Aplicación del ultrasonido de potencia usando cuernos de ultrasonido

Los cuernos o sondas ultrasónicas se utilizan ampliamente para múltiples aplicaciones de procesamiento de líquidos, como la homogeneización, la dispersión, la molienda húmeda, la emulsificación, la extracción, la desintegración, la disolución y la desaireación. Aprenda lo básico sobre los cuernos de ultrasonido, las sondas de ultrasonido y sus aplicaciones.

Bocina ultrasónica contra sonda ultrasónica

A menudo, el término cuerno y sonda ultrasónicos se utilizan indistintamente y se refieren a la varilla ultrasónica que transmite las ondas ultrasónicas al líquido. Otros términos que se utilizan para la sonda ultrasónica son cuerno acústico, sonotrodo, guía de ondas acústicas o dedo ultrasónico. Sin embargo, técnicamente hay una diferencia entre una trompa ultrasónica y una sonda ultrasónica.
Tanto el cuerno como la sonda se refieren a partes del llamado ultrasonido tipo sonda. El cuerno ultrasónico es la parte metálica del transductor ultrasónico, que se excita a través de vibraciones generadas piezoeléctricamente. El cuerno ultrasónico vibra a una cierta frecuencia, por ejemplo 20kHz, lo que significa 20.000 vibraciones por segundo. El titanio es el material preferido para la fabricación de bocinas ultrasónicas debido a sus excelentes propiedades de transmisión acústica, su robusta resistencia a la fatiga y la dureza de la superficie.

La sonda ultrasónica también se llama sonotrodo o dedo ultrasónico. Es una varilla de metal, la mayoría de las veces hecha de titanio, y enroscada al cuerno ultrasónico. La sonda ultrasónica es una parte esencial del procesador ultrasónico, que transmite las ondas de ultrasonido al medio sonicado. Las sondas ultrasónicas / sonotrodos están disponibles en varias formas (por ejemplo, cónicas, con punta, cónicas o como Cascatrode). Aunque el titanio es el material más utilizado para las sondas de ultrasonidos, también hay sonotrodos de acero inoxidable, cerámica, vidrio y otros materiales disponibles.

Dado que el cuerno y la sonda ultrasónicos están bajo constante compresión o tensión durante la sonicación, la selección del material del cuerno y la sonda son cruciales. La aleación de titanio de alta calidad (grado 5) se considera el metal más fiable, duradero y eficaz para soportar la tensión, para sostener altas amplitudes durante largos períodos de tiempo y para transmitir las propiedades acústicas y mecánicas.

Los ultrasonidos de alto rendimiento trabajan principalmente en el rango de frecuencia de 20-30kHz. A 20 kHz, la sonda ultrasónica es típicamente una varilla resonante de media longitud de onda, que se expande y contrae constantemente 20.000 veces por segundo. Los movimientos de expansión y contracción se transmiten en forma de ultrasonidos de alta potencia al medio de proceso, es decir, al fluido o al lodo, para cumplir con aplicaciones como

• mezcla ultrasónica de alto cizallamiento
• ultrasónico de molienda en húmedo
• dispersión ultrasónica de nanopartículas
• Nanoemulsificación ultrasónica
• Extracción ultrasónica
• desintegración ultrasónica
• la disrupción y lisis de las células ultrasónicas
• desgasificación y desaireación ultrasónica
• sono-química (sono-síntesis, sono-catálisis)

¿Cómo funciona el ultrasonido de potencia? – El principio de funcionamiento de la cavitación acústica

Para aplicaciones ultrasónicas de alto rendimiento como la homogeneización, la reducción del tamaño de las partículas, la desintegración o las nanodispersiones, un transductor de ultrasonidos genera ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia que se transmiten a un líquido a través de una bocina y una sonda ultrasónicas (sonotrodo). Los ultrasonidos de alta potencia se consideran ultrasonidos en el rango de 16-30kHz. La sonda de ultrasonidos se expande y contrae, por ejemplo, a 20kHz, transmitiendo así respectivamente 20.000 vibraciones por segundo al medio. Cuando las ondas ultrasónicas viajan a través del líquido, los ciclos alternados de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción / expansión) crean minúsculas cavidades (burbujas de vacío), que crecen a lo largo de varios ciclos de presión. Durante la fase de compresión del líquido y las burbujas, la presión es positiva, mientras que la fase de rarefacción produce un vacío (presión negativa.) Durante los ciclos de compresión-expansión, las cavidades del líquido crecen hasta que alcanzan un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En este punto, implosionan violentamente. La implosión de esas cavidades da lugar a varios efectos altamente energéticos, que se conocen como el fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por múltiples efectos altamente energéticos, que impactan en los líquidos, los sistemas sólido/líquido y los sistemas gas/líquido. La zona densa en energía o zona cavitacional se conoce como zona de punto caliente, que es más densa en energía en las cercanías de la sonda ultrasónica y disminuye con el aumento de la distancia del sonotrodo. Las principales características de la cavitación ultrasónica incluyen temperaturas y presiones muy elevadas que se producen localmente y los respectivos diferenciales, turbulencias y corrientes de líquido. Durante la implosión de las cavidades ultrasónicas en los puntos calientes ultrasónicos pueden medirse temperaturas de hasta 5000 Kelvin, presiones de hasta 200 atmósferas y chorros de líquido de hasta 1000km/h. Estas excepcionales condiciones de alta intensidad energética contribuyen a los efectos sonomecánicos y sonoquímicos que intensifican los procesos y las reacciones químicas de diversas maneras.
El principal impacto de la ultrasonificación en los líquidos y los lodos es el siguiente:

• Un gran esfuerzo: Las fuerzas ultrasónicas de alto cizallamiento interrumpen los sistemas líquidos y líquidos-sólidos causando una intensa agitación, homogeneización y transferencia de masa.
• Impacto: Los chorros de líquido y las corrientes generadas por la cavitación ultrasónica aceleran los sólidos en los líquidos, lo que conduce posteriormente a la colisión interparticluar. Cuando las partículas chocan a velocidades muy altas, se erosionan, se rompen y se molen y dispersan finamente, a menudo hasta el tamaño nano. En el caso de la materia biológica, como los materiales vegetales, los chorros de líquido a alta velocidad y los ciclos de presión alternados alteran las paredes celulares y liberan el material intracelular. El resultado es una extracción muy eficaz de los compuestos bioactivos y una mezcla homogénea de la materia biológica.
• Agitación: La ultrasonificación causa turbulencias intensas, fuerzas de cizallamiento y micro-movimientos en el líquido o el estiércol. Por lo tanto, la sonicación siempre intensifica la transferencia de masa y acelera así las reacciones y procesos.

Los homogeneizadores ultrasónicos y los mezcladores de alto cizallamiento se utilizan en casi cualquier industria de procesamiento que trabaje con líquidos o lodos. Las intensas fuerzas ultrasónicas cavitacionales crean una intensa agitación, cizallamiento, rotura de partículas y transferencia de masa. De este modo, los líquidos se homogeneizan, dispersan, emulsionan, extraen, disuelven y/o se inician reacciones químicas. En general, la ultrasonificación es un método de intensificación de procesos que aumenta el rendimiento, mejora las tasas de conversión y hace que los procesos sean más eficientes.
Las aplicaciones ultrasónicas comunes en la industria se extienden a través de muchas ramas de la alimentación & farmacia, química fina, energía & petroquímica, el reciclaje, las biorrefinerías, etc., e incluyen lo siguiente

• síntesis ultrasónica de biodiésel
• homogeneización ultrasónica de los zumos de fruta
• producción ultrasónica de vacunas
• reciclaje de baterías de iones de litio ultrasónicas
• síntesis ultrasónica de nanomateriales
• Formulación ultrasónica de productos farmacéuticos
• nanoemulsificación ultrasónica del CBD
• Extracción ultrasónica de botánicos
• preparación de muestras ultrasónicas en laboratorios
• desgasificación ultrasónica de líquidos
• desulfuración ultrasónica del crudo
• y muchos más...

Cuernos y sondas ultrasónicas para aplicaciones de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics tiene una larga experiencia en la fabricación y distribución de ultrasonidos de alta potencia, que se utilizan en todo el mundo para aplicaciones de gran potencia en muchas industrias.
Con procesadores ultrasónicos de todos los tamaños, desde 50 vatios hasta 16kW por dispositivo, sondas de varios tamaños y formas, reactores ultrasónicos con diferentes volúmenes y geometrías, Hielscher Ultrasonics tiene el equipo adecuado para configurar la configuración ultrasónica ideal para su aplicación.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: