Μελέτη γαλακτωμάτων μικρού όγκου που παρασκευάσθηκαν με καινοτόμο συσκευή γαλακτωματοποίησης
Creators: name: Χονδρού, Αγγελική Παναγιώτη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: γαλακτωματοποίηση
μικροσυσκευή
μικρός όγκος υγρών
emulsification
miniature device
small volume

description: Η παρούσα μελέτη έχει ως στόχο την ανάπτυξη μιας εργαστηριακής συσκευής γαλακτωματοποίησης δύο μη αναμίξιμων υγρών συνολικού όγκου 3ml. Η καινοτόμος εργαστηριακή συσκευή πρέπει να εμφανίζει ίδια αρχή και χαρακτηριστικά λειτουργίας με τη συσκευή FOAM–C, η οποία θα χρησιμοποιηθεί για πειράματα παρασκευής και χαρακτηρισμού γαλακτωμάτων στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS). Στα πλαίσια της ανάπτυξης της εργαστηριακής συσκευής έγιναν πειράματα σε συνθήκες γήινης βαρύτητας με σκοπό την εξέταση της επίδρασης διαφόρων παραμέτρων στην επιτυχή γαλακτωματοποίηση και τη σταθερότητα των γαλακτωμάτων. Πανομοιότυπη συσκευή με τη συσκευή FOAM–C βρίσκεται στις εγκαταστάσεις της εταιρίας Airbus Space and Defence, υπεύθυνη για την κατασκευή της διαστημικής συσκευής, όπου πραγματοποιήθηκε μια σειρά πειραμάτων για να γίνουν συγκρίσεις με την καινοτόμο εργαστηριακή συσκευή γαλακτωματοποίησης.Το βασικότερο στοιχείο της συσκευής που αναπτύχθηκε είναι ένα μεταλλικό έμβολο το οποίο κινείται παλινδρομικά πάνω-κάτω εντός μικρού τετραγωνικού κελιού, 3ml, στο οποίο βρίσκονται τα δύο μη αναμίξιμα υγρά. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η γεωμετρία του εμβόλου, η οποία αποτέλεσε καθοριστικό παράγοντα στη κατανομή μεγέθους σταγονιδίων των γαλακτωμάτων. Το έμβολο στο ένα άκρο του έχει προσαρμοσμένη μεταλλική πλάκα η οποία καλύπτει σχεδόν ολόκληρη τη διατομή του κελιού αφήνοντας μόνο ένα μικρό διάκενο σε σχέση με τα παράπλευρα τοιχώματα του κελιού. Στη συσκευή Airbus η πλάκα του εμβόλου αφήνει διάκενο 0.6mm. Για την εργαστηριακή συσκευή κατασκευάστηκαν δύο έμβολα, ένα με διάκενο 0.25mm και ένα με διάκενο 0.6mm αλλά στα πειράματα της παρούσας μελέτης χρησιμοποιήθηκε μόνο το πρώτο από αυτά με την πεποίθηση ότι αυτό θα έδινε πιο αποτελεσματική γαλακτωματοποίηση. Επιπρόσθετα, αξίζει να σημειωθεί ότι η πλάκα του εμβόλου στην εργαστηριακή συσκευή γαλακτωματοποίησης δεν έχει ομοιόμορφο πάχος ολόγυρα, ενώ η πλάκα στη συσκευή της Airbus έχει ομοιόμορφο πάχος. Παρασκευάσθηκαν γαλακτώματα μικρού όγκου με τασενεργό το δωδέκυλο θειικό νάτριο (SDS) ή τo Ethylan 1008 και οργανική φάση το δωδεκάνιο ή το παραφινέλαιο. Εφαρμόστηκε η κλασσική μέθοδος απευθείας γαλακτωματοποίησης (direct emulsification). Οι κύριες παράμετροι που μελετήθηκαν στα πειράματα γαλακτωματοποίησης είναι: η συχνότητα της παλινδρόμισης του εμβόλου, η διάρκεια της παλινδρόμισης του εμβόλου, η αναλογία της υδατικής και της ελαιώδους φάσης και η συγκέντρωση του τασενεργού. Στην αρχή της μελέτης έγιναν και κάποια προκαταρκτικά πειράματα γαλακτωματοποίησης όπου η διάτμηση εφαρμόστηκε με διαφορετικούς τρόπους, με σκοπό την γρήγορη εκτίμηση του εύρους της προς εξέταση αναλογίας φάσεων και συγκέντρωσης τασενεργού.Η σταθερότητα των γαλακτωμάτων μελετήθηκε με δύο διαφορετικούς τρόπους, φωτογραφική καταγραφή του διαχωρισμού των φάσεων μέσα σε γυάλινο σωλήνα και υπολογισμό της κατανομής μεγέθους σταγονιδίων του γαλακτώματος. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε μέτρηση του ιξώδους ορισμένων γαλακτωμάτων και χαρακτηρισμός της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς τους. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων γαλακτωματοποίησης της εργαστηριακής συσκευής και της συσκευής της Airbus έδειξε σημαντικές διαφορές και ως προς τη σταθερότητα των γαλακτωμάτων και ως προς το μέγεθος των σταγονιδίων. Για την εξήγηση της απόκλισης αναπτύχθηκε μακροσκοπικό θεωρητικό μοντέλο για την εύρεση των βασικών υδροδυναμικών παραμέτρων της συσκευής οι οποίες επιδρούν στην γαλακτωματοποίηση. Με τον τρόπο αυτό εκτιμήθηκε ότι η εργαστηριακή συσκευή γαλακτωματοποίησης αναπτύσσει υψηλότερους ρυθμούς διάτμησης από τη συσκευή Airbus λόγω μικρότερου διάκενου της πλάκας με τα τοιχώματα αλλά αυτό αναιρείται από τον μικρότερο πραγματικό χρόνο γαλακτωματοποίησης
description: The aim of this study is the development of an emulsification device of two immiscible liquids with total volume 3mL. The innovative device has the same principle of operation with the device FOAM-C manufactured by the Airbus Space and Defence Company, which will be used for experiments on the preparation and characterization of emulsions in the International Space Station (ISS). During the development of the device, experiments in normal gravity conditions are performed in order to examine the effect of various parameters on emulsification and on the stability of emulsions. A device identical to FOAM-C is used by the Airbus Space and Defence Company. Similar experiments are conducted using the Airbus device to compare the emulsification results between the two devices. The main part of the innovative lab device is an aluminum plate fixed at the tip of a piston which moves up and down in a rectangular cell, with volume of 3mL. It has to be noted that the plate geometry has a significant effect on the droplet size distribution of the emulsions. The gap between the plate and the cell walls is 0.6mm in the Airbus device, while in the innovative lab device two gaps are used, 0.6mm and 0.25mm, respectively. In the present experiments with the innovative lab device, only the second gap is employed. The width of the used plate is non-uniform, in contrast to the Airbus device plate which has a uniform width. Sodium dodecyl sulfate (SDS) or Ethylan 1008 are mainly used as surfactants for the preparation of emulsions. As an organic phase, Dodecane or Paraffin oil are used. The direct emulsification method is used in all the experiments. Four parameters have been examined: the stroke frequency, the duration of emulsification, the ratio of the aqueous and the organic phase and the surfactant concentration. Preliminary emulsification experiments using different shear methods (generated by other than the innovative lab device) are also performed to estimate the range of the ratio of aqueous and organic phase and of the surfactant concentration. The emulsions stability is evaluated using two methods: optical recording of the phase separation and calculating the droplet size distribution of the emulsions. In addition, the viscosity and the viscoelastic behavior of the emulsions are also analyzed. The comparison of the results between the two devices demonstrate significant differences both in the emulsions stability and in the size of the droplets of the prepared emulsions. A macroscopic theoretical model is also developed, which has been used to determine the main hydrodynamic parameters of the innovative device. The calculated hydrodynamic parameters show that the innovative device achieves higher shear rates when compared to the Airbus device due to the smaller gap between the plate and the cell walls. However, the higher shear rate benefits are counterbalanced by the shorter characteristic breakage time in the Airbus device