Sondas sonoras frente a baños de ultrasonidos
Para tareas como la emulsificación, la dispersión, la extracción o la reducción del tamaño de las partículas, los sonicadores tipo sonda generan fuerzas de cizallamiento uniformes y cavitación de alta intensidad. Este enfoque directo permite abordar aplicaciones difíciles y escalar fácilmente desde pequeñas pruebas de laboratorio hasta series de producción completas. Mientras tanto, los baños de ultrasonidos pueden ser suficientes para limpiezas suaves o tratamientos de baja intensidad, pero a menudo tienen dificultades con trabajos más exigentes que requieren un control preciso de la amplitud y la temperatura. Cuando necesite fiabilidad, flexibilidad y un rendimiento sólido, los sonicadores de sonda Hielscher ofrecen una clara ventaja sobre los baños de ultrasonidos básicos.
Sonicador de sonda frente a baño de ultrasonidos – Descubra por qué los sonicadores de sonda destacan por su eficacia y fiabilidad
Intensidad de cavitación del sonicador
Los sonicadores de sonda introducen ultrasonidos de alta potencia directamente en el medio líquido, donde las ondas sonoras crean ciclos alternos de alta y baja presión en el líquido. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o vacíos en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, se colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas y presiones muy elevadas. La implosión de la burbuja de cavitación también da lugar a chorros de líquido extremadamente rápidos.
Antecedentes: Cavitación ultrasónica
Moholkar (2000) descubrió que las burbujas de la región de mayor intensidad de cavitación experimentaban un movimiento transitorio, mientras que las burbujas de la región de menor intensidad de cavitación experimentaban un movimiento oscilatorio estable. El colapso transitorio de las burbujas que da lugar a máximos locales de temperatura y presión está en la raíz de los efectos observados de los ultrasonidos en los sistemas químicos.
La intensidad de la sonicación es una función del aporte de energía y el área del sonotrodo. Para un determinado aporte de energía se cumple que: cuanto mayor sea la superficie del sonotrodo, menor resulta la intensidad de los ultrasonidos.
Las ondas ultrasónicas pueden generarse mediante distintos tipos de sistemas ultrasónicos. A continuación, se compararán las diferencias entre la sonicación mediante un baño de ultrasonidos, un dispositivo de sonda ultrasónica en un recipiente abierto y un dispositivo de sonda ultrasónica con cámara de celda de flujo.
Fig. 1: Creación de burbujas de cavitación estables y transitorias. (a) desplazamiento, (b) cavitación transitoria, (c) cavitación estable, (d) presión.
[adaptado de Santos et al. 2009].
Comparación de la distribución de la cavitación
Para las aplicaciones de ultrasonidos, puede utilizar sondas de ultrasonidos (sonicadores tipo sonda) o baños de ultrasonidos. “Entre estos dos métodos de ultrasonicación, la sonicación por sonda es más eficaz y potente que el baño ultrasónico en la aplicación de la dispersión de nanopartículas; el dispositivo de baño ultrasónico puede proporcionar una ultrasonicación débil con aproximadamente 20-40 W/L y una distribución muy poco uniforme, mientras que el dispositivo de sonda ultrasónica puede proporcionar 20.000 W/L en el fluido. Por lo tanto, significa que un dispositivo de sonda ultrasónica supera el dispositivo de baño ultrasónico por el factor de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)
Sondas sonoras frente a baños ultrasónicos: Comparación de la distribución de la cavitación
En el ámbito de las aplicaciones ultrasónicas, tanto los sonicadores de sonda como los baños de ultrasonidos desempeñan papeles importantes. Sin embargo, cuando se trata de la dispersión de nanopartículas, los sonicadores de sonda superan significativamente a los baños de ultrasonidos. Según Asadi (2019), los baños de ultrasonidos suelen generar una ultrasonicación más débil de unos 20-40 vatios por litro con una distribución muy poco uniforme. En marcado contraste, los dispositivos de sonda ultrasónica pueden suministrar unos asombrosos 20000 vatios por litro en el líquido, mostrando una eficacia que supera a los baños ultrasónicos en un factor de 1000. Esta marcada diferencia pone de relieve la capacidad superior de los sonicadores de sonda para lograr una dispersión eficaz y uniforme de las nanopartículas.
Baños de ultrasonidos
En un baño de ultrasonidos, la cavitación se produce de forma no uniforme y se distribuye de forma incontrolada por la cuba. El efecto de sonicación es de baja intensidad y se reparte de forma desigual. La repetibilidad y escalabilidad del proceso son muy deficientes.
La imagen siguiente muestra los resultados de un ensayo con papel de aluminio en una cuba de ultrasonidos. Para ello, se coloca una fina lámina de aluminio o estaño en el fondo de una cuba de ultrasonidos llena de agua. Tras la sonicación, se aprecian marcas de erosión. Estos puntos perforados y agujeros en la lámina indican los puntos calientes de cavitación. Debido a la baja energía y a la distribución desigual de los ultrasonidos dentro de la cuba, las marcas de erosión se producen sólo puntualmente. De ahí que los baños de ultrasonidos se utilicen sobre todo para aplicaciones de limpieza.
En un baño o cuba de ultrasonidos, el punto caliente de la cavitación acústica se produce de forma muy desigual.
Las figuras siguientes muestran la distribución desigual de los puntos calientes de cavitación en un baño de ultrasonidos. En la Fig. 2, un baño con una superficie inferior de 20×Se han utilizado 10 cm.
La Fig.2 muestra la distribución espacial del campo ultrasónico en el baño de ultrasonidos:
(a) utilizando 1 L de agua en el baño y (b) utilizando el volumen total de 2 L de agua en el baño.
[Nascentes et al., 2010].
Para las mediciones mostradas en la figura 3, se ha utilizado un baño de ultrasonidos con un espacio inferior de 12x10cm.
La Fig. 3 muestra la distribución espacial del campo ultrasónico en un baño de ultrasonidos:
(a) utilizando 1 L de agua en el baño y (b) utilizando el volumen total de 1,3 L de agua en el baño.
[Nascentes et al., 2001].
Ambas mediciones revelan que la distribución del campo de irradiación ultrasónica en las cubas de ultrasonidos es muy desigual. El estudio de la irradiación ultrasónica en distintos puntos de la cuba muestra variaciones espaciales significativas de la intensidad de cavitación en la cuba de ultrasonidos.
En la figura 4 se compara la eficacia de un baño de ultrasonidos y de un dispositivo de sonda ultrasónica, ejemplificada mediante la decoloración del colorante azoico violeta de metilo.
Fig. 4: Los sonicadores de tipo sonda despliegan una intensidad de energía localizada muy elevada en comparación con la baja densidad de ultrasonidos de las cubas y baños de ultrasonidos.
Dhanalakshmi et al. descubrieron en su estudio que los dispositivos ultrasónicos de tipo sonda tienen una intensidad localizada alta en comparación con los de tipo tanque y, por lo tanto, un mayor efecto localizado, como se muestra en la figura 4. Esto significa una mayor intensidad y eficiencia del proceso de sonicación. Esto significa una mayor intensidad y eficacia del proceso de sonicación.
Una configuración de ultrasonidos como la que se muestra en la imagen 4 permite un control total de los parámetros más importantes, como la amplitud, la presión, la temperatura, la viscosidad, la concentración y el volumen del reactor.
Foto 1: Sonotrodo que transmite ultrasonidos potentes al líquido. El empañamiento bajo la superficie del sonotrodo indica la zona del punto caliente de cavitación.
- intenso
- centrado
- totalmente controlable
- distribución uniforme
- Reproducible
- aumento lineal a gran escala de producción industrial
- Por lotes y en línea
Ventajas de los sonicadores de sonda
Las sondas ultrasónicas o sonotrodos están diseñadas para concentrar la energía ultrasónica en una zona focalizada, normalmente en la punta de la sonda. Esta transmisión de energía focalizada permite un tratamiento preciso y eficaz de las muestras. Dado que el diseño de la sonda garantiza que una parte significativa de la energía ultrasónica se dirija hacia la muestra, la transferencia de energía mejora significativamente en comparación con los baños de ultrasonidos. Esta transmisión focalizada de la energía ultrasónica es especialmente ventajosa para aplicaciones que requieren un control preciso de los parámetros de sonicación, como la disrupción celular, la nanodispersión, la síntesis de nanopartículas, la emulsificación y la extracción botánica.
Por lo tanto, los sonicadores tipo sonda ofrecen claras ventajas sobre los baños de ultrasonidos en términos de precisión, control, flexibilidad, eficacia y escalabilidad, lo que los convierte en herramientas indispensables para una amplia gama de aplicaciones científicas e industriales.
Sondas sonoras para el procesamiento de vasos abiertos
Cuando las muestras se sonican utilizando un dispositivo de sonda ultrasónica, la zona de sonicación intensa se encuentra directamente debajo del sonotrodo/sonda. La distancia de irradiación ultrasónica se limita a una zona determinada de la punta del sonotrodo. (véase fig. 1)
Los procesos ultrasónicos en vasos abiertos se utilizan sobre todo para pruebas de viabilidad y para la preparación de muestras de volúmenes más pequeños.
Sonómetros con celda de flujo para procesamiento en línea
Los resultados de sonicación más sofisticados se consiguen mediante un procesamiento continuo en un modo de flujo cerrado. Todo el material se procesa con la misma intensidad de ultrasonidos que la vía de flujo y se controla el tiempo de residencia en la cámara del reactor ultrasónico.
Conjunto de recirculación por ultrasonidos UIP1000hdT con célula de flujo, depósito y bomba
Los resultados del proceso de tratamiento de líquidos por ultrasonidos para una configuración de parámetros determinada son una función de la energía por volumen procesado. La función cambia con las alteraciones de los parámetros individuales. Además, la potencia real y la intensidad por superficie del sonotrodo de una unidad ultrasónica dependen de los parámetros.
El impacto cavitacional del tratamiento por ultrasonidos depende de la intensidad superficial, que se describe mediante la amplitud (A), la presión (p), el volumen del reactor (VR), la temperatura (T), la viscosidad (η) y otros. Los signos más y menos indican una influencia positiva o negativa del parámetro específico en la intensidad de la sonicación.
Mediante el control del parámetro más importante del proceso de sonicación, el proceso es totalmente repetible y los resultados obtenidos pueden escalarse de forma totalmente lineal. Los diferentes tipos de sonotrodos y reactores de celda de flujo ultrasónico permiten la adaptación a los requisitos específicos del proceso.
Resumen: Sonómetro frente a baño de ultrasonidos
Mientras que un baño de ultrasonidos sólo proporciona una sonicación débil con aproximadamente 20 vatios por litro y una distribución muy poco uniforme, los sonicadores tipo sonda pueden acoplar fácilmente aproximadamente 20000 vatios por litro en el medio procesado. Esto significa que un sonicador ultrasónico tipo sonda supera a un baño ultrasónico por un factor de 1000 (1000 veces mayor entrada de energía por volumen) debido a una entrada de potencia ultrasónica focalizada y uniforme. El control total sobre los parámetros de sonicación más importantes garantiza resultados completamente reproducibles y la escalabilidad lineal de los resultados del proceso.
Sonicador de sonda UP200St con sonotrodo S26d7D para la homogeneización de muestras por lotes
Literatura/Referencias
- Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
- Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
- Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.
Preguntas frecuentes sobre las sondas ultrasónicas
¿Qué es una sonda ultrasónica sonicator?
Un sonicador de sonda ultrasónica es un dispositivo que utiliza ondas sonoras de alta frecuencia para alterar o mezclar muestras. Consiste en una sonda que, al sumergirse en un líquido, genera vibraciones ultrasónicas, lo que provoca cavitación y los efectos deseados de procesamiento de la muestra.
¿Cuál es el principio de la sonicación de sondas?
La sonicación con sonda funciona según el principio de la cavitación ultrasónica. Cuando la sonda vibra en la muestra, crea burbujas microscópicas que se expanden y colapsan rápidamente. Este proceso genera intensas fuerzas de cizallamiento y calor, alterando las células o mezclando componentes a nivel microscópico.
¿Es lo mismo un limpiador ultrasónico que un sonicador?
No, no son lo mismo. Un limpiador ultrasónico utiliza ondas ultrasónicas muy suaves en un baño para limpiar objetos, principalmente mediante vibración y muy poca cavitación. Un sonicador, concretamente un sonicador de sonda ultrasónica, está diseñado para el tratamiento ultrasónico directo e intensivo de muestras, centrándose en la disrupción u homogeneización.
¿Para qué sirve una sonda ultrasónica?
Una sonda ultrasónica se utiliza principalmente para tareas de preparación de muestras como la disrupción celular, la homogeneización, la emulsificación y la dispersión de partículas en diversas aplicaciones industriales y de investigación en química, biología y ciencia de materiales.
¿Cuál es la diferencia entre el sonicador de sonda y el sonicador de cazoleta?
Un sonicador de sonda sumerge directamente la sonda en la muestra para una sonicación intensa. En cambio, un sonicador de cazoleta no sumerge la sonda, sino que utiliza un método indirecto en el que la muestra se coloca en un recipiente dentro de un baño de agua que transmite la energía ultrasónica.
¿Por qué utilizar un sonicador de sonda?
Un sonicador de sonda se utiliza por su capacidad para suministrar energía ultrasónica directa y de alta intensidad a una muestra, logrando una disrupción, homogeneización o emulsificación eficaces. Es especialmente valioso para muestras difíciles de procesar o cuando se requiere un control preciso del proceso.
¿Cuáles son las ventajas de un sonicador de sonda?
Sus ventajas incluyen el procesamiento eficaz y rápido de muestras, la versatilidad en las aplicaciones, el control preciso de los parámetros de sonicación y la capacidad de procesar una amplia gama de tamaños y tipos de muestras, desde muestras de laboratorio de pequeño volumen hasta lotes o caudales industriales de mayor tamaño.
¿Cómo se utiliza una sonda ultrasónica sonicator?
El uso de un sonicador de sonda ultrasónica implica seleccionar el tamaño de sonda y los parámetros de sonicación adecuados, sumergir la punta de la sonda en la muestra y, a continuación, activar el sonicador durante el tiempo y los ajustes de potencia deseados para lograr un procesamiento eficaz de la muestra.
¿Cuál es la diferencia entre sonicación y ultrasonicación?
La sonicación se refiere al uso general de ondas sonoras para procesar materiales, que puede incluir una gama de frecuencias. La ultrasonicación especifica el uso de frecuencias ultrasónicas (normalmente por encima de 20 kHz), centrándose en aplicaciones que requieren ondas sonoras de alta energía para el procesamiento de muestras. Sin embargo, la mayoría de la gente se refiere en realidad a los ultrasonicadores, cuando utiliza la palabra sonicador.