Jornadas de difusión de proyectos Académicos, de Investigación y Extensión
SIMULACIÓN COMPUTACIONAL DE MICROTOBERA PARA NEBULIZACIÓN DE ALTA EFICIENCIA
Alfonso Santiago; Sebastián Ubal
Facultad de Ingeniería
Alfonso Santiago: alfonso.stg@gmail.com
Sebastián Ubal: subal@santafe-conicet.gov.ar
Resumen:
Las técnicas de nebulización han sufrido un avance destacable desde hace un siglo -cuando se utilizaban cigarrillos con compuestos herbales que contenían derivados opiáceos para tratar enfermedades como el asma y la bronquitis- al día de hoy en el que encontramos en desarrollo dispositivos que permiten atomizar insulina para el tratamiento de la diabetes y fragmentos de ADN para ser utilizado en terapia génica. Uno de tales equipos son los nebulizadores que trabajan bajo el principio de malla vibrante (VMT, Vibrating Mesh Technology). En estos, una membrana multiperforada vibra a frecuencias ultrasónicas por asociación mecánica a un piezoeléctrico, permitiendo eyectar gotas con diámetros entre 1 y 5 micrones, con una baja desviación estándar en lo que al diámetro respecta. Partículas con diámetros por debajo de 1 micrón no pueden ser depositadas y son exhaladas. Las gotas con diámetros superiores a 5 micrones se depositan en vías aéreas superiores, por lo que la droga no llega a la región de intercambio de interés. Es por eso que el rango que maximiza la deposición, y como consecuencia la eficiencia en el método de nebulización, se encuentra entre los limites ya mencionados. Como la mayor parte de la emisión se produce en este rango para los VMT, la eficiencia del método cuadriplica a la de los nebulizadores hoy masivamente comerciales (jet y ultrasónicos), además de resultar silenciosos, de bajo consumo eléctrico y poder ser útil no sólo en tratamientos del sistema respiratorio, sino también, en otras áreas de la medicina. En la primer etapa del presente trabajo se compararon los distintos métodos de nebulización de actualidad, destacándose entre ellos los que trabajan por VMT por sus múltiples ventajas. Posteriormente se realizó la modelización del proceso que genera el spray, formulando las ecuaciones gobernantes y adimensionalizándolas con el fin de generalizarlas para sistemas equivalentes. Al tratarse de un problema de superficie libre, debe modelizarse tanto la dinámica para el líquido, el gas y su interfaz. Acto seguido se resuelve el sistema de ecuaciones, junto a condiciones de contorno apropiadas, mediante el método de elementos finitos (FEM, Finite Element Method) previamente definiendo el dominio y la malla que discretiza espacialmente el problema. En el presente trabajo se mantuvo fija la geometría del orificio por donde se emite el spray, y se variaron la frecuencia y amplitud de vibración de la membrana perforada, con el fin de estudiar el comportamiento dinámico del problema con la variación de dichos parámetros y poder conocer las condiciones críticas que permiten observar la eyección de gotas. Tras un breve transiente inicial, se encontró la existencia de un régimen de emisión cuasi-periódico, caracterizado por la eyección irregular de gotas principales que tienden a impactar y coalescer junto a un número variable de gotas satélite. Además, se construyó una curva que muestra intensidad de vibración crítica (por debajo de la cual no se observa más emisión) en función de la frecuencia de vibración. Se deducen a partir de los resultados las diversas ventajas de realizar la pulverización a baja frecuencia. Gracias a este estudio se conocen con precisión el comportamiento de las variables estudiadas para dicha geometría, resultados que, a pesar de estar enfocados al área de la Bioingeniería también resultan útiles para la industria ya que métodos similares son utilizados para conseguir polvos metálicos de diámetros micrométricos.