Технологии химической и фармацевтической промышленности сегодня движутся по пути миниатюризации. Высокое качество продукта и точность его получения выходят на первый план. Постепенно вытесняются прежние технологии масштабного производства, однако движение реагентов в полостях малого размера в значительной степени затруднено. Ученые Пермского Политеха изучили перемешивание и транспорт ценных химических веществ в микромасштабных каналах.

Разработка будет применяться при получении ценных субстанций и создании биодоступных медицинских препаратов. Результаты исследования опубликованы в журнале Microgravity Science and Technology 2021 (первый квартиль в базе данных Scopus/Web of Science).

Характерные размеры используемых сейчас проточных реакторов варьируются от микрометра до миллиметра. Основная проблема таких реакторов — перемешивание реагентов. Сегодня задачу решают с помощью высокотехнологичной механической мешалки. Однако с точки зрения энерго- и ресурсосбережения для перемешивания химически активных веществ в реакторах малого масштаба гораздо выгоднее использовать механизм естественной конвекции.

«Заполненная реагентами цилиндрическая ячейка Хеле-Шоу, состоящая из двух стеклянных пластин с узким зазором между ними, — лишь одна из множества удобных конфигураций. Лучше всего такая ячейка подходит для управления жидкостью с помощью поля центробежной силы. В отличие от гравитации, эту силу можно контролировать в эксперименте: организовать очень высокую скорость перемешивания или же, наоборот, снизить ее до минимума, если это необходимо. Кроме того, инерционное воздействие на жидкость в данном случае является пространственно неоднородным, что позволяет создавать локализованные движения», — сообщил аспирант кафедры «Прикладная физика» Владимир Уточкин.

Изображение готовой к использованию ячейки Хеле-Шоу для исследования течений в поле силы тяжести / ©N. V. Kozlov et al 2021 J. Phys. Conf. Ser. 2127 012004

Экспериментальные наблюдения указанных течений / ©Пресс-служба ПНИПУ

«Сейчас нами разработана математическая модель, описывающая поведение реагирующих жидкостей в условиях равномерного вращения. Обнаружено несколько уникальных по своей структуре режимов движения жидкости. Указанные виды движения удалось подтвердить с помощью эксперимента на центрифуге», — поделился доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой «Прикладная физика» Дмитрий Брацун.

Наряду с вышеуказанной химической промышленностью, в подобных исследованиях заинтересована и медицина: технология поможет в доставке полезных компонентов по микрокапиллярам, смешении и сепарации важных для организма субстанций, имитации воздействия микро- и гипергравитационных перегрузок на живые системы. Исследование поддержано Российским научным фондом.