Cavitación ultrasónica en líquidos

Las ondas ultrasónicas de alta intensidad generan cavitación acústica en los líquidos. La cavitación provoca localmente efectos extremos, como chorros de líquido de hasta 1000 km/h, presiones de hasta 2000 atm y temperaturas de hasta 5000 Kelvin. Estas fuerzas generadas por ultrasonidos se utilizan para numerosas aplicaciones de procesamiento de líquidos, como la homogeneización, la dispersión, la emulsificación, la extracción, la disrupción celular, así como la intensificación de reacciones químicas.

Principio de funcionamiento de la cavitación ultrasónica

Cuando se sonican líquidos a alta intensidad, las ondas sonoras propagadas en el medio generan ciclos fluctuantes de alta presión (compresión) y de baja presión (rarefacción), cuyo ritmo depende de su frecuencia. Durante el ciclo de baja presión, las ondas ultrasónicas de alta intensidad crean pequeñas burbujas de vacío o ambientes de baja presión dentro del líquido. Cuando estas burbujas han aumentado su tamaño hasta un volumen en que ya no pueden absorber más energía, colapsarán violentamente durante un ciclo de alta presión. Este fenómeno se denomina cavitación. Durante la implosión, se alcanzan localmente temperaturas (aprox., 5000 K) y presiones (aprox., 2000 atm) muy elevadas. La implosión de las burbuja de cavitación también produce la propulsión de corrientes de líquidos a una velocidad de hasta 280 m/s.

La cavitación acústica (generada por ultrasonidos de potencia) crea localmente condiciones extremas, los llamados efectos sonomecánicos y sonoquímicos. Debido a estos efectos, la sonicación promueve reacciones químicas que conducen a mayores rendimientos, una velocidad de reacción más rápida, nuevas vías y una mayor eficiencia general.

Principales aplicaciones de los ultrasonidos por cavitación acústica

Los ultrasonicadores tipo sonda, también conocidos como sondas ultrasónicas, generan eficazmente una cavitación acústica intensa en líquidos. Por lo tanto, se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones en diferentes industrias. Algunas de las aplicaciones más importantes de la cavitación acústica generada por los ultrasonidos de sonda son:
 

1. Homogeneización: Las sondas ultrasónicas pueden generar una cavitación intensa, que se caracteriza por ser un campo denso en energía de fuerzas de vibración y cizallamiento. Estas fuerzas proporcionan una excelente mezcla, homogeneización y reducción del tamaño de las partículas. La homogeneización ultrasónica produce suspensiones mezcladas uniformemente. Por lo tanto, la sonicación se utiliza para producir suspensiones coloidales homogéneas con curvas de distribución estrechas.
2. Dispersión de nanopartículas: Los ultrasonidos se emplean para la dispersión, desaglomeración y molienda en húmedo de nanopartículas. Las ondas ultrasónicas de baja frecuencia pueden generar una cavitación impactante, que rompe los aglomerados y reduce el tamaño de las partículas. En particular, el elevado cizallamiento de los chorros de líquido acelera las partículas en el líquido, que chocan entre sí (colisión interparticular), de modo que las partículas se rompen y erosionan en consecuencia. El resultado es una distribución uniforme y estable de las partículas que evita la sedimentación. Esto es crucial en diversos campos, como la nanotecnología, la ciencia de los materiales y los productos farmacéuticos.
3. Emulsificación y mezcla: Los ultrasonidos de sonda se utilizan para crear emulsiones y mezclar líquidos. La energía ultrasónica provoca cavitación, la formación y el colapso de burbujas microscópicas, lo que genera intensas fuerzas de cizallamiento locales. Este proceso ayuda a emulsionar líquidos inmiscibles, produciendo emulsiones estables y finamente dispersas.
4. Extracción: Debido a las fuerzas de cizallamiento cavitacionales, los ultrasonidos son muy eficaces para alterar las estructuras celulares y mejorar la transferencia de masa entre el sólido y el líquido. Por lo tanto, la extracción por ultrasonidos se utiliza ampliamente para liberar material intracelular como compuestos bioactivos para la producción de extractos botánicos de alta calidad.
5. Desgasificación y desaireación: Los ultrasonidos de sonda se emplean para eliminar burbujas de gas o gases disueltos en líquidos. La aplicación de la cavitación ultrasónica promueve la coalescencia de las burbujas de gas para que crezcan y floten en la parte superior del líquido. La cavitación ultrasónica convierte la desgasificación en un procedimiento rápido y eficaz. Esto resulta valioso en diversas industrias, como la de pinturas, fluidos hidráulicos o procesamiento de alimentos y bebidas, donde la presencia de gases puede afectar negativamente a la calidad y estabilidad del producto.
6. 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 la velocidad de reacción y favorece la producción de radicales libres, lo que da lugar a transformaciones químicas más eficaces y selectivas.
7. Preparación de la muestra: Los ultrasonidos de tipo sonda se utilizan habitualmente en los laboratorios para la preparación de muestras. Sirven para homogeneizar, disgregar y extraer muestras biológicas, como células, tejidos y virus. La energía ultrasónica generada por la sonda rompe las membranas celulares, liberando el contenido celular y facilitando el análisis posterior.
8. Desintegración y desorganización celular: Los ultrasonidos de sonda se utilizan para desintegrar y alterar 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 así generada provocan tensiones mecánicas y fuerzas de cizallamiento, con la consiguiente desintegración de las estructuras celulares. En la investigación biológica y el diagnóstico médico, los ultrasonidos de tipo sonda se utilizan para la lisis celular, el proceso de romper las células abiertas para liberar sus componentes intracelulares. La energía ultrasónica rompe las paredes celulares, las membranas y los orgánulos, lo que permite la extracción de proteínas, ADN, ARN y otros componentes celulares.

 
Éstas son algunas de las principales aplicaciones de los ultrasonidos de tipo sonda, pero la tecnología tiene una gama aún más amplia de otros usos, como la sonoquímica, la reducción del tamaño de las partículas (molienda húmeda), la síntesis ascendente de partículas y la sonosíntesis de sustancias y materiales químicos en diversas industrias, como la farmacéutica, la alimentaria, la biotecnológica y la medioambiental.

Secuencia de alta velocidad (de a a f) de fotogramas que ilustran la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua. utilizando el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el lugar de división de las partículas con burbujas de cavitación que penetran en la división.
Tyurnina et al. 2020

Vídeo de cavitación acústica en líquido

El siguiente vídeo muestra la cavitación acústica en el cascátrode 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.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: