{"id":509,"date":"2017-09-28T09:27:58","date_gmt":"2017-09-28T12:27:58","guid":{"rendered":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/?p=509"},"modified":"2017-10-02T22:45:47","modified_gmt":"2017-10-03T01:45:47","slug":"desenvolvimento-de-microrreatores-uma-breve-introducao","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/desenvolvimento-de-microrreatores-uma-breve-introducao\/","title":{"rendered":"Desenvolvimento de Microrreatores – Uma breve introdu\u00e7\u00e3o"},"content":{"rendered":"

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Ol\u00e1 querido leitor! J\u00e1 faz algum tempo que n\u00f3s n\u00e3o conversamos sobre os fundamentos da\u00a0Microflu\u00eddica<\/a>\u00a0e da Engenharia Qu\u00edmica<\/a>. Eu sei que \u00e0s vezes pode ser um pouco chato esses textos. Entretanto, entender esses fundamentos \u00e9 essencial para explorar melhor as ferramentas dessas \u00e1reas e assim\u00a0desenvolver microdispositivos cada vez mais complexos e dessa maneira, em um futuro pr\u00f3ximo, constru\u00edmos unidades industriais inteiras baseadas em microdispositivos.<\/p>\n

Os reatores qu\u00edmicos s\u00e3o conhecidos como o cora\u00e7\u00e3o dos processos qu\u00edmicos industriais, podendo ser o respons\u00e1vel pelo fracasso ou o sucesso econ\u00f4mico. Mas o que s\u00e3o reatores qu\u00edmicos? S\u00e3o equipamentos nos quais ocorrem rea\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas e s\u00e3o encontrados em dois tipos b\u00e1sicos: tanques ou tubos. Nesse segundo tipo \u00e9 que se enquadram os microrreatores.<\/p>\n

Podemos definir os microrreatores como dispositivos compostos por microcanais interligados, em que pequenas quantidades de reagentes s\u00e3o manipuladas, reagindo por um determinado tempo. Dependendo do tipo de rea\u00e7\u00e3o, o desenvolvimento de microrreatores incluem as etapas de design de microcanais, elementos de controle t\u00e9rmico, estruturas catal\u00edticas, sensores qu\u00edmicos e micromisturadores (Nguyen and Wereley, 2006). Nesse texto n\u00f3s iremos avaliar os aspectos relacionados aos microcanais e um pouco de micromisturadores.<\/p>\n

Como apresentado anteriormente, microrreatores s\u00e3o compostos por microcanais que algumas vezes s\u00e3o utilizados para o transporte de reagentes ou diretamente como reatores. Para o desenvolvimento de reatores de microcanais \u00e9 preciso a an\u00e1lise das seguintes caracter\u00edsticas: tamanho da sec\u00e7\u00e3o transversal do canal; tempo de resid\u00eancia requerido; comprimento longitudinal do microcanal e design do micromisturador.<\/p>\n

Tamanho da sec\u00e7\u00e3o transversal do microcanal<\/strong><\/p>\n

Para a determina\u00e7\u00e3o do tamanho da sec\u00e7\u00e3o transversal do canal, alguns livros textos (Nguyen, 2012; Nguyen e Wereley, 2006) utilizam n\u00fameros adimensionais para o c\u00e1lculo da sec\u00e7\u00e3o transversal.<\/p>\n

Embora isso seja verdade, esses c\u00e1lculos n\u00e3o levam em conta o tipo de fabrica\u00e7\u00e3o que ser\u00e1 utilizado. Por exemplo, at\u00e9 o ano de 2016, nossos microrreatores eram fabricados no Laborat\u00f3rio de Microfabrica\u00e7\u00e3o do Laborat\u00f3rio Nacional de Nanotecnologia (LNNano<\/a> \u2013 Campinas\/SP)<\/span>\u00a0utilizando o processo de litografia macia (esse processo de fabrica\u00e7\u00e3o foi detalhado em um texto anterior, dispon\u00edvel aqui<\/a>). Nesse processo, n\u00f3s n\u00e3o tivemos dificuldade em fabricar microdispositivos com alturas que variavam de 50 a 200 \u00b5m e larguras de 100 a 1500 \u00b5m. \u00c9 claro que essas dimens\u00f5es podem variar com utiliza\u00e7\u00e3o de algumas t\u00e9cnicas podendo ser alcan\u00e7adas dimens\u00f5es laterais de at\u00e9 30 nm (Xia and Whitesides, 1998). Ent\u00e3o, para determinar o tamanho da sec\u00e7\u00e3o transversal devemos levar em considera\u00e7\u00e3o o processo de fabrica\u00e7\u00e3o dispon\u00edvel e a partir dessa informa\u00e7\u00e3o come\u00e7armos nossos c\u00e1lculos, para n\u00e3o corrermos o risco de desenvolver um microrreator e n\u00e3o termos como fabric\u00e1-lo ou o custo de fabrica\u00e7\u00e3o ser demasiadamente elevado.<\/p>\n

Outra observa\u00e7\u00e3o \u00e9 sobre o tamanho reduzido da sec\u00e7\u00e3o transversal. Por exemplo, para a s\u00edntese de biodiesel atrav\u00e9s da rea\u00e7\u00e3o entre \u00f3leos vegetais e \u00e1lcoois, \u00e9 observado dos trabalhos da literatura que a convers\u00e3o do \u00f3leo vegetal em biodiesel em microrreatores \u00e9 afetada pelo di\u00e2metro hidr\u00e1ulico dos canais – tamanho da sec\u00e7\u00e3o (Guan et al., 2010; Sun et al., 2008).<\/p>\n

Isso significa que quanto menor o tamanho da sec\u00e7\u00e3o transversal, mais pr\u00f3ximo as mol\u00e9culas de triglicer\u00eddeos (\u00f3leo vegetal) e de etanol estar\u00e3o e assim um maior rendimento ser\u00e1 obtido. Entretanto, quanto menor for a sec\u00e7\u00e3o transversal, maior ser\u00e1 a perda de carga (perda\u00a0de energia do fluido) e dificuldade de opera\u00e7\u00e3o dos microdispositivos. Soma-se a isso, a grande quantidade de microdispositivos que s\u00e3o necess\u00e1rios para a obten\u00e7\u00e3o de uma produ\u00e7\u00e3o comercial, uma vez que quanto menor a sec\u00e7\u00e3o transversal menor a taxa de escoamento.<\/p>\n

Assim, na minha opini\u00e3o, a utiliza\u00e7\u00e3o de microdispositivos com sec\u00e7\u00e3o transversal maior \u00e9 prefer\u00edvel para resolver os problemas listados acima. Por\u00e9m, dos nossos trabalhos (Santana et al., 2015a; Santana et al., 2015b) quanto maior a sec\u00e7\u00e3o transversal menor \u00e9 a efici\u00eancia de mistura dos reagentes em microcanais sem obstru\u00e7\u00f5es\/micromisturadores. Dessa maneira, para a utiliza\u00e7\u00e3o de microcanais com sec\u00e7\u00e3o transversal maior \u00e9 indispens\u00e1vel a aplica\u00e7\u00e3o de micromisturadores, os quais ser\u00e3o discutidos posteriormente.<\/p>\n

Tempo de resid\u00eancia requerido<\/strong><\/p>\n

O tempo de resid\u00eancia necess\u00e1rio para a completa convers\u00e3o dos reagentes pode ser determinado atrav\u00e9s de dados experimentais ou analisando alguns tempos caracter\u00edsticos. O primeiro \u00e9 o pr\u00f3prio tempo de resid\u00eancia m\u00e9dio dos fluidos dentro dos microdispositivos apresentado na Equa\u00e7\u00e3o 1:\u00a0\u00a0\"\"Em que L<\/em> \u00e9 o comprimento longitudinal\/total do microcanal e \u00fc \u00e9 a velocidade m\u00e9dia. O tempo caracter\u00edstico que depende da cin\u00e9tica de rea\u00e7\u00e3o \u00e9 o tempo de rea\u00e7\u00e3o. Esse tempo para uma rea\u00e7\u00e3o de primeira ordem com volume constante \u00e9 expresso pela Equa\u00e7\u00e3o 2:\"\"Em que k<\/em> \u00e9 a constante de rea\u00e7\u00e3o. Para outros tipos de rea\u00e7\u00e3o consulte as refer\u00eancias Nguyen e Wereley (2006) e Flogler (2006). A raz\u00e3o entre o tempo de resid\u00eancia e o tempo de rea\u00e7\u00e3o \u00e9 frequentemente chamado de n\u00famero Damk\u00f6hler (Kockmann et al., 2006) como mostrado na Equa\u00e7\u00e3o 3:<\/p>\n

\"\"<\/p>\n

Para valores elevados de DaI<\/em> (DaI<\/em>\u00bb1) as esp\u00e9cies qu\u00edmicas possuem tempo suficiente para reagirem nos microdispositivos e a rea\u00e7\u00e3o estar\u00e1 completa na sa\u00edda do microcanal.<\/p>\n

Por exemplo, para uma rea\u00e7\u00e3o entre o \u00f3leo vegetal de Jatropha curcas (<\/em>Pinh\u00e3o Manso)<\/em> e etanol na presen\u00e7a de hidr\u00f3xido de s\u00f3dio (0.8%), Tapanes et al. (2008) encontrou uma constante de rea\u00e7\u00e3o igual a 0,1830 s-1<\/sup>. Assim, o tempo de rea\u00e7\u00e3o \u00e9 de 5,46 s. Se os fluidos ficarem dentro do microrreator um tempo inferior a esse valor os reagentes n\u00e3o possu\u00edram tempo suficiente para reagirem e a rea\u00e7\u00e3o n\u00e3o est\u00e1 completa na sa\u00edda do microrreator ocasionando baixos rendimentos reacionais.<\/p>\n

Comprimento longitudinal<\/strong><\/p>\n

O comprimento longitudinal pode ser calculado diretamente da Equa\u00e7\u00e3o 1. O tempo de resid\u00eancia m\u00e9dio pode ser estimado por ensaios experimentais ou por tempos caracter\u00edsticos e assim para encontrarmos o comprimento longitudinal basta saber a velocidade m\u00e9dia dos fluidos. Por\u00e9m, algumas vezes o c\u00e1lculo dessa velocidade m\u00e9dia pode ser uma tarefa dif\u00edcil.<\/p>\n

A maneira mais f\u00e1cil de se calcular a velocidade m\u00e9dia dentro dos microrreatores \u00e9 atrav\u00e9s da vaz\u00e3o de entrada dos reagentes (Q<\/em>) e a \u00e1rea do microcanal (A<\/em>). Atrav\u00e9s da rela\u00e7\u00e3o \u00fc = QA<\/em>, pode-se obter a velocidade m\u00e9dia nos microrreatores e por consequ\u00eancia o comprimento longitudinal.<\/p>\n

A velocidade tamb\u00e9m pode ser obtida por modelos f\u00edsicos. O escoamento de fluidos em macrocanais \u00e9 descrito pela conserva\u00e7\u00e3o da massa, energia e equil\u00edbrio de for\u00e7as, assumindo que o fluido pode ser considerado como cont\u00ednuo. Em microescala os fluidos, l\u00edquidos em especial, podem ser considerados cont\u00ednuos, tamb\u00e9m. Nguyen e Wereley (2006) mostraram que em um canal de 10 \u00b5m de comprimento de escala pode haver 30.000 mol\u00e9culas de \u00e1gua, n\u00famero suficiente para considerar o escoamento como cont\u00ednuo. Assim, as equa\u00e7\u00f5es de transporte em estado estacion\u00e1rio descritas pela equa\u00e7\u00e3o da continuidade (Equa\u00e7\u00e3o 4) e pelas equa\u00e7\u00f5es de Navier-Stokes (Equa\u00e7\u00e3o 5) podem ser utilizadas para obter o perfil de velocidade, sendo apresentadas a seguir:<\/p>\n

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Em que \u03c1<\/em> \u00e9 a massa especifica (kg m-3<\/sup>), U<\/em> \u00e9 o vetor velocidade (m s-1<\/sup>), p<\/em> \u00e9 a press\u00e3o (kg m-1 <\/sup>s-2<\/sup>), \u00b5<\/em> \u00e9 a viscosidade din\u00e2mica (kg m-1 <\/sup>s-1<\/sup>) e g<\/em> acelera\u00e7\u00e3o da gravidade (m s-2<\/sup>). Na Equa\u00e7\u00e3o 5, o termo do lado esquerdo representa a acelera\u00e7\u00e3o espacial do fluido, enquanto que os termos do lado direito representam o gradiente de press\u00e3o, as tens\u00f5es viscosas e as contribui\u00e7\u00f5es da for\u00e7a do corpo.<\/p>\n

A Equa\u00e7\u00e3o 5 pode ser simplificada e obtida uma solu\u00e7\u00e3o anal\u00edtica para a velocidade m\u00e9dia no canal. Solu\u00e7\u00f5es anal\u00edticas para o perfil de velocidade em microcanais com sec\u00e7\u00f5es transversais de v\u00e1rios formatos (circular, retangular, el\u00edptica etc) podem ser encontradas em Nguyen (2012).<\/p>\n

Por fim, o comprimento longitudinal tamb\u00e9m pode ser calculado por n\u00fameros adimensionais, como mostra a Equa\u00e7\u00e3o 6:<\/p>\n

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Em que W<\/em> \u00e9 a largura do microcanal, Fo<\/sub> \u00e9 o n\u00famero de Fourier (D\u03c4d<\/sub> L-2<\/sup>\u00a0– em que D \u00e9 o coeficiente de difus\u00e3o e\u00a0\u03c4d<\/sub> \u00e9 o tempo de difus\u00e3o) e PeW <\/sub>\u00e9 o n\u00famero de Peclet baseado na largura do microcanal (\u00fcLD-1<\/sup>).<\/p>\n

Nguyen (2012) mostra que os valores t\u00edpicos do n\u00famero de Fourier s\u00e3o 0,1 < Fo <\/sub>< 1 e o n\u00famero de Peclet varia entre 10<PeW<\/sub><10.000. Assim, a varia\u00e7\u00e3o da Equa\u00e7\u00e3o 6 \u00e9 10<L\/W<10.000. Utilizando essa rela\u00e7\u00e3o, o comprimento longitudinal para uma largura de 100 \u00b5m fica entre 100 \u00b5m<L<\/em><1 m, enquanto para uma largura de 1500 \u00b5m o comprimento fica entre 15 mm<L<\/em><15 m. Esses valores nos mostram que quanto maior a largura do microcanal, maior \u00e9 o comprimento longitudinal requerido para a completa difus\u00e3o das mol\u00e9culas.<\/p>\n

Esse problema pode ser contornado com o uso de micromisturadores acoplado ao microrreator.<\/p>\n

Design do micromisturador<\/strong><\/p>\n

A literatura sobre micromisturadores \u00e9 muito ampla e foi revisada por v\u00e1rios autores (Lee et al., 2016; Nguyen, 2012; Suh and Kang, 2010). Em outra oportunidade eu pretendo abordar s\u00f3 a quest\u00e3o dos micromisturadores.\u00a0O que precisamos saber agora \u00e9 que a mistura dos reagentes influ\u00eancia diretamente na efici\u00eancia reacional e assim quanto maior a efici\u00eancia de mistura do micromisturador mais eficiente ser\u00e1 o microrreator.<\/p>\n

No desenvolvimento de micromisturadores ferramentas computacionais podem fornecer de forma r\u00e1pida an\u00e1lises qualitativas e quantitativas sobre o comportamento de esp\u00e9cies dentro desses microdispositivos, otimizando o processo de desenvolvimento. V\u00e1rios softwares podem ser utilizados nesse processo, como o ANSYS CFX, COMSOL, OpenFOAM entre outros. Independente da ferramenta computacional escolhida, o par\u00e2metro que pode ser utilizado para avaliar o grau de mistura \u00e9 o \u00edndice de mistura<\/em>.<\/p>\n

Esse \u00edndice \u00e9 uma medida da efici\u00eancia de mistura entre os fluidos, sendo baseado no conceito de intensidade de segrega\u00e7\u00e3o, que se baseia na concentra\u00e7\u00e3o das esp\u00e9cies qu\u00edmicas e concentra\u00e7\u00e3o m\u00e9dia (Ansari and Kim, 2009; Kockmann et al., 2006). Ele pode ser calculado com base no desvio padr\u00e3o da fra\u00e7\u00e3o m\u00e1ssica de um dos fluidos presentes, em uma se\u00e7\u00e3o transversal normal \u00e0 dire\u00e7\u00e3o do escoamento de acordo com a Equa\u00e7\u00e3o 7:<\/p>\n

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Em que \u03c3 \u00e9 a vari\u00e2ncia da fra\u00e7\u00e3o m\u00e1ssica, Yi<\/sub><\/em> \u00e9 a fra\u00e7\u00e3o m\u00e1ssica do ponto de amostragem i<\/em>,\u00a0 \u00a8Y \u00e9 a m\u00e9dia da\u00a0fra\u00e7\u00e3o m\u00e1ssica e N<\/em> \u00e9 o n\u00famero de pontos de amostragem dentro da se\u00e7\u00e3o transversal. A efici\u00eancia da mistura entre os fluidos ent\u00e3o \u00e9 calculada utilizando o \u00edndice de mistura:<\/p>\n

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Em que M<\/em> \u00e9 o \u00edndice de mistura e \u03c3max\u00a0<\/sub>\u00e9 a varia\u00e7\u00e3o m\u00e1xima ao longo do intervalo de dados. A varia\u00e7\u00e3o \u00e9 m\u00e1xima para fluidos n\u00e3o misturados (no ponto inicial de contato entre os fluidos) e m\u00ednima para fluidos completamente misturados.<\/p>\n

Na Equa\u00e7\u00e3o 7, aparece o termo Y<\/em> que \u00e9 calculado \u00e0 partir da conserva\u00e7\u00e3o da massa para a esp\u00e9cie qu\u00edmica i<\/em> e expressa por:<\/p>\n

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Em que Yi<\/sub><\/em> \u00e9 a fra\u00e7\u00e3o m\u00e1ssica da esp\u00e9cie qu\u00edmica i<\/em>, Di<\/sub><\/em> \u00e9 o coeficiente de difus\u00e3o cinem\u00e1tica da esp\u00e9cie qu\u00edmica i<\/em> e Si<\/sub> \u00e9 a fonte de massa da esp\u00e9cie i <\/em>devido a rea\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas. Nos estudos envolvendo o \u00edndice de mistura em que \u00e9 considerado um escoamento n\u00e3o-reativo, esse termo \u00e9 igual a zero.<\/p>\n

E com isso n\u00f3s enceramos essa parte introdut\u00f3ria. Desculpem-me pelo texto enorme e por alguns termos mais t\u00e9cnico. Eu tentei ao m\u00e1ximo simplificar o assunto, mas alguns termos podem gerar d\u00favidas. Se esse for o caso, deixem suas d\u00favidas nos coment\u00e1rios que n\u00f3s conversaremos sobre ela.<\/p>\n

At\u00e9 semana que vem querido leitor!<\/p>\n

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Refer\u00eancias<\/strong><\/p>\n

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Suh, Y. K.; Kang, S. A Review on Mixing in Microfluidics. . Micromachines. 2010;1:82-111.<\/p>\n

Ansari, M. A., Kim, K-Y. A Numerical Study of Mixing in a Microchannel with Circular Mixing Chambers. AIChE Journal. 2009;55(9):2217-2225.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Ol\u00e1 querido leitor! J\u00e1 faz algum tempo que n\u00f3s n\u00e3o conversamos sobre os fundamentos da\u00a0Microflu\u00eddica\u00a0e da Engenharia Qu\u00edmica. Eu sei que \u00e0s vezes pode ser um pouco chato esses textos. Entretanto, entender esses fundamentos \u00e9 essencial para explorar melhor as ferramentas dessas \u00e1reas e assim\u00a0desenvolver microdispositivos cada vez mais complexos e dessa maneira, em um futuro pr\u00f3ximo, constru\u00edmos unidades industriais inteiras baseadas em microdispositivos. Os reatores qu\u00edmicos s\u00e3o conhecidos como o cora\u00e7\u00e3o dos processos qu\u00edmicos industriais, podendo ser o respons\u00e1vel pelo fracasso ou o sucesso econ\u00f4mico. Mas o que s\u00e3o reatores qu\u00edmicos? S\u00e3o equipamentos nos quais ocorrem rea\u00e7\u00f5es qu\u00edmicas e s\u00e3o encontrados em dois tipos b\u00e1sicos: tanques ou tubos. Nesse segundo tipo \u00e9 que se enquadram os microrreatores. Podemos definir os microrreatores como dispositivos compostos por microcanais interligados, em que pequenas quantidades de reagentes s\u00e3o manipuladas, reagindo por um determinado tempo. Dependendo do tipo de rea\u00e7\u00e3o, o desenvolvimento de microrreatores \u2026 Continue lendo → <\/span><\/a><\/p>\n","protected":false},"author":167,"featured_media":530,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_monsterinsights_skip_tracking":false,"pgc_sgb_lightbox_settings":"","_vp_format_video_url":"","_vp_image_focal_point":[],"footnotes":""},"categories":[21,22,18,7],"tags":[9,20,12,11],"class_list":["post-509","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-engenharia-quimica","category-microfluidica","category-microrreatores","category-origens-fundamentos","tag-engenharia-quimica","tag-microdispositivos","tag-microfluidica","tag-reacao"],"jetpack_featured_media_url":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-content\/uploads\/sites\/107\/2017\/09\/Fig1.png","_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/509","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/users\/167"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=509"}],"version-history":[{"count":22,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/509\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":1201,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/509\/revisions\/1201"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/media\/530"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=509"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=509"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.blogs.unicamp.br\/microfluidicaeengenhariaquimica\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=509"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}