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Type: DISSERTAÇÃO
Degree Level: Mestrado
Title: Produção de emulsões em dispositivos microfluídicos
Title Alternative: Emulsion production in microfluidic devices
Author: Oliveira, Davi Rocha Bernardes de, 1988-
Advisor: Cunha, Rosiane Lopes da, 1967-
Abstract: Resumo: A emulsificação em dispositivos microfluídicos destaca-se pela sua capacidade em gerar gotas de maneira individual em um processo totalmente controlado. Através dele, é possível a obtenção de emulsões com coeficientes de variação de tamanho de gotas inferiores a 5%. Soluções de glicerol (fluidos Newtonianos) com concentrações variando entre 10 e 75% (m/m) foram utilizadas como fase dispersa para obtenção de emulsões água em óleo em microcanais planares com junções do tipo T e Y. Como fase contínua foi utilizado óleo de soja contendo 5% (m/m) de emulsificante PGPR. Como condições de processo, quatro diferentes razões entre as vazões das fases contínua e dispersa foram avaliadas. Paralelamente, quatro soluções de goma xantana (fluidos não-Newtonianos) com concentrações variando de 0,05 a 0,50% (m/m) foram avaliadas como fase dispersa num microcanal com junção em Y, e submetidas às mesmas condições das soluções de glicerol. Em todos os sistemas avaliados, a razão entre as fases foi o fator de maior influência no tamanho das gotas formadas. Em relação aos fluidos Newtonianos, a emulsificação no canal em T se mostrou menos sensível às propriedades físicas dos fluidos, enquanto na geometria em Y, notou-se, através do cálculo dos números adimensionais de Weber e Capilar, grande influência da tensão interfacial sobre o tamanho das gotas formadas, superando a ação das forças viscosas. Em relação aos fluidos não-Newtonianos, foi observada grande diferença no processo de formação das gotas e nas características da emulsão. Gotas com elevada polidispersão foram obtidas, em especial nas soluções mais concentradas e nas maiores razões entre as vazões das fases. Esse fato se deu devido à formação das gotas ter ocorrido longe da junção dos canais, através da formação de um jato de fase dispersa. Esse jato foi intensificado nas soluções de goma xantana de maior concentração e nas condições de maiores velocidades da fase contínua. Ensaios reológicos extensionais confirmaram que, de fato, a viscosidade elongacional da solução de goma xantana aumenta com a concentração e também com a taxa de deformação elongacional, o que explicaria a formação do jato. Na solução de menor concentração de goma xantana foi possível a obtenção de gotas altamente monodispersas, embora tenha ocorrido a formação do jato no rompimento das gotas, estando essa solução numa região de transição do regime de jateamento para o regime de gotejamento. Dessa forma, pode-se verificar que no regime de gotejamento, típico dos fluídos Newtonianos, a monodispersão é uma característica bem definida. No caso do uso de fluídos viscoelásticos na fase dispersa, a obtenção de gotas monodispersas é um desafio, devido ao efeito da elevada viscosidade elongacional. Assim, torna-se necessária a avaliação de condições de processo e geometria de canal mais adequadas a esta situação de forma a diminuir a polidispersidade desses sistemas

Abstract: Emulsification in microfluidic devices is distinguished by its ability to generate droplets in a controlled and individual way, in which it is possible to obtain emulsions with polydispersity lower than 5%. Glycerol solutions (Newtonian fluids) at concentrations ranging from 10 to 75% (w/w) were used as dispersed phase in order to obtain water in oil emulsions, using Y - and T - junction microchannels. As continuous phase, soybean oil containing 5% (w/w) of emulsifier PRPG was used. Four different ratios of the flow rates of continuous and dispersed phases were evaluated in both microfluidic devices. Similarly, four xanthan gum solutions (non-Newtonian fluids) with concentrations ranging from 0,05 to 0,50% were evaluated as dispersed phase in a Y ¿ junction microchannel. In all systems, the ratio of the flow rates of the phases was the most influential factor in the size of the droplets. Regarding Newtonian fluids, the T ¿ junction microchannel was less sensitive to the fluids physical properties, while in Y ¿ junction geometry it was noted that the interfacial tensions played the main role in droplet size, overcoming the viscous forces. Regarding the non-Newtonian fluids, a large difference in the droplet generation was observed. Droplets with high polydispersity were obtained, especially in the most concentrated xanthan gum solution, when high shear forces were applied. This fact may have occurred due to the formation of a jet of the dispersed phase, from which droplets were detached without any control. This jet was intensified in xanthan solutions of higher concentration and under high velocities of the dispersed phase. Indeed, extensional rheology confirmed that the elongational viscosity of xanthan gum solution increases with concentration and also with the rate of elongational deformation, which would explain the formation of the jet. In the solution at lower concentration of xanthan, it was possible to obtain highly monodisperse droplets, although the droplets detachment still occurred in the jetting regime. This solution is herefore in a transition region between jetting and dripping regime. Thus, it was verified that the dripping regime, typical of Newtonian fluids, the monodispersity is a well-defined characteristic. On the other hand, when using viscoelastic fluids as dispersed phase, obtaining monodispersed droplets is still a challenge, due to the effect of high elongational viscosity of this fluids. In this way, it becomes necessary evaluate new process conditions and microchannel geometries in order to reach emulsions with low polydispersity
Subject: Emulsões
Microfluidica
Propriedades reologicas
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2014
Appears in Collections:FEA - Tese e Dissertação

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