Cavitazione ultrasonica nei liquidi

La cavitazione ultrasonica è la forza motrice alla base del trattamento ultrasonico dei liquidi ad alta intensità. Quando potenti ultrasuoni vengono accoppiati a un liquido, si formano microscopiche bolle di vapore che crescono e collassano violentemente. Questa cavitazione acustica crea intense forze di taglio locali, microgetti, onde d'urto, variazioni di pressione ed effetti di micromiscelazione in grado di accelerare l'omogeneizzazione, la dispersione, l'emulsificazione, l'estrazione, il degassamento, la distruzione cellulare e le reazioni sonochimiche.

I sonicatori a sonda Hielscher utilizzano la cavitazione acustica controllata per trasferire l'energia ultrasonica direttamente in liquidi, sospensioni e impasti. Dai piccoli campioni di laboratorio alla produzione industriale in flusso continuo, i sistemi Hielscher consentono di regolare l'ampiezza, la geometria del sonotrodo, la pressione, la temperatura, la portata e il tempo di permanenza per ottenere risultati di cavitazione riproducibili.

• Per i laboratori: sviluppare e ottimizzare i parametri di sonicazione su piccoli volumi.
• Per gli impianti pilota: verificare i processi basati sulla cavitazione in condizioni operative realistiche.
• Per la produzione: integrare la cavitazione ultrasonica in processi discontinui, a ricircolo o continui in linea.

Il principio di funzionamento della cavitazione a ultrasuoni

Quando si sonicano i liquidi ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nel mezzo liquido danno luogo a cicli alternati di alta pressione (compressione) e 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 280m/s.

La cavitazione acustica (generata dagli ultrasuoni di potenza) crea localmente condizioni estreme, i cosiddetti effetti sonomeccanici e sicochimici. Grazie a questi effetti, la sonicazione promuove reazioni chimiche che portano a rendimenti più elevati, a una maggiore velocità di reazione, a nuovi percorsi e a una migliore efficienza complessiva.

Principali applicazioni dei sonicatori e della cavitazione acustica

Gli ultrasonori a sonda, noti anche come sonde a ultrasuoni, generano efficacemente un'intensa cavitazione acustica nei liquidi. Per questo motivo, sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni in diversi settori industriali. Alcune delle applicazioni più importanti della cavitazione acustica generata dagli ultrasuonatori a sonda includono:
 

1. Omogeneizzazione: Le sonde a ultrasuoni possono generare un'intensa cavitazione, caratterizzata da un campo di vibrazioni e forze di taglio ad alta densità energetica. Queste forze forniscono un'eccellente miscelazione e riduzione delle dimensioni delle particelle. L'omogeneizzazione a ultrasuoni produce sospensioni uniformemente miscelate. Pertanto, la sonicazione viene utilizzata per produrre sospensioni colloidali omogenee con curve di distribuzione strette.
2. Dispersione di nanoparticelle: Gli ultrasonici vengono impiegati per la dispersione, la deagglomerazione e la macinazione a umido delle nanoparticelle. Le onde ultrasonore a bassa frequenza possono generare una cavitazione impattante, che rompe gli agglomerati e riduce le dimensioni delle particelle. In particolare, l'elevato taglio dei getti di liquido accelera le particelle nel liquido, che si scontrano tra loro (collisione interparticellare) in modo che le particelle si rompano e si erodano. In questo modo si ottiene una distribuzione uniforme e stabile delle particelle, evitando la sedimentazione. Questo aspetto è fondamentale in diversi campi, tra cui le nanotecnologie, la scienza dei materiali e la farmaceutica.
3. Emulsione e miscelazione: Gli ultrasuoni a sonda sono utilizzati per creare emulsioni e miscelare i liquidi. L'energia ultrasonica provoca la cavitazione, la formazione e il collasso di bolle microscopiche che generano intense forze di taglio locali. Questo processo favorisce l'emulsione di liquidi immiscibili, producendo emulsioni stabili e finemente disperse.
4. Estrazione: Grazie alle forze di taglio cavitazionali, gli ultrasonici sono molto efficienti nel disgregare le strutture cellulari e nel migliorare il trasferimento di massa tra solido e liquido. Pertanto, l'estrazione a ultrasuoni è ampiamente utilizzata per rilasciare materiale intracellulare come i composti bioattivi per la produzione di estratti botanici di alta qualità.
5. Degassificazione e disaerazione: Gli ultrasonici a sonda vengono impiegati per rimuovere le bolle di gas o i gas disciolti dai liquidi. L'applicazione della cavitazione a ultrasuoni favorisce la coalescenza delle bolle di gas in modo che crescano e galleggino in cima al liquido. La cavitazione a ultrasuoni rende la degassificazione una procedura rapida ed efficiente. Ciò è utile in diversi settori, come quello delle vernici, dei fluidi idraulici o della lavorazione di alimenti e bevande, dove la presenza di gas può avere un impatto negativo sulla qualità e sulla stabilità del prodotto.
6. Sonocatalisi: Le sonde a ultrasuoni possono essere utilizzate per la sonocatalisi, un processo che combina la cavitazione acustica con i catalizzatori per migliorare le reazioni chimiche. La cavitazione generata dalle onde ultrasoniche migliora il trasferimento di massa, aumenta la velocità di reazione e promuove la produzione di radicali liberi, portando a trasformazioni chimiche più efficienti e selettive.
7. Preparazione del campione: Gli ultrasonici a sonda sono comunemente utilizzati nei laboratori per la preparazione dei campioni. Vengono utilizzati per omogeneizzare, disaggregare ed estrarre campioni biologici, come cellule, tessuti e virus. L'energia ultrasonica generata dalla sonda rompe le membrane cellulari, liberando i contenuti cellulari e facilitando le analisi successive.
8. Disintegrazione e rottura delle cellule: Gli ultrasuonatori a sonda sono utilizzati per disintegrare e disgregare cellule e tessuti per vari scopi, come l'estrazione di componenti intracellulari, l'inattivazione microbica o la preparazione dei campioni per le analisi. Le onde ultrasoniche ad alta intensità e la cavitazione così generata causano stress meccanico e forze di taglio, con conseguente disintegrazione delle strutture cellulari. Nella ricerca biologica e nella diagnostica medica, gli ultrasuoni a sonda sono utilizzati per la lisi cellulare, il processo di rottura delle cellule per rilasciare i loro componenti intracellulari. L'energia ultrasonica distrugge le pareti cellulari, le membrane e gli organelli, consentendo l'estrazione di proteine, DNA, RNA e altri componenti cellulari.

 
Queste sono alcune delle applicazioni principali degli ultrasonici a sonda, ma la tecnologia ha una gamma ancora più ampia di altri impieghi, tra cui la sicochimica, la riduzione delle dimensioni delle particelle (wet-milling), la sintesi bottom-up delle particelle e la sono-sintesi di sostanze e materiali chimici in vari settori come quello farmaceutico, alimentare, biotecnologico e ambientale.

Una sequenza ad alta velocità (da a a f) di fotogrammi che illustrano l'esfoliazione sono-meccanica di un fiocco di grafite in acqua utilizzando l'UP200S, un ultrasuonatore da 200 W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce mostrano il luogo di spaccatura delle particelle con bolle di cavitazione che penetrano nella spaccatura.
© Tyurnina et al. 2020

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:

Video della cavitazione acustica in un liquido

Il video seguente mostra la cavitazione acustica sul cascatrodo dell'ultrasonorizzatore UIP1000hdT in una colonna di vetro riempita d'acqua. La colonna di vetro è illuminata dal basso con luce rossa per migliorare la visualizzazione delle bolle di cavitazione.