Hielscher – Tecnología de Ultrasonidos

Ultrasonidos: Aplicaciones y Procesos


Los ultrasonidos poseen numerosas aplicaciones, como homogeneizar, desintegrar, desgasificar, limpiar o uso en sonoquímica. A continuación, encontrará una descripción sistemática sobre los diversos procesos y aplicaciones ultrasónicos.

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Homogeneización por ultrasonidos

Homogeneizador ultrasónicoLos procesadores de ultrasonidos se utilizan como homogeneizadores con el objetivo de reducir el tamaño de las partículas dentro de un líquido, mejorando su homogeneidad y estabilidad. Estas partículas (fase dispersa) pueden encontrarse en estado sólido o líquido. La homogeneización mediante ultrasonidos resulta muy eficaz para reducir tanto partículas blandas como duras. Hielscher fabrica aparatos de ultrasonidos para homogeneizar cualquier volumen de líquido en instalaciones de procesamiento por lotes o en línea. Los aparatos de ultrasonidos para laboratorio se pueden utilizar para volúmenes de 1,5 mL hasta aproximadamente 2 L. Los ultrasonicadores industriales se utilizan para desarrollar nuevos procesos y trabajar con volúmenes de 0,5 hasta 2000 L en el procesamiento por lotes o tasas de flujo de 0,1 L a 20 m³ por hora en la modalidad de fabricación continua.

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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 desaglomeración de sólidos en líquidos es una importante aplicación de los dispositivos de ultrasonidos. La cavitación ultrasónica genera elevadas fuerzas de cizallamiento o esfuerzo cortante que rompen los aglomerados de partículas dispersándolos en partículas individuales. La mezcla de polvos en líquidos es un paso frecuente en la fabricación de muy diferentes productos, como pintura, tinta, champú, bebidas o pastas de pulido. Las partículas individuales se mantienen unidas por fuerzas de atracción físicas y químicas de diferente naturaleza, que incluyen fuerzas de van der Waals y fuerzas de tensión superficial, que deben ser superadas para desaglomerar y dispersar las partículas en el medio líquido. Para llevar a cabo procesos de dispersión y desaglomeración de sólidos en líquidos, la ultrasonicación de alta intensidad resulta una interesante alternativa frente a los homogeneizadores de alta presión y a los agitadores de 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, ya sean semielaborados o para el consumo final, se basan parcial o totalmente en una emulsión para ser elaborados, como, por ejemplo, cosméticos y lociones para la piel, pomadas farmacéuticas, barnices, pinturas, lubricantes y combustibles. Una emulsión es una dispersión de dos o más líquidos inmiscibles. Los ultrasonidos de alta intensidad suministran la energía necesaria para dispersar una fase líquida (fase dispersa), en forma de pequeñas gotitas, en una segunda fase (fase continua). En la zona de dispersión, las burbujas de cavitación implosionan, provocando intensas ondas de choque que se transmiten en el líquido circundante como chorros de alta velocidad. Con los niveles adecuados de densidad energética, los ultrasonidos pueden producir microgotas con un tamaño medio inferior a 1 micra (microemulsión).

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Molienda en húmedo y pulverización por ultrasonidos

Molienda de materiales sólidos por ultrasonidos La ultrasonicación constituye un medio eficaz para llevar a cabo procesos de molienda en húmedo y micropulverización de partículas. En concreto, los ultrasonidos presentan muchas ventajas en la fabricación de lodos de tamaño superfino en comparación con otros equipos convencionales de reducción de partículas, como, por ejemplo, molinos coloidales (molinos de bolas o de perlas), de disco o de chorro. Los ultrasonidos permiten procesar lodos de elevada concentración y viscosidad, reduciendo, por tanto, el volumen a procesar. La molienda ultrasónica es apropiada para procesar materiales de tamaño micro y nanométrico , tales como cerámica, hidróxido de aluminio, sulfato de bario, carbonato de calcio y los óxidos metálicos.

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Ruptura celular por ultrasonidos

Extracción de compuestos de plantas mediante ultrasonidos empleando un procesador ultrasónico UP200SLos ultrasonidos pueden fraccionar tejidos de celulosa y romper las paredes de la estructura celular, liberando así mayor cantidad de sustancias intracelulares, como almidón o azúcares. Además, las paredes celulares se fragmentan en pequeñas partículas fáciles de separar por sedimentación.

Estos efectos pueden utilizarse en procesos de fermentación, digestión y otros procesos de conversión de materia orgánica. Después de romper las estructuras celulares, los ultrasonidos permiten aprovechar más eficientemente el material intracelular, puesto que, por ejemplo, el almidón y los restos de la pared celular están más disponibles para la acción de las enzimas que hidrolizan el almidón. Los ultrasonidos también aumentan la superficie de interacción para las enzimas durante los procesos de licuefacción o sacarificación, lo que, a su vez, incrementa la velocidad y el rendimiento de la fermentación por levaduras y otros procesos de conversión, la producción de etanol a partir de biomasa.

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Extracción celular por ultrasonidos

La extracción de enzimas y proteínas de los orgánulos y el citosol celulares se puede llevar a cabo eficientemente mediante el uso de ultrasonidos de alta intensidad, ya que la extracción de biomoléculas de plantas y semillas mediante disolventes se puede optimizar significativamente con esta técnica. Los ultrasonidos poseen el potencial beneficio de extraer y aislar nuevos compuestos bioactivos, p. ej., de subproductos no valorizados en sus procesos actuales.

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Aplicaciones sonoquímicas de los ultrasonidos

cavitation_2_p0200La sonoquímica consiste en el uso de ultrasonidos en las reacciones y procesos químicos. El mecanismo que causa los efectos sonoquímicos en los líquidos es el fenómeno de cavitación acústica. Estos efectos sonoquímicos sobre las reacciones y procesos químicos incluyen el incremento de la velocidad de reacción y/o su rendimiento, un uso más eficiente de la energía, la mejora de rendimiento de los catalizadores de transferencia de fase, la activación de metales y sólidos o el aumento de la reactividad de los reactivos y catalizadores.

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Transesterificación de aceites a biodiésel por ultrasonidos

Los 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 botellasLos ultrasonidos se emplean en máquinas de embotellado y llenado para detectar posibles fugas en latas y botellas. La liberación instantánea de dióxido de carbono por el uso de ultrasonidos es la respuesta decisiva en las pruebas de detección de fugas en recipientes que contienen bebidas carbonatadas.

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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 continua" name="gruenbeck_genobreakPara combatir la peligrosa bacteria de la Legionella en sistemas de agua caliente y garantizar un ambiente más seguro en las duchas de instalaciones públicas, la empresa Gruenbeck ha desarrollado el sistema GENO-break®, que utiliza la tecnología ultrasónica de Hielscher junto con radiación 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 limpiar materiales continuos, como alambre, cables, cintas o tubos. El efecto de la cavitación generada por la energía ultrasónica elimina los residuos de lubricantes, como aceites, grasas, jabones, estearatos o polvo.

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Información general sobre el procesamiento por ultrasonidos

Los ultrasonidos han pasado de ser una tecnología emergente hace diez años a convertirse en una tecnología de procesamiento completamente a la vanguardia. Su alta fiabilidad y escalabilidad, así como sus reducidos costes de mantenimiento y su elevada eficiencia energética hacen de los ultrasonidos un prometedor rival frente a los equipos convencionales de procesamiento de líquidos. Los ultrasonidos ofrecen, además, otras emocionantes oportunidades: la cavitación –el efecto principal de los ultrasonidos– permite alcanzar nuevos resultados en procesos físicos, químicos y biológicos.

Mientras que los ultrasonidos de baja intensidad o alta frecuencia se utilizan, principalmente, para llevar a cabo análisis y ensayos no destructivos y diagnósticos por imágenes, los ultrasonidos de alta intensidad se utilizan en procesos de tratamiento de líquidos, como mezcla, emulsión, dispersión y desaglomeración, ruptura celular de desactivación enzimática. Cuando se sonican líquidos a altas intensidades, las ondas acústicas que se propagan en un medio líquido generan ciclos alternantes de alta presión (compresión) y de baja presión (rarefacción), con oscilaciones que dependen de la frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío dentro del líquido. Cuando estas burbujas alcanzan un volumen en el que ya no pueden absorber más energía, colapsan violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión, se alcanzan muy elevadas temperaturas (aprox. 5000 K) y presiones (aprox. 2000 atm) localmente. La implosión de las burbujas de cavitación también genera corrientes de líquido a una velocidad de hasta 280 m/s.

En general, la cavitación acústica en líquidos puede provocar una rápida y completa desgasificación: iniciar diferentes reacciones químicas mediante la generación de especies químicas activas (radicales); acelerar las reacciones químicas tras facilitar la mezcla de los reactivos; mejorar las reacciones de polimerización y despolimerización dispersando los agregados temporalmente o rompiendo los enlaces químicos de las cadenas de polímeros de forma permanente; aumentar las tasas de emulsificación ; mejorar la velocidad de difusión; producir emulsiones de alta concentración o dispersiones uniformes de materiales de tamaño micro o nanométrico; reforzar la extracción de sustancias, como enzimas animales, vegetales, de levaduras o bacterias; eliminar virus de tejidos infectados; y finalmente, fraccionar y romper partículas frágiles, incluyendo microorganismos. (Kuldiloke 2002)

Los ultrasonidos de alta intensidad producen una violenta agitación en líquidos de baja viscosidad, que se puede aprovechar para llevar a cabos procesos de dispersión. (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)

Referencias

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; Tesis de doctorado de la Technische Universität Berlin (2002).

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