Ρόλος της διάσπασης και της συνένωσης σταγονιδίων στο σχηματισμό και τη σταθερότητα γαλακτωμάτων που παρασκευάζονται με καινοτόμο συσκευή μικρού όγκου παρουσία και απουσία βαρύτητας

Abstract

The present dissertation aims to study the dynamic behavior of oil-in-water emulsion droplets, focusing on breakup, coalescence and aggregation mechanisms. The emulsions are produced using an innovative small-volume device under both terrestrial gravity and very low gravity (microgravity) conditions. These mechanisms depend on interfacial phenomena and play a crucial role in droplet size distribution, which is a critical factor for emulsion stability. On Earth, investigation of these mechanisms is difficult due to creaming of dispersed oil droplets and sedimentation of the continuous aqueous phase, both induced by gravity. To eliminate buoyancy related phenomena, emulsification experiments are conducted for the first time under microgravity conditions during parabolic flights. These flights offer multiple short periods (~24s) of microgravity (~0.01g), followed by periods of hypergravity (~1.8g) of similar duration. These periods are considered sufficient for the initial evaluation of different gravity conditions effect on the dynamic behavior of emulsion droplets. A critical factor for emulsion stability is the droplet size distribution. The present dissertation aims to investigate the influence of various experimental parameters on droplet size distribution and, consequently, on emulsion stability under both terrestrial gravity and microgravity conditions. Emulsions are widely applied in industry (food, pharmaceuticals, etc.) and play a significant role in long-duration space missions. The mechanisms of droplet breakup and coalescence are strongly dependent by the surfactant used to stabilize the system. This dissertation examines the use of both an ionic surfactant and a non-ionic, environmentally friendly surfactant. A deeper understanding of these mechanisms will enable the development of more sustainable emulsions for applications both on Earth and in space. For the experiments under terrestrial gravity conditions, an innovative small-volume emulsification device is used, featuring similar geometry and operating principles to the FOAM-C experimental cell employed on the International Space Station. The main component of this device is a piston with a metallic plate at its tip that moves periodically up and down within a rectangular experimental cell. For the experiments conducted under microgravity conditions, a specially designed experimental setup was built in accordance with the strict safety regulations of Novespace and the European Space Agency. This setup includes an emulsification device housing a series of five experimental cells with similar geometry, along with the necessary equipment for optical and electrical measurements. The dynamic behavior and stability of the emulsions are evaluated through monitoring phase separation, optical recording of oil droplets, optical tracking of droplet movement and coalescence phenomena, and the determination of the oil volumetric fraction. The results indicate that the droplet size distribution is influenced by the dimensions of the piston plate, the oil volumetric fraction, the surfactant concentration, and the piston pulsation stroke frequency and duration. Additionally, under microgravity conditions, gravitational separation does not take place, and the droplets remain homogeneously dispersed inside the aqueous phase. Furthermore, the broad dispersion of the produced droplet size distributions suggests their approximation as bidisperse rather than monodisperse distributions. Finally, the droplet breakup mechanism depends on the emulsification system and on the viscosity ratio between the aqueous and oil phases.

Η παρούσα διατριβή μελετά τη δυναμική συμπεριφορά των σταγονιδίων γαλακτωμάτων ελαίου σε νερό, εστιάζοντας στους μηχανισμούς διάσπασης, συνένωσης και συσσωμάτωσής τους. Τα γαλακτώματα παρασκευάζονται με καινοτόμο συσκευή μικρού όγκου τόσο σε συνθήκες γήινης βαρύτητας όσο και σε συνθήκες πολύ χαμηλής βαρύτητας (μικροβαρύτητας). Οι μηχανισμοί αυτοί εξαρτώνται από διεπιφανειακά φαινόμενα και συμβάλλουν καθοριστικά στην κατανομή μεγέθους των σταγονιδίων, η οποία αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για τη σταθερότητα των γαλακτωμάτων. Στη Γη, η μελέτη των μηχανισμών αυτών είναι δύσκολη εξαιτίας της κρεμοποίησης των διεσπαρμένων σταγονιδίων και της κατακάθισης της συνεχούς υδατικής φάσης, που προκαλούνται από τη βαρύτητα. Για την εξάλειψη αυτών των φαινομένων εκτελούνται για πρώτη φορά πειράματα σε συνθήκες μικροβαρύτητας κατά τη διάρκεια παραβολικών πτήσεων, οι οποίες παρέχουν πολλά μικρά χρονικά διαστήματα (~24s) μικροβαρύτητας (~0.01g), ακολουθούμενα από διαστήματα υπερβαρύτητας (~1.8g). Αυτά τα διαστήματα κρίνονται ικανοποιητικά για την πρώτη εκτίμηση της επίδρασης των συνθηκών αυτών στη δυναμική συμπεριφορά των σταγονιδίων γαλακτωμάτων. Η σταθερότητα ενός γαλακτώματος εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την κατανομή μεγέθους των σταγονιδίων του. Στόχος της διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης διαφόρων πειραματικών παραμέτρων στην κατανομή μεγέθους και, κατά συνέπεια, στη σταθερότητα των γαλακτωμάτων. Τα γαλακτώματα βρίσκουν πλήθος εφαρμογών στη βιομηχανία (τρόφιμα, φάρμακα κλπ.) ενώ παίζουν σημαντικό ρόλο σε διαστημικές αποστολές μεγάλης διάρκειας. Οι μηχανισμοί διάσπασης και συνένωσης των σταγονιδίων εξαρτώνται από το τασενεργό που χρησιμοποιείται για τη σταθεροποίηση του συστήματος. Στη διατριβή εξετάζεται η χρήση ενός ιονικού τασενεργού και ενός μη-ιονικού τασενεργού με φιλικό προς το περιβάλλον χαρακτήρα. Η βαθύτερη κατανόηση των μηχανισμών αυτών θα επιτρέψει την ανάπτυξη πιο βιώσιμων γαλακτωμάτων για εφαρμογές τόσο στη Γη όσο και στο διάστημα. Για τα πειράματα σε συνθήκες γήινης βαρύτητας χρησιμοποιείται καινοτόμος εργαστηριακή συσκευή γαλακτωματοποίησης μικρού όγκου, με παρόμοια γεωμετρία και αρχή λειτουργίας με το πειραματικό κελί της διάταξης FOAM-C που χρησιμοποιείται στο Διεθνή Διαστημικό Σταθμό. Το κύριο μέρος της συσκευής είναι ένα έμβολο με προσαρμοσμένη μεταλλική πλάκα το οποίο κινείται παλινδρομικά πάνω κάτω εντός ορθογώνιου παραλληλεπίπεδου πειραματικού κελιού. Για τα πειράματα σε συνθήκες μικροβαρύτητας σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη σύμφωνα με τις αυστηρές προδιαγραφές ασφαλείας της εταιρείας Novespace και του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος. Η διάταξη περιλαμβάνει συσκευή γαλακτωματοποίησης η οποία φιλοξενεί μία σειρά από πέντε πειραματικά κελιά αντίστοιχης γεωμετρίας, καθώς και, τον απαραίτητο εξοπλισμό για οπτικές και ηλεκτρικές μετρήσεις. Η δυναμική συμπεριφορά και σταθερότητα των γαλακτωμάτων αξιολογείται με οπτική παρακολούθηση του διαχωρισμού φάσεων, οπτική καταγραφή των σταγονιδίων ελαίου, οπτική καταγραφή της κίνησης και φαινομένων συνένωσης των σταγονιδίων και προσδιορισμό του ογκομετρικού κλάσματος ελαίου. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η κατανομή μεγέθους των σταγονιδίων εξαρτάται από τις διαστάσεις της πλάκας του εμβόλου, το ογκομετρικό κλάσμα ελαίου, τη συγκέντρωση τασενεργού, τη συχνότητα και διάρκεια παλινδρόμησης του εμβόλου. Επιπλέον, σε συνθήκες μικροβαρύτητας, ο βαρυτικός διαχωρισμός δεν πραγματοποιείται και τα σταγονίδια παραμένουν ομοιογενώς διεσπαρμένα. Επιπλέον, η ευρεία διασπορά των παραγόμενων κατανομών μεγέθους σταγονιδίων επιτρέπει τη προσέγγισή τους με διδιεσπαρμένες κατανομές. Τέλος, ο μηχανισμός διάσπασης των σταγονιδίων εξαρτάται από το σύστημα γαλακτωματοποίησης και την αναλογία ιξώδους μεταξύ της υδατικής και ελαιώδους φάσης.