Sonicazione del tipo di sonda contro il bagno ad ultrasuoni: Confronto dell'efficienza

I processi di sonicazione possono essere eseguiti con l'utilizzo di un omogeneizzatore a sonicazione a sonicazione a sonda o di un bagno ad ultrasuoni. Anche se entrambe le tecniche applicano gli ultrasuoni al campione, ci sono differenze significative in termini di efficacia, efficienza e capacità di processo.

Gli effetti desiderati della sonicazione dei liquidi – tra cui l'omogeneizzazione, la dispersione, la deagglomerazione, la macinazione, l'emulsificazione, l'estrazione, la lisi, la disintegrazione, la sicochimica - sono causati dalla cavitazione acustica. Introducendo ultrasuoni ad alta potenza in un mezzo liquido, le onde sonore vengono trasmesse nel fluido e creano cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con tassi che dipendono dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume tale da non poter più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è definito cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (circa 5.000K) e pressioni (circa 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione provoca anche getti di liquido con velocità fino a 280 m/s. [Suslick 1998]

Sonicatore a sonda UP100H vs bagno a ultrasuoni: I sonicatori a sonda eccellono per la trasmissione mirata degli ultrasuoni e per i risultati riproducibili

Sonicatore a sonda vs. bagno a ultrasuoni – Scoprite perché i sonicatori a sonda eccellono in efficienza e affidabilità

 

In questo video, confrontiamo la potenza di estrazione di un bagno a ultrasuoni - noto anche come pulitore a ultrasuoni - con quella di una sonda a ultrasuoni Hielscher UP100H.

Estrazione dei funghi - Ultrasuoni a bagno o a sonda - Confronto diretto

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Le bolle di cavitazione possono essere differenziate in bolle stabili e transitorie. (Clicca per ingrandire!)

Fig. 1: Creazione di bolle di cavitazione stabili e transitorie. (a) spostamento, (b) cavitazione transitoria, (c) cavitazione stabile, (d) pressione
[adattato da Santos et al. 2009]

Moholkar et al. (2000) hanno trovato che le bolle nella regione di maggiore intensità di cavitazione hanno subito un movimento transitorio, mentre le bolle nella regione di minore intensità di cavitazione hanno subito un movimento stabile / oscillatorio. Il collasso transitorio delle bolle che dà luogo a temperature e pressioni massime locali è alla radice degli effetti osservati degli ultrasuoni sui sistemi chimici.
L'intensità dell'ultrasonicazione è funzione dell'energia immessa e dell'area superficiale del sonotrodo. Per una data energia in ingresso si applica: più grande è la superficie del sonotrodo, minore è l'intensità degli ultrasuoni.
Le onde ultrasoniche possono essere generate da diversi tipi di sistemi ad ultrasuoni. Di seguito vengono confrontate le differenze tra la sonicazione con bagno ad ultrasuoni, il dispositivo con sonda ad ultrasuoni in un vaso aperto e il dispositivo con sonda ad ultrasuoni con cella a flusso.

Confronto della distribuzione dei punti caldi cavitazionali

Per le applicazioni a ultrasuoni, si usano sonde a ultrasuoni (sonotrodi / corni) e bagni a ultrasuoni. “Tra questi due metodi di ultrasuoni, la sonicazione della sonda è più efficace e potente del bagno ad ultrasuoni nell'applicazione della dispersione di nanoparticelle; il dispositivo del bagno ad ultrasuoni può fornire un'ultrasuonazione debole con circa 20-40 W/L e una distribuzione molto non uniforme mentre il dispositivo della sonda ad ultrasuoni può fornire 20.000 W/L nel fluido. Quindi, significa che un dispositivo a sonda ultrasonica supera il dispositivo a bagno ultrasonico di un fattore 1000.” (cfr. Asadi et al., 2019)

Confronto della distribuzione dei punti caldi cavitazionali

Nel campo delle applicazioni a ultrasuoni, sia le sonde a ultrasuoni (sonotrodi/corna) che i bagni a ultrasuoni svolgono un ruolo fondamentale. Tuttavia, quando si tratta di dispersione di nanoparticelle, la sonicazione della sonda supera in modo significativo i bagni a ultrasuoni. Secondo Asadi et al. (2019), i bagni a ultrasuoni generano in genere un'ultrasuonizzazione più debole di circa 20-40 W/L con una distribuzione altamente non uniforme. In netto contrasto, i dispositivi con sonda a ultrasuoni possono erogare ben 20.000 Watt per litro nel fluido, dimostrando un'efficacia che supera di 1000 volte i bagni a ultrasuoni. Questa netta differenza evidenzia la capacità superiore della sonicazione con sonda di ottenere una dispersione efficiente e uniforme delle nanoparticelle.

Bagni a ultrasuoni

Scoprite perché le sonde a ultrasuoni superano le vasche di lavaggio a ultrasuoni e i sonicatori a bagno.In un bagno a ultrasuoni, la cavitazione avviene in modo non conforme e distribuito in modo incontrollato nella vasca. L'effetto di sonicazione è di bassa intensità e distribuito in modo non uniforme. La ripetibilità e la scalabilità del processo sono molto scarse.
L'immagine seguente mostra i risultati di un test su un foglio di alluminio in una vasca a ultrasuoni. Un sottile foglio di alluminio o di stagno viene posto sul fondo di una vasca a ultrasuoni riempita d'acqua. Dopo la sonicazione, sono visibili singoli segni di erosione. Questi singoli punti perforati e fori nella lamina indicano i punti caldi di cavitazione. A causa della bassa energia e della distribuzione non uniforme degli ultrasuoni all'interno della vasca, i segni di erosione si verificano solo in modo puntuale. Per questo motivo, i bagni a ultrasuoni sono utilizzati soprattutto per applicazioni di pulizia.
 

In un bagno o in una vasca a ultrasuoni, il punto caldo degli ultrasuoni si verifica in modo molto irregolare. (Clicca per ingrandire!)

In un bagno o in una vasca a ultrasuoni, il punto caldo della cavitazione acustica si verifica in modo molto irregolare.

 
Le figure seguenti mostrano la distribuzione non uniforme dei punti caldi cavitazionali in un bagno ad ultrasuoni. In Fig. 2, un bagno con una superficie inferiore di 20×Sono stati utilizzati 10 cm.
 

Dispositivi a ultrasuoni a sonda e serbatoi a ultrasuoni. Hielscher Ultrasonics dimostra le differenze nei campi di cavitazione acustica

La Fig. 2 mostra la distribuzione spaziale del campo ultrasonico nel bagno ultrasonico:
(a) utilizzando 1 L di acqua nel bagno e (b) utilizzando il volume totale di 2 L di acqua nel bagno.
[Nascentes et al., 2010].

 
Per le misurazioni illustrate nella figura 3, è stato utilizzato un bagno a ultrasuoni con uno spazio di fondo di 12x10 cm.

Cavitazione irregolare in un bagno ad ultrasuoni (Clicca per ingrandire!)

La Fig. 3 mostra la distribuzione spaziale del campo ultrasonico in un bagno ultrasonico:
(a) utilizzando 1 L di acqua nel bagno e (b) utilizzando il volume totale di 1,3 L di acqua nel bagno.
[Nascentes et al., 2001].

 
Entrambe le misurazioni rivelano che la distribuzione del campo di irradiazione ultrasonica nelle vasche ad ultrasuoni è molto disomogenea. Lo studio dell'irradiazione ultrasonica in vari punti del bagno mostra significative variazioni spaziali dell'intensità di cavitazione nel bagno a ultrasuoni.

La Figura 4 mette a confronto l'efficienza di un bagno a ultrasuoni e di un dispositivo a sonda a ultrasuoni, esemplificata dalla decolorazione del colorante azoico Methyl Violet.

Comparison probe tank sonication

Fig. 4: I sonicatori a sonda distribuiscono un'intensità energetica molto elevata e localizzata rispetto alla bassa densità di ultrasuoni delle vasche e dei bagni a ultrasuoni.

Dhanalakshmi et al. hanno riscontrato nel loro studio che i dispositivi a ultrasuoni a sonda hanno un'elevata intensità localizzata rispetto a quelli a serbatoio e quindi un maggiore effetto localizzato, come illustrato nella figura 4. Ciò significa una maggiore intensità ed efficienza del processo di sonicazione. Ciò significa una maggiore intensità ed efficienza del processo di sonicazione.
Una configurazione a ultrasuoni come quella illustrata nella figura 4, consente il pieno controllo dei parametri più importanti, quali ampiezza, pressione, temperatura, viscosità, concentrazione e volume del reattore.

Sonicatore UP200St con sonotrodo S26d7D per l'omogeneizzazione di tipo batch di zabaione

Sonicatore a sonda UP200St con sonotrodo S26d7D per l'omogeneizzazione di tipo batch dei campioni

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Una sonda a ultrasuoni (sonotrodo) è un'asta in titanio che trasmette onde ultrasonore nei liquidi. Di conseguenza, nel liquido si verifica la cavitazione acustica, che fornisce le forze meccaniche di taglio per la lavorazione ultrasonica.

Figura 1: Sonotrodo che trasmette ultrasuoni di potenza nel liquido. La nebbia sotto la superficie del sonotrodo indica l'area del punto caldo di cavitazione.

Vantaggi Probe-Sonication:

  • intense
  • incentrata
  • completamente controllabile
  • distribuzione uniforme
  • riproducibile
  • scale-up lineare
  • batch e in linea

I vantaggi dei sonicatori a sonda

Le sonde a ultrasuoni o i sonotrodi sono progettati per concentrare l'energia ultrasonica in un'area focalizzata, in genere sulla punta della sonda. Questa trasmissione di energia focalizzata consente un trattamento preciso ed efficiente dei campioni. Poiché il design della sonda garantisce che una parte significativa dell'energia ultrasonica sia diretta verso il campione, il trasferimento di energia è notevolmente migliorato rispetto ai bagni a ultrasuoni. Questa trasmissione mirata di energia a ultrasuoni è particolarmente vantaggiosa per le applicazioni che richiedono un controllo preciso dei parametri di sonicazione, come la disgregazione delle cellule, la nano-dispersione, la sintesi di nanoparticelle, l'emulsificazione e l'estrazione botanica.
Pertanto, i sonicatori a sonda offrono vantaggi distinti rispetto ai bagni a ultrasuoni in termini di precisione, controllo, flessibilità, efficienza e scalabilità, rendendoli strumenti indispensabili per un'ampia gamma di applicazioni scientifiche e industriali.

Sonicatori a sonda per l'elaborazione di becher aperti

Quando i campioni vengono sonicati utilizzando un dispositivo con sonda a ultrasuoni, la zona di sonicazione intensa si trova direttamente sotto il sonotrodo/sonda. La distanza di irradiazione degli ultrasuoni è limitata a una certa area della punta del sonotrodo. (vedi figura 1)
I processi ad ultrasuoni in bicchieri aperti sono principalmente utilizzati per le prove di fattibilità e per la preparazione di campioni in piccole quantità.

Sonicatori a sonda con cella a flusso per la lavorazione in linea

I risultati di sonicazione più sofisticati si ottengono con un processo continuo in modalità a flusso chiuso. Tutto il materiale viene lavorato con la stessa intensità di ultrasuoni con cui viene controllato il percorso del flusso e il tempo di permanenza nella camera del reattore ad ultrasuoni.

Set di ricircolo a ultrasuoni: UIP1000hdT con cella di flusso, serbatoio e pompa

Set di ricircolo a ultrasuoni: UIP1000hdT con cella di flusso, serbatoio e pompa

I risultati di processo dell'elaborazione a liquido ultrasonico per una data configurazione dei parametri sono una funzione dell'energia per volume elaborato. La funzione cambia con le modifiche dei singoli parametri. Inoltre, la potenza effettiva di uscita e l'intensità per superficie del sonotrodo di un'unità ultrasonica dipende dai parametri.

L'impatto cavitazionale dell'elaborazione ultrasonica dipende dall'intensità superficiale che è decritta dall'ampiezza (A), dalla pressione (p), dal volume del reattore (VR), dalla temperatura (T), dalla viscosità (η) e da altri fattori. I segni più e meno indicano un'influenza positiva o negativa del parametro specifico sull'intensità di sonicazione.

L'impatto cavitazionale dell'elaborazione ultrasonica dipende dall'intensità superficiale che è decritta dall'ampiezza (A), dalla pressione (p), dal volume del reattore (VR), dalla temperatura (T), dalla viscosità (η) e da altri fattori. I segni più e meno indicano un'influenza positiva o negativa del parametro specifico sull'intensità di sonicazione.

Controllando il parametro più importante del processo di sonicazione, il processo è completamente ripetibile e i risultati ottenuti possono essere scalati in modo completamente lineare. Diversi tipi di sonotrodi e reattori a celle a flusso ultrasonico consentono l'adattamento a specifiche esigenze di processo.

Riepilogo: Sonda-sonda vs. bagno a ultrasuoni

Mentre un bagno a ultrasuoni fornisce una sonicazione debole, solo con circa 20 Watt per litro e con una distribuzione molto poco uniforme, i sonicatori a sonda possono facilmente accoppiare circa 20000 Watt per litro nel fluido trattato. Ciò significa che un sonicatore a sonda a ultrasuoni eccelle su un bagno a ultrasuoni di un fattore 1000 (input di energia 1000 volte superiore per volume) grazie a un input di potenza ultrasonica mirato e uniforme. Il controllo completo dei principali parametri di sonicazione garantisce risultati completamente riproducibili e la scalabilità lineare dei risultati del processo.

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Questo video mostra il corno a ultrasuoni da 200 watt per la dispersione, l'omogeneizzazione, l'estrazione o il degassamento di campioni di laboratorio.

Cuphorn a ultrasuoni (200 Watt)

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Letteratura/riferimenti

  • Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
  • Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.



Domande frequenti sulle sonde a ultrasuoni (FAQ)

Che cos'è un sonicatore a sonda ultrasonica?

Un sonicatore a sonda ultrasonica è un dispositivo che utilizza onde sonore ad alta frequenza per disgregare o mescolare i campioni. È costituito da una sonda che, immersa in un liquido, genera vibrazioni ultrasoniche che provocano la cavitazione e gli effetti desiderati di trattamento del campione.

Qual è il principio della sonicazione della sonda?

La sonicazione della sonda funziona secondo il principio della cavitazione ultrasonica. Quando la sonda vibra nel campione, crea bolle microscopiche che si espandono e collassano rapidamente. Questo processo genera intense forze di taglio e calore, disgregando le cellule o mescolando i componenti a livello microscopico.

Un pulitore a ultrasuoni è la stessa cosa di un sonicatore?

No, non sono la stessa cosa. Un pulitore a ultrasuoni utilizza onde ultrasoniche molto lievi in un bagno per pulire gli oggetti, principalmente attraverso la vibrazione e una cavitazione molto ridotta. Un sonicatore, nello specifico un sonicatore a sonda a ultrasuoni, è progettato per il trattamento diretto e intensivo a ultrasuoni dei campioni, concentrandosi sulla disgregazione o l'omogeneizzazione.

A cosa serve una sonda a ultrasuoni?

Una sonda a ultrasuoni viene utilizzata principalmente per attività di preparazione del campione, come la disgregazione delle cellule, l'omogeneizzazione, l'emulsificazione e la dispersione di particelle in una varietà di applicazioni di ricerca e industriali in chimica, biologia e scienza dei materiali.

Qual è la differenza tra sonicatore a sonda e corno a tazza?

Un sonicatore a sonda immerge direttamente la sonda nel campione per una sonicazione intensa. Un sonicatore a tazza, invece, non immerge la sonda ma utilizza un metodo indiretto in cui il campione viene posto in un contenitore all'interno di un bagno d'acqua che trasmette l'energia ultrasonica.

Perché utilizzare un sonicatore a sonda?

Un sonicatore a sonda viene utilizzato per la sua capacità di erogare energia ultrasonica diretta e ad alta intensità a un campione, ottenendo un'efficiente disgregazione, omogeneizzazione o emulsione. È particolarmente utile per i campioni difficili da trattare o quando è necessario un controllo preciso del processo.

Quali sono i vantaggi di un sonicatore a sonda?

I vantaggi comprendono l'elaborazione efficiente e rapida dei campioni, la versatilità delle applicazioni, il controllo preciso dei parametri di sonicazione e la capacità di elaborare un'ampia gamma di dimensioni e tipi di campioni, da quelli di laboratorio di piccolo volume ai lotti o alle portate industriali più grandi.

Come si usa un sonicatore con sonda a ultrasuoni?

L'uso di un sonicatore con sonda a ultrasuoni comporta la selezione delle dimensioni della sonda e dei parametri di sonicazione appropriati, l'immersione della punta della sonda nel campione e l'attivazione del sonicatore per il tempo e la potenza desiderati per ottenere un'elaborazione efficace del campione.

Qual è la differenza tra sonicazione e ultrasonicazione?

La sonicazione si riferisce all'uso generale delle onde sonore per il trattamento dei materiali, che può includere una gamma di frequenze. L'ultrasonicazione specifica l'uso di frequenze ultrasoniche (in genere superiori a 20 kHz), concentrandosi sulle applicazioni che richiedono onde sonore ad alta energia per l'elaborazione dei campioni. Tuttavia, la maggior parte delle persone si riferisce agli ultrasonici quando usa la parola sonicatore.

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