Quantificar mistura usando Ressonância Magnética

Summary

A ressonância magnética (RM) fornece uma ferramenta poderosa para avaliar a eficácia do equipamento de processo durante a operação. Nós discutimos o uso de MRI para visualizar a mistura em um misturador estático. A aplicação é relevante para produtos de cuidado pessoal, mas pode ser aplicado a uma ampla variedade de fluidos de alimentos, químicos, biomassa e biológicas.

Abstract

<p class="jove_content"> A mistura é uma operação unitária que combina dois ou mais componentes em uma mistura homogênea. Este trabalho envolve a mistura de dois líquidos viscosos fluxos usando um misturador em linha estática. O misturador é um projeto split-and-recombinar que emprega o fluxo de cisalhamento e extensional para aumentar o contato interfacial entre os componentes. Um protótipo split-and-recombinar mixer (SAR) foi construído, alinhando uma série de fino cortadas a laser de poli (metacrilato de metila) (PMMA) placas realizada no local em um tubo de PVC. Mistura neste dispositivo é ilustrado na fotografia em<strong> Figura. 1</strong>. Corante vermelho foi adicionado a uma porção do fluido de teste e usado como o componente menor ser misturado para o componente (não tingidos) major. Na entrada do misturador, a camada de injeção de fluido traçador é dividido em duas camadas à medida que flui através da seção de mistura. Em cada seção subsequente mistura, o número de camadas horizontais é duplicado. Em última análise, o único fluxo de corante é uniformemente dispersa ao longo da seção transversal do dispositivo.</p><p class="jove_content"> Usando um fluido de teste não-newtoniano de Carbopol 0,2% e um fluido traçador dopado de composição similar, misturando na unidade é visualizada utilizando a ressonância magnética (MRI). A ressonância magnética é uma sonda muito poderoso experimentais de química molecular e ambiente físico bem como a estrutura da amostra sobre as escalas de comprimento de microns a centímetros. Esta sensibilidade resultou em ampla aplicação destas técnicas para caracterizar as propriedades físicas, químicas e / ou biológicas dos materiais que vão desde os humanos aos alimentos para meios porosos<strong> [1, 2]</strong>. O equipamento utilizado e as condições aqui são adequadas para líquidos de imagens que contenham quantidades substanciais de RMN móvel¹ H, tais como água comum e líquidos orgânicos, incluindo óleos. Tradicionalmente MRI utilizou ímãs super-condutor que não são adequados para ambientes industriais e não portáteis dentro de um laboratório (<strong> Figura. 2</strong>). Recentes avanços na tecnologia ímã têm permitiu a construção de grande volume ímãs industrialmente compatível adequado para fluxos de processo de imagem. Aqui, MRI fornece concentrações componente espacialmente resolvidos em diferentes locais axial durante o processo de mistura. Este documento de trabalho em tempo real, mistura de fluidos altamente viscosos através de mistura distributiva com um aplicativo para produtos de cuidados pessoais.</p>

Protocol

<p class="jove_title"> 1. Projeto Mixer</p><ol><li> Use um programa de CAD para projetar as seções de mistura do misturador estático.</li</ol><p class="jove_content"> O misturador SAR é composta por um número de geometrias placa diferente; essas geometrias são mostrados na<strong> Figura. 3</strong>. Cada placa de corte a laser de poli (metacrilato de metila) (PMMA) é 1,59 milímetros de espessura e tem uma chave retangular na parte inferior para que ele possa ser alinhados em um tubo de PVC com uma barra de acrílico. A geometria é semelhante aos descritos na<strong> [3, 4]</strong>, Exceto que as paredes nas expansões e contrações são formados por uma série de discretos "escada" passos devido ao alinhamento das placas discretas em vez de superfícies lisas diagonal. Embora o material de construção aqui é PMMA e PVC, opaco não-metálicos misturadores podem ser construídos assim.</p><ol start="2"><li> Alinhar as placas individuais para desenvolver as unidades de repetição do mixer. Posição das placas firmemente dentro de um 1 ½ polegada tubo de PVC Schedule 40 claro.</li><li><strong> Figura. 4</strong> Ilustra o misturador estático visto de lado. Observe que dois fluidos entram no lado esquerdo da figura. O componente menor, mostrado como a região escura, entra através do bocal (Placa S, fig. 3) e forma uma corrente do componente de menor na componente (incolor) principal. A unidade começa a repetição após Placa S no C Placa primeiro e se estende a jusante, através da placa de 48 anos, que também é uma Placa C. Em cada unidade de repetição, a duas fluxo de fluidos em 8 placas de canal aberto (Placa C). O líquido é então fisicamente separados em dois canais verticais por oito placas de Placa I, seguida pela secção de reais de mistura. A seção de mistura é um total de 16 placas, de montante para jusante: Chapas I, A, B, D, E, F, G, J, J, K, L, M, N, O, P e H. A fluido deixa a seção de mistura e fluxos em 8 placas de Placa H, em que o fluido é fisicamente dividida em dois canais horizontal. O "H" da seção é seguido por 8 placas de canal aberto (Placa C). Este padrão de 48placas é repetida seis vezes no mixer. Duas unidades de repetição são ilustrados na<strong> Figura. 4</strong> Como placas de 1-96.</li></ol><p class="jove_title"> 2. Sistema de fluxo com MR sistema de imagem e um mixer</p><ol><li> Montar um sistema de fluxo de bomba de solução Carbopol através do in-line do mixer split-and-recombinar estática. Ser capaz de controlar e registrar a taxa de fluxo de massa dos fluidos de teste. Além disso, incorporam um transdutor de pressão a montante do mixer para monitor de pressão.</li><liPosição> o mixer no ímã<strong> (Fig. 5)</strong>. O ímã é parte de um espectrômetro de uma imagem Tesla com imã permanente-based (Aspect Imaging, Área Industrial Hevel Modi'in, Shoham, Israel), com 0,3 T / m força gradiente de pico As dimensões do recinto ímã são 700 x 700 x 600 mm.</li><li> Dope parte da solução Carbopol com cloreto de manganês (MnCl₂). Este será o componente secundário. O componente principal é a solução Carbopol não dopado.<strong> Figura. 6</strong> Ilustra um esquema do sistema de fluxo.</li></ol><p class="jove_title"> 3. Caracterização do fluido de teste</p><ol><li> Prepare um 0,2% w / w Carbopol (The Lubrizol Corporation) solução lentamente peneirar uma quantidade pesada de polímero em água deionizada em um tanque agitado. Esta família de produtos é de polímero baseado em química de ácido acrílico reticulado e é amplamente utilizado na higiene pessoal e produtos domésticos como modificadores reológicos. Neutralize a solução carbopol com uma solução de NaOH 50% a pH 7; a neutralização permite que a solução para alcançar a sua viscosidade máxima, como as ondas de polímero em água para formar um gel. Prepare uma solução de carbopol segunda contendo o contraste MR agente MnCl₂ Para uma concentração final de 0,040 mM, esta solução é referido como o fluido traçador dopado.</li><li> Caracterizar o comportamento do fluxo, ou reologia, das soluções de carbopol com um TA Instruments AR-G2 Reômetro (New Castle, DE) com uma geometria Couette padrão (14 mm diam. X altura 42 mm) a uma temperatura do fluido de 25 ° C . Para a viscosidade de cisalhamento, use um constante estado de tensão de cisalhamento de varredura de 0,1 Pa 500 no modo logarítmico com 10 pontos / década e tolerância de 5%. Métodos são descritos em<strong> [5]</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> Neste trabalho, as propriedades reológicas das duas soluções eram indistinguíveis e são ilustrados na<strong> Figura. 7</strong>, Os dados foram ajustados a um modelo de lei de potência e de cisalhamento mostram afinamento comportamento.</p><p class="jove_content"> Caracterizar as propriedades viscoelásticas dos 0,2% solução carbopol w / w com o teste de pequena amplitude de oscilação. Realizar o teste dinâmico ea uma tensão fixa de 1 Pa, que corresponde à região viscoelástica linear. Medir a tensão sobre uma varredura de freqüência 628-0,63 rad / s (100-0,10 Hz) no modo logarítmico com 10 pontos / década.</p><p class="jove_content"> Os módulos de armazenamento e de perda, G 'e G ", respectivamente, são mostrados na<strong> Figura. 8</strong>. As curvas são características de um sistema de gel com G '> G "e G' razoavelmente constante<strong> [5]</strong>. Valores de tan (δ) = aumento G "/ G 'de 0,05 em freqüências mais baixas para 0,3-0,5 com maior freqüência. O atraso de fase correspondente (δ) seguiu a mesma tendência, com os limites sendo δ = 0 para sólidos Hookean e δ = π / 2 para fluidos newtonianos.</p><ol start="3"><li> Avaliar a contribuição relativa das forças viscosas para as forças de inércia durante o fluxo através do número de Reynolds. Desde que a seção transversal de cada prato varia, a vazão média através da placa e do número de Reynolds é calculado e dada em<strong> Tabela 1</strong>.</li></ol><p class="jove_content"> Estes valores número de Reynolds são muito menos do que 1,0 e caracterizar os fluxos em que as forças viscosas dominam as forças de inércia. Em outras palavras, a mistura é por laminar alongamento e corte ao invés de turbulência.</p><p class="jove_title"> 4. MR de aquisição de dados</p><ol><li> Selecione uma bobina de rádio freqüência apropriada.</li></ol><p class="jove_content"> Este trabalho utiliza um solenóide com quatro voltas, envolvendo um volume de cilíndrica 60 mm de diâmetro e 60 mm de comprimento. Esta bobina ajusta-se perfeitamente o tubo de PVC e obteve uma relação sinal-ruído do sinal de boa.</p><ol start="2"><li> Executar uma multi-slice seqüência gradiente eco e adquirir imagens de RM.</li></ol><p class="jove_content"> Este seqüência de pulso foi escolhido já que a intensidade do sinal é sensível ao material tempo de relaxamento spin-lattice. A intensidade do sinal relativo entre dois materiais com diferentes tempos de relaxação é calculado a partir de uma equação. O sinal de diferenças de intensidade, o tempo total de aquisição para a imagem em relação à influência da difusão molecular durante a aquisição de imagem, todos precisam ser considerados na seleção dos parâmetros experimentais apropriados. Além disso, a concentração do agente de contraste (MnCl₂) É escolhido de forma que as mudanças de intensidade de sinal resultante da concentração do agente de contraste são lineares. A adição de MnCl₂ Diminui o tempo de relaxação spin-lattice-(T₁) Do fluido de teste a partir de 2,998 s (não dopado) para 0,515 s (dopado). A solução Carbopol dopado aparece mais brilhante do que a solução não dopadas Carbopol nas imagens uma vez que a intensidade é muito ponderada pelo tempo de relaxação spin-lattice. Os parâmetros são uma seqüência de pulsos tempo de eco (TE) de 2 ms e um tempo de repetição (TR) de 30 ms, o campo de visão (FOV) é de 64 mm por 128 codificações que produz uma resolução no plano espacial de 0,5 mm / voxel. Com esta seqüência de multi-slice, adquirimos 32 cruz fatias seccional de 1,4 mm de espessura por fatia de imagem.</p><p class="jove_title"> 5. Imagem do fluido</p><ol><li> Bomba de ambos os componentes principais e secundárias através do misturador até que o fluxo de equilíbrio é atingido. A vazão relativa dos componentes principais e secundários é de 10:1. Simultaneamente parar as bombas ea imagem do fluido no mixer. A seqüência MR não inclui a compensação de caudais, para evitar artefatos de movimento, a imagem é feita em líquido em repouso. Tempo de imagem é da ordem de 1-4 minutos.</li><li> Reposicione a batedeira várias vezes para volumes cilíndricos de imagem em diferentes locais axial.</li></ol><p class="jove_content"> Neste estudo, vários volumes cilíndricos do misturador são gravadas e podem ser localizados em<strong> Figura. 9</strong>. O volume é escolhido por deslizando o tubo misturador axialmente através do ímã, até que o volume desejado estiver no ponto ideal definido pelo centro da bobina de RMN no centro do ímã.</p><ol start="3"><li> Analisar os dados de MR com os procedimentos de análise de imagem para documentar a distribuição espacial das concentrações dos componentes. A relação entre a intensidade do sinal normalizado (x) ea fração de líquido dopado (y) neste estudo é y = 1.419x-0,482 (R² = 0,99). Esta relação é relevante para analisar a process.To mistura ilustrar o poder de visualização de fluxo, utilizando ressonância magnética, os seguintes resultados são selecionadas imagens em diferentes locais axial.</li></ol><p class="jove_title"> 6. Resultados representante</p><p class="jove_content"<strong> Figura 10</strong> Ilustra imagens no bico de fenda (injector) para mostrar as seções transversais como dopado e não dopado entrar a primeira unidade de repetição. Estas imagens também mostram claramente a diferença de intensidade de sinal entre 100% líquido dopado e não dopado fluido.</p><p class="jove_content"> O misturador SAR eficaz e uniforme divide o fluxo, como ilustrado nas imagens do Platesdownstream H da 1^St, 2^Nd E³ Seções de mistura (<strong> Figura. 11</strong> Linha, em primeiro lugar). O número de dopados fluido "listras" double através de cada seção de mistura. A segunda linha de<strong> Figura. 11</strong> Ilustra o procedimento de análise de imagem que os limiares das imagens para "1" s (faixas) e "0" s (tudo mais). Estas imagens processadas ilustram claramente o aumento da área interfacial entre os fluidos dopado e não dopado como o fluido se divide e recombina.</p><p class="jove_content"> Imagens seqüenciais através da segunda seção de mistura são mostrados na<strong> Figura. 12</strong>.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493table1.jpg" alt="Table 1"><p class="jove_content"<strong> Tabela 1</strong>. Área da secção transversal de cada prato e velocidade média através da seção transversal, com o número de Reynolds correspondente (Re); definida para um fluido lei de potência (PL), usando um diâmetro equivalente.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Figura 1.</strong> Fotografia para ilustrar o fluxo através de um misturador split-and-recombinar com Carbopol tingidas de vermelho como o componente menor e solução de Carbopol undyed como o principal componente.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Figura 2.</strong> 2 Tesla super-realização de ímã; para referência de tamanho, a transportadora está se movendo três abacates para a região de imagem.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig3.jpg" alt="Figure 3."> Figura 3.</strong> Tipos de placas e denominações carta que são usados ​​para criar uma unidade de repetição no mixer SAR.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Figura 4.</strong> Esquema do misturador derramado e recombinar.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig5.jpg" alt="Figure 5."> Figura 5.</strong> 1 Tesla espectrômetro de imaging com imã permanente baseado (Imaging Aspect).</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Figura 6.</strong> Esquema do sistema de fluxo.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig7.jpg" alt="Figure 7."> Figura 7.</strong> Viscosidade aparente da solução Carbopol 0,2%.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig8.jpg" alt="Figure 8."> Figura 8.</strong> Propriedades viscoelásticas da solução Carbopol 0,2%.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Figura 9.</strong> Repetindo unidades do misturador SAR.</p><span class="pdflinebreak"</span<img> Figura 10.</strong> Duas imagens no injector: a seção a montante do bico tem uma seção transversal circular para o fluido dopado que gradualmente se torna uma fenda na entrada para a primeira unidade de repetição de SAR o mixer.</p><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig11.jpg" alt="Figure 11."> Figura 11.</strong> Fluid jusante da primeira, segunda e terceira seções de mistura, ilustrada na Placa H.</p><span class="pdflinebreak"</span<a><img src="/files/ftp_upload/3493/3493fig12.jpg" alt="Figure 12."> Figura 12.</strong> As seqüências de 16 imagens seqüenciais através da segunda seção de mistura.</p>

Discussion

<p class="jove_content"> A ressonância magnética é um método rápido e quantitativos para a análise do fluido de mistura. A medição requer alguns minutos para fazer e fornece a concentração de fluido em função da posição no mixer split-e recombinar. Esta técnica é adequada para aplicação em uma ampla gama de problemas de mistura e geometrias [<strong> 11/06</strong>]. Limitações da técnica são de que um misturador não magnético devem ser construídos e utilizados nos equipamentos de ressonância magnética, e pelo menos um dos materiais deve fornecer um sinal suficiente para a aquisição de dados. Um sinal suficiente requer um núcleo ativo de RMN com uma densidade número suficiente.</p><p class="jove_content"> RM também pode ser utilizado para quantificar a mistura de sólidos e líquidos, dois líquidos com propriedades reológicas significativamente diferentes, bem como mistura em sistemas de reagir. A mistura de sólidos em um líquido irá produzir imagens diferentes do que aqueles do misturador SAR. Na mistura de sólidos do sinal decai sólida componente rapidamente e não é fotografado, portanto, o sinal é de que o líquido e só a concentração de sólidos é derivado da perda de sinal em relação ao sinal de líquido puro.</p><p class="jove_content"> MRI mistura imagens fornecem um excelente teste de experimentos computacionais mistura. Os dados de imagem oferece uma visão sobre a importância das propriedades reológicas de fluidos e desvios de condições ideais. Em<strong> Figura. 12</strong> Os desvios a partir de camadas de preferência uniforme de líquido são evidentes. As imagens obtidas, assim, fornecer dados detalhados conjuntos adequados para comparação direta com previsões numéricas de fluxos complexos.</p>

Materials

Material or equipment	Supplier
Aspect 1T imaging spectrometer	Aspect Imaging (Shoham, Israel)
AR-G2 rheometer	TA Instruments, (New Castle, DE)
Seepex metering pumps	Seepex GmbH, (Bottrop, Germany)
Carbopol	The Lubrizol corporation, (Wickliffe, OH)
Manganese Chloride 1M Solution	Fisher Scientific (Pittsburgh, PA)