Simulación computacional de microtobera para nebulización de alta eficiencia

ALFONSO SANTIAGO; SEBASTIÁN UBAL

Corrientes

Jornada; XXI Jornadas de Jóvenes Investigadores del Grupo Montevideo (AUGM 2013); 2013

Asociación de Universidades del Grupo Montevideo, Universidad Nacional del Nordeste

En este último siglo, las técnicas de nebulización han sufrido un avance destacable. En contraste con lo que sucedía hace alrededor de 100 años cuando se utilizaban cigarrillos con compuestos herbales que contenían derivados opiáceos para tratar enfermedades como el asma y la bronquitis , en la actualidad encontramos en desarrollo dispositivos que permiten atomizar tanto insulina para el tratamiento de la diabetes, como fragmentos de ADN para ser utilizado en terapia génica. Entre estos nuevos equipos, aparecen los nebulizadores que trabajan bajo el principio de malla vibrante (VMT, Vibrating Mesh Technology), en los cuales una membrana multiperforada vibra a frecuencias ultrasónicas por asociación mecánica a un piezoeléctrico, permitiendo eyectar gotas con diámetros que van entre 1 y 5 micrones, con una baja desviación estándar en lo que al diámetro respecta. Estos valores son, justamente, los límites del rango de máxima eficiencia en este método de nebulización, ya que partículas con diámetros por debajo de 1 micrón no pueden ser depositadas y terminan siendo exhaladas, mientras que 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. El hecho de que la mayor parte de la emisión de los VMT se produzca dentro del rango que maximiza la deposición genera que la eficiencia de estos nebulizadores cuadriplique a la de los que actualmente son comercializados en forma masiva (jet y ultrasónicos); además los VMT resultan ser silenciosos, de bajo consumo eléctrico y pueden ser útiles no sólo en tratamientos del sistema respiratorio, sino también en otras áreas de la medicina. En la primera sección del presente trabajo se comparan los distintos métodos de nebulización de actualidad, destacándose entre ellos los que trabajan por VMT por sus múltiples ventajas. Posteriormente, se realiza 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, como para el gas y su interfaz. El sistema de ecuaciones resultante se resuelve, con condiciones de contorno apropiadas, mediante el método de elementos finitos (FEM, Finite Element Method). 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 conoce 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.