Cavitación ultrasónica en líquidos
La cavitación ultrasónica es la fuerza impulsora del procesamiento de líquidos mediante ultrasonidos de alta intensidad. Cuando se acoplan ultrasonidos potentes a un líquido, se forman burbujas microscópicas de vapor que crecen y colapsan violentamente. Esta cavitación acústica genera intensas fuerzas locales de cizallamiento, microchorros, ondas de choque, cambios de presión y efectos de micromezcla que pueden acelerar la homogeneización, la dispersión, la emulsificación, la extracción, la desgasificación, la ruptura celular y las reacciones sonoquímicas.
Los sonicadores de sonda de Hielscher utilizan cavitación acústica controlada para transferir energía ultrasónica directamente a líquidos, suspensiones y suspensiones de sólidos en líquido. Desde pequeñas muestras de laboratorio hasta la producción industrial continua con flujo pasante, los sistemas Hielscher permiten ajustar la amplitud, la geometría del sonotrodo, la presión, la temperatura, el caudal y el tiempo de residencia para obtener resultados de cavitación reproducibles.
- Para laboratorios: desarrollar y optimizar los parámetros de sonicación en pequeños volúmenes.
- Para plantas piloto: validar procesos impulsados por cavitación en condiciones de procesamiento realistas.
- Para producción: escalar la cavitación ultrasónica a procesos por lotes, de recirculación o continuos en línea.
Indíquenos el líquido, el volumen del lote o el caudal, la viscosidad, el contenido de sólidos, los límites de temperatura y el resultado que desea obtener del proceso. Le recomendaremos la configuración óptima de sonicador, sonotrodo y celda de flujo para su aplicación de cavitación.
Los sonicadores de sonda, como el UP400St , utilizan el principio de funcionamiento de la cavitación acústica.
El principio de funcionamiento de la cavitación ultrasónica
Al sonicar líquidos a altas intensidades, las ondas sonoras que se propagan en el medio líquido producen ciclos alternos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción), cuya cadencia 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 (aprox. 5.000K) y presiones muy altas (aprox. 2.000atm). La implosión de la burbuja de cavitación también produce chorros de líquido con velocidades de hasta 280 m/s.
La cavitación acústica (generada por ultrasonidos de potencia) crea condiciones localmente extremas, los denominados efectos sonomecánicos y sonoquímicos. Gracias a estos efectos, la sonicación favorece reacciones químicas que permiten obtener mayores rendimientos, una mayor velocidad de reacción, nuevas vías de reacción y una mayor eficiencia global.
Sonicador de sonda o baño ultrasónico: ¿qué método de cavitación es el adecuado?
Tanto los sonicadores de sonda como los baños ultrasónicos generan cavitación acústica, pero difieren significativamente en intensidad, control y fiabilidad del proceso. Mientras que los baños ultrasónicos son útiles para la limpieza, los sonicadores de sonda acoplan la energía ultrasónica directamente al líquido y crean una zona de cavitación mucho más intensa y focalizada. Esto convierte a los sonicadores de sonda en la opción preferida para aplicaciones reproducibles de procesamiento de líquidos, como la homogeneización, la emulsificación, la extracción, la ruptura celular, la dispersión de nanopartículas y las reacciones sonoquímicas.
| Criterios de comparación | Sonicador de sonda | Baño ultrasónico |
|---|---|---|
| Intensidad de cavitación | Produce cavitación acústica de alta intensidad directamente en la punta del sonotrodo. | Produce una cavitación más débil distribuida por todo el volumen del baño. |
| Transferencia de energía | Transfiere energía ultrasónica directamente al líquido, a la suspensión o a la suspensión de sólidos en líquido. | Transfiere energía indirectamente a través del líquido del baño y de la pared del recipiente. |
| Control del proceso | Permite ajustar con precisión la amplitud, la potencia aportada, el modo de pulsos, la temperatura y el tiempo de procesamiento. | Ofrece un control limitado de la energía ultrasónica que realmente llega a la muestra. |
| Reproducibilidad | Proporciona resultados de sonicación reproducibles cuando se definen y supervisan los parámetros del proceso. | Los resultados pueden variar debido a la distribución desigual de la cavitación, la posición y el material del recipiente, el nivel de llenado y la carga del baño. |
| Eficiencia de procesamiento | Muy eficiente para la homogeneización, la dispersión, la emulsificación, la extracción, la ruptura celular y la sonoquímica. | Adecuado principalmente para la limpieza. |
| Volumen de muestra | Disponible tanto para pequeñas muestras de laboratorio como para volúmenes de escala piloto e industrial. | Se utiliza normalmente para pequeños recipientes o múltiples recipientes colocados dentro del baño. |
| Escalado | Puede escalarse desde pruebas de laboratorio hasta ensayos piloto y procesamiento industrial continuo en línea. | Es difícil de escalar de forma fiable porque la distribución de energía y la intensidad de cavitación no se pueden transferir fácilmente. |
| Medios adecuados | Eficaz para líquidos, emulsiones, suspensiones, suspensiones de sólidos en líquido y formulaciones con alto contenido de sólidos. | Más adecuado para líquidos de baja viscosidad y tareas sencillas de limpieza o desgasificación. |
| Aplicaciones habituales | Dispersión de nanopartículas, nanoemulsiones, extracción, lisis celular, homogeneización, desaglomeración, molienda húmeda y reacciones sonoquímicas. | Limpieza de material de vidrio, desgasificación de líquidos, disolución de polvos y agitación suave de muestras. |
| La mejor opción para | El procesamiento ultrasónico de líquidos controlado, potente y reproducible. | La limpieza sencilla o el tratamiento ultrasónico de baja intensidad. |
Principales aplicaciones de los sonicadores y la cavitación acústica
Los ultrasonicadores de sonda, también conocidos como sondas ultrasónicas, generan de forma eficiente una intensa cavitación acústica en líquidos. Por ello, se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones de distintos sectores. Algunas de las aplicaciones más importantes de la cavitación acústica generada por ultrasonicadores de sonda son:
- Homogeneización: Las sondas ultrasónicas pueden generar una cavitación intensa, caracterizada por un campo de vibraciones y fuerzas de cizallamiento con alta densidad energética. Estas fuerzas proporcionan una excelente mezcla, combinación y reducción del tamaño de partícula. La homogeneización ultrasónica produce suspensiones mezcladas uniformemente. Por ello, la sonicación se utiliza para producir suspensiones coloidales homogéneas con curvas de distribución estrechas.
- Dispersión de nanopartículas: Los ultrasonicadores se utilizan para la dispersión, la desaglomeración y la molienda húmeda de nanopartículas. Las ondas ultrasónicas de baja frecuencia pueden generar una cavitación intensa que descompone los aglomerados y reduce el tamaño de partícula. En particular, el intenso cizallamiento de los chorros de líquido acelera las partículas presentes en el líquido, que chocan entre sí (colisión interparticular), de modo que las partículas se fracturan y erosionan. Esto da lugar a una distribución uniforme y estable de las partículas que evita la sedimentación. Este aspecto es crucial en diversos campos, como la nanotecnología, la ciencia de materiales y el sector farmacéutico.
- Emulsificación y mezcla: Los ultrasonicadores de sonda se utilizan para crear emulsiones y mezclar líquidos. La energía ultrasónica provoca cavitación, es decir, la formación y el colapso de burbujas microscópicas, que genera intensas fuerzas locales de cizallamiento. Este proceso facilita la emulsificación de líquidos inmiscibles y produce emulsiones estables y finamente dispersas.
- Extracción: Debido a las fuerzas de cizallamiento generadas por la cavitación, los ultrasonicadores son muy eficientes para romper estructuras celulares y mejorar la transferencia de masa entre el sólido y el líquido. Por ello, la extracción ultrasónica se utiliza ampliamente para liberar material intracelular, como compuestos bioactivos, para la producción de extractos botánicos de alta calidad.
- Desgasificación y desaireación: Los ultrasonicadores de sonda se utilizan para eliminar burbujas de gas o gases disueltos de los líquidos. La aplicación de cavitación ultrasónica favorece la coalescencia de las burbujas de gas, de modo que crecen y ascienden hasta la superficie del líquido. La cavitación ultrasónica convierte la desgasificación en un procedimiento rápido y eficiente. Esto resulta valioso en diversos sectores, como el de las pinturas, los fluidos hidráulicos o el procesamiento de alimentos y bebidas, donde la presencia de gases puede afectar negativamente a la calidad y la estabilidad del producto.
- Sonocatálisis: Las sondas ultrasónicas pueden utilizarse para la sonocatálisis, un proceso que combina la cavitación acústica con catalizadores para potenciar las reacciones químicas. La cavitación generada por las ondas ultrasónicas mejora la transferencia de masa, aumenta las velocidades de reacción y favorece la producción de radicales libres, lo que da lugar a transformaciones químicas más eficientes y selectivas.
- Preparación de muestras: Los ultrasonicadores de sonda se utilizan habitualmente en los laboratorios para la preparación de muestras. Se emplean para homogeneizar, disgregar y extraer muestras biológicas, como células, tejidos y virus. La energía ultrasónica generada por la sonda rompe las membranas celulares, libera el contenido celular y facilita los análisis posteriores.
- Desintegración y ruptura celular: Los ultrasonicadores de sonda se utilizan para desintegrar y romper células y tejidos con diversos fines, como la extracción de componentes intracelulares, la inactivación microbiana o la preparación de muestras para análisis. Las ondas ultrasónicas de alta intensidad y la cavitación que generan provocan tensiones mecánicas y fuerzas de cizallamiento que producen la desintegración de las estructuras celulares. En la investigación biológica y el diagnóstico médico, los ultrasonicadores de sonda se utilizan para la lisis celular, el proceso de romper las células para liberar sus componentes intracelulares. La energía ultrasónica rompe las paredes celulares, las membranas y los orgánulos, lo que permite extraer proteínas, DNA, RNA y otros constituyentes celulares.
Estas son algunas de las principales aplicaciones de los ultrasonicadores de sonda, pero la tecnología tiene una gama aún más amplia de usos, como la sonoquímica, la reducción del tamaño de partícula (molienda húmeda), la síntesis de partículas por métodos ascendentes y la sonosíntesis de sustancias químicas y materiales en diversos sectores, como el farmacéutico, el procesamiento de alimentos, la biotecnología y las ciencias ambientales.
Una secuencia de fotogramas de alta velocidad (de a a f) que ilustra la exfoliación sonomecánica de una lámina de grafito en agua utilizando el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con un sonotrodo de 3-mm. Las flechas muestran los puntos donde se separan las partículas, con burbujas de cavitación que penetran en la abertura.
© Tyurnina et al. 2020
¡Aproveche la cavitación ultrasónica!
La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:
| Volumen del lote | Caudal | Equipos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500 mL | 10 a 200 mL/min | UP100H |
| 10 a 2000 mL | 20 a 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20 L | 0,2 a 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100 L | 2 a 10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | conjunto de UIP16000 |
Vídeo de cavitación acústica en un líquido
El siguiente vídeo muestra la cavitación acústica en la cascatrode del ultrasonicador UIP1000hdT en una columna de vidrio llena de agua. La columna de vidrio se ilumina desde abajo con luz roja para mejorar la visualización de las burbujas de cavitación.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.
Preguntas frecuentes
¿Qué es la cavitación ultrasónica?
La cavitación ultrasónica es la formación, el crecimiento y el colapso violento de burbujas microscópicas en un líquido expuesto a ultrasonidos de alta intensidad. El colapso de estas burbujas genera un intenso cizallamiento local, microchorros de líquido, ondas de choque, elevados gradientes de presión y fuertes efectos de micromezcla.
¿Cuál es la diferencia entre la cavitación ultrasónica y la cavitación acústica?
Cavitación acústica es el término general para la cavitación causada por ondas sonoras. La cavitación ultrasónica es la cavitación acústica generada por frecuencias ultrasónicas, normalmente por encima del rango audible. En el procesamiento industrial de líquidos, ambos términos se utilizan a menudo para referirse a la cavitación producida por ultrasonicadores de alta potencia.
¿Cómo mejora la cavitación ultrasónica el procesamiento de líquidos?
La cavitación ultrasónica mejora el procesamiento de líquidos al generar intensos efectos mecánicos y químicos en el interior del líquido. Los efectos mecánicos favorecen la mezcla, la homogeneización, la emulsificación, la desaglomeración de partículas, la molienda húmeda, la extracción y la ruptura celular. En sistemas reactivos, la cavitación también puede favorecer los efectos sonoquímicos y mejorar la transferencia de masa.
¿Qué aplicaciones utilizan la cavitación ultrasónica?
La cavitación ultrasónica se utiliza para la homogeneización, la dispersión, la emulsificación, la nanoemulsificación, la extracción, la desgasificación, la desaglomeración, la reducción del tamaño de partícula, la lisis celular, la ruptura microbiana, la sonoquímica, la sonocatálisis y las reacciones avanzadas en fase líquida.
¿Por qué son eficaces los ultrasonicadores de sonda para generar cavitación?
Los ultrasonicadores de sonda transmiten energía ultrasónica directamente al líquido a través de un sonotrodo. Este acoplamiento directo de energía crea una zona de cavitación intensa cerca de la superficie de la sonda y permite ajustar con precisión parámetros importantes del proceso, como la amplitud, la potencia aportada, la temperatura, la presión y el tiempo de procesamiento.
¿Es adecuado un baño ultrasónico para generar cavitación intensa?
Los baños ultrasónicos producen cavitación, pero la densidad energética suele ser mucho menor y menos focalizada que con un sonicador de sonda. Los baños son útiles para la limpieza y los tratamientos suaves, mientras que los ultrasonicadores de sonda son la opción preferida para la homogeneización, la extracción, la emulsificación, la dispersión y la ruptura celular reproducibles, así como para el procesamiento industrial de líquidos.
¡Lea y vea en qué se diferencian los sonicadores de sonda y los baños ultrasónicos!
¿Qué parámetros influyen en la intensidad de la cavitación ultrasónica?
Entre los parámetros importantes se incluyen la amplitud, la potencia ultrasónica, el área superficial del sonotrodo, el volumen de líquido, la viscosidad, el contenido de sólidos, la presión, la temperatura, la geometría del recipiente, la geometría de la celda de flujo, el caudal y el tiempo de residencia. El ajuste de estos parámetros permite adaptar la intensidad de cavitación al objetivo del proceso.
¿Puede escalarse la cavitación ultrasónica del laboratorio a la producción?
Sí. Los procesos de cavitación ultrasónica pueden desarrollarse en volúmenes de laboratorio y transferirse a escala piloto o industrial mediante el control de la amplitud, la energía aportada, la geometría del sonotrodo, el caudal y el tiempo de residencia. Hielscher ofrece ultrasonicadores y reactores para pruebas de laboratorio, ensayos piloto y producción industrial continua.
Bibliografía / Referencias
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.