Ultrasonidos: Aplicaciones y Procesos

La ultrasonicación es una tecnología útil para muchas aplicaciones, como la homogeneización, la desintegración, la dispersión, la sonoquímica, la desgasificación o la limpieza. A continuación, encontrará aplicaciones y procesos típicos de los ultrasonidos.

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Homogeneización por ultrasonidos

Homogeneizador ultrasónicoLos 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 gotas de líquido suspendidas en una fase líquida. La homogeneización por ultrasonidos es muy eficaz para la reducción de partículas blandas y duras. Hielscher produce dispositivos ultrasónicos 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 aproximadamente 4L. Los dispositivos industriales de ultrasonidos pueden procesar lotes de 0,5 a aproximadamente 2000L o caudales de 0,1L a 20 metros cúbicos por hora en el desarrollo de procesos o en la producción.
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Dispersión y desaglomeración por ultrasonidos

La dispersión y desaglomeración de partículas de polvo mediante ultrasonidos produce una dispersión de partículas individuales.La dispersión y desagregación de sólidos en líquidos es una importante aplicación de los dispositivos ultrasónicos. La cavitación ultrasónica genera altas fuerzas de cizallamiento que rompen los aglomerados de partículas en partículas individuales y dispersas. La mezcla de polvos en líquidos es un paso común en la formulación de varios productos, como la pintura, el champú, las bebidas o los 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 del líquido. La ultrasonicación vence estas fuerzas de atracción para desaglomerar y dispersar las partículas en los 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 o los mezcladores rotor-estator.
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Emulsificación por ultrasonidos

La ultrasonicación es un medio eficaz para llevar a cabo procesos de emulsificación.Una amplia gama de productos intermedios y de consumo, como los cosméticos y las lociones para la piel, las pomadas farmacéuticas, los barnices, las pinturas y los lubricantes y combustibles, se basan total o parcialmente en emulsiones. Las emulsiones son dispersiones de dos o más líquidos 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, las burbujas de cavitación implosivas provocan ondas de choque intensas en el líquido circundante y dan lugar a la formación de chorros de líquido de alta velocidad (alto cizallamiento). La ultrasonicación puede lograr un tamaño medio de las gotas muy inferior a 1 micra (microemulsión).
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Molienda en húmedo y pulverización por ultrasonidos

Molienda de materiales sólidos 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, el ultrasonido tiene muchas ventajas. Es superior a los equipos tradicionales de reducción de tamaño, como los molinos coloidales (por ejemplo, molinos de bolas, molinos de bolas), molinos de discos o molinos de chorro. La ultrasonicación puede procesar lodos de alta concentración y viscosidad, reduciendo así el volumen a procesar. La molienda por ultrasonidos es adecuada para procesar materiales de tamaño micrométrico y nanométrico, como cerámicas, pigmentos, sulfato de bario, carbonato de calcio u óxidos metálicos.
Haga clic aquí para leer más sobre métodos de molienda húmeda y micropulverización por ultrasonidos.

Ruptura celular por ultrasonidos

Extracción de compuestos de plantas mediante ultrasonidos empleando un procesador ultrasónico UP200SEl 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 el almidón o el azúcar, en el líquido. Este efecto puede aprovecharse para la fermentación, la digestión y otros procesos de conversión de la materia orgánica. Después de la molienda y la trituración, la ultrasonicación hace que una mayor parte del material intracelular, por ejemplo, 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 la 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 la biomasa.
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Extracción celular por ultrasonidos

La extracción de enzimas y proteínas almacenadas en células y partículas subcelulares es una aplicación muy utilizada de los ultrasonidos de alta intensidad. La extracción con disolventes de compuestos orgánicos contenidos en plantas o semillas puede mejorarse considerablemente. Los ultrasonidos tienen un beneficio potencial en la extracción y el aislamiento de nuevos componentes potencialmente bioactivos, por ejemplo, a partir de corrientes de subproductos no utilizados que se forman en los procesos actuales. La ultrasonicación es una tecnología muy eficaz para la extracción botánica a escala de laboratorio y de producción.
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Illustrates powerful ultrasonic cavitation  by a sonotrode in water.

Potente cavitación ultrasónica en el líquido

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UIP1000 – Equipo de sonicación

1,000 watts ultrasonication system for process development and optimization before scale-upConjunto de ultrasonidos de 1.000 vatios para el desarrollo y la optimización de procesos

Sonoquímica

Los reactores de ultrasonidos aumentan la producción de biodiésel y la eficiencia del proceso.¡Aprenda más sobre las aplicaciones químicas que ofrecen nuestros aparatos de ultrasonidos!

Aplicaciones sonoquímicas de los ultrasonidos

cavitation_2_p0200La sonoquímica es la aplicación de los ultrasonidos a las reacciones y procesos químicos. El mecanismo que causa 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

Bomba de BiodieselLos ultrasonidos incrementan tanto la velocidad de la reacción como el rendimiento de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales a biodiésel. Esto le permitirá pasar de un modelo de procesamiento por lotes a uno de flujo continuo, reduciendo así la inversión y los costes operacionales. La fabricación de biodiésel a partir de aceites vegetales o grasas animales implica, por lo general, la transesterificación de ácidos grasos con metanol o etanol para producir los correspondientes ésteres metílicos o ésteres etílicos. La ultrasonicación puede conseguir un rendimiento superior al 99 % en la producción de biodiésel. Los ultrasonidos reducen significativamente los tiempos de procesamiento y separación.
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Desgasificación de líquidos por ultrasonidos

Desgasificación de petróleo por ultrasonidos utilizando un procesador de ultrasonidos UP200S (200 W)La desgasificación de líquidos es una interesante aplicación de los aparatos de ultrasonidos. En este caso, las ondas ultrasónicas eliminan las pequeñas burbujas de gas suspendidas en el líquido, reduciendo así la concentración de gas disuelta por debajo del nivel de equilibrio natural.
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Sonicación de botellas y latas para detectar fugas

Comprobación de botellasPuede instalar dispositivos de ultrasonidos en las máquinas de embotellado y llenado para comprobar la existencia de fugas en latas y botellas. La liberación instantánea de dióxido de carbono es el efecto decisivo de las pruebas de fugas por ultrasonidos de los envases llenos de bebidas carbonatadas.
Haga clic aquí para obtener más información sobre métodos de detección de fugas por ultrasonidos.

Desinfección continua de sistemas de agua caliente

El dispositivo GENO-break de Gruenbeck utiliza la tecnología de ultrasonidos de Hielscher junto con radiación UV-C para conseguir una desinfección continuaPara combatir la peligrosa bacteria de la legionela en los sistemas de agua caliente y garantizar un entorno de ducha más seguro, la empresa Gruenbeck ha desarrollado el sistema GENO-break. Este sistema utiliza la tecnología ultrasónica de Hielscher en combinación con la luz UV-C.
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Limpieza por ultrasonidos de alambre, cables y bandas

bobina de cableLa limpieza por ultrasonidos es una alternativa ecológica para la limpieza de materiales continuos, como alambres y cables, cintas o tubos. El efecto de la potente cavitación ultrasónica elimina los residuos de lubricación como el aceite o la grasa, los jabones, los estearatos o el polvo de la superficie del material.
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Información general sobre el procesamiento por ultrasonidos

La ultrasonicación es una tecnología de procesamiento totalmente comercial. Su alta fiabilidad y escalabilidad, así como sus bajos costes de mantenimiento y su alta eficiencia energética, hacen de los dispositivos ultrasónicos una buena alternativa a los equipos tradicionales de procesamiento de líquidos. Los ultrasonidos ofrecen otras interesantes oportunidades: La cavitación -el efecto básico de los ultrasonidos- produce resultados únicos en procesos biológicos, químicos y físicos.

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, como la mezcla, la emulsión, la dispersión y la desagregación, la desintegración celular o la desactivación de enzimas. Al sonicar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras se propagan a través del medio líquido. El resultado es la alternancia de ciclos de alta presión (compresión) y de baja presión (rarefacción), con tasas 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 muy elevadas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm). La implosión de la burbuja de cavitación también da lugar a chorros de líquido con una velocidad de hasta 280 metros por segundo.

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

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

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Alambre & cable limpios

Sistema de limpieza de alambre y cable para eliminar restos de aceite, jabón o polvo.Sistema de limpieza de alambre y cable para eliminar restos de aceite, jabón o polvo.



Referencias

Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, en: Drying Tech. 6, 473 (1988).

Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Tesis de doctorado de la Technische Universität Berlin (2002).

Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, Nueva York (1965).