Aplicação de Ultrassom de Energia usando Chifres Ultrassônicos

Chifres ou sondas ultrassônicas são amplamente utilizados para aplicações de processamento líquido múltiplo, incluindo homogeneização, dispersão, moagem úmida, emulsificação, extração, desintegração, dissolução e desaeração. Aprenda o básico sobre chifres ultrassônicos, sondas ultrassônicas e suas aplicações.

Chifre Ultrassônico vs Sonda Ultrassônica

Muitas vezes, o termo chifre ultrassônico e sonda são usados intercambiavelmente e referem-se à haste ultrassônica que transmite as ondas de ultrassom para o líquido. Outros termos que são usados para a sonda ultrassônica são chifre acústico, sonotrode, guia de onda acústica ou dedo ultrassônico. No entanto, tecnicamente há uma diferença entre um chifre ultrassônico e uma sonda ultrassônica.
Ambos, chifre e sonda, referem-se a partes do chamado ultrassonicador tipo sonda. O chifre ultrassônico é a parte metálica do transdutor ultrassônico, que fica animado através de vibrações geradas piezoeletricamente. O chifre ultrassônico vibra em uma certa frequência, por exemplo, 20kHz, o que significa 20.000 vibrações por segundo. O titânio é o material preferido para a fabricação de chifres ultrassônicos devido às suas excelentes propriedades de transmissão acústica, sua robusta resistência à fadiga e dureza superficial.

A sonda ultrassônica também é chamada de sonotrode ou dedo ultrassônico. É uma haste de metal, na maioria das vezes feita de titânio, e enfiada ao chifre ultrassônico. A sonda ultrassônica é uma parte essencial do processador ultrassônico, que transmite as ondas de ultrassom para o meio sonicado. Sondas ultrassônicas / sonotrodes estão em várias formas (por exemplo, cônicas, inclinadas, afiladas ou como Cascatrode) disponíveis. Embora o titânio seja o material mais usado para sondas ultrassônicas, há também sonotrode feito de aço inoxidável, cerâmica, vidro e outros materiais disponíveis.

Uma vez que o chifre ultrassônico e a sonda estão sob constante compressão ou tensão durante a sônica, a seleção de material de chifre e sonda são cruciais. A liga de titânio de alta qualidade (grau 5) é considerada o metal mais confiável, durável e eficaz para suportar o estresse, para sustentar altas amplitudes durante longos períodos de tempo e transmitir as propriedades acústicas e mecânicas.

Ultrassonicadores de alto desempenho trabalham principalmente na faixa de frequência de 20-30kHz. A 20 kHz, a sonda ultrassônica é tipicamente uma haste ressonante de comprimento de onda de meio comprimento de onda, que está constantemente expandindo e contraindo 20.000 vezes por segundo. Os movimentos de expansão e contração são transmitidos como ultrassom de alta potência para o meio de processo, ou seja, fluido ou chorume, a fim de cumprir aplicações como

• mistura ultrassônica de alta cisalhamento
• ultra-sons moagem húmida
• dispersão ultrassônica de nanopartículas
• Nano-Emulsificação Ultrassônica
• Extração ultra-sônica
• Desintegração Ultrasonic
• interrupção celular ultrassônica e lise celular
• desgaseamento ultrassônico e desaeração
• sono-química (sono-síntese, sono-catálise)

Como funciona o ultrassom de energia? – O Princípio de Trabalho da Cavitação Acústica

Para aplicação ultrassônica de alto desempenho, como homogeneização, redução do tamanho das partículas, desintegração ou nano-dispersões, ultrassom de alta intensidade e baixa frequência é gerado por um transdutor de ultrassom e transmitido via chifre ultrassônico e sonda (sonotrode) em um líquido. O ultrassom de alta potência é considerado ultrassom na faixa de 16-30kHz. A sonda de ultrassom expande e contrai, por exemplo, a 20kHz, transmitindo respectivamente 20.000 vibrações por segundo para o meio. Quando as ondas ultrassônicas viajam através do líquido, alternando ciclos de alta pressão (compressão) / baixa pressão (rarefação/ expansão) criam cavidades minúsculas (bolhas de vácuo), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Durante a fase de compressão do líquido e das bolhas, a pressão é positiva, enquanto a fase de rarefação produz um vácuo (pressão negativa.) Durante os ciclos de expansão da compressão, as cavidades no líquido crescem até atingirem um tamanho, no qual não conseguem absorver mais energia. Neste ponto, eles implodem violentamente. A implosão dessas cavidades resulta em vários efeitos altamente energéticos, que são conhecidos como o fenômeno da cavitação acústica/ultrassônica. A cavitação acústica é caracterizada por múltiplos efeitos altamente energéticos, que impactam líquidos, sistemas sólidos/líquidos, bem como sistemas gás/líquido. A zona densa de energia ou zona cavitacional é conhecida como a chamada zona de ponto quente, que é mais densa em energia nas proximidades da sonda ultrassônica e diminui com a distância crescente do sonotrodo. As principais características da cavitação ultrassônica incluem temperaturas e pressões muito altas e respectivos diferenciais, turbulências e fluxo líquido. Durante a implosão de cavidades ultrassônicas em pontos quentes ultrassônicos, temperaturas de até 5000 Kelvin, pressões de até 200 atmosferas e jatos líquidos com até 1000km/h podem ser medidas. Essas excelentes condições de intensidade energética contribuem para efeitos sonoecânicos e sonológicos que intensificam processos e reações químicas de várias maneiras.
O principal impacto da ultrassônica nos líquidos e pastas são os seguintes:

• Alta tesoura: Forças ultrassônicas de alta cisalhamento interrompem líquidos e sistemas líquidos sólidos causando intensa agitação, homogeneização e transferência de massa.
• Impacto: Jatos líquidos e streaming gerados pela cavitação ultrassônica aceleram sólidos em líquidos, o que leva posteriormente à colisão interparticluar. Quando as partículas colidem em velocidades muito altas, elas corroem, quebram e se dispersam finamente, muitas vezes até o tamanho de nano. Para matérias biológicas, como materiais vegetais, os jatos líquidos de alta velocidade e ciclos de pressão alternados rompem as paredes celulares e liberam o material intracelular. Isso resulta na extração altamente eficiente de compostos bioativos e na mistura homogênea da matéria biológica.
• Agitação: A ultrassonização causa turbulências intensas, forças de cisalhamento e micro-movimento no líquido ou chorume. Assim, a sônica sempre intensifica a transferência de massa e acelera assim reações e processos.

Homogeneizadores ultrassônicos e misturadores de alta cisalhamento são usados em quase qualquer indústria de processamento, que trabalha com líquidos ou pastas. As intensas forças cavitacionais ultrassônicas criam intensa agitação, cisalhamento, quebra de partículas e transferência de massa. Assim, os líquidos são homogeneizados, dispersos, emulsionados, extraídos, dissolvidos e/ou reações químicas são iniciadas. No geral, a ultrassônica é um método de intensificação de processos que aumenta o rendimento, melhora as taxas de conversão e torna os processos mais eficientes.
Aplicações ultrassônicas comuns na indústria estão espalhadas por muitos ramos de alimentos & farmacêutica, química fina, energia & petroquímica, reciclagem, biorefinaries, etc. e incluem o seguinte:

• síntese de biodiesel ultrassônico
• homogeneização ultrassônica de sucos de frutas
• produção ultrassônica de vacinas
• reciclagem ultrassônica da bateria li-íon
• síntese ultrassônica de nanomates
• Formulação Ultrassônica de Fármacos
• nano-emulsificação ultrassônica do CBD
• extração ultrassônica de botânicos
• preparação de amostras ultrassônicas em laboratórios
• desgasificação ultrassônica de líquidos
• dessalfurização ultrassônica do petróleo bruto
• e muitos mais...

Chifres ultrassônicos e sondas para aplicações de alto desempenho

Hielscher Ultrasonics é fabricante de experiências de longa data fabricante e distribuidor de ultrassonicadores de alta potência, que são usados mundialmente para aplicações pesadas em muitas indústrias.
Com processadores ultrassônicos em todos os tamanhos de 50 watts a 16kW por dispositivo, sondas em vários tamanhos e formas, reatores ultrassônicos com diferentes volumes e geometrias, a Hielscher Ultrasonics tem o equipamento certo para configurar a configuração ultrassônica ideal para o seu aplicativo.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: