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Fundamentos de la homogeneización por ultrasonidos

Los homogeneizadores ultrasónicos se utilizan para la dispersión, la emulsificación, la molienda en húmedo, la nanotecnología y la biotecnología. & micronización, extracción (de plantas y tejidos celulares), síntesis y catálisis de sustancias químicas (la llamada sonoquímica), así como desgasificación. La homogeneización ultrasónica suele utilizarse como término general que engloba todas estas aplicaciones. La homogeneización asistida por ultrasonidos se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica, que se produce cuando se introducen ondas ultrasónicas intensas en un medio líquido. Bajo las intensas ondas ultrasónicas, se generan diminutas burbujas de vacío en el medio, que crecen a lo largo de los ciclos de alta presión / baja presión de las ondas ultrasónicas. En un momento determinado, cuando las microburbujas han alcanzado un estado energético en el que ya no pueden absorber más energía, se colapsan violentamente. Este fenómeno de implosión de las burbujas de vacío se denomina cavitación. La implosión de las burbujas de vacío genera ondas de choque, chorros de flujo/líquido, alto cizallamiento, alta temperatura y diferenciales de presión con energía suficiente para romper enlaces covalentes, flexionar moléculas e inducir reacciones químicas.

Para obtener los mejores resultados en el proceso de homogeneización, el procesador ultrasónico y su configuración pueden optimizarse modificando las siguientes variables:

• Amplitud (desplazamiento del sonotrodo) e intensidad
• presión
• temperatura
• Recipiente de sonicación (discontinuo o celda de flujo: tamaño, geometría, caudal)

Los procesadores ultrasónicos de alto rendimiento de Hielscher utilizan generadores piezoeléctricos fabricados con cristales de titanato de circonato de plomo. Las vibraciones se transmiten por una bocina de titanio sintonizada que resuena a 19-26 kHz. Desde la bocina, la vibración ultrasónica se acopla mediante un sonotrodo ultrasónico (punta, sonda) al medio fluido. Hielscher ofrece procesadores de ultrasonidos con potencias de 50 a 16.000 vatios por unidad de ultrasonidos y cubre así los requisitos desde pequeños ultrasonidos de laboratorio y dispositivos de sobremesa hasta unidades de ultrasonidos para plantas piloto y totalmente comerciales para grandes volúmenes de producción.

Control sofisticado del proceso para obtener resultados óptimos de sonicación

Las condiciones de sonicación son cruciales para el rendimiento, los resultados del proceso y la reproducibilidad de los procesos ultrasónicos. Además del control preciso de la potencia ultrasónica de salida, ajustada por amplitud e intensidad, la temperatura, la presión y el tiempo de sonicación son factores importantes. Los procesadores ultrasónicos digitales de Hielscher vienen con un termoacoplador enchufable. Opcionalmente, se puede adquirir un sensor de presión enchufable. Ambos sensores se conectan con el generador de ultrasonidos, que está equipado con una tarjeta SD interna. El software del dispositivo ultrasónico escribe todos los datos del proceso (fecha, hora, amplitud, energía ultrasónica, energía neta, temperatura, presión) en un archivo CSV en la tarjeta SD. De este modo, los procesos de sonicación son comparables y reproducibles.

Para amplitudes elevadas, se requiere una mayor potencia de salida. Con una carga elevada, como una alta viscosidad del medio o una presión elevada, se necesita una mayor potencia de ultrasonidos para accionar el sonotrodo a una amplitud deseada. Cuanto mayor sea la superficie frontal del sonotrodo (punta), mayor será la potencia necesaria para hacerlo resonar. Con un sonotrodo más grande se pueden procesar mayores volúmenes. Sonotrodos industriales de Hielscher y cascatrodes puede proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los ultrasonicadores de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido con cargas pesadas y en condiciones exigentes.

Para la mayoría de los procesos ultrasónicos, la temperatura del medio sonicado debe ser lo más baja posible, ya que una temperatura baja favorece la generación de una cavitación intensa. Hielscher ofrece celdas de flujo y reactores ultrasónicos con camisas de refrigeración, que contribuyen al mantenimiento de temperaturas de proceso óptimas. Las celdas de flujo y los reactores también son presurizables. Bajo presiones elevadas se produce una cavitación más intensa. Por ello, Hielscher ofrece reactores que pueden presurizarse fácilmente hasta 300atm.

Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrasónicas de diferentes tamaños y formas (p. ej. cascatrodes), que permite escalar todos los resultados del proceso ultrasónico de forma completamente lineal. Con homogeneizadores ultrasónicos de 16 kW y múltiples tipos de sonotrodos y reactores de celda de flujo, Hielscher es su socio experimentado a largo plazo para procesos ultrasónicos a escala industrial. Además de la variedad de ultrasonicadores estándar, Hielscher también diseña y fabrica sistemas personalizados.