Sonicação tipo sonda vs. banho ultrassônico: uma comparação de eficiência
Os processos de sonicação podem ser realizados pelo uso de um homogeneizador ultrassônico do tipo sonda ou um banho ultrassônico. Embora ambas as técnicas apliquem ultrassom à amostra, existem diferenças significativas na eficácia, eficiência e capacidade do processo.
Os efeitos desejados dos líquidos sonicantes – incluindo homogeneização, dispersão, desaglomeração, moagem, emulsificação, extração, lise, desintegração, sonoquímica - são causadas por cavitação acústica. Ao introduzir 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, as ondas ultrassônicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual não podem 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 de líquido de até 280m/s de velocidade. [Suslick 1998]

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) descobriram que as bolhas na região de maior intensidade de cavitação sofreram um movimento transitório, enquanto as bolhas na região de menor intensidade de cavitação sofreram movimento estável/oscilatório. O colapso transitório das bolhas que dá origem a temperaturas e pressões máximas locais está na raiz dos efeitos observados do ultrassom nos sistemas químicos.
A intensidade do ultrassom é uma função da entrada de energia e da área de superfície do sonotrodo. Para uma determinada entrada de energia se aplica: quanto maior a área de superfície do sonotrodo, menor a intensidade do ultrassom.
As ondas de ultrassom podem ser geradas por diferentes tipos de sistemas ultrassônicos. A seguir, serão comparadas as diferenças entre a sonicação usando um banho ultrassônico, dispositivo de sonda ultrassônica em um vaso aberto e dispositivo de sonda ultrassônica com câmara de célula de fluxo.
Comparação da distribuição do ponto quente cavitacional
Para aplicações ultrassônicas, são utilizadas sondas ultrassônicas (sonotrodos/buzinas) e banhos ultrassônicos. “Dentre esses dois métodos de ultrassom, a sonicação da sonda é mais eficaz e potente que o banho ultrassônico na aplicação de dispersão de nanopartículas; o dispositivo de banho ultrassônico pode fornecer uma ultrassonografia 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 pontos quentes cavitacionais
No campo das aplicações ultrassônicas, tanto as sondas ultrassônicas (sonotrodos/buzinas) 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. De acordo com Asadi et al. (2019), os banhos ultrassônicos normalmente geram uma ultrassonografia mais fraca de cerca de 20-40 W/L com uma distribuição altamente não uniforme. Em contraste, os dispositivos de sonda ultrassônica podem fornecer surpreendentes 20.000 Watts por litro no fluido, apresentando 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 eficiente e uniforme de nanopartículas.
Banhos ultrassônicos
Em um banho ultrassônico, a cavitação ocorre de forma não conformável e incontrolavelmente distribuída pelo tanque. O efeito de sonicação é de baixa intensidade e distribuído de forma desigual. A repetibilidade e escalabilidade do processo são muito ruins.
A imagem abaixo mostra os resultados de um teste de folha em um tanque ultrassônico. Portanto, uma fina folha 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 pontos perfurados e orifícios na folha indicam os pontos quentes de cavitação. Devido à baixa energia e à distribuição desigual do ultrassom dentro do tanque, as marcas de erosão ocorrem apenas no local. Portanto, os banhos ultrassônicos são usados principalmente para aplicações de limpeza.

Em um banho ou tanque ultrassônico, o ponto quente da cavitação acústica ocorre de forma muito desigual.
As figuras abaixo mostram a distribuição desigual de pontos quentes de cavitação em um banho ultrassônico. Na Fig. 2, um banho com uma área inferior de 20×10 cm tem sido usado.

A Fig.2 mostra a distribuição espacial do campo ultrassônico no banho ultrassônico:
(a) usando 1 L de água no banho e (b) usando o volume total de 2 L de água no banho.
[Nascentes et al., 2010]
Para as medidas mostradas na figura 3, foi utilizado um banho ultrassônico com espaço inferior de 12x10cm.

A Fig. 3 mostra a distribuição espacial do campo ultrassônico em um banho ultrassônico:
(a) usando 1 L de água no banho e (b) usando 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 ultrassônica nos tanques ultrassônicos é muito desigual. O estudo da irradiação ultrassônica em vários locais do banho mostra variações espaciais significativas na intensidade da cavitação no banho ultrassônico.
A Figura 4 abaixo compara a eficiência de um banho ultrassônico e um dispositivo de sonda ultrassônica exemplificado pela descoloração do corante azóico Violeta de Metila.

Fig. 4: Os sonicadores do tipo sonda implantam uma intensidade de energia localizada muito alta em comparação com a baixa densidade de ultrassom de tanques e banhos ultrassônicos.
Dhanalakshmi et al. descobriram 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, conforme ilustrado na figura 4. Isso significa uma maior intensidade e eficiência do processo de sonicação.
Uma configuração ultrassônica, como mostrado na figura 4, permite o controle total sobre os parâmetros mais importantes, como amplitude, pressão, temperatura, viscosidade, concentração, volume do reator.

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Imagem 1: Sonotrodo transmitindo ultrassom de potência para líquido. O embaçamento abaixo da superfície do sonotrodo indica a área do ponto quente cavitacional.
- intenso
- concentrado
- Totalmente controlável
- distribuição uniforme
- Reprodutíveis
- expansão linear a escala larga
- Lote e em linha
As vantagens dos sonicadores do tipo sonda
As sondas ultrassônicas ou sonotrodos são projetadas para concentrar a energia ultrassônica em uma área focada, normalmente na ponta da sonda. Essa 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 aprimorada quando comparada aos banhos ultrassônicos. Essa transmissão focada da potência do ultrassom é particularmente vantajosa para aplicações que exigem controle preciso sobre os parâmetros de sonicação, como ruptura celular, nanodispersão, síntese de nanopartículas, emulsificação e extração botânica.
Portanto, os sonicadores do tipo sonda oferecem vantagens distintas sobre os banhos ultrassônicos em termos de precisão, controle, flexibilidade, eficiência e escalabilidade, tornando-os ferramentas indispensáveis para uma ampla gama de aplicações científicas e industriais.
Sonda
Quando as amostras são sonicadas usando um dispositivo de sonda ultrassônica, a zona de sonicação intensa está diretamente abaixo do sonotrodo/sonda. A distância de irradiação ultrassônica é limitada a uma determinada área da ponta do sonotrodo. (ver Fig.1)
Os processos ultrassônicos em béqueres abertos são usados principalmente para testes de viabilidade e para preparação de amostras de volumes menores.
Sonda
Os resultados de sonicação mais sofisticados são alcançados por um processamento contínuo em um modo de fluxo fechado. Todo o material é processado pela mesma intensidade de ultrassom que o caminho do fluxo e o tempo de residência na câmara do reator ultrassônico são controlados.
Os resultados do processo de processamento de líquidos ultrassônicos para uma determinada configuração de parâmetro são uma função da energia por volume processado. A função muda com alterações em parâmetros individuais. Além disso, a potência real e a intensidade por área de superfície do sonotrodo de uma unidade ultrassônica dependem dos parâmetros.

O impacto cavitacional do processamento ultrassônico depende da intensidade da superfície que é descrita pela amplitude (A), pressão (p), volume do reator (VR), temperatura (T), viscosidade (η) e outros. Os sinais de mais e menos indicam uma influência positiva ou negativa do parâmetro específico na intensidade da sonicação.
Ao controlar o parâmetro mais importante do processo de sonicação, o processo é totalmente repetível e os resultados alcançados podem ser dimensionados de forma completamente linear. Diferentes tipos de sonotrodos e reatores de células de fluxo ultrassônicos permitem a adaptação a requisitos específicos do processo.
Resumo: Sonicador tipo sonda vs banho ultrassônico
Enquanto um banho ultrassônico fornece uma sonicação fraca com aprox. 20 Watts por litro, apenas e uma distribuição muito não uniforme, os sonicadores do tipo sonda podem facilmente acoplar aprox. 20000 Watts por litro no meio processado. Isso significa que um sonicador ultrassônico do tipo sonda supera um banho ultrassônico por um fator de 1000 (entrada de energia 1000x maior 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 reprodutíveis e a escalabilidade linear dos resultados do processo.
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 ultrassônicas (FAQs)
O que é um sonicador de sonda ultrassônica?
Um sonicador de sonda ultrassônica 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 sonicação da sonda?
A sonicação da sonda funciona com base no princípio da cavitação ultrassônica. Quando a sonda vibra na amostra, ela cria bolhas microscópicas que se expandem e colapsam rapidamente. Esse 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 sonicador?
Não, eles não são os mesmos. Um limpador ultrassônico usa ondas ultrassônicas muito suaves em um banho para limpar itens, principalmente por meio de vibração e cavitação muito leve. Um sonicador, especificamente um sonicador de sonda ultrassônica, é projetado para tratamento ultrassônico direto e intensivo de amostras, com foco na interrupção ou homogeneização.
Qual é a utilidade de uma sonda ultrassônica?
Uma sonda ultrassônica é usada principalmente para tarefas de preparação de amostras, como ruptura celular, homogeneização, emulsificação e dispersão de partículas em uma variedade de aplicações industriais e de pesquisa em química, biologia e ciência dos materiais.
Qual é a diferença entre sonicador de sonda e buzina?
Um sonicador de sonda mergulha diretamente a sonda na amostra para uma sonicação intensa. Um sonicador de chifre de copo, por outro lado, não mergulha a sonda, mas usa um método indireto em que 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 interrupção, 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 incluem 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 ultrassônica?
O uso de um sonicador de sonda ultrassônico envolve a seleção do tamanho apropriado da sonda e dos parâmetros de sonicação, imergindo a ponta da sonda na amostra e, em seguida, ativando o sonicador para as configurações de tempo e potência desejadas para obter um processamento eficaz da amostra.
Qual é a diferença entre sonicação e ultrassom?
A sonicação refere-se ao uso geral de ondas sonoras para processar materiais, que podem incluir uma faixa de frequências. A ultrassonografia especifica o uso de frequências ultrassônicas (normalmente acima de 20 kHz), com foco em aplicações que requerem ondas sonoras de alta energia para processamento de amostras. No entanto, a maioria das pessoas realmente se refere a ultrassonizadores, quando usam a palavra sonicador.