Estudo torna cem vezes mais produtivos dispositivos microfluídicos

Por Manuel Alves Filho, via Jornal da UNICAMP

Pesquisadores da Faculdade de Engenharia Química (FEQ) da Unicamp desenvolveram protótipos de dispositivos microfluídicos com capacidade de produção até 100 vezes maior que a dos produtos disponíveis atualmente, sem que ocorresse perda de eficiência. A tecnologia é aplicada em reatores que produzem, por exemplo, compostos químicos e biocombustíveis. Os estudos, coordenados pelo professor Osvaldir Pereira Taranto, renderam um depósito de patente e a publicação de artigos em duas importantes revistas científicas de alto impacto.

Os protótipos foram desenvolvidos no contexto da pesquisa do engenheiro químico Harrson Silva Santana, pesquisador de pós-doutorado e professor colaborador na FEQ. O trabalho está inserido numa área de conhecimento denominada microfluídica, que se ocupa de investigar o fluxo de fluidos em dispositivos com dimensões que variam de dezenas a centenas de micrômetros. Para se ter uma ideia das proporções envolvidas, um micrômetro equivale a um milionésimo do metro ou à milésima parte do milímetro.

De acordo com o professor Osvaldir Taranto, coordenador das pesquisas, a miniaturização desses dispositivos é importante porque, quando se reduz a escala, as taxas de reações químicas se tornam mais altas. Em outras palavras, o processo de produção ganha em eficiência. “Alguém pode afirmar: mas se os dispositivos são tão pequenos, a produção também é. Isso é verdade se levarmos em consideração apenas uma unidade. Entretanto, imagine se multiplicarmos o número de dispositivos por milhares e os colocarmos para funcionar de forma interligada, como um cluster de computador? Nesse caso, a produção também ocorrerá em larga escala”, explica o docente.

O desafio enfrentado por Harrson Santana e colaboradores, como o professor João Lameu da Silva Jr., foi aperfeiçoar o processo, ao ampliar o tamanho dos dispositivos. Ele aumentou os equipamentos em 100 vezes, o que equivale a incrementar a capacidade de produção na mesma proporção. “A solução pode parecer simples, mas não é. Não basta simplesmente aumentar o tamanho dos dispositivos e pronto. Antes, é preciso definir qual o tamanho ideal que eles devem ter, para que possamos ampliar a escala sem que o processo perca eficiência”, detalha o pesquisador.

O engenheiro químico Harrson Santana (à esq.), autor do trabalho, e o professor Osvaldir Taranto: microdispositivos foram produzidos em material polimérico, por uma impressora 3D.

Normalmente, prossegue o engenheiro químico, as dimensões dos dispositivos microfluídicos são determinadas a partir da revisão da literatura. “No nosso caso, nós utilizamos softwares para definir o tamanho dos equipamentos. Ou seja, primeiro nós simulamos e otimizamos o funcionamento dos microdispositivos de forma virtual, para somente depois partimos para a fabricação propriamente dita”, pontua Harrson Santana. A confecção dos equipamentos, conforme Osvaldir Taranto, é um caso à parte.

Após a definição do tamanho e das especificações dos dispositivos, que apresentam em seu interior “obstáculos” que promovem a agitação dos fluidos e assim ajudam na sua homogeneização, é gerado um arquivo digital. Este é utilizado em uma impressora 3D, que produz os microdispositivos a partir de um material polimérico. “Esta é uma excelente solução, pois permite, por hipótese, que alguém na China baixe o arquivo e fabrique os dispositivos localmente, sem qualquer dificuldade”, observa o docente da FEQ.

Santana acrescenta que uma das vantagens de se fabricar reatores tão pequenos é que eles são mais baratos que os convencionais. “Para facilitar o desenvolvimento dos dispositivos, após as simulações numéricas, nós utilizamos impressoras 3D de baixo custo para fabricar os protótipos dos dispositivos, o que nos permite testá-los de forma muito mais rápida e com baixo custo de fabricação. Hoje nós conseguimos fabricar microdispositivos com um custo aproximado de R$ 10 em questão de horas”, esclarece o pesquisador.

Outras aplicações

Além de produzir compostos químicos e biocombustíveis, como já mencionado, os dispositivos microfluídicos podem ser utilizados para outras finalidades, como observa o professor Osvaldir Taranto. “Eu tenho um orientando que está trabalhando com vinificação. Dito de forma bem simplificada, ele usa suco de uva branco com o objetivo de fabricar vinho. Além disso, futuramente pretendemos colocar microssensores nos dispositivos com o propósito de identificar e analisar determinadas proteínas do sangue”, adianta.

Protótipo desenvolvido na FEQ: tecnologia está sendo alvo de novas investigações, entre elas uma que envolve a produção de vinho.

De acordo com Santana, o grupo da FEQ-Unicamp tem mantido contato com outros grupos de pesquisa, que fazem síntese de fármacos para a produção de medicamentos em microrreatores. Ocorre, entretanto, que a produção alcançada por esses dispositivos é muito pequena. “Estamos conversando para simular um processo que permita ampliar a produção de cada microrreator, aumentando as dimensões dos dispositivos, mas mantendo a mesma eficiência reacional e todas as características deles”, informa o pesquisador, que conta com bolsa concedida pela Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes), fundação vinculada ao Ministério da Educação (MEC).

O mais gratificante desse trabalho, acrescenta Osvaldir Taranto, é que todas as descobertas e aperfeiçoamentos têm sido feitos por cientistas brasileiros, em uma universidade pública brasileira. “Temos uma média de dez pessoas envolvidas em cada projeto de pesquisa, o que inclui desde o aluno de iniciação científica até o de pós-doutorado. São essas pessoas que certamente encontrarão soluções para muitos dos nossos problemas atuais”, infere.


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Sobre Harrson S. Santana

Harrson S. Santana obteve seu doutorado em Engenharia Química pela Universidade de Campinas em 2016. Sua tese de doutorado foi a investigação da síntese de biodiesel em microcanais, utilizando simulações numéricas e ensaios experimentais. Em 2015, ele passou vários meses na Universidade de Glasgow (Reino Unido) desenvolvendo pesquisas na área de impressão 3D. Atualmente, ele é pesquisador associado e professor colaborador da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, trabalhando no desenvolvimento de microplantas químicas e uso de impressoras 3D em processos químicos. Ele publicou vários artigos explorando desde simulações numéricas no desenvolvimento de microdispositivos até o uso de microfluídica em reações químicas e operações unitárias. Seu interesse científico se concentra em fenômenos de transporte em sistemas microfluídicos, impressoras 3D e sistemas robóticos aplicados a processos químicos em microescala.

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