Διάταξη παραγωγής μικρό-φυσαλίδων

Μία σημαντική παράμετρος για τη μείωση του λειτουργικού κόστους και την αύξηση της βιωσιμότητας της καλλιεργητικής διαδικασίας (σε πρωτεΐνες, υδατάνθρακες και λιπίδια) είναι και η δημιουργία και χρησιμοποίηση μικρο-φυσαλίδων για τον εμπλουτισμό της καλλιέργειας με το απαραίτητο CO2. Για τις ανάγκες του έργου θα γίνει κατασκευή διατάξεων παραγωγής μικρο-φυσαλίδων (micro-bubbles) με διάμετρο μικρότερης των 50 μm. Στόχος είναι η δημιουργία όσο το δυνατόν μικρότερων φυσαλίδων, μιας και εξαιτίας της ιδιότητάς τους, όπως η μεγάλη επιφάνεια ανά μονάδα όγκου, η χαμηλή ταχύτητα ανόδου και η αυτοπίεση λόγω της επιφανειακής τάσης, παραμένουν στο νερό πολύ μεγαλύτερο διάστημα (ακόμα και ημέρες), σε σχέση με τις κανονικές (διαμέτρου>1 mm) φυσαλίδες, οι οποίες αναδύονται αμέσως στην επιφάνεια.

Επίδραση μεγέθους των φυσαλίδων στο χρόνο παραμονής

Ο χρόνος παραμονής των φυσαλίδων στην υγρή φάση εξαρτάται από το μέγεθός τους. Σύμφωνα με το νόμο του Stokes, η τελική ταχύτητα ανόδου μιας φυσαλίδας δίνεται από τη σχέση:

ν=(d² g(ρ_w-ρ_g ))/(18μ_w ) (1)

όπου ν η ταχύτητα ανόδου της φυσαλίδας (ms^-1), d η διάμετρος της (m), g η επιτάχυνση της βαρύτητας (ms^-2), ρ_w και ρ_g η πυκνότητα της υγρής και αέριας φάσης αντίστοιχα (kgm^-3) και μ_w το ιξώδες της υγρής φάσης (kgm^-1s^-1).

Θα πρέπει να ληφθούν υπόψη δύο παράγοντες που επηρεάζουν το μέγεθος της φυσαλίδας όσο παραμένει στη δεξαμενή και όσο ανέρχεται στην επιφάνειά της που έχουν αντίθετο αποτέλεσμα στο μέγεθός της και δεν λαμβάνονται υπόψη στους υπολογισμούς:

1. Όσο η φυσαλίδα ανέρχεται προς τα πάνω, λόγω μείωσης της υδροστατικής πίεσης, ο όγκος της (δηλαδή η διάμετρός της) αυξάνει, λόγω αποσυμπίεσης με αποτέλεσμα αύξηση της ταχύτητας ανόδου (ή διαφορετικά μείωση του χρόνου παραμονής στη δεξαμενή).
2. Όσο παραμένει η φυσαλίδα στο νερό, υπάρχει μεταφορά μάζας μεταξύ των δύο φάσεων με αποτέλεσμα τη μείωση του μεγέθους της φυσαλίδας.

Το Σχήμα 1 δείχνει το χρόνο παραμονής μιας σφαιρικής φυσαλίδας CO2 σε μια δεξαμενή με νερό ανάλογα με το μέγεθός της σύμφωνα με την Εξ. (1). Για τους υπολογισμούς θεωρήθηκε ύψος δεξαμενής 1 m, η υγρή φάση βρίσκεται σε ήρεμη κατάσταση (χωρίς ανάδευση ή οποιαδήποτε τύρβη) και θερμοκρασία νερού 30 oC. Όπως φαίνεται, φυσαλίδες διαμέτρου κάτω από 10 μm μπορούν να μείνουν μέσα στη δεξαμενή για αρκετές μέρες που είναι ιδιαίτερα επιθυμητό για εφαρμογές όπως την καλλιέργεια μικροφυκών.

cc

---

Αρχή δημιουργίας μικρο-φυσαλίδων

Η δυναμική ανάμιξη μιας υγρής και μιας αέριας φάσης έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός διαλύματος που περιέχει πληθώρα φυσαλίδων με μεγάλο εύρος διαμέτρου. Η δημιουργία μικρο-(ή και νανο-) φυσαλίδων μπορεί να γίνει με διάφορες τεχνικές. Μερικές από αυτές είναι μέσω ηλεκτρόλυσης, μέσω της εισαγωγής μιας αέριας φάσης μέσα στην υγρή κάτω από υψηλούς ρυθμούς διάτμησης, μέσω κεραμικού ή γυάλινου πορώδους κατανομέα, χρησιμοποιώντας ένα σωλήνα Ventouri, μέσω ακουστικής σπηλαίωσης, με διαδοχικούς κύκλους συμπίεσης/αποσυμπίεσης του αερίου στο υγρό ή με συνδυασμό των παραπάνω.

Για τις ανάγκες του έργου θα χρησιμοποιηθεί ο συνδυασμός δύο από τις παραπάνω τεχνικές σε δύο στάδια. Αρχικά θα γίνει η ανάμιξη των δύο φάσεων και η δημιουργία των φυσαλίδων μέσω του φαινομένου Ventouri και σε δεύτερο στάδιο το διφασικό μίγμα θα εισαχθεί σε μία αντλία με στόχο τη διάσπαση των φυσαλίδων σε ακόμα μικρότερες.

---

Προδιαγραφές διάταξης παραγωγής μικρο-φυσαλίδων

Τα κύρια τμήματα της διάταξης παραγωγής των μικρο-φυσαλίδων είναι:

• Ένας αγωγός Ventouri (τμήμα δηλαδή αγωγού/σωλήνωσης με απότομη μείωση της διαμέτρου).
• Μία φυγοκεντρική αντλία ισχύος.
• Κύκλωμα αγωγών.
• Ένα μανόμετρο ελέγχου.
• Μία περιστροφική βαλβίδα.
• Μία μικρομετρική βαλβίδα διατομής για τον έλεγχο της ροής εισόδου της αέριας φάσης.

Η διάταξη συνδεδεμένη με την δεξαμενή εμπλουτισμού της υγρής φάσης σε CO₂ των ΦΒΑ παρουσιάζεται στην Σχήμα 2. Ο αγωγός Β είναι βυθισμένος μέσα στη δεξαμενή (Α) και αποτελεί την είσοδο της υγρής φάσης (αναρρόφηση) στην αντλία. Πριν την είσοδο της υγρής φάσης στην αντλία μεσολαβεί ένα τμήμα αγωγού (Γ) με στένωμα της διατομής (Ventouri) το οποίο είναι συνδεδεμένο με σωληνάκι που καταλήγει μέσω μια μικρομετρικής βαλβίδας στην παροχής της αέριας φάσης (περιβάλλον, φιάλη CO2, ρύποι κλπ). Η μείωση της διαμέτρου στον αγωγό Ventouri έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ταχύτητας της υγρής φάσης στο τμήμα εκείνο το οποίο οδηγεί σε μείωση της πίεσης (σύμφωνα με την εξίσωση Bernoulli). Εξαιτίας της απότομης μείωσης της πίεσης, δημιουργείται αναρρόφηση της αέριας φάσης, η παροχή της οποίας ρυθμίζεται με τη μικρομετρική βαλβίδα. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται οι πρώτες φυσαλίδες στο σύστημα. Στη συνέχεια, το διφασικό μίγμα εισάγεται στην φυγοκεντρική αντλία. Εκεί, ο υψηλός ρυθμός διάτμησης που αναπτύσσεται με την περιστροφή της φτερωτής (Δ) έχει ως αποτέλεσμα τη διάσπαση των φυσαλίδων και τη μείωση του μεγέθους τους. Το νέο διφασικό μίγμα με τις μικρότερες φυσαλίδες (Ε) επιστρέφει στη δεξαμενή. Το τμήμα Ζ αποτελεί παράκαμψη (bypass) μέσω του οποίου μπορεί να ρυθμιστεί η παροχή του μίγματος στην δεξαμενή, ενώ ο έλεγχος της πίεσης του συστήματος γίνεται μέσω ενός μανομέτρου.

Το μέγεθος των παραγόμενων φυσαλίδων εκτιμάται με τη χρήση φωτογραφικής τεχνικής. Λαμβάνονται διάφορες φωτογραφίες της διαφανούς δεξαμενής με το διφασικό μίγμα, οι οποίες στη συνέχεια αναλύονται ώστε να μετρηθεί η διάμετρος των φυσαλίδων που εμφανίζονται στην εικόνα και να εκτιμηθεί η κατανομή μεγέθους τους.

Στο Σχήμα 3 παρουσιάζεται η διάταξη παραγωγής μικρο-φυσαλίδων σε λειτουργία, όπου φαίνεται το παραγόμενο «νέφος» φυσαλίδων την ώρα που η αντλία είναι σε λειτουργία.

---

Μέγεθος φυσαλίδων

Στο Σχήμα 4 απεικονίζεται μία τυπική φωτογραφία του εσωτερικού της δεξαμενής 10 λεπτά μετά την παύση λειτουργίας της διάταξης (της αντλίας). Το απεικονιζόμενο μεταλλικό σύρμα έχει διάμετρο 159 μm. Είναι φανερό, με μια πρώτη ματιά, πως οι περισσότερες φυσαλίδες είναι κάτω από 50 μm.

Με κατάλληλο λογισμικό μετρήθηκε η κατανομή μεγέθους των φυσαλίδων που βρίσκονται μέσα στη δεξαμενή 10 λεπτά μετά το κλείσιμο της αντλίας (ώστε να απομακρυνθούν οι αρκετά μεγαλύτερες). Η κατανομή μεγέθους δίνεται στο Σχήμα 5. Αξίζει να σημειωθεί πως φυσαλίδες κάτω από 5 μm δεν είναι δυνατό να παρατηρηθούν μιας και αγγίζουν τη διακριτική ικανότητα τη φωτογραφικής τεχνικής (ένα Pixel αντιστοιχεί περίπου σε μέγεθος 5 μm).

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, το μέγεθος των φυσαλίδων ακολουθεί κανονική κατανομή με μέσο μέγεθος τα 42 μm.

---

Ανίχνευση μικρότερων φυσαλίδων

Επειδή, όπως αναφέρθηκε, οι πολύ μικρές φυσαλίδες δεν είναι δυνατό να παρατηρηθούν και να μετρηθούν, προκειμένου να διαπιστωθεί αν παράγονται/υπάρχουν φυσαλίδες πολύ μικρότερου μεγέθους, χρησιμοποιήθηκε δέσμη laser ώστε να εξακριβωθεί η ύπαρξη τους οπτικά, χωρίς ωστόσο να είναι δυνατό να προσδιοριστεί το μέγεθος τους. Ελήφθησαν φωτογραφίες σε διάφορους χρόνους μετά την παύση λειτουργίας της αντλίας, τόσο στη δεξαμενή όσο και σε ποτήρια ζέσεως (σκεπασμένα με μεμβράνη) που περιείχαν δείγμα από τη δεξαμενή μετά την παύση λειτουργίας της αντλίας. Ταυτόχρονα, ελήφθησαν φωτογραφίες με τη δέσμη laser και από δείγμα «αναφοράς», το οποίο ήταν καθαρό νερό.

Οι φωτογραφίες φαίνονται στο Σχήμα 6. Αξίζει να σημειωθεί πως χρησιμοποιήθηκε απιονισμένο νερό, μετά από ενδελεχές πλύσιμο/καθαρισμό τόσο της δεξαμενής όσο και των σωληνώσεων/αντλίας, μιας και διαπιστώθηκε πως το νερό της βρύσης περιέχει διάφορα μικρο-σωματίδια που αιωρούνται στη δεξαμενή και αλληλοεπιδρούν με τη δέσμη laser σε πολύ μεγάλο βαθμό ακόμα και στο «καθαρό» νερό (απευθείας από τη βρύση, χωρίς να προστεθούν φυσαλίδες).

Αν και στο δείγμα αναφοράς παρατηρείται ελάχιστα η δέσμη, ωστόσο είναι φανερή η διαφορά της με την ένταση της στις φωτογραφίες των δειγμάτων που περιέχουν φυσαλίδες. Επίσης, αξίζει να σημειωθεί πως μέσα σε μία εβδομάδα η δέσμη στο δείγμα αναφοράς δεν διακρίνεται σχεδόν καθόλου, γεγονός που υποδεικνύει πως η δέσμη παρατηρείται τις πρώτες μέρες εξαιτίας μικρο-σωματιδίων στο ποτήρι ζέσεως, τα οποία γρήγορα καθιζάνουν.

Αντίθετα, στα δείγματα με τις μικρο-φυσαλίδες, η δέσμη είναι έντονα ορατή ακόμα και 36 μέρες μετά την παύση λειτουργίας γεγονός που αποδεικνύει ότι η διάταξη παράγει φυσαλίδες μεγέθους ακόμα και κάτω από 0.8 μm (μιας και τόσος είναι ο χρόνος παραμονής φυσαλίδων αυτού του μεγέθους).