Ultra-som: Aplicações e Processos

A ultrassonografia é um método de processamento mecânico que cria cavitação acústica e forças físicas altamente intensas. Portanto, o ultrassom é usado para inúmeras aplicações, como mistura, homogeneização, moagem, dispersão, emulsificação, extração, desgaseificação e reações sonoquímicas.
Abaixo, você aprenderá tudo sobre aplicações e processos ultrassônicos típicos.

homogeneização ultrassônica

Os homogeneizadores ultrassônicos reduzem pequenas partículas em um líquido para melhorar a uniformidade e a estabilidade da dispersão. As partículas (fase dispersa) podem ser sólidos ou gotículas líquidas suspensas em uma fase líquida. A homogeneização ultrassônica é muito eficiente para a redução de partículas macias e duras. A Hielscher fabrica ultrasonicadores para a homogeneização de qualquer volume de líquido e para processamento em lote ou em linha. Os dispositivos ultrassônicos de laboratório podem ser usados para volumes de 1,5 mL a aprox. 4 L. Os dispositivos industriais ultrassônicos podem processar lotes de 0,5 a aprox. 2000L ou vazões de 0,1L a 20 metros cúbicos por hora no desenvolvimento de processos e na produção comercial.
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Dispersão e desaglomeração ultrassônica

A dispersão e desaglomeração de sólidos em líquidos é uma aplicação importante dos ultrassônicos do tipo sonda. A cavitação ultrassônica / acústica gera altas forças de cisalhamento que quebram aglomerados de partículas em partículas dispersas individuais e únicas. A mistura de pós em líquidos é uma etapa comum na formulação de vários produtos, como tintas, vernizes, produtos cosméticos, alimentos e bebidas ou meios de polimento. As partículas individuais são mantidas juntas por forças de atração de várias naturezas físicas e químicas, incluindo forças de van-der-Waals e tensão superficial do líquido. A ultrassonografia supera essas forças de atração para desaglomerar e dispersar as partículas em meios líquidos. Para a dispersão e desaglomeração de pós em líquidos, a ultrassonografia de alta intensidade é uma alternativa interessante aos homogeneizadores de alta pressão, misturadores de alto cisalhamento, moinhos de esferas ou rotor-estator-misturadores.
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Emulsificação ultrassônica

Uma ampla gama de produtos intermediários e de consumo, como cosméticos e loções para a pele, pomadas farmacêuticas, vernizes, tintas e lubrificantes e combustíveis são baseados total ou parcialmente em emulsões. As emulsões são dispersões de duas ou mais fases líquidas imiscíveis. O ultrassom altamente intensivo fornece cisalhamento intenso suficiente para dispersar uma fase líquida (fase dispersa) em pequenas gotículas em uma segunda fase (fase contínua). Na zona de dispersão, as bolhas de cavitação implodindo causam ondas de choque intensas no líquido circundante e resultam na formação de jatos líquidos de alta velocidade do líquido (alto cisalhamento). A ultrassonografia pode ser adaptada com precisão ao tamanho da emulsão alvo, permitindo assim a produção confiável de microemulsões e nanoemulsões.
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Moagem e retificação por via úmida ultrassônica

A ultrassonografia é um meio eficiente para a moagem úmida e micromoagem de partículas. Em particular para a fabricação de pastas de tamanho superfino, o ultrassom tem muitas vantagens. É superior ao equipamento tradicional de redução de tamanho, como: moinhos coloidais (por exemplo, moinhos de bolas, moinhos de esferas), moinhos de disco ou moinhos a jato. A ultrassonografia pode processar pastas de alta concentração e alta viscosidade - reduzindo assim o volume a ser processado. Obviamente, a fresagem ultrassônica é adequada para o processamento de materiais de tamanho mícron e nanométrico, como cerâmica, pigmentos, sulfato de bário, carbonato de cálcio ou óxidos metálicos. Especialmente quando se trata de nanomateriais, a ultrassonografia se destaca em desempenho, pois suas forças de cisalhamento altamente impactantes criam nanopartículas uniformemente pequenas.
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TiO2 seco por pulverização antes e depois da moagem ultrassônica

Desintegração e lise celular ultrassônica

O tratamento ultrassônico pode desintegrar o material fibroso e celulósico em partículas finas e quebrar as paredes da estrutura celular. Isso libera mais material intracelular, como amido ou açúcar, no líquido. Este efeito pode ser usado para fermentação, digestão e outros processos de conversão de matéria orgânica. Após a moagem e moagem, a ultrassonografia torna mais do material intracelular, por exemplo, amido, bem como os detritos da parede celular disponíveis para as enzimas que convertem o amido em açúcares. Também aumenta a área de superfície exposta às enzimas durante a liquefação ou sacarificação. Isso normalmente aumenta a velocidade e o rendimento da fermentação da levedura e outros processos de conversão, por exemplo, para aumentar a produção de etanol a partir da biomassa.
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Extração ultrassônica de botânicos

A extração de compostos bioativos armazenados em células e partículas subcelulares é uma aplicação amplamente utilizada do ultrassom de alta intensidade. A extração ultrassônica é usada para isolar metabólitos secundários (por exemplo, polifenóis), polissacarídeos, proteínas, óleos essenciais e outros ingredientes ativos da matriz celular de plantas e fungos. Adequado para extração de compostos orgânicos com água e solvente, a sonicação melhora significativamente o rendimento de botânicos contidos em plantas ou sementes. A extração ultrassônica é usada para a produção de produtos farmacêuticos, nutracêuticos / suplementos nutricionais, fragrâncias e aditivos biológicos. O ultrassom é uma técnica de extração verde também usada para a extração de componentes bioativos em biorrefinarias, por exemplo, liberar compostos valiosos de fluxos de subprodutos não utilizados formados em processos industriais. A ultrassonografia é uma tecnologia altamente eficaz para extração botânica em escala de laboratório e produção.
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Aplicação sonoquímica de ultrassom

A sonoquímica é a aplicação do ultrassom a reações e processos químicos. O mecanismo que causa efeitos sonoquímicos em líquidos é o fenômeno da cavitação acústica. Os efeitos sonoquímicos das reações e processos químicos incluem aumento na velocidade ou saída da reação, uso mais eficiente de energia, melhoria do desempenho dos catalisadores de transferência de fase, ativação de metais e sólidos ou aumento da reatividade de reagentes ou catalisadores.
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Transesterificação ultrassônica de óleo em biodiesel

A ultrassonografia aumenta a velocidade de reação química e o rendimento da transesterificação de óleos vegetais e gorduras animais em biodiesel. Isso permite mudar a produção de processamento em lote para processamento de fluxo contínuo e reduz os custos operacionais e de investimento. Uma das principais vantagens da fabricação de biodiesel ultrassônico é o uso de óleos usados, como óleos de cozinha usados e outras fontes de óleo de baixa qualidade. A transesterificação ultrassônica pode converter até mesmo matéria-prima de baixa qualidade em biodiesel de alta qualidade (éster metílico de ácido graxo / FAME). A fabricação de biodiesel a partir de óleos vegetais ou gorduras animais envolve a transesterificação catalisada por base de ácidos graxos com metanol ou etanol para dar os ésteres metílicos ou ésteres etílicos correspondentes. A ultrassonografia pode atingir um rendimento de biodiesel superior a 99%. O ultrassom reduz significativamente o tempo de processamento e o tempo de separação.
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Desgaseificação ultrassônica e desaeração de líquidos

A desgaseificação de líquidos é outra aplicação importante dos ultrassônicos do tipo sonda. Vibrações ultrassônicas e cavitação causam a coalescência de gases dissolvidos em um líquido. À medida que as minúsculas bolhas de gás se aglutinam, elas formam bolhas maiores que flutuam rapidamente para a superfície superior do líquido, de onde podem ser removidas. Assim, a desgaseificação e desaeração ultrassônica podem reduzir o nível de gás dissolvido abaixo do nível de equilíbrio natural.
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Limpeza ultrassônica de fios, cabos e tiras

A limpeza ultrassônica é uma alternativa ecológica para a limpeza de materiais contínuos, como fios e cabos, fitas ou tubos. O efeito da poderosa cavitação ultrassônica remove resíduos de lubrificação como óleo ou graxa, sabões, estearatos ou poeira da superfície do material. A Hielscher Ultrasonics oferece vários sistemas ultrassônicos para a limpeza em linha de perfis contínuos.
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O que torna a sonicação um método de processamento superior?

A sonicação, ou o uso de ondas sonoras de alta frequência para agitar líquidos, é um método de processamento eficiente por vários motivos. Aqui estão algumas razões pelas quais a sonicação em alta intensidade e baixa frequência de aprox. 20kHz é particularmente impactante e vantajosa para o processamento de líquidos e pastas:

1. Cavitação: Um dos principais mecanismos de sonicação é a criação e o colapso de pequenas bolhas, um fenômeno chamado cavitação. A 20kHz, as ondas sonoras estão na frequência certa para criar e colapsar bolhas com eficiência. O colapso dessas bolhas produz ondas de choque de alta energia, que podem quebrar partículas e interromper as células do líquido que está sendo sonicado.
2. Oscilação e vibração: Além da cavitação acústica gerada, a oscilação da sonda ultrassônica cria agitação e mistura adicionais no líquido, promovendo assim a transferência de massa e/ou desgaseificação.
3. Penetração: As ondas sonoras a 20kHz têm um comprimento de onda relativamente longo, o que lhes permite penetrar profundamente nos líquidos. A cavitação ultrassônica é um fenômeno localizado que aparece no entorno da sonda ultrassônica. Com o aumento da distância até a sonda, a intensidade da cavitação está diminuindo. No entanto, a sonicação a 20kHz pode tratar com eficiência volumes maiores de líquido, em comparação com a sonicação de frequência mais alta, que tem comprimentos de onda mais curtos e pode ser mais limitada em sua profundidade de penetração.
4. Baixo consumo de energia: A sonicação pode ser realizada com consumo de energia relativamente baixo em comparação com outros métodos de processamento, como homogeneização de alta pressão ou agitação mecânica. Isso o torna um método mais eficiente em termos de energia e econômico para o processamento de líquidos.
5. Escalabilidade linear: Os processos ultrassônicos podem ser dimensionados de forma completamente linear para volumes maiores ou menores. Isso torna as adaptações do processo na produção confiáveis, pois a qualidade do produto pode ser mantida continuamente estável.
6. Fluxo em lote e em linha: A ultrassonografia pode ser realizada como processos em lote ou contínuos em linha. Para a sonicação de lotes, a sonda ultrassônica é inserida no vaso aberto ou no reator de batelada fechado. Para a sonicação de um fluxo contínuo, uma célula de fluxo ultrassônico é instalada. O meio líquido passa pelo sonotrodo (haste de vibração ultrassônica) em passagem única ou recirculação e é altamente uniforme e eficiente exposto às ondas de ultrassom.

No geral, as intensas forças de cavitação, baixo consumo de energia e escalabilidade do processo tornam a sonicação de baixa frequência e alta potência um método eficiente para o processamento de líquidos.

Princípio de funcionamento e uso do processamento ultrassônico

A ultrassonografia é uma tecnologia de processamento comercial, que foi adotada por inúmeras indústrias para produção em larga escala. Alta confiabilidade e escalabilidade, bem como baixos custos de manutenção e alta eficiência energética, tornam os processadores ultrassônicos uma boa alternativa para equipamentos tradicionais de processamento de líquidos. O ultrassom oferece oportunidades interessantes adicionais: a cavitação – o efeito ultrassônico básico – produz resultados únicos em processos biológicos, químicos e físicos. Por exemplo, a dispersão e emulsificação ultrassônica produzem facilmente formulações nanométricas estáveis. Também no campo da extração botânica, o ultrassom é uma técnica não térmica para isolar compostos bioativos.

Enquanto o ultrassom de baixa ou alta frequência é usado principalmente para análise, testes não destrutivos e imagens, o ultrassom de alta intensidade é usado para o processamento de líquidos e pastas, onde ondas intensas de ultrassom são usadas para misturar, emulsionar, dispersar e desaglomerar, desintegração celular ou desativação enzimática. Ao sonicar líquidos em altas intensidades, as ondas sonoras se propagam através do meio líquido. Isso resulta em 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 280 metros por segundo de velocidade.

A cavitação ultrassônica em líquidos pode causar desgaseificação rápida e completa; iniciar várias reações químicas gerando íons químicos livres (radicais); acelerar as reações químicas, facilitando a mistura de reagentes; melhorar as reações de polimerização e despolimerização dispersando agregados ou quebrando permanentemente ligações químicas em cadeias poliméricas; aumentar as taxas de emulsificação; melhorar as taxas de difusão; produzir emulsões altamente concentradas ou dispersões uniformes de materiais de tamanho mícron ou nanométrico; auxiliar na extração de substâncias como enzimas de células animais, vegetais, leveduras ou bacterianas; remover vírus do tecido infectado; e, finalmente, corroer e quebrar partículas suscetíveis, incluindo microrganismos. (cf. Kuldiloke 2002)

O ultrassom de alta intensidade produz agitação violenta em líquidos de baixa viscosidade, que podem ser usados para dispersar materiais em líquidos. (cf. Ensminger, 1988) Em interfaces líquido/sólido ou gás/sólido, a implosão assimétrica de bolhas de cavitação pode causar turbulências extremas que reduzem a camada limite de difusão, aumentam a transferência de massa de convecção e aceleram consideravelmente a difusão em sistemas onde a mistura comum não é possível. (cf. Nyborg, 1965)

Literatura