Procesamiento ultrasónico de líquidos, suspensiones y reacciones químicas
La ultrasonicación es un método de procesamiento mecánico que genera cavitación acústica y fuerzas físicas de gran intensidad. Por ello, los ultrasonidos se utilizan en numerosas aplicaciones, como mezcla, homogeneización, molienda, dispersión, emulsificación, extracción, desgasificación y reacciones sonoquímicas.
Busque su aplicación en la tabla siguiente, haga clic en el enlace y acceda directamente al proceso que le interese. Descubra cómo la sonicación mejora el proceso y su eficiencia.
| Aplicación | Ideal para |
|---|---|
| Homogeneización | Crear suspensiones, emulsiones y mezclas líquidas uniformes |
| Dispersión y desaglomeración | Romper aglomerados de partículas y distribuir los sólidos uniformemente en líquidos |
| Emulsificación | Producir microemulsiones y nanoemulsiones estables con gotas de pequeño tamaño |
| Molienda húmeda | Micronizar y reducir a escala nanométrica las partículas en suspensiones líquidas |
| Desintegración y lisis celular | Romper células de mamíferos, plantas, bacterias, algas y levaduras como etapa de preparación de muestras previa al análisis. |
| Extracción | Recuperar compuestos bioactivos, aceites, proteínas y extractos naturales |
| Sonoquímica | Acelerar las reacciones químicas y mejorar la eficiencia del proceso |
| Producción de biodiésel | Intensificar la transesterificación y reducir los tiempos de reacción |
| Desgasificación y eliminación de espuma | Eliminar los gases disueltos y el aire atrapado en líquidos |
| Limpieza en línea de alambres y perfiles | Limpiar en línea alambres, cables, flejes, tubos y perfiles |
| Cavitación acústica | Comprender el principio físico del procesamiento ultrasónico |
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El UIP1000hdT es un potente equipo de ultrasonicación de 1000 vatios para aplicaciones de homogeneización, molienda y extracción.
Homogeneización ultrasónica
Los homogeneizadores ultrasónicos reducen el tamaño de las partículas pequeñas presentes en un líquido para mejorar la uniformidad y la estabilidad de la dispersión. Las partículas (fase dispersa) pueden ser sólidos o gotas de líquido suspendidos en una fase líquida. La homogeneización ultrasónica es muy eficiente para reducir el tamaño de partículas blandas y duras. Hielscher fabrica equipos de ultrasonicación para homogeneizar cualquier volumen de líquido y para el procesamiento por lotes o en línea. Los equipos ultrasónicos de laboratorio pueden utilizarse con volúmenes desde 1,5 mL hasta aproximadamente 4 L. Los equipos ultrasónicos industriales pueden procesar lotes desde 0,5 hasta aproximadamente 2000 L o trabajar con caudales desde 0,1 L hasta 20 metros cúbicos por hora, tanto en el desarrollo de procesos como en la producción comercial.
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Dispersión y desaglomeración ultrasónicas
La dispersión y la desaglomeración de sólidos en líquidos constituyen una aplicación importante de los equipos de ultrasonicación de sonda. La cavitación ultrasónica / acústica genera elevadas fuerzas de cizallamiento que rompen los aglomerados de partículas y los convierten en partículas individuales dispersas. La mezcla de polvos en líquidos es una etapa 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 del líquido. La ultrasonicación supera estas fuerzas de atracción para desaglomerar y dispersar las partículas en medios líquidos. Para la dispersión y la 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 perlas o los mezcladores de 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, lubricantes y combustibles, se basa 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 dentro de una segunda fase (fase continua). En la zona de dispersión, la implosión de las burbujas de cavitación provoca intensas ondas de choque en el líquido circundante y da lugar a la formación de chorros de líquido de alta velocidad (alto cizallamiento). La ultrasonicación puede ajustarse con precisión al tamaño de gota deseado de la emulsión, lo que permite producir microemulsiones y nanoemulsiones de forma fiable.
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Molienda húmeda y trituración ultrasónicas
La ultrasonicación es un medio eficiente para la molienda húmeda y la microtrituración de partículas. Los ultrasonidos ofrecen numerosas ventajas, especialmente en la producción de suspensiones con partículas de tamaño ultrafino. Son superiores a los equipos tradicionales de reducción de tamaño, como los molinos coloidales (p. ej., molinos de bolas y molinos de perlas), los molinos de discos o los molinos de chorros. La ultrasonicación permite procesar suspensiones de alta concentración y alta viscosidad – por lo que reduce el volumen que debe procesarse. Por supuesto, la molienda ultrasónica es adecuada para procesar materiales de tamaño micrométrico y nanométrico, como cerámicas, pigmentos, sulfato de bario, carbonato de calcio u óxidos metálicos. Especialmente en el caso de los nanomateriales, la ultrasonicación destaca por su rendimiento, ya que sus intensas fuerzas de cizallamiento generan nanopartículas uniformemente pequeñas.
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TiO2 secado por atomización antes y después de la molienda ultrasónica
Desintegración y lisis celular ultrasónicas
El tratamiento ultrasónico puede desintegrar material fibroso y celulósico en partículas finas y romper las paredes de las estructuras celulares. De este modo, se libera al líquido una mayor cantidad de material intracelular, como almidón o azúcar. Este efecto puede utilizarse en la fermentación, la digestión y otros procesos de conversión de materia orgánica. Después de la molienda y la trituración, la ultrasonicación hace que una mayor cantidad de material intracelular, como el almidón, así como los restos de las paredes celulares, quede disponible 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 por levaduras y de otros procesos de conversión, por ejemplo, para incrementar la producción de etanol a partir de biomasa.
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Extracción ultrasónica de compuestos vegetales
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 (p. ej., polifenoles), polisacáridos, proteínas, aceites esenciales y otros principios activos de la matriz celular de plantas y hongos. La sonicación, adecuada para extraer compuestos orgánicos con agua y disolventes, mejora significativamente el rendimiento de extracción de los compuestos vegetales contenidos en plantas o semillas. La extracción ultrasónica se utiliza para producir productos farmacéuticos, nutracéuticos / suplementos nutricionales, fragancias y aditivos biológicos. Los ultrasonidos constituyen una técnica de extracción ecológica que también se emplea para extraer componentes bioactivos en biorrefinerías, por ejemplo, para liberar compuestos valiosos de corrientes de subproductos no aprovechadas que se generan en procesos industriales. La ultrasonicación es una tecnología muy eficaz para la extracción de compuestos vegetales a escala de laboratorio y de producción.
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Reactor ultrasónico de 16.000 vatios para el procesamiento de líquidos intensificado mediante ultrasonidos.
Aplicación sonoquímica de los ultrasonidos
La sonoquímica es la aplicación de ultrasonidos a reacciones y procesos químicos. El mecanismo que produce los efectos sonoquímicos en los líquidos es el fenómeno de la cavitación acústica. Los efectos sonoquímicos sobre las reacciones y los procesos químicos incluyen el aumento de la velocidad de reacción o de la producción, 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 los reactivos o catalizadores.
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Transesterificación ultrasónica de aceite (residual) para producir biodiésel
La ultrasonicación aumenta la velocidad de reacción química y el rendimiento de la transesterificación de aceites vegetales y grasas animales para producir biodiésel. Esto permite pasar de una producción por lotes a un procesamiento en flujo continuo y reduce los costes de inversión y de operación. Una de las principales ventajas de la producción ultrasónica de biodiésel es el uso de aceites residuales, como aceites de cocina usados y otros aceites 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 producción de biodiésel a partir de aceites vegetales o grasas animales implica la transesterificación de ácidos grasos con metanol o etanol, catalizada por una base, para obtener los correspondientes ésteres metílicos o etílicos. La ultrasonicación puede alcanzar un rendimiento de biodiésel superior al 99%. Los ultrasonidos reducen significativamente el tiempo de procesamiento y el tiempo de separación.
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Desgasificación, desaireación y eliminación de espuma de líquidos mediante ultrasonidos
La desgasificación de líquidos es otra aplicación importante de los equipos de ultrasonicación de sonda. Las vibraciones ultrasónicas y la cavitación provocan la coalescencia de los gases disueltos en un líquido. Al unirse las diminutas burbujas de gas, forman burbujas más grandes que ascienden rápidamente hasta la superficie del líquido, desde donde pueden eliminarse. De este modo, la desgasificación y la desaireación ultrasónicas pueden reducir el nivel de gas disuelto por debajo del nivel de equilibrio natural.
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Limpieza ultrasónica de alambres, cables y flejes
La limpieza ultrasónica es una alternativa respetuosa con el medio ambiente para limpiar materiales continuos, como alambres y cables, cintas o tubos. El efecto de la potente cavitación ultrasónica elimina de la superficie del material residuos de lubricación, como aceite o grasa, así como jabones, estearatos o polvo. Hielscher Ultrasonics ofrece diversos sistemas ultrasónicos para la limpieza en línea de perfiles continuos.
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¿Qué hace de la sonicación un método de procesamiento superior?
La sonicación, es decir, el uso de ondas sonoras de alta frecuencia para agitar líquidos, es un método de procesamiento eficiente por diversos motivos. Estas son algunas de las razones por las que la sonicación de alta intensidad y baja frecuencia, de aproximadamente 20 kHz, resulta especialmente eficaz y ventajosa para procesar líquidos y suspensiones:
- Cavitación: Uno de los principales mecanismos de la sonicación es la formación y el colapso de pequeñas burbujas, un fenómeno denominado cavitación. A 20 kHz, las ondas sonoras tienen la frecuencia adecuada para formar y colapsar burbujas de forma eficiente. El colapso de estas burbujas produce ondas de choque de alta energía que pueden fragmentar partículas y romper células en el líquido sometido a sonicación.
- Oscilación y vibración: Además de la cavitación acústica generada, la oscilación de la sonda ultrasónica produce agitación y mezcla adicionales en el líquido, lo que favorece la transferencia de masa y/o la desgasificación.
- 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 se produce en las proximidades de la sonda ultrasónica. A medida que aumenta la distancia a la sonda, disminuye la intensidad de la cavitación. Sin embargo, la sonicación a 20 kHz puede tratar de forma eficiente volúmenes de líquido mayores que la sonicación a frecuencias más altas, cuyas longitudes de onda son más cortas y cuya profundidad de penetración puede ser más limitada.
- Bajo consumo energético: La sonicación puede realizarse con un consumo energético relativamente bajo en comparación con otros métodos de procesamiento, como la homogeneización a alta presión o la agitación mecánica. Esto la convierte en un método más eficiente desde el punto de vista energético y más rentable para procesar líquidos.
- Escalabilidad lineal: Los procesos ultrasónicos pueden escalarse de forma totalmente lineal a volúmenes mayores o menores. Esto permite adaptar los procesos de producción de forma fiable, ya que la calidad del producto puede mantenerse estable de manera continua.
- Procesamiento por lotes y en flujo en línea: La ultrasonicación puede realizarse por lotes o mediante procesos continuos en línea. Para la sonicación por lotes, la sonda ultrasónica se introduce en el recipiente abierto o en el reactor cerrado por lotes. Para la sonicación de una corriente de flujo continuo, se instala una celda de flujo ultrasónica. El medio líquido pasa junto al sonotrodo (una varilla que vibra ultrasónicamente), en una sola pasada o mediante recirculación, y se expone a las ondas ultrasónicas de forma muy uniforme y eficiente.
En conjunto, las intensas fuerzas de cavitación, el bajo consumo energético y la escalabilidad del proceso hacen de la sonicación de baja frecuencia y alta potencia un método eficiente para procesar líquidos.
Principio de funcionamiento y uso del procesamiento ultrasónico
La ultrasonicación es una tecnología de procesamiento comercial que numerosas industrias han adoptado para la producción a gran escala. Su alta fiabilidad y escalabilidad, así como sus bajos costes de mantenimiento y su elevada eficiencia energética, hacen de los procesadores ultrasónicos una buena alternativa a los equipos tradicionales de procesamiento de líquidos. Los ultrasonidos ofrecen además interesantes posibilidades: la cavitación – el efecto ultrasónico fundamental – produce resultados únicos en procesos biológicos, químicos y físicos. Por ejemplo, la dispersión y la emulsificación ultrasónicas permiten obtener fácilmente formulaciones estables de tamaño nanométrico. También en la extracción de compuestos vegetales, los ultrasonidos son una técnica no térmica para aislar compuestos bioactivos.
La mezcla ultrasónica se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento hidrodinámico.
Mientras que los ultrasonidos de baja intensidad o alta frecuencia se utilizan principalmente para análisis, ensayos no destructivos y obtención de imágenes, los ultrasonidos de alta intensidad se emplean para procesar líquidos y pastas. En este ámbito, las intensas ondas ultrasónicas se utilizan para mezclar, emulsionar, dispersar y desaglomerar, desintegrar células o desactivar enzimas. Al sonicar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras se propagan por el medio líquido. Esto genera ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), cuya tasa de repetición depende de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o cavidades en el líquido. Cuando las burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas muy elevadas (aproximadamente 5.000K) y presiones muy altas (aproximadamente 2.000atm). La implosión de la burbuja de cavitación también genera chorros de líquido con velocidades de hasta 280 metros por segundo.
La cavitación ultrasónica en líquidos puede causar una desgasificación rápida y completa; iniciar diversas reacciones químicas mediante la generación de iones químicos libres (radicales); acelerar las reacciones químicas al facilitar la mezcla de los reactivos; intensificar las reacciones de polimerización y despolimerización mediante la dispersión de agregados o la ruptura permanente de enlaces químicos en las cadenas poliméricas; aumentar la velocidad de emulsificación; mejorar la velocidad de difusión; producir emulsiones muy concentradas o dispersiones uniformes de materiales de tamaño micrométrico o nanométrico; facilitar la extracción de sustancias, como enzimas, de células animales, vegetales, de levaduras o bacterianas; eliminar virus de tejidos infectados; y, por último, erosionar y fragmentar partículas susceptibles, incluidos los 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 causar 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 la mezcla convencional no es posible. (cf. Nyborg, 1965)
Potente cavitación ultrasónica en el Hielscher Cascatrode
Preguntas frecuentes sobre sonicadores de laboratorio, de sobremesa e industriales
¿Están diseñados los procesadores ultrasónicos Hielscher para aplicaciones industriales de trabajo intensivo?
Sí. Los equipos ultrasónicos industriales Hielscher están diseñados expresamente para funcionar de forma continua con cargas elevadas en entornos industriales de trabajo intensivo. Con potencias de salida que van de 500 vatios a 16 kilovatios por unidad, están fabricados para responder a las rigurosas exigencias de los procesos de producción a gran escala que los equipos de laboratorio no pueden atender.
¿Qué durabilidad ofrecen los sonicadores Hielscher en condiciones adversas?
Los sonicadores Hielscher están fabricados para ofrecer una durabilidad excepcional. Cada componente de la serie UIP se diseña y se prueba meticulosamente para garantizar un rendimiento a largo plazo. En instalaciones reales de todo el mundo, estos sistemas soportan habitualmente la instalación al aire libre, la exposición a aire con polvo, las salpicaduras de líquidos y la manipulación brusca sin comprometer su funcionamiento.
¿Son fiables los equipos Hielscher para un funcionamiento continuo, 24/7?
Por supuesto. La fiabilidad es un pilar fundamental del diseño industrial de Hielscher. Sus procesadores ultrasónicos están fabricados específicamente para funcionar de forma continua en entornos exigentes, garantizando una calidad de procesamiento constante y un tiempo de inactividad mínimo en su línea de fabricación. Esta fiabilidad es esencial cuando aumentan los volúmenes de procesamiento y los costes operativos son determinantes.
¿Qué hace que los equipos ultrasónicos Hielscher sean adecuados para entornos industriales exigentes?
Los equipos Hielscher destacan en entornos exigentes porque combinan alta potencia, una construcción robusta y una eficiencia energética excepcional. Sus procesadores industriales mantienen una eficiencia superior al 85%, lo que no solo reduce los costes de electricidad, sino que también garantiza una potencia mecánica de salida estable bajo cargas elevadas. Esto los hace ideales para aplicaciones exigentes de procesamiento de líquidos, como la producción de biodiésel, la molienda de pigmentos y la formulación de nanomateriales.
¿Ofrecen los sonicadores industriales Hielscher una larga vida útil?
Sí, la larga vida útil es un principio fundamental del diseño de Hielscher. Dado que cada componente se somete a pruebas rigurosas para garantizar un rendimiento sostenido, estos sistemas están fabricados para durar años de uso continuo. Gracias a su alta eficiencia de conversión energética y a su construcción robusta, los procesadores Hielscher ofrecen un rendimiento fiable y duradero incluso en los entornos industriales de trabajo más intensivo.
¿Cómo garantiza Hielscher la fiabilidad de los equipos al escalar del laboratorio a la producción?
Hielscher aborda la escalabilidad ofreciendo conjuntos de unidades industriales que proporcionan mayor redundancia y permiten adaptar la capacidad. Mediante la instalación de varios procesadores de alta potencia (p. ej., conjuntos de 6xUIP10000), las instalaciones pueden mantener un funcionamiento fiable y continuo mientras procesan volúmenes enormes (hasta 50 metros cúbicos por hora), sin sobrecargar los componentes individuales. Este enfoque modular para trabajo intensivo garantiza tanto la fiabilidad como la uniformidad del proceso a gran escala.
Bibliografía
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: 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; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).
Reactor ultrasónico con 4x sondas de 2000 vatios (8 kW) para procesos sonoquímicos.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.