Desenvolvimento de um sistema de transdutores piezoelétricos para melhorar a mistura de fluidos

Abstract

Uma mistura eficiente de fluidos é um passo crucial em muitas aplicações industriais, químicas, farmacêuticas e biotecnológicas. A utilização de ultrassons como técnica de mistura tem recebido elevado interesse na última década, uma vez que permite acelerar a mistura e/ou reação de fluidos utilizando um mecanismo sem partes móveis, contrariamente à agitação mecânica comumente utilizada numa larga gama de equipamentos para análise de fluidos. A principal razão para a sua utilização fica a dever-se ao fenómeno, denominado de acoustic streaming, onde a absorção de ondas acústicas por parte dos fluidos leva à sua agitação, resultando num aumento da taxa de mistura. As ondas acústicas que servem de base a esta técnica são geradas por transdutores piezoelétricos que convertem a energia elétrica, aplicada aos seus terminais, em energia acústica. Mais ainda, uma vez que é uma técnica não invasiva, evita possíveis problemas associados com a contaminação dos fluidos assim como, a necessidade de lavagem do material entre utilizações. Além disso, pode ser uma técnica com baixos custos de fabrico e de manutenção, devido a não incluir partes móveis. Neste contexto surge o presente projeto, cujo objetivo consiste em desenvolver um sistema eletrónico baseado em ultrassons para efetuar a agitação e mistura de fluidos numa microplaca laboratorial de 96 poços. Para tal, desenvolveu-se uma placa que serve de suporte para os transdutores piezoelétricos em estudo, o Titanato Zirconato de Chumbo (PZT) e o Poli(Fluoreto de Vinilideno) (PVDF), e que encaixa corretamente na base da microplaca. Através da atuação elétrica destes transdutores, são geradas ondas acústicas que são transmitidas para os fluidos presentes nos poços da microplaca. Esta atuação elétrica consiste num oscilador e num amplificador, de forma a gerarem o sinal de atuação com a frequência e potência pretendidas, respetivamente. A movimentação dos fluidos foi visualizada colocados tanto na superfície do transdutor como nos poços da microplaca, recorrendo a um microscópio ótico. Posteriormente, foram realizadas medidas espetrofotométricas nesses fluidos para uma análise quantitativa da eficiência do processo de mistura. Além destes testes, realizou-se também a monitorização da temperatura na superfície dos transdutores e nos fluidos dentro dos poços da microplaca. Os resultados obtidos mostraram que o processo de mistura é intensificado com a ajuda dos ultrassons aumentando assim a velocidade de mistura.

An efficient mixing of fluids is a crucial step in many industrial, chemical, pharmaceutical and biotechnological applications. The use of ultrasounds as a mixing technique has receive a lot of interest in the last decade since it allows accelerating the mixture and/or reaction of fluids without the use of moving parts, against to the mechanical agitation that is usually employed in a large variety of fluid analysis equipments. The main reason for its use is due to the phenomenon associated with ultrasounds known as acoustic streaming, where the absorption of the acoustic wave by the fluids leads to their agitation, thereby enhancing the mixing rate. The acoustic waves are generated by piezoelectric transducers which convert the electrical energy, applied to their contacts, into acoustic energy. Additionally, this is a non invasive technique, which avoids fluids contamination as well as the necessity of cleaning the material between uses. Furthermore it can be a low manufacturing and low maintenance cost technique, due to the absence of moving parts. In this context, the objective of this dissertation consists on the development of an ultrasound based system in order to promote the agitation and mixture of fluids in a laboratory 96 Well Microplate. For this purpose, a PCB was developed for supporting the piezoelectric transducers under study, Lead Zirconate Titanate (PZT) and Polyvinylidene Fluoride (PVDF), that enables a perfect fit with the base of the 96 Well Microplate. Through electrical actuation of the transducers acoustic waves are created and then transmitted to the fluids present in the wells of the microplate. The developed electrical system consists of an oscillator and an amplifier in order to generate an actuation signal with the desired frequency and power, respectively. Acoustic agitation was visualized through the use of an optical microscope on fluids placed both on the transducer surface and in the wells of the microplate. Spectrophotometric analysis was then performed for having a quantitative analysis of the mixing process efficiency. Additionally, a temperature monitoring was carried out. The performed tests showed that the mixing process is intensified with the help of ultrasounds enhancing, therefore, the mixing rate associated.