Reactores ultrasónicos de flujo – Diseño, aplicaciones y ventajas

Los reactores ultrasónicos permiten el tratamiento continuo en línea de líquidos y suspensiones mediante la aplicación de potentes ondas ultrasónicas. Los reactores ultrasónicos se utilizan para la homogeneización, mezcla, emulsificación, dispersión, extracción, desintegración celular, pasteurización, desgasificación, disolución e intensificación de reacciones químicas como la síntesis o la catálisis. ¡Descubra más sobre la tecnología de reactores ultrasónicos y cómo puede beneficiarse su proceso de la sonicación!

¿Para qué se utilizan las celdas de flujo en los procesos de sonicación?

Una celda de flujo, también conocida como celda de flujo continuo o reactor de flujo, es un dispositivo utilizado en diversas aplicaciones científicas y de ingeniería para realizar procesos de flujo continuo. Las celdas de flujo se utilizan habitualmente en procesos de sonicación, especialmente cuando se tratan grandes volúmenes con ultrasonidos de potencia. Una celda de flujo ultrasónica o un reactor sonoquímico es una cámara o celda especializada diseñada para permitir que un líquido o una suspensión fluya a través de ella mientras se somete a sonicación.

Las celdas de flujo se utilizan habitualmente en ámbitos como la mezcla y la homogeneización, la química, la biología, la electroquímica y la biotecnología. Ofrecen varias ventajas frente a los procesos por lotes, entre ellas una sonicación más uniforme, un mayor control, una mejora de la cinética de reacción, una transferencia de masa eficiente y la posibilidad de integrar eficazmente la sonicación en un proceso de producción en línea.

Homogeneizador ultrasónico industrial con reactor de celda de flujo

El MultiSonoReactor MSR-4 es un reactor industrial de homogeneización en línea para la homogeneización industrial de líquidos con una elevada capacidad de procesamiento.

Aplicaciones de las celdas de flujo ultrasónicas y los reactores sonoquímicos

Los reactores ultrasónicos de Hielscher pueden resultar útiles para una amplia variedad de reacciones químicas que implican interfaces líquido-sólido, líquido-líquido o líquido-gas. Algunos ejemplos de reacciones que pueden mejorarse mediante reactores ultrasónicos son:

Homogeneización de emulsiones: Los reactores ultrasónicos pueden ayudar a fragmentar y dispersar las partículas de las emulsiones, dando lugar a productos más estables y uniformes.
Cristalización: La irradiación ultrasónica puede inducir la cristalización en soluciones, dando lugar a la formación de cristales pequeños y uniformes de alta pureza.
Desgasificación: La irradiación ultrasónica puede utilizarse para eliminar los gases disueltos en los líquidos, lo que puede mejorar la calidad y la estabilidad de los productos.
Extracción: Los reactores ultrasónicos pueden aumentar la eficiencia de los procesos de extracción al favorecer la difusión de solutos a través de membranas o interfaces.
Polimerización: La irradiación ultrasónica puede favorecer la iniciación y la propagación de las reacciones de polimerización, dando lugar a mayores velocidades de reacción y pesos moleculares más elevados.
Síntesis de nanopartículas: Los reactores ultrasónicos pueden utilizarse para sintetizar nanopartículas con un tamaño, una forma y unas propiedades superficiales controlados.
Sonocatálisis: La irradiación ultrasónica puede aumentar la actividad catalítica de determinados materiales, dando lugar a mayores velocidades de reacción y una mejor selectividad.

Sonicador UIP6000hdT con reactor de celda de flujo ultrasónica y armario de aislamiento acústico para procesos industriales de alta capacidad de procesamiento.

El sonicador industrial UIP6000hdT con reactor de celda de flujo ultrasónica y armario de aislamiento acústico.

Cambio de color inducido por cavitación con el sonicador UP400St

Diseño avanzado de reactores ultrasónicos para obtener resultados de proceso superiores

En el caso de los reactores en línea para el procesamiento de líquidos, deben tenerse en cuenta varios factores importantes. Los reactores ultrasónicos de Hielscher se diseñan y fabrican. Estos factores pueden variar según la aplicación y los requisitos específicos, pero a continuación se presentan algunas consideraciones relevantes:

Diseño del reactor: El diseño del propio reactor es uno de los factores que más influyen en el éxito del procesamiento ultrasónico en línea. Deben tenerse en cuenta factores como el tamaño, la geometría, la posición del sonotrodo y el material de construcción para garantizar la compatibilidad con el líquido sometido a sonicación, así como las condiciones de reacción deseadas (p. ej., intensidad ultrasónica, temperatura y presión).

Mezcla y agitación: La sonicación proporciona una micromezcla de gran eficiencia. En los reactores de tanque de mayor tamaño, una mezcla y agitación adicionales pueden resultar beneficiosas para conseguir una buena macromezcla. Un mezclador de palas o un impulsor contribuye a una transferencia de masa óptima, ya que todo el material se desplaza hacia la zona de cavitación ultrasónica. Por ello, el diseño de los reactores de Hielscher permite incorporar dispositivos de macromezcla, como impulsores o agitadores.

Tiempo de residencia: El tiempo de residencia en el reactor sonoquímico, que se refiere al tiempo que el líquido permanece dentro del reactor, es un parámetro crítico: es el tiempo durante el cual el material está expuesto a la vibración ultrasónica, la cavitación y las fuerzas de cizallamiento. Influye en el grado de avance de la reacción y en la productividad del proceso. Los reactores ultrasónicos de Hielscher están diseñados para controlar y ajustar de forma sencilla y fiable el tiempo de residencia deseado, manteniendo un caudal adecuado.

Control de temperatura: Para muchos materiales y reacciones, un control preciso de la temperatura es esencial. Por ello, los reactores ultrasónicos de Hielscher están equipados con medios para controlar y mantener la temperatura deseada. Esto se consigue mediante distintos recursos, como camisas térmicas o sistemas externos de calentamiento y refrigeración.

Control de presión: Algunas reacciones se benefician de condiciones de presión específicas. En general, los efectos de la sonicación se intensifican a presiones elevadas. El reactor debe ser capaz de trabajar en el intervalo de presión deseado de forma segura y eficaz. Por supuesto, Hielscher ofrece mecanismos de control de presión, como válvulas de alivio o reguladores de presión, para sus reactores ultrasónicos.

Consideraciones de seguridad: La facilidad de manejo y la seguridad son de máxima importancia en el diseño de reactores. De acuerdo con las normas industriales y los criterios de seguridad más exigentes, los reactores ultrasónicos de Hielscher se diseñan y operan con elementos de seguridad adecuados, como válvulas de alivio de presión, sistemas de monitorización de presión y temperatura, registro automático de datos y, cuando sea necesario, capacidad de purga con gas inerte.

Potencial de escalado: Si se prevé que las necesidades de procesamiento de líquidos aumenten en el futuro, es importante tener en cuenta el potencial de escalado del reactor. Los reactores ultrasónicos de Hielscher están diseñados para facilitar el escalado y admitir mayores volúmenes de producción, manteniendo la eficiencia del proceso.

Mantenimiento y facilidad de limpieza: Los reactores sonoquímicos de Hielscher son muy robustos y están diseñados para facilitar el mantenimiento, la inspección y la limpieza. Las superficies internas lisas, las conexiones accesibles y de desmontaje rápido, una buena capacidad de drenaje y la función de limpieza in situ (CIP) ayudan a minimizar los tiempos de inactividad y a garantizar una higiene adecuada.

Compatibilidad y resistencia a la corrosión: Hielscher ofrece reactores sonoquímicos personalizados teniendo en cuenta la compatibilidad de los materiales del reactor con el líquido procesado. La compatibilidad química es crucial para evitar la corrosión, la contaminación o las reacciones no deseadas.

Monitorización y control del proceso: La incorporación de sensores de presión y temperatura, velocidades ajustables de alimentación y paso del flujo y dispositivos de monitorización asociados, junto con el registro automático de datos sobre las condiciones del proceso ultrasónico, proporciona datos en tiempo real sobre los parámetros críticos del proceso. Esta información permite alcanzar el máximo nivel de control, optimización y estandarización del proceso.

Integración con los equipos de proceso: Los reactores ultrasónicos de Hielscher pueden integrarse de forma sencilla y cómoda en el sistema global de procesamiento de líquidos. La compatibilidad y las conexiones adecuadas con los equipos situados antes y después del reactor, como bombas, filtros, intercambiadores de calor y unidades de recogida o almacenamiento del producto, pueden establecerse fácilmente y adaptarse posteriormente a los cambios en la línea de producción.

Sonicador en línea Hielscher UIP4000hdT con celda de flujo para procesos de homogeneización y mezcla en línea

Homogeneizador ultrasónico industrial UIP4000hdT de 4 kW con reactor de flujo continuo para mezcla y homogeneización en línea

Sonicadores y reactores sonoquímicos para procesos de flujo en línea

Hielscher Ultrasonics ofrece sonicadores de alto rendimiento y reactores ultrasónicos para el procesamiento de líquidos a cualquier escala.

Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los sonicadores y reactores sonoquímicos de Hielscher son reconocidos por sus estándares de calidad y diseño del más alto nivel. Su robustez y facilidad de manejo permiten integrar sin dificultades nuestros sonicadores y celdas de flujo ultrasónicas en instalaciones industriales. Los sonicadores de Hielscher se adaptan fácilmente a condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y presta especial atención a los sonicadores de alto rendimiento que incorporan tecnología de vanguardia y ofrecen facilidad de uso. Por supuesto, los sonicadores de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores:

Volumen por lote	Caudal	Equipos recomendados
0,5 a 1,5 mL	n.a.	VialTweeter
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
15 a 150 L	3 a 15 L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 a 100 L/min	UIP16000
n.a.	superior	conjunto de UIP16000

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Los homogeneizadores ultrasónicos de alto cizallamiento se utilizan en el procesamiento a escala de laboratorio, con equipos de sobremesa, a escala piloto e industrial.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.

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Bibliografía / Referencias

Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.
Antonia Tamborrino, Agnese Taticchi, Roberto Romaniello, Claudio Perone, Sonia Esposto, Alessandro Leone, Maurizio Servili (2021): Assessment of the olive oil extraction plant layout implementing a high-power ultrasound machine. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 73, 2021.

¡Ultrasonidos de alto rendimiento! La gama de productos de Hielscher abarca todo el espectro, desde el sonicador compacto de laboratorio y las unidades de sobremesa hasta los sistemas ultrasónicos plenamente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento desde escala de laboratorio hasta escala industrial.