Aplicación de ultrasonidos de potencia mediante bocinas ultrasónicas

Las bocinas o sondas ultrasónicas se utilizan ampliamente para múltiples aplicaciones de procesamiento de líquidos, como homogeneización, dispersión, molienda húmeda, emulsificación, extracción, desintegración, disolución y desaireación. Conozca los aspectos básicos de las bocinas de ultrasonidos, las sondas de ultrasonidos y sus aplicaciones.

Bocina ultrasónica frente a sonda ultrasónica

A menudo, los términos cuerno ultrasónico y sonda 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 bocina ultrasónica y una sonda ultrasónica.
Tanto la bocina como la sonda se refieren a partes del llamado ultrasonicador de tipo sonda. La bocina ultrasónica es la parte metálica del transductor ultrasónico, que se excita mediante vibraciones generadas piezoeléctricamente. La bocina ultrasónica vibra a una frecuencia determinada, por ejemplo 20kHz, lo que significa 20.000 vibraciones por segundo. El titanio es el material preferido para la fabricación de bocinas de ultrasonidos debido a sus excelentes propiedades de transmisión acústica, su robusta resistencia a la fatiga y la dureza de su superficie.

La sonda ultrasónica también se denomina sonotrodo o dedo ultrasónico. Se trata de una varilla metálica, generalmente de titanio, que se enrosca en la bocina de ultrasonidos. La sonda ultrasónica es una parte esencial del procesador ultrasónico, que transmite las ondas ultrasónicas al medio sonicado. Las sondas ultrasónicas? sonotrodos están disponibles en varias formas (por ejemplo, cónicos, con punta, cónicos, o como Cascatrode). Aunque el titanio es el material más utilizado para las sondas de ultrasonidos, también existen sonotrodos de acero inoxidable, cerámica, vidrio y otros materiales.

Dado que el sonotrodo y la sonda de ultrasonidos están sometidos a una compresión o tensión constantes durante la sonicación, la selección del material del sonotrodo y la sonda es crucial. La aleación de titanio de alta calidad (grado 5) se considera el metal más fiable, duradero y eficaz para soportar tensiones, sostener amplitudes elevadas durante largos periodos de tiempo y transmitir las propiedades acústicas y mecánicas.

Los ultrasonidos de alto rendimiento suelen funcionar en la gama de frecuencias de 20-30 kHz. A 20 kHz, la sonda ultrasónica suele ser una barra 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 como ultrasonidos de alta potencia al medio de proceso, es decir, fluido o lodo, para cumplir aplicaciones como

• mezcla ultrasónica de alto cizallamiento
• molienda húmeda por ultrasonidos
• dispersión ultrasónica de nanopartículas
• nanoemulsificación ultrasónica
• Extracción ultrasónica
• desintegración ultrasónica
• disrupción y lisis celular por ultrasonidos
• desgasificación y desaireación por ultrasonidos
• sonoquímica (sonosíntesis, sonocatálisis)

¿Cómo funcionan los ultrasonidos de potencia? – 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, se generan ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia mediante un transductor de ultrasonidos y se transmiten a través de una bocina ultrasónica y una sonda (sonotrodo) a un líquido. Se consideran ultrasonidos de alta potencia los que se encuentran en el intervalo de 16-30 kHz. 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, la alternancia de ciclos de alta presión (compresión)? baja presión (rarefacción? expansión) crea cavidades diminutas (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 alcanzar un tamaño en el que no pueden absorber más energía. En ese momento, implosionan violentamente. La implosión de esas cavidades da lugar a diversos efectos altamente energéticos, que se conocen como fenómeno de cavitación acústica? ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por múltiples efectos altamente energéticos, que afectan a líquidos, sistemas sólido/líquido y sistemas gas/líquido. La zona densa en energía o zona de cavitación se conoce como zona de punto caliente, que es más densa en energía en las proximidades de la sonda ultrasónica y disminuye con el aumento de la distancia desde el sonotrodo. Las principales características de la cavitación ultrasónica incluyen temperaturas y presiones localmente muy elevadas y sus respectivos diferenciales, turbulencias y corrientes de líquido. Durante la implosión de cavidades ultrasónicas en puntos calientes ultrasónicos, pueden medirse temperaturas de hasta 5000 Kelvin, presiones de hasta 200 atmósferas y chorros de líquido de hasta 1000km/h. Estas extraordinarias condiciones de gran intensidad energética contribuyen a producir efectos sonomecánicos y sonoquímicos que intensifican los procesos y las reacciones químicas de diversas maneras.
Los principales efectos de la ultrasonicación en líquidos y lodos son los siguientes:

• Alto cizallamiento: Las fuerzas ultrasónicas de alto cizallamiento perturban los líquidos y los sistemas líquido-sólido provocando 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 trituran y dispersan finamente, a menudo hasta el tamaño nanométrico. En el caso de la materia biológica, como los materiales vegetales, los chorros de líquido a alta velocidad y los ciclos de presión alterna 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 ultrasonicación provoca turbulencias intensas, fuerzas de cizallamiento y micromovimientos en el líquido o el lodo. De este modo, la sonicación siempre intensifica la transferencia de masa y acelera las reacciones y los procesos.

Los homogeneizadores ultrasónicos y los mezcladores de alto cizallamiento se utilizan en casi cualquier industria de procesado que trabaje con líquidos o lodos. Las intensas fuerzas cavitacionales ultrasónicas crean una agitación intensa, cizallamiento, rotura de partículas y transferencia de masa. De este modo, los líquidos se homogeneizan, dispersan, emulsionan, extraen, disuelven y/o inician reacciones químicas. En general, la ultrasonicación 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 habituales en la industria se extienden a muchas ramas de la alimentación & farmacia, química fina, energía & petroquímica, reciclaje, biorrefinerías, etc. e incluyen lo siguiente:

• síntesis de biodiésel por ultrasonidos
• homogeneización ultrasónica de zumos de frutas
• producción de vacunas por ultrasonidos
• reciclaje ultrasónico de baterías de iones de litio
• síntesis ultrasónica de nanomateriales
• formulación ultrasónica de productos farmacéuticos
• nanoemulsificación ultrasónica del CBD
• Extracción ultrasónica de botánicos
• preparación de muestras por ultrasonidos en laboratorios
• desgasificación de líquidos por ultrasonidos
• desulfuración ultrasónica del crudo
• y muchos más ...

Bocinas y sondas ultrasónicas para aplicaciones de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es un fabricante y distribuidor experimentado de ultrasonidos de alta potencia, que se utilizan en todo el mundo para aplicaciones pesadas en muchas industrias.
Con procesadores ultrasónicos de todos los tamaños, desde 50 vatios hasta 16 kW 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: