Investigadores del MIT han desarrollado membranas aerofílicas que eliminan burbujas en procesos industriales, mejorando la eficiencia en bioreactores y producción química, superando limitaciones previas en la evacuación de burbujas.
En las plantas industriales de todo el mundo, la presencia de pequeñas burbujas representa un desafío significativo. Estas burbujas pueden obstruir filtros, alterar reacciones químicas, disminuir la producción durante la biomanufactura e incluso provocar sobrecalentamientos en equipos electrónicos y plantas nucleares.
El profesor del MIT, Kripa Varanasi, ha dedicado su carrera a investigar métodos para mitigar la interrupción causada por estas burbujas. En un estudio reciente, Varanasi, junto al candidato a doctorado Bert Vandereydt y el ex-investigador postdoctoral Saurabh Nath, han descubierto los principios físicos que sustentan un prometedor tipo de material de membrana diseñado para eliminar burbujas, conocido como “aerofílico”, término que proviene del griego y significa “amante del aire”. Este material puede ser aplicado en diversos sistemas, permitiendo optimizar el rendimiento de las máquinas al liberarse de las perturbaciones causadas por las burbujas.
“Hemos descifrado la estructura de estos materiales de membrana que atraen burbujas para permitir que el gas se evacue de la manera más rápida posible”, explica Varanasi, autor principal del estudio. “Imagina intentar empujar miel a través de un colador: no fluirá fácilmente, mientras que el agua lo hará con mayor facilidad, y el gas aún más. Sin embargo, incluso el gas alcanzará un límite de flujo que depende de las propiedades del gas y del líquido involucrado. Al descubrir esos límites, nuestra investigación permite a los ingenieros construir mejores membranas para sus sistemas.”
En el artículo publicado en la revista PNAS, los investigadores resumen sus hallazgos en un gráfico que permite a cualquier persona trazar algunas características de su sistema —como la viscosidad del gas y del líquido circundante— y encontrar la mejor membrana para hacer que la eliminación de burbujas sea casi instantánea. Utilizando este enfoque, el equipo demostró una aceleración mil veces mayor en la eliminación de burbujas en un biorreactor utilizado en industrias farmacéuticas, alimentarias, cosméticas y químicas.
Los investigadores afirman que estas membranas, que repelen el agua, podrían mejorar significativamente el rendimiento de una amplia gama de sistemas avanzados que hasta ahora han estado limitados por la formación de burbujas.
Mejores soluciones contra las burbujas
Las empresas intentan diversas estrategias para eliminar las burbujas. Desde desespumantes químicos hasta ultrasonido o dispositivos mecánicos diseñados para romperlas. Sin embargo, estos enfoques presentan desventajas en entornos controlados como los biorreactores; los desespumantes químicos pueden ser tóxicos para las células y la agitación mecánica puede dañar materiales biológicos delicados. Así, muchas aplicaciones que no toleran intervenciones químicas o mecánicas se ven afectadas por la formación incontrolada de espuma.
“La biomanufactura ha crecido enormemente en los últimos diez años”, señala Vandereydt. “Estamos extrayendo mucho más de sistemas biológicos como células y bacterias; nuestros reactores han incrementado su capacidad desde 5 millones hasta 100 millones de células por milímetro cúbico de solución. Sin embargo, la evacuación y eliminación de burbujas no ha avanzado al mismo ritmo —se está convirtiendo en un paso limitante significativo.”
Para comprender mejor cómo interactúan las membranas aerofílicas con las burbujas, los investigadores del MIT utilizaron instalaciones especializadas para crear una serie de diminutas membranas porosas de silicio con orificios que varían entre 10 y 200 micrones. Estas membranas fueron recubiertas con nanopartículas hidrofóbicas de sílice.
Al colocarlas sobre diferentes líquidos y liberar burbujas individuales con distintas viscosidades, registraron las interacciones mediante imágenes a alta velocidad mientras cada burbuja chocaba con las membranas.
“Comenzamos tratando de simplificar un sistema muy complicado como es la generación de espuma en un biorreactor para entender qué está ocurriendo”, explica Vandereydt.
Inicialmente, cuanto más grandes eran los orificios, más rápido desaparecían las burbujas. Asimismo, al cambiar el gas dentro de las burbujas del aire al hidrógeno —que tiene una viscosidad menor— se duplicó la velocidad a la que se destruían las burbujas.
No obstante, tras alcanzar una aceleración mil veces mayor en la destrucción de burbujas, los investigadores encontraron un límite físico adicional independientemente del tamaño de los orificios en las membranas. Posteriormente decidieron modificar la viscosidad del líquido utilizado; al pasar del agua a algo más parecido a miel descubrieron que esta propiedad solo influía cuando el líquido era 200 veces más viscoso que el agua. Experimentos adicionales revelaron que el factor principal que ralentiza la evacuación es la resistencia inercial dentro del líquido.