Cavitación ultrasónica en líquidos
La cavitación ultrasónica es la fuerza motriz que impulsa el procesamiento ultrasónico de líquidos de alta intensidad. Cuando se aplica un potente ultrasonido a un líquido, se forman burbujas de vapor microscópicas que crecen y colapsan violentamente. Esta cavitación acústica genera intensas fuerzas de cizallamiento locales, 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 la cavitación acústica controlada para transferir energía ultrasónica directamente a líquidos, suspensiones y lodos. Desde pequeñas muestras de laboratorio hasta la producción industrial continua por flujo continuo, los sistemas de 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 basados en la cavitación en condiciones reales de procesamiento.
- Para la producción: integrar la cavitación ultrasónica en procesos por lotes, de recirculación o en línea continuos.
Indíquenos el líquido, el volumen del lote o el caudal, la viscosidad, el contenido de sólidos, los límites de temperatura y el resultado deseado del proceso. Le recomendaremos la configuración óptima de sonicador, sonotrodo y célula de flujo para su aplicación de cavitación.
Sonicadores de sonda, como el UP400St utilizan el principio de funcionamiento de la cavitación acústica.
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.
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 cuanto a 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 de procesamiento de líquidos reproducibles, tales como la homogeneización, la emulsificación, la extracción, la disrupción celular, la dispersión de nanopartículas y las reacciones sonoquímicas.
| Criterios de comparación | sonda sonicator | baño ultrasónico |
|---|---|---|
| intensidad de cavitación | Genera cavitación acústica de alta intensidad directamente en la punta del sonotrodo. | Genera una cavitación más débil distribuida por todo el volumen del baño. |
| Transferencia de energía | Transfiere energía ultrasónica directamente al líquido, la suspensión o la pasta. | Transfiere energía de forma indirecta a través del líquido del baño y la pared del recipiente. |
| control de procesos | Permite ajustar con precisión la amplitud, la potencia de entrada, el modo de pulso, la temperatura y el tiempo de procesamiento. | Ofrece un control limitado sobre la energía ultrasónica real que llega a la muestra. |
| reproducibilidad | Ofrece resultados de sonicación reproducibles cuando se definen y controlan los parámetros del proceso. | Los resultados pueden variar debido a una distribución desigual de la cavitación, la posición del recipiente, el material del recipiente, el nivel de llenado y la carga del baño. |
| Eficiencia en el procesamiento | Altamente eficaz para la homogeneización, la dispersión, la emulsificación, la extracción, la lisis celular y la sonoquímica. | Adecuado principalmente para la limpieza. |
| Volumen de la muestra | Disponible tanto para pequeñas muestras de laboratorio como para volúmenes piloto e industriales. | Se suele utilizar para recipientes pequeños o para colocar varios recipientes dentro de la bañera. |
| escalabilidad | Se puede adaptar desde ensayos de laboratorio hasta pruebas piloto y procesos industriales en línea continuos. | Es difícil escalarlo de forma fiable, ya que la distribución de la energía y la intensidad de la cavitación no son fácilmente transferibles. |
| Medios adecuados | Eficaz para líquidos, emulsiones, suspensiones, lodos y formulaciones con alto contenido en sólidos. | Ideal para líquidos de baja viscosidad y tareas sencillas de limpieza o desgasificación. |
| Aplicaciones típicas | Dispersión de nanopartículas, nanoemulsiones, extracción, lisis celular, homogeneización, desaglomeración, molienda en húmedo y reacciones sonoquímicas. | Limpieza de material de vidrio, desgasificación de líquidos, disolución de polvos y agitación suave de muestras. |
| La mejor opción para | Procesamiento ultrasónico de líquidos controlado, potente y reproducible. | Limpieza sencilla o tratamiento ultrasónico de baja intensidad. |
Principales aplicaciones de los sonicadores y la 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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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, lo que da lugar a la 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, membranas y orgánulos celulares, permitiendo 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
¡Aprovecha las ventajas de la cavitación ultrasónica!
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:
| Volumen del lote | Tasa de flujo | Dispositivos 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 | Grupo de UIP16000 |
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.
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 esfuerzo de cizallamiento local, microchorros de líquido, ondas de choque, gradientes de alta presión y fuertes efectos de micromezcla.
¿Cuál es la diferencia entre la cavitación ultrasónica y la cavitación acústica?
La cavitación acústica es el término general que se utiliza para referirse a la cavitación provocada 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 ultrasonificadores 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 su interior. Los efectos mecánicos favorecen la mezcla, la homogeneización, la emulsificación, la desaglomeración de partículas, la molienda en húmedo, la extracción y la ruptura celular. En sistemas reactivos, la cavitación también puede potenciar los efectos sonoquímicos y mejorar la transferencia de masa.
¿En qué aplicaciones se utiliza 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 las partículas, la lisis celular, la disrupción microbiana, la sonoquímica, la sonocatálisis y las reacciones avanzadas en fase líquida.
¿Por qué los ultrasonidos de sonda son eficaces para la cavitación?
Los ultrasonificadores de sonda transmiten la energía ultrasónica directamente al líquido a través de un sonotrodo. Este acoplamiento directo de la 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 de entrada, la temperatura, la presión y el tiempo de procesamiento.
¿Es adecuado un baño ultrasónico para una cavitación intensa?
Los baños ultrasónicos producen cavitación, pero la densidad de energía suele ser mucho menor y menos concentrada que en los sonificadores de sonda. Los baños son útiles para la limpieza y los tratamientos suaves, mientras que los sonificadores de sonda son los preferidos para la homogeneización reproducible, la extracción, la emulsificación, la dispersión, la disrupción celular y el procesamiento industrial de líquidos.
¡Lee y descubre las diferencias entre los sonicadores de sonda y los baños de ultrasonidos!
¿Qué parámetros influyen en la intensidad de la cavitación ultrasónica?
Entre los parámetros importantes se incluyen la amplitud, la potencia ultrasónica, la superficie del sonotrodo, el volumen de líquido, la viscosidad, el contenido de sólidos, la presión, la temperatura, la geometría del recipiente, la geometría de la célula de flujo, el caudal y el tiempo de residencia. El ajuste de estos parámetros permite adaptar la intensidad de la cavitación al objetivo del proceso.
¿Es posible trasladar la cavitación ultrasónica del laboratorio a la producción?
Sí. Los procesos de cavitación ultrasónica pueden desarrollarse a escala de laboratorio y trasladarse a escala piloto o industrial mediante el control de la amplitud, la potencia aplicada, la geometría del sonotrodo, el caudal y el tiempo de residencia. Hielscher ofrece ultrasonificadores y reactores para ensayos de laboratorio, pruebas piloto y producción industrial continua.
Literatura / Referencias
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- 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 de laboratorio a tamaño industrial.