En una planta industrial, una burbuja no es un detalle menor. Obstruye filtros, altera reacciones químicas, reduce el rendimiento en la fabricación biotecnológica y puede provocar sobrecalentamientos en electrónica o en centrales nucleares. Un fenómeno microscópico que condiciona procesos a gran escala.

Según informa MIT News, un equipo del Massachusetts Institute of Technology (MIT) ha abordado el problema desde la física fundamental. Investigadores dirigidos por el profesor Kripa Varanasi han desentrañado el funcionamiento de unas membranas “aerofílicas” –del griego, “amantes del aire”– capaces de atraer y evacuar gas con gran rapidez. El estudio se ha publicado esta semana en Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

“Hemos descifrado la estructura de estos materiales de membrana que atraen las burbujas para permitir que el gas se evacúe de la manera más rápida posible”, explica Varanasi, autor principal del trabajo. Recurre a una comparación doméstica: “Piense en intentar empujar miel a través de un colador de café: no va a pasar con facilidad, mientras que el agua sí lo hará, y el gas lo hará aún más fácilmente. Pero incluso el gas alcanzará un límite de flujo, que depende de las propiedades del gas y del líquido implicado. Al descubrir esos límites, nuestra investigación permite a los ingenieros construir mejores membranas para sus sistemas”.

El problema de la espuma

La industria ha ensayado soluciones de todo tipo para eliminar la espuma: dispositivos mecánicos que la desgarran, agentes químicos antiespumantes e incluso ultrasonidos. En entornos como los biorreactores, sin embargo, esas intervenciones presentan inconvenientes evidentes: los aditivos pueden resultar tóxicos para las células y la agitación mecánica daña materiales biológicos delicados. En muchos procesos donde no se toleran contaminantes ni alteraciones físicas, la espuma sigue siendo un factor limitante.

“La biofabricación ha despegado realmente en los últimos diez años”, señala el doctorando Bert Vandereydt. “Estamos produciendo mucho más a partir de sistemas biológicos como células y bacterias, y nuestros reactores han aumentado su rendimiento de 5 millones de células por milímetro de solución a 100 millones por milímetro. Sin embargo, la evacuación de burbujas y la eliminación de espuma no han seguido el mismo ritmo: se está convirtiendo en un paso claramente limitante”.

Para aislar el fenómeno, el equipo fabricó en las instalaciones de MIT.nano una serie de membranas de silicio poroso con orificios de entre 10 y 200 micras, recubiertas con nanopartículas de sílice hidrofóbica. Las colocaron sobre distintas superficies líquidas y liberaron burbujas individuales con diferente viscosidad, registrando el impacto con cámaras de alta velocidad.

"Tres leyes muy simples"

En un primer momento, los resultados parecieron lineales: cuanto mayor era el tamaño de los poros, más rápida desaparecía la burbuja. Al sustituir el aire por hidrógeno –con aproximadamente la mitad de viscosidad– la velocidad de destrucción se duplicó. Con su enfoque, el equipo logró acelerar la evacuación hasta mil veces en un biorreactor empleado en la industria farmacéutica, alimentaria, cosmética o química.

Pero el progreso encontró un techo. “Mediante la experimentación demostramos que existen tres límites distintos [a la velocidad de destrucción de las burbujas]”, resume Vandereydt. “Está el límite viscoso del gas en un sistema de baja viscosidad y baja permeabilidad. Luego está la resistencia viscosa del líquido en el régimen de alta permeabilidad y alta viscosidad. Y, por último, el límite inercial del líquido”.

El equipo validó sus conclusiones en un biorreactor real y las condensó en un gráfico de diseño que permite a los ingenieros introducir parámetros básicos –como la viscosidad del gas y del líquido circundante– y determinar qué tipo de membrana optimiza la evacuación casi instantánea.

“Hemos identificado tres límites distintos de rendimiento y la física que hay detrás de ellos, y lo hemos reducido a leyes muy simples”, explica Saurabh Nath. “La rapidez máxima viene determinada primero por la tensión superficial y la inercia. Pero también puede alcanzarse otro límite si los poros son extremadamente pequeños y el gas encuentra dificultad para atravesarlos; en ese caso, la viscosidad del gas es relevante. Y si la burbuja está en algo parecido a la miel, no basta con que el gas se mueva: el líquido también debe rellenar el espacio que queda detrás. Sea cual sea la condición, se irá alternando entre esos tres límites”.

Usos químicos, cosméticos y alimentarios

Varanasi sostiene que el hallazgo permite ir más allá de la optimización incremental. “Estos conocimientos físicos nos han permitido diseñar membranas que, de forma bastante sorprendente, evacuan las burbujas incluso más rápido que una interfaz libre líquido-gas”, afirma. Y añade: “Aunque pequeñas, las burbujas determinan silenciosamente los límites de rendimiento de muchas tecnologías avanzadas. Nuestros resultados ofrecen una forma de eliminar ese cuello de botella y desbloquear niveles completamente nuevos de rendimiento en distintos sectores”.

Empresas del ámbito sanitario, fabricantes químicos e incluso cerveceras han mostrado interés en la tecnología. Las membranas, repelentes al agua, pueden integrarse en sistemas ya existentes. El equipo prevé desarrollarlas con fines comerciales.

En la escala microscópica, las burbujas siguen siendo inevitables. Lo novedoso es que ahora sus límites pueden calcularse. Y, en determinados procesos industriales, también superarse.