Probe-Type sonicação vs. Ultrasonic Bath: uma eficiência Comparação

processos de sonicação pode ser efectuada pelo uso de um homogeneizador de ultra-sons do tipo de sonda ou de um banho ultrassónico. Embora, ambas as técnicas de ultra-som para aplicar a amostra, existem diferenças significativas na capacidade de eficácia, eficiência e de processo.

Os efeitos desejados dos líquidos sonicantes – incluindo homogeneização, dispersão, desaglomeração, moagem, emulsificação, extração, lise, desintegração, sonoquímica – são causadas por cavitação acústica. Ao introduzir o ultrassom de alta potência em um meio líquido, as ondas sonoras são transmitidas no fluido e criam ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas dependendo da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, ondas ultra-sônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual não conseguem mais absorver energia, elas colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Esse fenômeno é denominado cavitação. Durante a implosão temperaturas muito altas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) são atingidas localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jatos líquidos de até 280m/s de velocidade. [Suslick 1998]

Sonicator tipo sonda UP100H vs banho ultrassônico: sonicadores tipo sonda se destacam com transmissão de ultrassom focada e resultados reprodutíveis

Sonda tipo sonicator vs banho ultra-sônico – Explore por que os sonicadores do tipo sonda se destacam em eficiência e confiabilidade

 

Neste vídeo, comparamos o poder de extração de um banho ultrassônico - também conhecido como limpador ultrassônico - com o de uma sonda ultrassônica Hielscher UP100H.

Extração de cogumelos - Banho vs Sonda Ultrasonication - Comparação Lado a Lado

Miniatura do vídeo

 

bolhas de cavitação podem ser diferenciadas em bolhas estáveis ​​e transitórios. (Clique para ampliar!)

Fig. 1: Criação de bolhas de cavitação estáveis e transitórias. a) deslocamento, b) cavitação transitória, c) cavitação estável, d) pressão
[adaptado de Santos et al. 2009]

Moholkar et al. (2000) verificaram que as bolhas na região de maior intensidade de cavitação foi submetido a um movimento transiente, enquanto que as bolhas da região de menor intensidade da cavitação foi submetido a movimento estável / oscilatório. O colapso das bolhas transiente que dá origem a temperatura e a pressão máximas locais está na raiz dos efeitos observados de ultra-som em sistemas químicos.
A intensidade de ultra-sons é uma função da energia de entrada e a área de superfície do sonotrode. Para uma dada energia à entrada aplica-se: a maior área de superfície do sonotrode, quanto menor for a intensidade de ultra-som.
ondas de ultra-som pode ser gerada por diferentes tipos de sistemas de ultra-sons. No que se segue, as diferenças entre a sonicação usando um banho de ultra-sons, o dispositivo de sonda ultra-sónica em um vaso aberto e o dispositivo de sonda ultra-sónica com câmara de célula de fluxo serão comparados.

Comparação da distribuição hot spot cavitational

Para aplicações ultrassônicas, são utilizadas sondas ultrassônicas (sonotrodes /chifres) e banhos ultrassônicos. “Entre esses dois métodos de ultrassônica, a sônica da sonda é mais eficaz e poderosa do que o banho ultrassônico na aplicação da dispersão de nanopartículas; o dispositivo de banho ultrassônico pode fornecer uma ultrassônica fraca com aproximadamente 20-40 W/L e uma distribuição muito não uniforme, enquanto o dispositivo de sonda ultrassônica pode fornecer 20.000 W/L no fluido. Assim, significa que um dispositivo de sonda ultrassônica supera o dispositivo de banho ultrassônico pelo fator de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

Comparação da distribuição de hot spot cavitacional

No reino das aplicações ultra-sônicas, tanto as sondas ultra-sônicas (sonotrodos/chifres) quanto os banhos ultrassônicos desempenham papéis fundamentais. No entanto, quando se trata de dispersão de nanopartículas, a sonicação da sonda supera significativamente os banhos ultrassônicos. (2019), banhos ultrassônicos normalmente geram uma ultrasonicação mais fraca de cerca de 20-40 W/L com uma distribuição altamente não uniforme. Em contraste gritante, os dispositivos de sonda ultrassônica podem fornecer impressionantes 20.000 Watts por litro no fluido, mostrando uma eficácia que supera os banhos ultrassônicos por um fator de 1000. Essa diferença marcante destaca a capacidade superior da sonicação da sonda em alcançar uma dispersão de nanopartículas eficiente e uniforme.

Banhos ultra-sônicos

Saiba por que as sondas ultrassônicas superam os tanques de limpeza ultrassônica e os sonicadores do tipo banho.Em um banho ultrassônico, a cavitação ocorre de forma não conforme e incontrolavelmente distribuída pelo tanque. O efeito de sonicação é de baixa intensidade e espalhado de forma desigual. A repetibilidade e escalabilidade do processo é muito pobre.
A imagem abaixo mostra os resultados de um teste de folha em um tanque ultrassônico. Portanto, uma folha fina de alumínio ou estanho é colocada no fundo de um tanque ultrassônico cheio de água. Após a sonicação, marcas únicas de erosão são visíveis. Esses únicos pontos perfurados e orifícios na folha indicam os pontos quentes cavitacionais. Devido à baixa energia e à distribuição desigual do ultrassom dentro do tanque, as marcas de erosão ocorrem apenas pontualmente. Assim, os banhos ultra-sônicos são usados principalmente para aplicações de limpeza.
 

Em um banho ultra-sônico ou tanque, o ponto quente ultra-sônico ocorre de forma muito desigual. (Clique para ampliar!)

Em um banho ou tanque ultrassônico, o ponto quente da cavitação acústica ocorre de forma muito desigual.

 
As figuras abaixo mostram a distribuição irregular de pontos quentes cavitacionais num banho de ultra-sons. Na Fig. 2, um banho com uma área inferior de 20×10 cm foi utilizado.
 

Dispositivos do tipo sonda ultra-sônica vs tanques ultra-sônicos. Hielscher Ultrasonics demonstra as diferenças nos campos de cavitação acústica

A figura 2 mostra a distribuição espacial do campo ultra-sônico no banho ultra-sônico:
a) Utilizar 1 L de água no banho e b) Utilizar o volume total de 2 L de água no banho.
[Nascentes et al., 2010]

 
Para as medidas apresentadas na figura 3, foi utilizado um banho ultrassônico com espaço inferior de 12x10cm.

cavitação desigual em um banho de ultra-som (Clique para ampliar!)

A figura 3 mostra a distribuição espacial do campo ultrassônico em um banho ultrassônico:
a) Utilizar 1 L de água no banho e b) Utilizar o volume total de 1,3 L de água no banho.
[Nascentes et al., 2001]

 
Ambas as medições revelam que a distribuição do campo de irradiação ultra-sônica nos tanques ultra-sônicos é muito desigual. O estudo da irradiação ultra-sônica em vários locais do banho mostra variações espaciais significativas na intensidade da cavitação no banho ultra-sônico.

A Figura 4 abaixo compara a eficiência de um banho ultrassônico e de um dispositivo de sonda ultrassônica exemplificada pela descoloração do corante azo Methyl Violet.

Comparison probe tank sonication

Fig. 4: Os sonicadores do tipo sonda implantam intensidade de energia muito alta localizada em comparação com a baixa densidade de ultrassom de tanques e banhos ultrassônicos.

Dhanalakshmi et al., em seu estudo, encontraram em seu estudo que os dispositivos ultrassônicos do tipo sonda têm uma alta intensidade localizada em comparação com o tipo tanque e, portanto, maior efeito localizado, como mostrado na figura 4. Isso significa uma maior intensidade e eficiência do processo de sonicação.
Uma configuração ultra-sônica, como mostrado na figura 4, permite o controle total sobre os parâmetros mais importantes, como amplitude, pressão, temperatura, viscosidade, concentração, volume do reator.

Sonicator UP200St com sonotrodo S26d7D para homogeneização em lote de eggnog

Sonicator tipo sonda UP200St com sonotrodo S26d7D para a homogeneização em lote de amostras

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Uma sonda ultra-sônica (sonotrodo) é uma haste de titânio que transmite ondas de ultrassom em líquidos. Como resultado, no líquido ocorre cavitação acústica, que fornece as forças mecânicas de cisalhamento para o processamento ultarsônico.

Pic 1: Sonotrodo transmitindo potência de ultrassom em líquido. O embaçamento sob a superfície do sonotrodo indica a área de cavitação.

Vantagens Probe-sonicação:

  • intenso
  • focado
  • totalmente controlável
  • distribuição uniforme
  • reprodutível
  • expansão linear a escala larga
  • lote e in-line

As vantagens dos sonicators do tipo sonda

Sondas ultra-sônicas ou sonotrodos são projetados para concentrar energia ultra-sônica em uma área focada, normalmente na ponta da sonda. Esta transmissão de energia focada permite um tratamento preciso e eficiente das amostras. Como o design da sonda garante que uma parte significativa da energia ultrassônica seja direcionada para a amostra, a transferência de energia é significativamente melhorada quando comparada aos banhos ultrassônicos. Essa transmissão focalizada de potência de ultrassom é particularmente vantajosa para aplicações que exigem controle preciso sobre parâmetros de sonicação, como ruptura celular, nanodispersão, síntese de nanopartículas, emulsificação e extração botânica.
Portanto, os sonicadores do tipo sonda oferecem vantagens distintas em relação aos banhos ultrassônicos em termos de precisão, controle, flexibilidade, eficiência e escalabilidade, tornando-os ferramentas indispensáveis para uma ampla gama de aplicações científicas e industriais.

Sonicators do tipo sonda para processamento de copo aberto

Quando as amostras são sonicadas usando um dispositivo de sonda ultra-sônica, a zona de sonicação intensa está diretamente abaixo do sonotrodo / sonda. A distância de irradiação ultra-sônica é limitada a uma determinada área da ponta do sonotrodo. (ver foto 1)
processos de ultra-sons em provetas abertos são mais utilizados para o teste de viabilidade e para a preparação de amostras de volumes mais pequenos.

Sonicators do tipo sonda com célula de fluxo para processamento em linha

Os resultados de sonicação mais sofisticados são alcançados por um processamento contínuo num modo de fluxo fechado. Todo o material é processado por ultra-sons a mesma intensidade como o percurso de fluxo e tempo de residência na câmara do reactor de ultra-sons é controlada.

Conjunto de recirculação ultrassônica: UIP1000hdT com célula de fluxo, tanque e bomba

Conjunto de recirculação ultrassônica: UIP1000hdT com célula de fluxo, tanque e bomba

Os resultados do processo de processamento de líquido de ultra-sons para uma dada configuração de parâmetros são uma função da energia por volume processado. A função muda com alterações nos parâmetros individuais. Além disso, a saída de energia real e de intensidade por unidade de superfície do sonotrodo de um aparelho de ultra-sons depende dos parâmetros.

O impacto por cavitação ultra-sónica de processamento depende da intensidade da superfície que é descrito por amplitude (A), a pressão (P), o volume do reactor (VR), a temperatura (T), a viscosidade (η) e outros. As mais e menos sinais indicam uma influência positiva ou negativa do parâmetro específico da intensidade de sonicação.

O impacto por cavitação ultra-sónica de processamento depende da intensidade da superfície que é descrito por amplitude (A), a pressão (P), o volume do reactor (VR), a temperatura (T), a viscosidade (η) e outros. As mais e menos sinais indicam uma influência positiva ou negativa do parâmetro específico da intensidade de sonicação.

Ao controlar o parâmetro mais importante do processo de ultra-sons, o processo é totalmente reprodutível e os resultados obtidos pode ser dimensionado completamente linear. Diferentes tipos de sonotrodos e reactores de fluxo de ultra-sons de células para permitir a adaptação aos requisitos específicos do processo.

Resumo: SOnicator tipo sonda vs banho ultra-sônico

Enquanto um banho ultrassônico fornece uma sonicação fraca com aproximadamente 20 Watts por litro, apenas e uma distribuição muito não uniforme, os sonicadores do tipo sonda podem facilmente acoplar aproximadamente 20000 Watts por litro no meio processado. Isso significa que um sonicador do tipo sonda ultrassônica supera um banho ultrassônico por fator de 1000 (1000x maior entrada de energia por volume) devido a uma entrada de energia ultrassônica focada e uniforme. O controle total sobre os parâmetros de sonicação mais importantes garante resultados completamente reproduzíveis e a escalabilidade linear dos resultados do processo.

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Este vídeo mostra o cuphorn ultrassônico de 200 watts para dispersão, homogeneização, extração ou desgaseamento de amostras de laboratório.

Cuphorn ultrassônico (200 Watts)

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Literatura / Referências

  • Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
  • Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.



Perguntas frequentes sobre sondas ultra-sônicas (FAQs)

O que é um sonicador de sonda ultra-sônica?

Um sonicator de sonda ultra-sônica é um dispositivo que usa ondas sonoras de alta frequência para interromper ou misturar amostras. Consiste em uma sonda que, quando imersa em um líquido, gera vibrações ultrassônicas, levando à cavitação e aos efeitos desejados de processamento da amostra.

Qual é o princípio da sonda sonicação?

A sonda de sonicação funciona no princípio da cavitação ultra-sônica. Quando a sonda vibra na amostra, ela cria bolhas microscópicas que rapidamente se expandem e colapsam. Este processo gera intensas forças de cisalhamento e calor, interrompendo as células ou misturando componentes em um nível microscópico.

Um limpador ultrassônico é o mesmo que um sonicator?

Não, não são a mesma coisa. Um limpador ultra-sônico usa ondas ultra-sônicas muito suaves em um banho para limpar itens, principalmente através de vibração e cavitação muito leve. Um sonicator, especificamente um sonicator de sonda ultrassônica, é projetado para tratamento ultrassônico direto e intensivo de amostras, com foco na interrupção ou homogeneização.

Para que serve uma sonda ultra-sônica?

Uma sonda ultra-sônica é usada principalmente para tarefas de preparação de amostras, como ruptura celular, homogeneização, emulsificação e dispersão de partículas em uma variedade de pesquisas e aplicações industriais em química, biologia e ciência dos materiais.

Qual é a diferença entre sonda sonicator e cup-horn?

Um sonicador de sonda mergulha diretamente a sonda na amostra para sonicação intensa. Um sonicador de chifre de copo, por outro lado, não mergulha a sonda, mas usa um método indireto onde a amostra é colocada em um recipiente dentro de um banho-maria que transmite a energia ultrassônica.

Por que usar um sonicador de sonda?

Um sonicador de sonda é usado por sua capacidade de fornecer energia ultrassônica direta e de alta intensidade a uma amostra, alcançando interrupções, homogeneização ou emulsificação eficientes. É particularmente valioso para amostras difíceis de processar ou quando é necessário um controle preciso sobre o processo.

Quais são as vantagens de um sonicador de sonda?

As vantagens abrangem processamento eficiente e rápido de amostras, versatilidade em aplicações, controle preciso sobre os parâmetros de sonicação e a capacidade de processar uma ampla gama de tamanhos e tipos de amostras, desde amostras de laboratório de pequeno volume até lotes industriais maiores ou taxas de fluxo.

Como você usa um sonicador de sonda ultra-sônica?

O uso de um sonicador de sonda ultrassônico envolve a seleção do tamanho apropriado da sonda e os parâmetros de sonicação, imersão da ponta da sonda na amostra e, em seguida, a ativação do sonicator para as configurações de tempo e potência desejadas para alcançar um processamento eficaz da amostra.

Qual é a diferença entre sonicação e ultrassom?

Sonicação refere-se ao uso geral de ondas sonoras para processar materiais, que podem incluir uma gama de frequências. Ultrasonication especifica o uso de frequências ultra-sônicas (normalmente acima de 20 kHz), com foco em aplicações que exigem ondas sonoras de alta energia para processamento de amostras. No entanto, a maioria das pessoas realmente se refere a ultrassonicators, quando eles usam a palavra sonicator.

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