Aplicación de ultrasonidos de potencia mediante bocinas ultrasónicas

Las bocinas o sondas ultrasónicas se utilizan ampliamente en numerosas aplicaciones de procesamiento de líquidos, como la homogeneización, la dispersión, la molienda húmeda, la emulsificación, la extracción, la desintegración, la disolución y la desaireación. Conozca los fundamentos de las bocinas ultrasónicas, las sondas ultrasónicas y sus aplicaciones.

Bocina ultrasónica frente a sonda ultrasónica

A menudo, los términos bocina ultrasónica y sonda ultrasónica se utilizan indistintamente para referirse a la varilla ultrasónica que transmite las ondas de ultrasonido al líquido. Otros términos utilizados para la sonda ultrasónica son bocina acústica, sonotrodo, guía de ondas acústicas o dedo ultrasónico. Sin embargo, técnicamente existe una diferencia entre una bocina ultrasónica y una sonda ultrasónica.
Tanto la bocina como la sonda son componentes del denominado sonicador 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, 20 kHz, lo que equivale a 20.000 vibraciones por segundo. El titanio es el material preferido para fabricar bocinas ultrasónicas por sus excelentes propiedades de transmisión acústica, su elevada resistencia a la fatiga y su dureza superficial.

La sonda ultrasónica también se denomina sonotrodo o dedo ultrasónico. Es una varilla metálica, generalmente de titanio, que se une mediante rosca a la bocina ultrasónica. La sonda ultrasónica es una parte esencial del procesador ultrasónico y transmite las ondas de ultrasonido al medio sometido a sonicación. Las sondas ultrasónicas / sonotrodos están disponibles en diversas formas (por ejemplo, cónicas, con punta, ahusadas o como Cascatrode). Aunque el titanio es el material más utilizado para las sondas ultrasónicas, también existen sonotrodos de acero inoxidable, cerámica, vidrio y otros materiales.

Dado que la bocina y la sonda ultrasónicas están sometidas constantemente a compresión o tracción durante la sonicación, la elección de sus materiales es crucial. La aleación de titanio de alta calidad (grado 5) se considera el metal más fiable, duradero y eficaz para soportar esfuerzos, mantener amplitudes elevadas durante periodos prolongados y transmitir las propiedades acústicas y mecánicas.

La disolución es una aplicación habitual de la sonicación. El vídeo muestra la disolución rápida de cristales de azúcar en agua utilizando el UP200St de Hielscher.

Los sonicadores de alto rendimiento funcionan principalmente en el intervalo de frecuencias de 20–30 kHz. A 20 kHz, la sonda ultrasónica suele ser una varilla resonante cuya longitud equivale a media longitud de onda y 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, un fluido o una suspensión, para realizar aplicaciones como

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

¿Cómo funcionan los ultrasonidos de potencia? – El principio de funcionamiento de la cavitación acústica

Para aplicaciones ultrasónicas de alto rendimiento, como la homogeneización, la reducción del tamaño de partículas, la desintegración o las nanodispersiones, un transductor ultrasónico genera ultrasonidos de alta intensidad y baja frecuencia que se transmiten a un líquido mediante una bocina ultrasónica y una sonda (sonotrodo). Se consideran ultrasonidos de alta potencia los ultrasonidos en el intervalo de 16–30 kHz. La sonda ultrasónica se expande y contrae, por ejemplo, a 20 kHz, transmitiendo así 20.000 vibraciones por segundo al medio. Cuando las ondas ultrasónicas atraviesan el líquido, los ciclos alternos de alta presión (compresión) / baja presión (rarefacción / expansión) crean diminutas 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 y expansión, las cavidades del líquido crecen hasta alcanzar un tamaño en el que ya no pueden absorber más energía. En ese momento, implosionan violentamente. La implosión de estas cavidades produce diversos efectos de alta energía, conocidos como el fenómeno de cavitación acústica / ultrasónica. La cavitación acústica se caracteriza por numerosos efectos de alta energía que afectan a los líquidos, a los sistemas sólido/líquido y a los sistemas gas/líquido. La zona de alta densidad energética o zona de cavitación se conoce como zona de puntos calientes; su densidad energética es máxima en las inmediaciones de la sonda ultrasónica y disminuye al aumentar la distancia al sonotrodo. Las principales características de la cavitación ultrasónica incluyen temperaturas y presiones locales muy elevadas y sus respectivos diferenciales, turbulencias y flujos 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 1000 km/h. Estas extraordinarias condiciones de alta energía contribuyen a los efectos sonomecánicos y sonoquímicos que intensifican los procesos y las reacciones químicas de diversas maneras.
Los principales efectos de la sonicación sobre los líquidos y las suspensiones son los siguientes:

• Alto cizallamiento: Las fuerzas ultrasónicas de alto cizallamiento alteran los líquidos y los sistemas líquido-sólido, provocando una intensa agitación, homogeneización y transferencia de masa.
• Impacto: Los chorros y flujos de líquido generados por la cavitación ultrasónica aceleran los sólidos presentes en los líquidos, lo que provoca posteriormente colisiones entre partículas. Cuando las partículas chocan a velocidades muy elevadas, se erosionan, se fracturan y se muelen y dispersan finamente, a menudo hasta alcanzar tamaños nanométricos. En el caso de la materia biológica, como los materiales vegetales, los chorros de líquido a alta velocidad y los ciclos alternos de presión rompen las paredes celulares y liberan el material intracelular. Esto permite una extracción muy eficiente de compuestos bioactivos y una mezcla homogénea de la materia biológica.
• Agitación: La sonicación provoca intensas turbulencias, fuerzas de cizallamiento y micromovimientos en el líquido o la suspensión. Por ello, la sonicación siempre intensifica la transferencia de masa y, de este modo, acelera las reacciones y los procesos.

Los homogeneizadores ultrasónicos y los mezcladores de alto cizallamiento se utilizan en prácticamente cualquier industria de procesamiento que trabaje con líquidos o suspensiones. Las intensas fuerzas de cavitación ultrasónica generan una intensa agitación, cizallamiento, fragmentación de partículas y transferencia de masa. De este modo, los líquidos se homogeneizan, dispersan, emulsionan, se someten a extracción o disolución y/o se inician reacciones químicas. En general, la sonicación 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 abarcan numerosas ramas de los sectores alimentario y farmacéutico, la química fina, la energía y la petroquímica, el reciclaje, las biorrefinerías, etc., e incluyen las siguientes:

• síntesis ultrasónica de biodiésel
• homogeneización ultrasónica de zumos de frutas
• producción ultrasónica de vacunas
• reciclaje ultrasónico de baterías de Li-ion
• síntesis ultrasónica de nanomateriales
• formulación ultrasónica de productos farmacéuticos
• nanoemulsificación ultrasónica de CBD
• extracción ultrasónica de materiales vegetales
• preparación ultrasónica de muestras en laboratorios
• desgasificación ultrasónica de líquidos
• desulfuración ultrasónica de petróleo crudo
• y muchas más …

Bocinas y sondas ultrasónicas para aplicaciones de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics es un fabricante y distribuidor con una larga experiencia en sonicadores de alta potencia, utilizados en todo el mundo para aplicaciones exigentes en numerosas industrias.
Con procesadores ultrasónicos de todos los tamaños, desde 50 vatios hasta 16 kW por equipo, sondas de diversos tamaños y formas y reactores ultrasónicos con distintos volúmenes y geometrías, Hielscher Ultrasonics dispone del equipo adecuado para configurar el sistema ultrasónico ideal para su aplicación.
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: