Ultrasonidos: Aplicaciones y Procesos

La ultrasonicación es un método de procesamiento mecánico que crea cavitación acústica y fuerzas físicas muy intensas. Por ello, los ultrasonidos se utilizan para numerosas aplicaciones, como la mezcla, la homogeneización, la molienda, la dispersión, la emulsificación, la extracción, la desgasificación y las reacciones sonoquímicas.
A continuación, aprenderá todo sobre las aplicaciones y procesos ultrasónicos típicos.

Homogeneización por ultrasonidos

Los homogeneizadores ultrasónicos reducen las partículas pequeñas en un líquido para mejorar la uniformidad y la estabilidad de la dispersión. Las partículas (fase dispersa) pueden ser sólidos o gotitas líquidas suspendidas en una fase líquida. La homogeneización por ultrasonidos es muy eficaz para la reducción de partículas blandas y duras. Hielscher fabrica aparatos de ultrasonidos para la homogeneización de cualquier volumen de líquido y para el procesamiento por lotes o en línea. Los dispositivos ultrasónicos de laboratorio pueden utilizarse para volúmenes desde 1,5mL hasta aprox. 4L. Los dispositivos ultrasónicos industriales pueden procesar lotes de 0,5 a aprox. 2000L o caudales de 0,1L a 20 metros cúbicos por hora en el desarrollo de procesos y en la producción comercial.
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Dispersión y desaglomeración por ultrasonidos

La dispersión y desaglomeración de sólidos en líquidos es una aplicación importante de los ultrasonidos tipo sonda. La cavitación ultrasónica / acústica genera altas fuerzas de cizallamiento que rompen los aglomerados de partículas en partículas individuales dispersas. La mezcla de polvos en líquidos es un paso habitual en la formulación de diversos productos, como pinturas, barnices, productos cosméticos, alimentos y bebidas, o medios de pulido. Las partículas individuales se mantienen unidas por fuerzas de atracción de diversa naturaleza física y química, incluidas las fuerzas de Van-der-Waals y la tensión superficial de los líquidos. La ultrasonicación vence estas fuerzas de atracción para desaglomerar y dispersar las partículas en medios líquidos. Para la dispersión y desaglomeración de polvos en líquidos, la ultrasonicación de alta intensidad es una alternativa interesante a los homogeneizadores de alta presión, los mezcladores de alto cizallamiento, los molinos de bolas o los mezcladores rotor-estator.
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Emulsificación ultrasónica

Una amplia gama de productos intermedios y de consumo, como cosméticos y lociones para la piel, pomadas farmacéuticas, barnices, pinturas y lubricantes y combustibles, se basan total o parcialmente en emulsiones. Las emulsiones son dispersiones de dos o más fases líquidas inmiscibles. Los ultrasonidos de alta intensidad proporcionan un cizallamiento suficientemente intenso para dispersar una fase líquida (fase dispersa) en pequeñas gotas en una segunda fase (fase continua). En la zona de dispersión, la implosión de burbujas de cavitación provoca ondas de choque intensas en el líquido circundante y da lugar a la formación de chorros de líquido de alta velocidad del líquido (alto cizallamiento). La ultrasonicación puede adaptarse con precisión al tamaño de emulsión deseado, lo que permite la producción fiable de microemulsiones y nanoemulsiones.
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Molienda en húmedo y pulverización por ultrasonidos

La ultrasonicación es un medio eficaz para la molienda en húmedo y la micromolienda de partículas. En particular, para la fabricación de lodos de tamaño superfino, los ultrasonidos presentan numerosas ventajas. Es superior a los equipos tradicionales de reducción de tamaño, como los molinos coloidales (por ejemplo, molinos de bolas, molinos de perlas), molinos de discos o molinos de chorro. La ultrasonicación puede procesar lodos de alta concentración y viscosidad, reduciendo así el volumen a procesar. Por supuesto, la molienda por ultrasonidos es adecuada para procesar materiales de tamaño micrométrico y nanométrico, como cerámica, pigmentos, sulfato de bario, carbonato cálcico u óxidos metálicos. Especialmente cuando se trata de nanomateriales, la ultrasonicación destaca por su rendimiento, ya que sus fuerzas de cizallamiento de gran impacto crean nanopartículas uniformemente pequeñas.
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TiO2 secado por pulverización antes y después de la molienda ultrasónica

Desintegración y lisis celular por ultrasonidos

El tratamiento ultrasónico puede desintegrar el material fibroso y celulósico en partículas finas y romper las paredes de la estructura celular. Esto libera más material intracelular, como almidón o azúcar, en el líquido. Este efecto puede aprovecharse para la fermentación, digestión y otros procesos de conversión de la materia orgánica. Después de moler y triturar, la ultrasonicación hace que más material intracelular, como el almidón, así como los restos de la pared celular, estén disponibles para las enzimas que convierten el almidón en azúcares. También aumenta la superficie expuesta a las enzimas durante la licuefacción o sacarificación. Esto suele aumentar la velocidad y el rendimiento de la fermentación de la levadura y otros procesos de conversión, por ejemplo, para impulsar la producción de etanol a partir de biomasa.
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Extracción ultrasónica de botánicos

La extracción de compuestos bioactivos almacenados en células y partículas subcelulares es una aplicación muy extendida de los ultrasonidos de alta intensidad. La extracción ultrasónica se utiliza para aislar metabolitos secundarios (por ejemplo, polifenoles), polisacáridos, proteínas, aceites esenciales y otros ingredientes activos de la matriz celular de plantas y hongos. Adecuada para la extracción de compuestos orgánicos con agua y disolventes, la sonicación mejora significativamente el rendimiento de los productos botánicos contenidos en plantas o semillas. La extracción por ultrasonidos se utiliza para la producción de productos farmacéuticos, nutracéuticos / suplementos nutricionales, fragancias y aditivos biológicos. Los ultrasonidos son una técnica de extracción ecológica que también se utiliza para la extracción de componentes bioactivos en biorrefinerías, por ejemplo, para liberar compuestos valiosos de corrientes de subproductos no utilizados que se forman en procesos industriales. La ultrasonicación es una tecnología muy eficaz para la extracción botánica a escala de laboratorio y de producción.
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Aplicaciones sonoquímicas de los ultrasonidos

La sonoquímica es la aplicación de ultrasonidos a reacciones y procesos químicos. El mecanismo que provoca los efectos sonoquímicos en los líquidos es el fenómeno de la cavitación acústica. Los efectos sonoquímicos en las reacciones y procesos químicos incluyen el aumento de la velocidad de reacción o el rendimiento, un uso más eficiente de la energía, la mejora del rendimiento de los catalizadores de transferencia de fase, la activación de metales y sólidos o el aumento de la reactividad de reactivos o catalizadores.
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Transesterificación de aceites a biodiésel por ultrasonidos

La ultrasonicación aumenta la velocidad de reacción química y el rendimiento de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales en biodiésel. Esto permite cambiar la producción de procesamiento por lotes a procesamiento de flujo continuo y reduce la inversión y los costes operativos. Una de las principales ventajas de la fabricación de biodiésel por ultrasonidos es el uso de aceites residuales, como aceites de cocina usados y otras fuentes de aceite de baja calidad. La transesterificación ultrasónica puede convertir incluso materias primas de baja calidad en biodiésel de alta calidad (éster metílico de ácidos grasos / FAME). La fabricación de biodiésel a partir de aceites vegetales o grasas animales implica la transesterificación catalizada por bases de ácidos grasos con metanol o etanol para dar los correspondientes ésteres metílicos o ésteres etílicos. La ultrasonicación puede lograr un rendimiento de biodiésel superior al 99%. Los ultrasonidos reducen considerablemente el tiempo de procesamiento y de separación.
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Desgasificación y desaireación de líquidos por ultrasonidos

La desgasificación de líquidos es otra aplicación importante de los ultrasonidos con sonda. Las vibraciones ultrasónicas y la cavitación provocan la coalescencia de los gases disueltos en un líquido. A medida que las diminutas burbujas de gas se fusionan, forman burbujas más grandes que flotan rápidamente hacia la superficie superior del líquido, de donde pueden ser eliminadas. Así, la desgasificación y desaireación ultrasónicas pueden reducir el nivel de gas disuelto por debajo del nivel de equilibrio natural.
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Limpieza por ultrasonidos de alambre, cables y bandas

La limpieza por ultrasonidos es una alternativa respetuosa con el medio ambiente para la limpieza de materiales continuos, como alambres y cables, cintas o tubos. El efecto de la potente cavitación ultrasónica elimina residuos de lubricación como aceite o grasa, jabones, estearatos o polvo de la superficie del material. Hielscher Ultrasonics ofrece diversos sistemas ultrasónicos para la limpieza en línea de perfiles continuos.
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¿Por qué la sonicación es un método de procesamiento superior?

La sonicación, o el uso de ondas sonoras de alta frecuencia para agitar líquidos, es un método de procesado eficaz por diversas razones. He aquí algunas razones por las que la sonicación a alta intensidad y baja frecuencia de aproximadamente 20 kHz es particularmente impactante y ventajosa para el procesamiento de líquidos y lodos:

1. Cavitación: Uno de los principales mecanismos de la sonicación es la creación y el colapso de pequeñas burbujas, un fenómeno denominado cavitación. A 20 kHz, las ondas sonoras tienen la frecuencia justa para crear y colapsar burbujas con eficacia. El colapso de estas burbujas produce ondas de choque de alta energía, que pueden romper las partículas y alterar las células en el líquido que se está sonicando.
2. Oscilación y vibración: Además de la cavitación acústica generada, la oscilación de la sonda ultrasónica crea agitación y mezcla adicionales en el líquido, favoreciendo así la transferencia de masa y/o la desgasificación.
3. Penetración: Las ondas sonoras a 20 kHz tienen una longitud de onda relativamente larga, lo que les permite penetrar profundamente en los líquidos. La cavitación ultrasónica es un fenómeno localizado que aparece en los alrededores de la sonda ultrasónica. Al aumentar la distancia a la sonda, la intensidad de la cavitación disminuye. Sin embargo, la sonicación a 20 kHz puede tratar eficazmente mayores volúmenes de líquido, en comparación con la sonicación a frecuencias más altas, que tiene longitudes de onda más cortas y puede ser más limitada en su profundidad de penetración.
4. Bajo consumo de energía: La sonicación puede llevarse a cabo con un consumo de energía relativamente bajo en comparación con otros métodos de procesado, como la homogeneización a alta presión o la agitación mecánica. Esto lo convierte en un método más eficiente desde el punto de vista energético y rentable para procesar líquidos.
5. Escalabilidad lineal: Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma completamente lineal a volúmenes mayores o menores. Esto hace que las adaptaciones del proceso en la producción sean fiables, ya que la calidad del producto puede mantenerse estable de forma continua.
6. Flujo por lotes y en línea: La ultrasonicación puede realizarse como proceso en línea por lotes o continuo. Para la sonicación de lotes, la sonda ultrasónica se inserta en el recipiente abierto o en el reactor cerrado por lotes. Para la sonicación de un flujo continuo, se instala una célula de flujo ultrasónica. El medio líquido pasa por el sonotrodo (varilla que vibra por ultrasonidos) en una sola pasada o en recirculación y se expone de forma muy uniforme y eficaz a las ondas ultrasónicas.

En general, las intensas fuerzas de cavitación, el bajo consumo de energía y la escalabilidad del proceso hacen de la sonicación de baja frecuencia y alta potencia un método eficaz para procesar líquidos.

Principio de funcionamiento y uso del procesamiento por ultrasonidos

La ultrasonicación es una tecnología de procesamiento comercial, que ha sido adoptada por numerosas industrias para la producción a gran escala. Su gran fiabilidad y escalabilidad, así como sus bajos costes de mantenimiento y su alta eficiencia energética, hacen de los procesadores ultrasónicos una buena alternativa a los equipos tradicionales de tratamiento de líquidos. Los ultrasonidos ofrecen interesantes oportunidades adicionales: La cavitación -el efecto ultrasónico básico- produce resultados únicos en procesos biológicos, químicos y físicos. Por ejemplo, la dispersión y emulsificación por ultrasonidos produce fácilmente formulaciones estables de tamaño nanométrico. También en el campo de la extracción botánica, los ultrasonidos son una técnica no térmica para aislar compuestos bioactivos.

Mientras que los ultrasonidos de baja intensidad o alta frecuencia se utilizan principalmente para el análisis, los ensayos no destructivos y la obtención de imágenes, los ultrasonidos de alta intensidad se emplean para el tratamiento de líquidos y pastas, donde se utilizan ondas ultrasónicas intensas para mezclar, emulsionar, dispersar y desaglomerar, desintegrar células o desactivar enzimas. Al sonicar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras se propagan a través del medio líquido. Esto da lugar a ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), con velocidades que dependen de la frecuencia. 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 (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm) muy elevadas. La implosión de la burbuja de cavitación también da lugar a chorros de líquido de hasta 280 metros por segundo de velocidad.

La cavitación ultrasónica en líquidos puede provocar una desgasificación rápida y completa; iniciar diversas reacciones químicas generando iones químicos libres (radicales); acelerar las reacciones químicas facilitando la mezcla de los reactivos; mejorar las reacciones de polimerización y despolimerización dispersando los agregados o rompiendo permanentemente los enlaces químicos de las cadenas poliméricas; aumentar los índices de emulsificación; mejorar los índices de difusión; producir emulsiones altamente concentradas o dispersiones uniformes de materiales de tamaño micrométrico o nanométrico; ayudar a la extracción de sustancias como enzimas de células animales, vegetales, de levadura o bacterianas; eliminar virus de tejidos infectados; y, por último, erosionar y descomponer partículas susceptibles, incluidos microorganismos. (cf. Kuldiloke 2002)

Los ultrasonidos de alta intensidad producen una agitación violenta en líquidos de baja viscosidad, que puede utilizarse para dispersar materiales en líquidos. (cf. Ensminger, 1988) En las interfaces líquido/sólido o gas/sólido, la implosión asimétrica de las burbujas de cavitación puede provocar turbulencias extremas que reducen la capa límite de difusión, aumentan la transferencia de masa por convección y aceleran considerablemente la difusión en sistemas en los que no es posible la mezcla ordinaria. (cf. Nyborg, 1965)

Referencias