Cavitazione ultrasonica nei liquidi

La cavitazione ultrasonica è la forza motrice del trattamento dei liquidi con ultrasuoni ad alta intensità. Quando ultrasuoni potenti vengono accoppiati a un liquido, si formano bolle microscopiche di vapore che crescono e collassano violentemente. Questa cavitazione acustica genera intense forze di taglio locali, microgetti, onde d’urto, variazioni di pressione ed effetti di micromiscelazione che possono accelerare l’omogeneizzazione, la dispersione, l’emulsificazione, l’estrazione, il degasaggio, la disgregazione 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 sospensioni dense. Dai piccoli campioni di laboratorio alla produzione industriale continua a flusso passante, 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 in piccoli volumi.
• Per gli impianti pilota: convalidare i processi basati sulla cavitazione in condizioni di trattamento realistiche.
• Per la produzione: trasferire la cavitazione ultrasonica su scala maggiore in processi a lotti, a ricircolo o continui in linea.

Il principio di funzionamento della cavitazione ultrasonica

Durante la sonicazione dei liquidi ad alta intensità, le onde sonore che si propagano nei mezzi liquidi producono cicli alternati ad alta pressione (compressione) e a bassa pressione (rarefazione), che si susseguono a ritmi dipendenti dalla frequenza. Durante il ciclo a 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 ad alta pressione. Questo fenomeno è denominato 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 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 sonochimici. Grazie a questi effetti, la sonicazione favorisce reazioni chimiche che portano a rese più elevate, a una maggiore velocità di reazione, a nuovi percorsi di reazione e a una migliore efficienza complessiva.

Principali applicazioni dei sonicatori e della cavitazione acustica

I sonicatori 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 dai sonicatori a sonda comprendono:
 

1. Omogeneizzazione: Le sonde a ultrasuoni possono generare un’intensa cavitazione, caratterizzata da un campo ad alta densità energetica di vibrazioni e forze di taglio. Queste forze garantiscono un’eccellente miscelazione, amalgamazione e riduzione delle dimensioni delle particelle. L’omogeneizzazione a ultrasuoni produce sospensioni miscelate uniformemente. Pertanto, la sonicazione viene utilizzata per produrre sospensioni colloidali omogenee con curve di distribuzione ristrette.
2. Dispersione di nanoparticelle: I sonicatori vengono impiegati per la dispersione, la deagglomerazione e la macinazione a umido delle nanoparticelle. Le onde ultrasoniche a bassa frequenza possono generare una cavitazione intensa, che disgrega gli agglomerati e riduce le dimensioni delle particelle. In particolare, le elevate forze di taglio dei getti di liquido accelerano le particelle nel liquido, che collidono tra loro (collisione interparticellare), causando così la frattura e l’erosione delle particelle. Ne risulta una distribuzione uniforme e stabile delle particelle, che impedisce la sedimentazione. Questo è fondamentale in vari ambiti, tra cui la nanotecnologia, la scienza dei materiali e il settore farmaceutico.
3. Emulsificazione e miscelazione: I sonicatori a sonda vengono utilizzati per creare emulsioni e miscelare liquidi. L’energia ultrasonica provoca la cavitazione, ossia la formazione e il collasso di bolle microscopiche, che genera intense forze di taglio locali. Questo processo facilita l’emulsificazione di liquidi immiscibili, producendo emulsioni stabili e finemente disperse.
4. Estrazione: Grazie alle forze di taglio generate dalla cavitazione, i sonicatori sono altamente efficienti nella disgregazione delle strutture cellulari e nel miglioramento del 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. Degasaggio e disaerazione: I sonicatori a sonda vengono impiegati per rimuovere bolle di gas o gas disciolti dai liquidi. L’applicazione della cavitazione ultrasonica favorisce la coalescenza delle bolle di gas, che crescono e risalgono alla superficie del liquido. La cavitazione ultrasonica rende il degasaggio una procedura rapida ed efficiente. Questo è utile in diversi settori, ad esempio nelle vernici, nei fluidi idraulici o nella lavorazione di alimenti e bevande, dove la presenza di gas può influire negativamente 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 potenziare le reazioni chimiche. La cavitazione generata dalle onde ultrasoniche migliora il trasferimento di massa, aumenta le velocità di reazione e favorisce la produzione di radicali liberi, portando a trasformazioni chimiche più efficienti e selettive.
7. Preparazione dei campioni: I sonicatori 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 disgrega le membrane cellulari, rilasciando il contenuto cellulare e facilitando le analisi successive.
8. Disintegrazione e disgregazione cellulare: I sonicatori a sonda vengono 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 l’analisi. Le onde ultrasoniche ad alta intensità e la cavitazione da esse generata causano sollecitazioni meccaniche e forze di taglio, provocando la disintegrazione delle strutture cellulari. Nella ricerca biologica e nella diagnostica medica, i sonicatori a sonda vengono utilizzati per la lisi cellulare, il processo di apertura delle cellule per rilasciare i loro componenti intracellulari. L’energia ultrasonica disgrega pareti cellulari, membrane e organelli, consentendo l’estrazione di proteine, DNA, RNA e altri costituenti cellulari.

 
Queste sono alcune delle principali applicazioni dei sonicatori a sonda, ma la tecnologia offre una gamma ancora più ampia di altri utilizzi, tra cui la sonochimica, la riduzione delle dimensioni delle particelle (macinazione a umido), la sintesi di particelle con approccio bottom-up e la sonosintesi di sostanze chimiche e materiali in vari settori, come l’industria farmaceutica, la lavorazione alimentare, la biotecnologia e le scienze ambientali.

Una sequenza di fotogrammi ad alta velocità (da a a f) che illustra l’esfoliazione sonomeccanica di una scaglia di grafite in acqua utilizzando UP200S, un sonicatore da 200W con sonotrodo da 3 mm. Le frecce indicano i punti in cui le particelle si separano, con bolle di cavitazione che penetrano nella fessura.
© Tyurnina et al. 2020

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

Video della cavitazione acustica in un liquido

Il video seguente mostra la cavitazione acustica in corrispondenza del cascatrode del sonicatore 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.