Applicazione degli ultrasuoni di potenza mediante corni a ultrasuoni

I corni o le sonde a ultrasuoni sono ampiamente utilizzati per molteplici applicazioni di trattamento dei liquidi, tra cui omogeneizzazione, dispersione, macinazione a umido, emulsificazione, estrazione, disintegrazione, dissoluzione e deareazione. Scoprite i principi fondamentali dei corni a ultrasuoni, delle sonde a ultrasuoni e delle loro applicazioni.

Corno a ultrasuoni e sonda a ultrasuoni a confronto

Spesso i termini corno a ultrasuoni e sonda a ultrasuoni vengono usati in modo intercambiabile e si riferiscono all’asta che trasmette le onde ultrasoniche nel liquido. Altri termini utilizzati per la sonda a ultrasuoni sono corno acustico, sonotrodo, guida d’onda acustica o dito a ultrasuoni. Tuttavia, dal punto di vista tecnico, esiste una differenza tra un corno a ultrasuoni e una sonda a ultrasuoni.
Sia il corno sia la sonda sono parti del cosiddetto sonicatore a sonda. Il corno a ultrasuoni è la parte metallica del trasduttore a ultrasuoni che viene eccitata da vibrazioni generate per effetto piezoelettrico. Il corno a ultrasuoni vibra a una determinata frequenza, ad esempio 20kHz, che corrisponde a 20.000 vibrazioni al secondo. Il titanio è il materiale preferito per la fabbricazione dei corni a ultrasuoni grazie alle sue eccellenti proprietà di trasmissione acustica, alla sua elevata resistenza a fatica e alla durezza superficiale.

La sonda a ultrasuoni è chiamata anche sonotrodo o dito a ultrasuoni. È un’asta metallica, generalmente realizzata in titanio, avvitata al corno a ultrasuoni. La sonda a ultrasuoni è una parte essenziale del processore a ultrasuoni e trasmette le onde ultrasoniche nel mezzo sottoposto a sonicazione. Le sonde a ultrasuoni / i sonotrodi sono disponibili in varie forme, ad esempio coniche, con punta, rastremate o nella forma Cascatrode. Sebbene il titanio sia il materiale più comunemente utilizzato per le sonde a ultrasuoni, sono disponibili anche sonotrodi in acciaio inossidabile, ceramica, vetro e altri materiali.

Poiché il corno e la sonda a ultrasuoni sono costantemente sottoposti a compressione o trazione durante la sonicazione, la scelta del materiale del corno e della sonda è fondamentale. La lega di titanio di alta qualità (grado 5) è considerata il metallo più affidabile, durevole ed efficace per resistere alle sollecitazioni, mantenere ampiezze elevate per lunghi periodi e trasmettere le proprietà acustiche e meccaniche.

La dissoluzione è un’applicazione comune della sonicazione. Il video mostra la rapida dissoluzione di cristalli di zucchero in acqua mediante Hielscher UP200St.

I sonicatori ad alte prestazioni operano prevalentemente nell’intervallo di frequenza di 20–30kHz. A 20 kHz, la sonda a ultrasuoni è tipicamente un’asta risonante lunga mezza lunghezza d’onda, che si espande e si contrae costantemente 20.000 volte al secondo. I movimenti di espansione e contrazione vengono trasmessi sotto forma di ultrasuoni di potenza al mezzo di processo, ossia un fluido o una sospensione, per realizzare applicazioni quali

• miscelazione a ultrasuoni ad alto taglio
• macinazione a umido a ultrasuoni
• dispersione di nanoparticelle a ultrasuoni
• nanoemulsificazione a ultrasuoni
• estrazione a ultrasuoni
• disintegrazione a ultrasuoni
• disgregazione cellulare e lisi a ultrasuoni
• degassamento e deareazione a ultrasuoni
• sonochimica (sonosintesi, sonocatalisi)

Come funzionano gli ultrasuoni di potenza? – Il principio di funzionamento della cavitazione acustica

Per applicazioni a ultrasuoni ad alte prestazioni, come l’omogeneizzazione, la riduzione delle dimensioni delle particelle, la disintegrazione o le nanodispersioni, un trasduttore a ultrasuoni genera ultrasuoni ad alta intensità e bassa frequenza, che vengono trasmessi nel liquido attraverso il corno e la sonda a ultrasuoni (sonotrodo). Sono considerati ultrasuoni di potenza gli ultrasuoni nell’intervallo di 16–30kHz. La sonda a ultrasuoni si espande e si contrae, ad esempio a 20kHz, trasmettendo così 20.000 vibrazioni al secondo nel mezzo. Quando le onde ultrasoniche attraversano il liquido, cicli alternati di alta pressione (compressione) / bassa pressione (rarefazione / espansione) creano minuscole cavità (bolle di vuoto), che crescono nel corso di diversi cicli di pressione. Durante la fase di compressione del liquido e delle bolle, la pressione è positiva, mentre la fase di rarefazione produce un vuoto (pressione negativa). Durante i cicli di compressione ed espansione, le cavità nel liquido crescono fino a raggiungere una dimensione alla quale non possono più assorbire energia. A questo punto implodono violentemente. L’implosione di queste cavità produce vari effetti altamente energetici, noti come fenomeno della cavitazione acustica / ultrasonica. La cavitazione acustica è caratterizzata da molteplici effetti altamente energetici che agiscono sui liquidi, sui sistemi solido/liquido e sui sistemi gas/liquido. La zona ad alta densità energetica, o zona di cavitazione, è nota come zona dei cosiddetti punti caldi: la densità energetica è massima nelle immediate vicinanze della sonda a ultrasuoni e diminuisce all’aumentare della distanza dal sonotrodo. Le principali caratteristiche della cavitazione ultrasonica comprendono temperature e pressioni localmente molto elevate e i rispettivi differenziali, turbolenze e flussi di liquido. Durante l’implosione delle cavità ultrasoniche nei punti caldi ultrasonici, si possono misurare temperature fino a 5000 Kelvin, pressioni fino a 200 atmosfere e getti di liquido con velocità fino a 1000km/h. Queste condizioni di eccezionale intensità energetica contribuiscono a effetti sonomeccanici e sonochimici che intensificano i processi e le reazioni chimiche in vari modi.
I principali effetti della sonicazione sui liquidi e sulle sospensioni sono i seguenti:

• Taglio elevato: Le elevate forze di taglio ultrasoniche disgregano i liquidi e i sistemi liquido-solido, causando agitazione intensa, omogeneizzazione e trasferimento di massa.
• Impatto: I getti e i flussi di liquido generati dalla cavitazione ultrasonica accelerano i solidi nei liquidi, provocando successivamente collisioni tra le particelle. Quando le particelle collidono a velocità molto elevate, si erodono, si frantumano e vengono macinate e disperse finemente, spesso fino a dimensioni nanometriche. Nel caso della materia biologica, come i materiali vegetali, i getti di liquido ad alta velocità e i cicli alternati di pressione disgregano le pareti cellulari e rilasciano il materiale intracellulare. Ciò consente un’estrazione altamente efficiente dei composti bioattivi e una miscelazione omogenea della materia biologica.
• Agitazione: La sonicazione provoca intense turbolenze, forze di taglio e micromovimenti nel liquido o nella sospensione. In questo modo, la sonicazione intensifica sempre il trasferimento di massa e accelera quindi le reazioni e i processi.

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni e i miscelatori ad alto taglio vengono utilizzati in quasi tutti i settori industriali di lavorazione che trattano liquidi o sospensioni. Le intense forze di cavitazione ultrasonica generano agitazione intensa, taglio, rottura delle particelle e trasferimento di massa. In questo modo, i liquidi vengono omogeneizzati, dispersi, emulsionati, sottoposti a estrazione, dissolti e/o vengono avviate reazioni chimiche. Nel complesso, la sonicazione è un metodo di intensificazione dei processi che aumenta la resa, migliora i tassi di conversione e rende i processi più efficienti.
Le comuni applicazioni industriali degli ultrasuoni sono diffuse in numerosi comparti dei settori alimentare e farmaceutico, della chimica fine, dell’energia e della petrolchimica, del riciclaggio, delle bioraffinerie ecc. e comprendono quanto segue:

• sintesi del biodiesel a ultrasuoni
• omogeneizzazione dei succhi di frutta a ultrasuoni
• produzione di vaccini a ultrasuoni
• riciclaggio delle batterie agli ioni di litio a ultrasuoni
• sintesi di nanomateriali a ultrasuoni
• formulazione di prodotti farmaceutici a ultrasuoni
• nanoemulsificazione del CBD a ultrasuoni
• estrazione di materiali vegetali a ultrasuoni
• preparazione dei campioni a ultrasuoni nei laboratori
• degassamento dei liquidi a ultrasuoni
• desolforazione del greggio a ultrasuoni
• e molte altre …

Corni e sonde a ultrasuoni per applicazioni ad alte prestazioni

Hielscher Ultrasonics è un produttore e distributore con una lunga esperienza nel campo dei sonicatori ad alta potenza, utilizzati in tutto il mondo per applicazioni gravose in numerosi settori industriali.
Con processori a ultrasuoni di tutte le dimensioni, da 50 watts a 16kW per dispositivo, sonde di varie dimensioni e forme e reattori a ultrasuoni con diversi volumi e geometrie, Hielscher Ultrasonics dispone delle apparecchiature adatte per configurare il sistema a ultrasuoni ideale per la vostra applicazione.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: