Ultrasuoni: Applicazioni e processi

L'ultrasonicazione è un metodo di lavorazione meccanica che crea cavitazione acustica e forze fisiche molto intense. Pertanto, gli ultrasuoni sono utilizzati per numerose applicazioni come miscelazione, omogeneizzazione, macinazione, dispersione, emulsificazione, estrazione, degassificazione e reazioni sonochimiche.
Di seguito, vi illustreremo le applicazioni e i processi tipici degli ultrasuoni.

omogeneizzazione a ultrasuoni

Gli omogeneizzatori a ultrasuoni riducono le piccole particelle in un liquido per migliorare l'uniformità e la stabilità della dispersione. Le particelle (fase dispersa) possono essere solidi o goccioline liquide sospese in una fase liquida. L'omogeneizzazione a ultrasuoni è molto efficiente per la riduzione di particelle morbide e dure. Hielscher produce apparecchi a ultrasuoni per l'omogeneizzazione di qualsiasi volume di liquido e per il trattamento in batch o in linea. I dispositivi a ultrasuoni da laboratorio possono essere utilizzati per volumi da 1,5mL a circa 4L. I dispositivi industriali a ultrasuoni possono trattare lotti da 0,5 a circa 2000 litri o portate da 0,1 litri a 20 metri cubi all'ora nello sviluppo dei processi e nella produzione commerciale.
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Dispersione e deagglomerazione a ultrasuoni

La dispersione e la deagglomerazione di solidi nei liquidi è un'importante applicazione degli ultrasuoni a sonda. La cavitazione ultrasonica/acustica genera elevate forze di taglio che rompono gli agglomerati di particelle in singole particelle disperse. La miscelazione di polveri in liquidi è una fase comune nella formulazione di vari prodotti, come pitture, vernici, prodotti cosmetici, alimenti e bevande o mezzi di lucidatura. Le singole particelle sono tenute insieme da forze di attrazione di varia natura fisica e chimica, tra cui le forze di van-der-Waals e la tensione superficiale dei liquidi. Gli ultrasuoni superano queste forze di attrazione per deagglomerare e disperdere le particelle nei mezzi liquidi. Per la dispersione e la deagglomerazione delle polveri nei liquidi, gli ultrasuoni ad alta intensità rappresentano un'interessante alternativa agli omogeneizzatori ad alta pressione, ai miscelatori ad alto taglio, ai mulini a perle o ai miscelatori rotore-statore.
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Emulsione a ultrasuoni

Un'ampia gamma di prodotti intermedi e di consumo, come cosmetici e lozioni per la pelle, unguenti farmaceutici, vernici, pitture, lubrificanti e carburanti, sono basati in tutto o in parte su emulsioni. Le emulsioni sono dispersioni di due o più fasi liquide immiscibili. Gli ultrasuoni ad alta intensità forniscono un taglio sufficientemente intenso per disperdere una fase liquida (fase dispersa) in piccole gocce in una seconda fase (fase continua). Nella zona di dispersione, l'implosione delle bolle di cavitazione provoca intense onde d'urto nel liquido circostante e determina la formazione di getti di liquido ad alta velocità (high shear). L'ultrasuonizzazione può essere adattata con precisione alle dimensioni dell'emulsione target, consentendo così la produzione affidabile di micro-emulsioni e nano-emulsioni.
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Macinazione a umido e macinazione a ultrasuoni

L'ultrasuono è un mezzo efficace per la macinazione a umido e la micro-macinazione di particelle. In particolare, per la produzione di impasti di dimensioni superfini, gli ultrasuoni presentano numerosi vantaggi. È superiore alle apparecchiature tradizionali per la riduzione delle dimensioni, come i mulini a colloide (ad esempio mulini a sfere, mulini a perline), i mulini a disco o i mulini a getto. L'ultrasonicazione può trattare impasti ad alta concentrazione e ad alta viscosità, riducendo così il volume da trattare. Naturalmente, la macinazione a ultrasuoni è adatta alla lavorazione di materiali di dimensioni micron e nano, come ceramiche, pigmenti, solfato di bario, carbonato di calcio o ossidi metallici. Soprattutto quando si tratta di nano-materiali, l'ultrasuonoterapia eccelle in termini di prestazioni, poiché le sue forze di taglio altamente impattanti creano nanoparticelle uniformemente piccole.
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TiO2 essiccato a spruzzo prima e dopo la macinazione a ultrasuoni

Disintegrazione e lisi cellulare a ultrasuoni

Il trattamento a ultrasuoni può disintegrare il materiale fibroso e cellulosico in particelle fini e rompere le pareti della struttura cellulare. In questo modo, il materiale intracellulare, come l'amido o lo zucchero, viene rilasciato nel liquido. Questo effetto può essere sfruttato per la fermentazione, la digestione e altri processi di conversione della materia organica. Dopo la macinazione e la triturazione, gli ultrasuoni rendono disponibile agli enzimi che convertono l'amido in zuccheri una quantità maggiore di materiale intracellulare, ad esempio l'amido e i detriti della parete cellulare. Inoltre, aumenta la superficie esposta agli enzimi durante la liquefazione o la saccarificazione. In genere, questo aumenta la velocità e la resa della fermentazione del lievito e di altri processi di conversione, ad esempio per incrementare la produzione di etanolo dalla biomassa.
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estrazione a ultrasuoni di prodotti botanici

L'estrazione di composti bioattivi immagazzinati in cellule e particelle subcellulari è un'applicazione molto diffusa degli ultrasuoni ad alta intensità. L'estrazione a ultrasuoni viene utilizzata per isolare metaboliti secondari (ad esempio, polifenoli), polisaccaridi, proteine, oli essenziali e altri principi attivi dalla matrice cellulare di piante e funghi. Adatta per l'estrazione in acqua e con solventi di composti organici, la sonicazione migliora notevolmente la resa delle sostanze botaniche contenute nelle piante o nei semi. L'estrazione a ultrasuoni viene utilizzata per la produzione di prodotti farmaceutici, nutraceutici / integratori alimentari, profumi e additivi biologici. Gli ultrasuoni sono una tecnica di estrazione verde utilizzata anche per l'estrazione di componenti bioattivi nelle bioraffinerie, ad esempio per liberare composti preziosi da flussi di sottoprodotti non utilizzati che si formano nei processi industriali. L'ultrasuonoterapia è una tecnologia altamente efficace per l'estrazione botanica su scala di laboratorio e di produzione.
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Applicazione sonica degli ultrasuoni

La sionochimica è l'applicazione degli ultrasuoni alle reazioni e ai processi chimici. Il meccanismo che provoca gli effetti sicochimici nei liquidi è il fenomeno della cavitazione acustica. Gli effetti sonochimici sulle reazioni e sui processi chimici includono l'aumento della velocità o della resa della reazione, un uso più efficiente dell'energia, il miglioramento delle prestazioni dei catalizzatori a trasferimento di fase, l'attivazione di metalli e solidi o l'aumento della reattività di reagenti o catalizzatori.
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Transesterificazione a ultrasuoni di olio in biodiesel

Gli ultrasuoni aumentano la velocità della reazione chimica e la resa della transesterificazione di oli vegetali e grassi animali in biodiesel. Ciò consente di passare da una produzione a lotti a una a flusso continuo e di ridurre i costi di investimento e operativi. Uno dei principali vantaggi della produzione di biodiesel a ultrasuoni è l'utilizzo di oli di scarto come gli oli da cucina esausti e altre fonti di olio di scarsa qualità. La transesterificazione a ultrasuoni può convertire anche materie prime di bassa qualità in biodiesel di alta qualità (estere metilico degli acidi grassi / FAME). La produzione di biodiesel da oli vegetali o grassi animali prevede la transesterificazione catalizzata dalla base degli acidi grassi con metanolo o etanolo per ottenere i corrispondenti esteri metilici o etilici. Con gli ultrasuoni si può ottenere una resa di biodiesel superiore al 99%. Gli ultrasuoni riducono notevolmente i tempi di lavorazione e di separazione.
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Degassificazione e disaerazione dei liquidi con ultrasuoni

La degassificazione dei liquidi è un'altra importante applicazione degli ultrasuoni a sonda. Le vibrazioni ultrasoniche e la cavitazione provocano la coalescenza dei gas disciolti in un liquido. Quando le minuscole bolle di gas si coalizzano, formano bolle più grandi che galleggiano rapidamente sulla superficie superiore del liquido, da dove possono essere rimosse. In questo modo, la degassificazione e la disaerazione a ultrasuoni possono ridurre il livello di gas disciolti al di sotto del livello di equilibrio naturale.
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Pulizia a ultrasuoni di fili, cavi e nastri

La pulizia a ultrasuoni è un'alternativa ecologica per la pulizia di materiali continui, come fili e cavi, nastri o tubi. L'effetto della potente cavitazione a ultrasuoni rimuove dalla superficie del materiale residui di lubrificazione come olio o grasso, saponi, stearati o polvere. Hielscher Ultrasonics offre diversi sistemi a ultrasuoni per la pulizia in linea di profili continui.
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Cosa rende la sonicazione un metodo di lavorazione superiore?

La sonicazione, ovvero l'uso di onde sonore ad alta frequenza per agitare i liquidi, è un metodo di lavorazione efficiente per una serie di motivi. Ecco alcuni motivi per cui la sonicazione ad alta intensità e bassa frequenza di circa 20kHz è particolarmente efficace e vantaggiosa per il trattamento di liquidi e impasti:

1. Cavitazione: Uno dei meccanismi principali della sonicazione è la creazione e il collasso di piccole bolle, un fenomeno chiamato cavitazione. A 20 kHz, le onde sonore hanno la frequenza giusta per creare e far collassare le bolle in modo efficiente. Il collasso di queste bolle produce onde d'urto ad alta energia, che possono rompere le particelle e disgregare le cellule nel liquido sonicato.
2. Oscillazione e vibrazione: Oltre alla cavitazione acustica generata, l'oscillazione della sonda a ultrasuoni crea un'ulteriore agitazione e miscelazione nel liquido, favorendo il trasferimento di massa e/o il degassamento.
3. Penetrazione: Le onde sonore a 20 kHz hanno una lunghezza d'onda relativamente lunga, che consente loro di penetrare in profondità nei liquidi. La cavitazione ultrasonica è un fenomeno localizzato che compare nell'area circostante la sonda ultrasonica. Con l'aumentare della distanza dalla sonda, l'intensità della cavitazione diminuisce. Tuttavia, la sonicazione a 20 kHz è in grado di trattare efficacemente volumi maggiori di liquido, rispetto alla sonicazione a frequenza più elevata, che ha lunghezze d'onda inferiori e può essere più limitata nella sua profondità di penetrazione.
4. Basso consumo energetico: La sonicazione può essere realizzata con un consumo energetico relativamente basso rispetto ad altri metodi di lavorazione come l'omogeneizzazione ad alta pressione o l'agitazione meccanica. Ciò la rende un metodo più efficiente dal punto di vista energetico ed economico per il trattamento dei liquidi.
5. Scalabilità lineare: I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare su volumi più o meno grandi. Ciò rende affidabili gli adattamenti del processo di produzione, in quanto la qualità del prodotto può essere mantenuta costantemente stabile.
6. Flusso batch e in linea: La sonicazione a ultrasuoni può essere eseguita come processo batch o continuo in linea. Per la sonicazione di lotti, la sonda a ultrasuoni viene inserita nel recipiente aperto o nel reattore batch chiuso. Per la sonicazione di un flusso continuo, viene installata una cella di flusso a ultrasuoni. Il fluido liquido passa attraverso il sonotrodo (asta vibrante a ultrasuoni) in un unico passaggio o in ricircolo ed è esposto in modo altamente uniforme ed efficiente alle onde ultrasonore.

Nel complesso, le intense forze di cavitazione, il basso consumo energetico e la scalabilità del processo rendono la sonicazione a bassa frequenza e ad alta potenza un metodo efficiente per il trattamento dei liquidi.

Principio di funzionamento e utilizzo della lavorazione a ultrasuoni

L'ultrasonicazione è una tecnologia di trattamento commerciale, adottata da numerose industrie per la produzione su larga scala. L'elevata affidabilità e scalabilità, i bassi costi di manutenzione e l'alta efficienza energetica rendono i processori a ultrasuoni una buona alternativa alle tradizionali apparecchiature per il trattamento dei liquidi. Gli ultrasuoni offrono altre interessanti opportunità: La cavitazione, l'effetto ultrasonico di base, produce risultati unici nei processi biologici, chimici e fisici. Ad esempio, la dispersione e l'emulsione a ultrasuoni producono facilmente formulazioni stabili di dimensioni nanometriche. Anche nel campo dell'estrazione botanica, gli ultrasuoni sono una tecnica non termica per isolare i composti bioattivi.

Mentre gli ultrasuoni a bassa intensità o ad alta frequenza sono utilizzati principalmente per l'analisi, i test non distruttivi e la diagnostica per immagini, gli ultrasuoni ad alta intensità sono utilizzati per il trattamento di liquidi e paste, dove le onde ultrasonore intense sono utilizzate per la miscelazione, l'emulsione, la dispersione e la deagglomerazione, la disintegrazione cellulare o la disattivazione degli enzimi. Quando si sonicano liquidi ad alta intensità, le onde sonore si propagano attraverso il mezzo liquido. Ciò comporta l'alternarsi di cicli di alta pressione (compressione) e di bassa pressione (rarefazione), con velocità 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 metri al secondo.

La cavitazione ultrasonica nei liquidi può causare un degassamento rapido e completo; avviare varie reazioni chimiche generando ioni chimici liberi (radicali); accelerare le reazioni chimiche facilitando la miscelazione dei reagenti; migliorare le reazioni di polimerizzazione e depolimerizzazione disperdendo gli aggregati o rompendo in modo permanente i legami chimici nelle catene polimeriche; aumentare i tassi di emulsione; migliorare i tassi di diffusione; produrre emulsioni altamente concentrate o dispersioni uniformi di materiali di dimensioni micrometriche o nanometriche; favorire l'estrazione di sostanze come gli enzimi da cellule animali, vegetali, di lievito o batteriche; rimuovere i virus dai tessuti infetti; infine, erodere e disgregare le particelle sensibili, compresi i microrganismi. (cfr. Kuldiloke 2002)

Gli ultrasuoni ad alta intensità producono una violenta agitazione nei liquidi a bassa viscosità, che può essere utilizzata per disperdere i materiali nei liquidi. (cfr. Ensminger, 1988) Alle interfacce liquido/solido o gas/solido, l'implosione asimmetrica delle bolle di cavitazione può causare turbolenze estreme che riducono lo strato limite di diffusione, aumentano il trasferimento di massa per convezione e accelerano notevolmente la diffusione in sistemi in cui non è possibile la miscelazione ordinaria. (cfr. Nyborg, 1965)

Letteratura