Aplicação de ultrassons de potência com cornetas ultrassónicas

As cornetas ou sondas ultrassónicas são amplamente utilizadas em diversas aplicações de processamento de líquidos, incluindo homogeneização, dispersão, moagem por via húmida, emulsificação, extração, desintegração, dissolução e desarejamento. Conheça os fundamentos das cornetas ultrassónicas, das sondas ultrassónicas e das suas aplicações.

Corneta ultrassónica vs. sonda ultrassónica

Os termos corneta ultrassónica e sonda ultrassónica são frequentemente utilizados de forma intercambiável e referem-se à haste ultrassónica que transmite as ondas de ultrassons para o líquido. Outros termos utilizados para designar a sonda ultrassónica são corneta acústica, sonotrodo, guia de ondas acústicas ou dedo ultrassónico. No entanto, tecnicamente existe uma diferença entre uma corneta ultrassónica e uma sonda ultrassónica.
Tanto a corneta como a sonda são componentes do chamado sonicador do tipo sonda. A corneta ultrassónica é a parte metálica do transdutor ultrassónico, que é excitada por vibrações geradas piezoeletricamente. A corneta ultrassónica vibra a uma determinada frequência, por exemplo, 20kHz, o que significa 20 000 vibrações por segundo. O titânio é o material preferido para o fabrico de cornetas ultrassónicas devido às suas excelentes propriedades de transmissão acústica, à sua elevada resistência à fadiga e à sua dureza superficial.

A sonda ultrassónica também é denominada sonotrodo ou dedo ultrassónico. É uma haste metálica, geralmente fabricada em titânio, e enroscada na corneta ultrassónica. A sonda ultrassónica é uma parte essencial do processador ultrassónico, que transmite as ondas de ultrassons para o meio submetido a sonicação. As sondas ultrassónicas / sonotrodos estão disponíveis em várias formas (por exemplo, cónicas, com ponta, afuniladas ou como Cascatrode). Embora o titânio seja o material mais utilizado para as sondas ultrassónicas, também estão disponíveis sonotrodos fabricados em aço inoxidável, cerâmica, vidro e outros materiais.

Uma vez que a corneta e a sonda ultrassónicas estão sob compressão ou tração constante durante a sonicação, a seleção dos seus materiais é crucial. A liga de titânio de alta qualidade (grau 5) é considerada o metal mais fiável, duradouro e eficaz para suportar tensões, manter amplitudes elevadas durante longos períodos e transmitir as propriedades acústicas e mecânicas.

A dissolução é uma aplicação comum da sonicação. O vídeo demonstra a rápida dissolução de cristais de açúcar em água com o Hielscher UP200St.

Os sonicadores de elevado desempenho funcionam sobretudo na gama de frequências de 20–30kHz. A 20 kHz, a sonda ultrassónica é normalmente uma haste ressonante com um comprimento de meio comprimento de onda, que se expande e contrai continuamente 20 000 vezes por segundo. Os movimentos de expansão e contração são transmitidos como ultrassons de alta potência para o meio de processamento, ou seja, fluido ou suspensão, para realizar aplicações como

• mistura ultrassónica de elevado cisalhamento
• moagem ultrassónica por via húmida
• dispersão ultrassónica de nanopartículas
• nanoemulsificação ultrassónica
• extração ultrassónica
• desintegração ultrassónica
• rutura celular e lise ultrassónicas
• desgaseificação e desarejamento ultrassónicos
• sonoquímica (sonossíntese, sonocatálise)

Como funcionam os ultrassons de potência? – O princípio de funcionamento da cavitação acústica

Para aplicações ultrassónicas de elevado desempenho, como homogeneização, redução do tamanho das partículas, desintegração ou nanodispersões, são gerados ultrassons de alta intensidade e baixa frequência por um transdutor ultrassónico e transmitidos para um líquido através de uma corneta ultrassónica e de uma sonda (sonotrodo). Consideram-se ultrassons de alta potência os ultrassons na gama de 16–30kHz. A sonda ultrassónica expande-se e contrai-se, por exemplo, a 20kHz, transmitindo assim 20 000 vibrações por segundo para o meio. Quando as ondas ultrassónicas se propagam pelo líquido, ciclos alternados 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 compressão e expansão, as cavidades no líquido crescem até atingirem um tamanho a partir do qual não conseguem absorver mais energia. Nesse momento, implodem violentamente. A implosão dessas cavidades resulta em vários efeitos altamente energéticos, conhecidos como o fenómeno de cavitação acústica / ultrassónica. A cavitação acústica caracteriza-se por diversos efeitos altamente energéticos, que afetam líquidos, sistemas sólido/líquido e sistemas gás/líquido. A zona de elevada densidade energética, ou zona de cavitação, é conhecida como a chamada zona de pontos quentes, cuja densidade energética é máxima nas proximidades imediatas da sonda ultrassónica e diminui à medida que aumenta a distância ao sonotrodo. As principais características da cavitação ultrassónica incluem temperaturas e pressões locais muito elevadas e os respetivos diferenciais, turbulência e escoamento do líquido. Durante a implosão das cavidades ultrassónicas nos pontos quentes ultrassónicos, podem medir-se temperaturas até 5000 Kelvin, pressões até 200 atmosferas e jatos de líquido com velocidades até 1000km/h. Estas condições excecionais de elevada energia contribuem para efeitos sonomecânicos e sonoquímicos que intensificam processos e reações químicas de várias formas.
Os principais efeitos da aplicação de ultrassons sobre líquidos e suspensões são os seguintes:

• Elevado cisalhamento: As forças ultrassónicas de elevado cisalhamento desestruturam líquidos e sistemas líquido-sólido, provocando agitação intensa, homogeneização e transferência de massa.
• Impacto: Os jatos e o escoamento de líquido gerados pela cavitação ultrassónica aceleram os sólidos nos líquidos, o que conduz subsequentemente a colisões entre partículas. Quando as partículas colidem a velocidades muito elevadas, sofrem erosão, fragmentam-se e são finamente moídas e dispersas, muitas vezes até à dimensão nanométrica. No caso de matéria biológica, como materiais vegetais, os jatos de líquido de alta velocidade e os ciclos alternados de pressão rompem as paredes celulares e libertam o material intracelular. Isto resulta numa extração altamente eficiente de compostos bioativos e na mistura homogénea da matéria biológica.
• Agitação: A aplicação de ultrassons provoca turbulência intensa, forças de cisalhamento e micromovimentos no líquido ou na suspensão. Deste modo, a sonicação intensifica sempre a transferência de massa, acelerando assim as reações e os processos.

Os homogeneizadores ultrassónicos e os misturadores de elevado cisalhamento são utilizados em praticamente qualquer indústria de processamento que trabalhe com líquidos ou suspensões. As intensas forças de cavitação ultrassónica criam agitação intensa, cisalhamento, fragmentação de partículas e transferência de massa. Deste modo, os líquidos são homogeneizados, dispersos, emulsificados, extraídos, dissolvidos e/ou são iniciadas reações químicas. De um modo geral, a aplicação de ultrassons é um método de intensificação de processos que aumenta o rendimento, melhora as taxas de conversão e torna os processos mais eficientes.
As aplicações ultrassónicas comuns na indústria abrangem muitos ramos dos setores alimentar e farmacêutico, da química fina, da energia e petroquímica, da reciclagem, das biorrefinarias, etc., e incluem as seguintes:

• síntese ultrassónica de biodiesel
• homogeneização ultrassónica de sumos de fruta
• produção ultrassónica de vacinas
• reciclagem ultrassónica de baterias de iões de lítio
• síntese ultrassónica de nanomateriais
• formulação ultrassónica de produtos farmacêuticos
• nanoemulsificação ultrassónica de CBD
• extração ultrassónica de materiais botânicos
• preparação ultrassónica de amostras em laboratórios
• desgaseificação ultrassónica de líquidos
• dessulfurização ultrassónica de petróleo bruto
• e muitas outras …

Cornetas e sondas ultrassónicas para aplicações de elevado desempenho

A Hielscher Ultrasonics é um fabricante e distribuidor com longa experiência em sonicadores de alta potência, utilizados em todo o mundo em aplicações exigentes em muitas indústrias.
Com processadores ultrassónicos de todas as dimensões, de 50 watts a 16kW por dispositivo, sondas de vários tamanhos e formas e reatores ultrassónicos com diferentes volumes e geometrias, a Hielscher Ultrasonics dispõe do equipamento adequado para configurar o sistema ultrassónico ideal para a sua aplicação.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: