Trattamento a ultrasuoni di liquidi, sospensioni e reazioni chimiche
La sonicazione è un metodo di trattamento meccanico che genera cavitazione acustica e forze fisiche molto intense. Per questo motivo, gli ultrasuoni vengono utilizzati per numerose applicazioni, quali miscelazione, omogeneizzazione, macinazione, dispersione, emulsificazione, estrazione, degasaggio e reazioni sonochimiche.
Trova la tua applicazione nella tabella qui sotto, fai clic sul collegamento e passa direttamente al processo che ti interessa! Scopri come la sonicazione migliora il processo e la sua efficienza.
| Applicazione | Ideale per |
|---|---|
| Omogeneizzazione | Creare sospensioni, emulsioni e miscele liquide uniformi |
| Dispersione e deagglomerazione | Disgregare gli agglomerati di particelle e distribuire uniformemente i solidi nei liquidi |
| Emulsificazione | Produrre microemulsioni e nanoemulsioni stabili con goccioline di piccole dimensioni |
| Macinazione a umido | Micronizzare e ridurre a dimensioni nanometriche le particelle nelle sospensioni liquide |
| Disgregazione cellulare e lisi | Disgregazione cellulare di cellule di mammiferi, piante, batteri, alghe e lieviti come fase preanalitica di preparazione dei campioni. |
| Estrazione | Recuperare composti bioattivi, oli, proteine ed estratti naturali |
| Sonochimica | Accelerare le reazioni chimiche e migliorare l’efficienza del processo |
| Produzione di biodiesel | Intensificare la transesterificazione e ridurre i tempi di reazione |
| Degasaggio e deschiumaggio | Rimuovere i gas disciolti e l’aria inglobata dai liquidi |
| Pulizia in linea di fili e profilati | Pulizia in linea di fili, cavi, nastri, tubi e profilati |
| Cavitazione acustica | Comprendere il principio fisico alla base del trattamento a ultrasuoni |
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L’UIP1000hdT è un potente sonicatore da 1000 watt per applicazioni di omogeneizzazione, macinazione ed estrazione.
Omogeneizzazione a ultrasuoni
Gli omogeneizzatori a ultrasuoni riducono le dimensioni delle piccole particelle presenti in un liquido per migliorare l’uniformità e la stabilità della dispersione. Le particelle (fase dispersa) possono essere solidi o goccioline liquide sospesi in una fase liquida. L’omogeneizzazione a ultrasuoni è molto efficiente nella riduzione delle dimensioni di particelle morbide e dure. Hielscher produce sonicatori 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 2000L oppure operare con portate da 0,1L 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 dei solidi nei liquidi sono un’importante applicazione dei sonicatori a sonda. La cavitazione ultrasonica / acustica genera elevate forze di taglio che disgregano gli agglomerati in singole particelle disperse individualmente. La miscelazione di polveri nei liquidi è una fase comune nella formulazione di diversi prodotti, quali pitture, vernici, prodotti cosmetici, alimenti e bevande o mezzi di lucidatura. Le singole particelle sono tenute insieme da forze di attrazione di diversa natura fisica e chimica, comprese le forze di van der Waals e la tensione superficiale del liquido. La sonicazione supera queste forze di attrazione per deagglomerare e disperdere le particelle nei mezzi liquidi. Per la dispersione e la deagglomerazione delle polveri nei liquidi, la sonicazione ad alta intensità è un’interessante alternativa agli omogeneizzatori ad alta pressione, ai miscelatori ad alto taglio, ai mulini a sfere o ai miscelatori rotore-statore.
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Emulsificazione a ultrasuoni
Un’ampia gamma di prodotti intermedi e di consumo, quali cosmetici e lozioni per la pelle, pomate farmaceutiche, vernici, pitture, lubrificanti e carburanti, è basata interamente 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 da disperdere una fase liquida (fase dispersa) sotto forma di piccole goccioline in una seconda fase (fase continua). Nella zona di dispersione, le bolle di cavitazione che implodono provocano intense onde d’urto nel liquido circostante e determinano la formazione di getti liquidi ad alta velocità (taglio elevato). La sonicazione può essere adattata con precisione alle dimensioni desiderate delle goccioline dell’emulsione, consentendo così la produzione affidabile di microemulsioni e nanoemulsioni.
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Macinazione a umido e triturazione a ultrasuoni
La sonicazione è un mezzo efficiente per la macinazione a umido e la microtriturazione delle particelle. Gli ultrasuoni offrono numerosi vantaggi, in particolare nella produzione di sospensioni con particelle di dimensioni superfini. Sono superiori alle apparecchiature tradizionali per la riduzione dimensionale, quali mulini colloidali (ad es. mulini a palle e mulini a sfere), mulini a dischi o mulini a getto. La sonicazione può trattare sospensioni ad alta concentrazione e ad alta viscosità – riducendo quindi il volume da trattare. Naturalmente, la macinazione a ultrasuoni è adatta al trattamento di materiali di dimensioni micrometriche e nanometriche, quali ceramiche, pigmenti, solfato di bario, carbonato di calcio o ossidi metallici. Soprattutto nel caso dei nanomateriali, la sonicazione eccelle nelle prestazioni, poiché le sue forze di taglio estremamente efficaci generano nanoparticelle uniformemente piccole.
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TiO2 essiccato a spruzzo prima e dopo la macinazione a ultrasuoni
Disgregazione cellulare e lisi a ultrasuoni
Il trattamento a ultrasuoni può disgregare il materiale fibroso e cellulosico in particelle fini e rompere le pareti della struttura cellulare. In questo modo viene rilasciata nel liquido una maggiore quantità di materiale intracellulare, come amido o zucchero. Questo effetto può essere utilizzato per la fermentazione, la digestione e altri processi di conversione della materia organica. Dopo la macinazione e la triturazione, la sonicazione rende disponibile agli enzimi che convertono l’amido in zuccheri una maggiore quantità di materiale intracellulare, ad es. amido, oltre ai frammenti delle pareti cellulari. Aumenta inoltre la superficie esposta agli enzimi durante la liquefazione o la saccarificazione. Ciò aumenta generalmente la velocità e la resa della fermentazione con lieviti e di altri processi di conversione, ad es. per incrementare la produzione di etanolo dalla biomassa.
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Estrazione a ultrasuoni di sostanze vegetali
L’estrazione di composti bioattivi contenuti nelle cellule e nelle particelle subcellulari è un’applicazione ampiamente diffusa degli ultrasuoni ad alta intensità. L’estrazione a ultrasuoni viene utilizzata per isolare metaboliti secondari (ad es. polifenoli), polisaccaridi, proteine, oli essenziali e altri principi attivi dalla matrice cellulare di piante e funghi. Adatta all’estrazione di composti organici con acqua e solventi, la sonicazione migliora significativamente la resa di estrazione delle sostanze vegetali contenute nelle piante o nei semi. L’estrazione a ultrasuoni viene utilizzata per la produzione di prodotti farmaceutici, nutraceutici / integratori alimentari, fragranze e additivi biologici. Gli ultrasuoni costituiscono una tecnica di estrazione ecologica utilizzata anche per l’estrazione di componenti bioattivi nelle bioraffinerie, ad es. per liberare composti preziosi da flussi di sottoprodotti inutilizzati generati nei processi industriali. La sonicazione è una tecnologia altamente efficace per l’estrazione di sostanze vegetali su scala di laboratorio e di produzione.
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Reattore a ultrasuoni da 16.000 watt per il trattamento di liquidi potenziato dagli ultrasuoni.
Applicazione sonochimica degli ultrasuoni
La sonochimica è l’applicazione degli ultrasuoni alle reazioni e ai processi chimici. Il meccanismo che provoca gli effetti sonochimici nei liquidi è il fenomeno della cavitazione acustica. Gli effetti sonochimici sulle reazioni e sui processi chimici comprendono l’aumento della velocità o della resa di reazione, un utilizzo 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 dei reagenti o dei catalizzatori.
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Transesterificazione a ultrasuoni dell’olio (esausto) in biodiesel
La sonicazione aumenta la velocità della reazione chimica e la resa della transesterificazione di oli vegetali e grassi animali in biodiesel. Ciò consente di passare dalla produzione in batch al trattamento a flusso continuo e riduce i costi di investimento e di esercizio. Uno dei principali vantaggi della produzione di biodiesel a ultrasuoni è l’utilizzo di oli esausti, come gli oli da cucina usati 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 comporta la transesterificazione degli acidi grassi, catalizzata da una base, con metanolo o etanolo per ottenere i corrispondenti esteri metilici o etilici. La sonicazione può raggiungere una resa di biodiesel superiore al 99%. Gli ultrasuoni riducono significativamente il tempo di trattamento e il tempo di separazione.
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Degasaggio, deaerazione e deschiumaggio dei liquidi a ultrasuoni
Il degasaggio dei liquidi è un’altra importante applicazione dei sonicatori a sonda. Le vibrazioni ultrasoniche e la cavitazione provocano la coalescenza dei gas disciolti in un liquido. Quando le minuscole bolle di gas si uniscono, formano bolle più grandi che risalgono rapidamente alla superficie del liquido, da dove possono essere rimosse. Pertanto, il degasaggio e la deaerazione a ultrasuoni possono ridurre il livello di gas disciolto 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, quali fili e cavi, nastri o tubi. L’effetto della potente cavitazione ultrasonica 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 profilati continui.
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Che cosa rende la sonicazione un metodo di trattamento superiore?
La sonicazione, ovvero l’uso di onde sonore ad alta frequenza per agitare i liquidi, è un metodo di trattamento efficiente per diversi motivi. Ecco alcuni motivi per cui la sonicazione ad alta intensità e a bassa frequenza, circa 20kHz, è particolarmente efficace e vantaggiosa per il trattamento di liquidi e sospensioni:
- Cavitazione: Uno dei principali meccanismi della sonicazione è la formazione e il collasso di minuscole bolle, un fenomeno chiamato cavitazione. A 20kHz, le onde sonore hanno proprio la frequenza adatta a creare e far collassare le bolle in modo efficiente. Il collasso di queste bolle produce onde d’urto ad alta energia, che possono disgregare le particelle e le cellule nel liquido sottoposto a sonicazione.
- Oscillazione e vibrazione: Oltre alla cavitazione acustica generata, l’oscillazione della sonda a ultrasuoni crea ulteriore agitazione e miscelazione nel liquido, favorendo così il trasferimento di massa e/o il degasaggio.
- Penetrazione: Le onde sonore a 20kHz hanno una lunghezza d’onda relativamente elevata, che consente loro di penetrare in profondità nei liquidi. La cavitazione ultrasonica è un fenomeno localizzato che si manifesta nelle vicinanze della sonda a ultrasuoni. Con l’aumentare della distanza dalla sonda, l’intensità della cavitazione diminuisce. Tuttavia, la sonicazione a 20kHz può trattare efficacemente volumi di liquido maggiori rispetto alla sonicazione a frequenze più elevate, che presenta lunghezze d’onda più corte e può avere una profondità di penetrazione più limitata.
- Basso consumo energetico: La sonicazione può essere effettuata con un consumo energetico relativamente basso rispetto ad altri metodi di trattamento, come l’omogeneizzazione ad alta pressione o l’agitazione meccanica. Ciò la rende un metodo più efficiente dal punto di vista energetico e più economico per il trattamento dei liquidi.
- Scalabilità lineare: I processi a ultrasuoni possono essere scalati in modo completamente lineare a volumi maggiori o minori. Questo rende affidabili gli adattamenti del processo nella produzione, poiché la qualità del prodotto può essere mantenuta costantemente stabile.
- Trattamento in batch e a flusso in linea: La sonicazione può essere effettuata in batch o mediante processi continui in linea. Per la sonicazione dei 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 mezzo liquido passa davanti al sonotrodo (asta che vibra a frequenza ultrasonica) in un singolo passaggio o in ricircolo ed è esposto alle onde ultrasoniche in modo estremamente uniforme ed efficiente.
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 del trattamento a ultrasuoni
La sonicazione è una tecnologia di trattamento commerciale adottata da numerosi settori industriali per la produzione su larga scala. L’elevata affidabilità e scalabilità, insieme ai bassi costi di manutenzione e all’elevata efficienza energetica, rendono i processori a ultrasuoni una valida alternativa alle apparecchiature tradizionali per il trattamento dei liquidi. Gli ultrasuoni offrono ulteriori interessanti opportunità: la cavitazione – l’effetto fondamentale degli ultrasuoni – produce risultati unici nei processi biologici, chimici e fisici. Ad esempio, la dispersione e l’emulsificazione a ultrasuoni producono facilmente formulazioni stabili di dimensioni nanometriche. Anche nel campo dell’estrazione di sostanze vegetali, gli ultrasuoni costituiscono una tecnica non termica per isolare composti bioattivi.
La miscelazione a ultrasuoni si basa sulla cavitazione acustica e sulle sue forze di taglio idrodinamiche.
Mentre gli ultrasuoni a bassa intensità o ad alta frequenza vengono utilizzati principalmente per analisi, prove non distruttive e imaging, gli ultrasuoni ad alta intensità vengono impiegati per il trattamento di liquidi e paste, in cui intense onde ultrasoniche vengono utilizzate per miscelazione, emulsificazione, dispersione e deagglomerazione, disgregazione cellulare o disattivazione enzimatica. Durante la sonicazione dei liquidi ad alta intensità, le onde sonore si propagano attraverso i mezzi liquidi. Ciò determina cicli alternati di alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con ritmi dipendenti dalla frequenza. Durante il ciclo di bassa pressione, le onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o cavità nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo di alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l’implosione si raggiungono localmente temperature molto elevate (circa 5.000K) e pressioni molto elevate (circa 2.000atm). L’implosione della bolla di cavitazione genera inoltre getti liquidi con velocità fino a 280 metri al secondo.
La cavitazione ultrasonica nei liquidi può provocare un degasaggio rapido e completo; avviare diverse reazioni chimiche generando ioni chimici liberi (radicali); accelerare le reazioni chimiche facilitando la miscelazione dei reagenti; potenziare le reazioni di polimerizzazione e depolimerizzazione disperdendo gli aggregati o rompendo permanentemente i legami chimici nelle catene polimeriche; aumentare la velocità di emulsificazione; migliorare la velocità di diffusione; produrre emulsioni altamente concentrate o dispersioni uniformi di materiali di dimensioni micrometriche o nanometriche; agevolare l’estrazione di sostanze come gli enzimi da cellule animali, vegetali, di lieviti o batteriche; rimuovere virus dai tessuti infetti; e, infine, erodere e disgregare particelle suscettibili, 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 materiali nei liquidi. (cfr. Ensminger, 1988) Alle interfacce liquido/solido o gas/solido, l’implosione asimmetrica delle bolle di cavitazione può provocare turbolenze estreme che riducono lo strato limite di diffusione, aumentano il trasferimento di massa per convezione e accelerano considerevolmente la diffusione nei sistemi in cui la miscelazione ordinaria non è possibile. (cfr. Nyborg, 1965)
Potente cavitazione ultrasonica presso il Hielscher Cascatrode
Domande frequenti sui sonicatori da laboratorio, da banco e industriali
I processori a ultrasuoni Hielscher sono progettati per applicazioni industriali gravose?
Sì. I dispositivi industriali a ultrasuoni Hielscher sono espressamente progettati per funzionare in continuo a carichi elevati in ambienti industriali gravosi. Con potenze in uscita da 500 watt a 16 kilowatt per unità, sono costruiti per soddisfare le rigorose esigenze dei processi produttivi su larga scala che i dispositivi da laboratorio non possono gestire.
Quanto sono resistenti i sonicatori Hielscher in condizioni difficili?
I sonicatori Hielscher sono costruiti per offrire una durata eccezionale. Ogni singolo componente della serie UIP è progettato e collaudato meticolosamente per garantire prestazioni a lungo termine. Nelle installazioni reali in tutto il mondo, questi sistemi resistono abitualmente all’installazione all’aperto, all’esposizione ad aria polverosa, a spruzzi di liquidi e a manipolazioni brusche senza compromettere la funzionalità.
Ci si può affidare alle apparecchiature Hielscher per il funzionamento continuo, 24/7?
Assolutamente sì. L’affidabilità è un pilastro fondamentale della progettazione industriale di Hielscher. I suoi processori a ultrasuoni sono costruiti specificamente per il funzionamento continuo in ambienti impegnativi, garantendo una qualità di trattamento costante e tempi di fermo minimi per la linea di produzione. Questa affidabilità è essenziale quando i volumi di trattamento aumentano e i costi operativi sono determinanti.
Che cosa rende i dispositivi a ultrasuoni Hielscher adatti ad ambienti industriali impegnativi?
I dispositivi Hielscher eccellono negli ambienti impegnativi perché combinano elevata potenza, costruzione robusta ed eccezionale efficienza energetica. I loro processori industriali mantengono un’efficienza superiore all’85%, che non solo riduce i costi dell’elettricità, ma garantisce anche una potenza meccanica in uscita stabile sotto carichi elevati. Ciò li rende ideali per applicazioni impegnative di trattamento dei liquidi, come la produzione di biodiesel, la macinazione dei pigmenti e la formulazione di nanomateriali.
I sonicatori industriali Hielscher offrono una lunga durata nel tempo?
Sì, la longevità è un principio fondamentale della progettazione Hielscher. Poiché ogni componente viene rigorosamente collaudato per garantire prestazioni continuative, questi sistemi sono costruiti per durare anni in uso continuo. Grazie anche all’elevata efficienza di conversione energetica e alla robusta qualità costruttiva, i processori Hielscher offrono prestazioni affidabili e durature anche negli ambienti industriali più intensivi.
Come garantisce Hielscher l’affidabilità delle apparecchiature nel passaggio dal laboratorio alla produzione?
Hielscher affronta la scalabilità offrendo gruppi di unità industriali che assicurano maggiore ridondanza e adattabilità della capacità. Impiegando più processori ad alta potenza (ad es. gruppi di 6xUIP10000), gli impianti possono mantenere un funzionamento affidabile e continuo trattando volumi enormi (fino a 50 metri cubi all’ora) senza sovraccaricare i singoli componenti. Questo approccio modulare, progettato per impieghi gravosi, garantisce sia l’affidabilità sia la costanza del processo su larga scala.
Bibliografia
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).
Reattore a ultrasuoni con 4x sonde da 2000 watt (8kW) per processi sonochimici.
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni dalla scala di laboratorio alla scala industriale.