta é a segunda etapa. Finalmente, as forças de arrasto vencem as forças interfaciais, o “pescoço” se afina e ocorre o desprendimento da gota (DUXENNEUNER et al., 2014).

A velocidade dos fluidos no microcanal é função da vazão de entrada das fases, dada pela Equação 4.2.

v =

A_t (4. 2)

sendo que,

Q = vazão de entrada das fases (m³.s-1) v = velocidade de entrada das fases (m.s)

A_t = área da seção transversal do microcanal (m2)

As vazões de entrada das fases são controladas pelas bombas seringa utilizadas na injeção dos fluidos dentro dos dispositivos microfluídicos. Poucos estudos foram feitos para verificar se as velocidades impostas são as velocidades reais que os fluidos adquirem dentro dos dispositivos. Um estudo realizado por Steegmans et al. (2009) mostrou que as vazões reais em dispositivos microfluídicos de junção em Y foram diferentes daquelas aplicadas na bomba, provavelmente devido a uma significativa queda de pressão no dispositivo de microfluídica.

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Como em qualquer processo que envolva a fluidodinâmica, o comportamento dos fluidos pode ser definido pelo uso de números adimensionais. Na produção de emulsões em escala micrométrica em dispositivos de microfluídica, os números adimensionais de Reynolds, Weber e Capilar são relevantes para descrever o comportamento dos fluidos, pois os efeitos da viscosidade e da tensão interfacial são dominantes no processo de formação de gotas em microcanais (BAROUD; WILLAIME, 2004). Assim, determinar corretamente as velocidades reais das fases dentro dos dispositivos de microfluídica é importante para um cálculo mais exato desses números adimensionais.

A Figura 4.11 apresenta as vazões das fases dispersa e contínua impostas na bomba e a vazão real calculada. A vazão aplicada na bomba para a fase contínua variou de 1,0 a 3,0 μL/min e da fase dispersa de 0,5 a 4,0 μL/min. Inicialmente fez-se o estudo da vazões das fases aplicadas na bomba e as calculadas (real) quando a fase dispersa era água. A Figura 4.11A mostra que em baixas vazões de fase contínua (Qc bomba= 1,0 e 1,5 μL/min ) e

fase dispersa (Qd bomba= 0,5 a 1,5 μL/min) os valores das vazões na bomba também se

assemelham aos valores calculados (reais), 0,7 a 1,2 μL/min para a fase contínua (Qc real) e

de 0,8 a 1,9 μL/min para a fase dispersa (Qd real). As altas vazões de fase contínua (Qc bomba=

2,5 a 3,0 μL/min) e dispersa (Qd bomba= 2,0 a 4,0 μL/min) não alteraram a velocidade de

escoamento dos fluidos dentro dos dispositivos, pois os valores das vazões das fases calculados (reais) permaneceram baixos, Qc real= 0,5 a 1,1 μL/min e Qd real= 0,3 a 1,0

μL/min.

Comportamento similar foi observado quando a fase dispersa foi a dispersão aquosa de goma gelana 0,6% (m/m) (Figura 4.11B). Em baixas vazões das fases (Qc bomba= 1,0 e

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aplicadas na bomba, Qc real= 0,9 a 1,2 μL/min e Qd real= 0,4 a 1,4 μL/min. Em altas vazões

aplicadas na bomba (Qc bomba= 2,5 a 3,0 μL/min e Qd bomba= 2,0 a 4,0 μL/min), os valores

calculados (reais) também permaneceram mais baixos, Qc real= 0,6 a 1,5 μL/min e Qd real=

0,2 a 1,7 μL/min. Em geral, todas as vazões reais das fases foram menores do que aquelas aplicadas na bomba.

Figura 4.11. Vazão real das fases. A fase contínua é formada pelo óleo de soja + PGPR e a fase dispersa formada por: A) água e B) dispersão aquosa de goma gelana 0,6% (m/m). Subíndices: bomba: valor imposto na bomba e real: valor calculado a partir da medida da velocidade

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 V az ões das fase s (μ L .m in -1) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 V az ões das fase s (μ L .m in -1)

Qd bomba Qc bomba Qd real Qc real B

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Duas podem ser as limitações no processo de obtenção das emulsões em altas vazões que fazem com que as vazões reais das fases dentro dos dispositivos sejam menores comparadas com as vazões impostas na bomba. A primeira limitação está relacionada com as pequenas dimensões dos canais. As dimensões do microcanias são responsáveis por limitar o volume de fluido escoando dentro dos dispositivos de microfluídica levando a uma vazão máxima de escoamento. Acima deste valor máximo, praticamente não há alteração da vazão resultando em um aumento da pressão na entrada do dispositivo. O aumento da pressão na entrada do dispositivo impede que o fluido que está na mangueira conectada aos microcanais escoe com a vazão imposta na bomba, então, próximo à conexão que leva o fluido da seringa para a mangueira, ocorre a expansão das magueiras de silicone devido ao acúmulo do fluido injetado. O aumento da pressão total do sistema leva à desconexão da mangueira ao conector da seringa e, em alguns casos, o rompimento do canal.

A viscosidade das fases é a segunda limitação. A alta resistência ao escoamento (alta viscosidade) associada às baixas vazões de injeção das fases (magnitude de microlitros por minuto) levam a um escoamento lento dos fluidos dentro das mangueiras de silicone. A baixa energia mecânica útil do sistema devido à perda de energia durante transporte do fluido na mangueira (pequeno diâmetro), pode fazer com que a vazão real de escoamento dentro do dispositivo seja menor comparado com a vazão aplicada na bomba.

A Figura 4.12 mostra o regime de formação de gotas de água e goma gelana (0,6% m/m) em função das vazões das fases impostas na bomba e da vazão real. Observa-se que o regime de formação de gotas obtidos a partir das vazões reais das fases está fortemente associado com a vazão real da fase dispersa (Qd real). Em geral, principalmente para a fase

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dispersa constituída por água, o regime de gotejamento ocorreu em razões menores que 1 (q < 1) e o regime squeezing em razões entre vazões iguais ou maiores que 1 (q ≥ 1).

Figura 4.12. Regime de formação de gotas para as vazões impostas na bomba (bomba) e vazões calculadas (real) nas diferentes vazões de fase contínua (óleo de soja + PGPR) e fase dispersa constituída de: A) água e B) dispersões aquosas de goma gelana 0,6% (m/m)