Processamento ultrassónico de líquidos, suspensões espessas e reações químicas

A ultrassonicação é um método de processamento mecânico que cria cavitação acústica e forças físicas extremamente intensas. Por isso, os ultrassons são utilizados em inúmeras aplicações, como mistura, homogeneização, moagem, dispersão, emulsificação, extração, desgaseificação e reações sonoquímicas.

Encontre a sua aplicação na tabela abaixo, clique na ligação e aceda diretamente ao processo que lhe interessa! Saiba como a sonicação melhora o processo e a sua eficiência.

Homogeneização ultrassónica

Os homogeneizadores ultrassónicos reduzem o tamanho de pequenas partículas num líquido para melhorar a uniformidade e a estabilidade da dispersão. As partículas (fase dispersa) podem ser sólidos ou gotículas de líquido suspensas numa fase líquida. A homogeneização ultrassónica é muito eficiente na redução do tamanho de partículas moles e duras. A Hielscher fabrica sonicadores para a homogeneização de qualquer volume de líquido e para processamento por lotes ou em linha. Os dispositivos ultrassónicos de laboratório podem ser utilizados para volumes de 1,5mL a aprox. 4L. Os dispositivos ultrassónicos industriais podem processar lotes de 0,5 a aprox. 2000L ou caudais de 0,1L a 20 metros cúbicos por hora no desenvolvimento de processos e na produção comercial.
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Dispersão e desaglomeração ultrassónicas

A dispersão e a desaglomeração de sólidos em líquidos constituem uma aplicação importante dos sonicadores de sonda. A cavitação ultrassónica / acústica gera elevadas forças de cisalhamento que desfazem os aglomerados de partículas em partículas individuais dispersas. 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 unidas por forças de atração de diversas naturezas físicas e químicas, incluindo forças de van der Waals e a tensão superficial do líquido. A ultrassonicação supera estas forças de atração para desaglomerar e dispersar as partículas em meios líquidos. Para a dispersão e a desaglomeração de pós em líquidos, a ultrassonicação de alta intensidade é uma alternativa interessante aos homogeneizadores de alta pressão, misturadores de elevado cisalhamento, moinhos de esferas ou misturadores de rotor-estator.
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Emulsificação ultrassónica

Uma vasta gama de produtos intermédios e de consumo, como cosméticos e loções para a pele, pomadas farmacêuticas, vernizes, tintas, lubrificantes e combustíveis, baseia-se total ou parcialmente em emulsões. As emulsões são dispersões de duas ou mais fases líquidas imiscíveis. Os ultrassons de intensidade muito elevada fornecem cisalhamento suficientemente intenso para dispersar uma fase líquida (fase dispersa) em pequenas gotículas numa segunda fase (fase contínua). Na zona de dispersão, as bolhas de cavitação que implodem provocam ondas de choque intensas no líquido circundante e originam a formação de jatos de líquido a elevada velocidade (elevado cisalhamento). A ultrassonicação pode ser adaptada com precisão ao tamanho pretendido das gotículas da emulsão, permitindo assim a produção fiável de microemulsões e nanoemulsões.
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Moagem e trituração ultrassónicas por via húmida

A ultrassonicação é um meio eficiente para a moagem por via húmida e a microtrituração de partículas. Os ultrassons apresentam muitas vantagens, em particular na produção de suspensões espessas com partículas de dimensões superfinas. São superiores aos equipamentos tradicionais de redução de tamanho, como moinhos coloidais (p. ex., moinhos de bolas, moinhos de esferas), moinhos de discos ou moinhos de jatos. A ultrassonicação pode processar suspensões espessas de elevada concentração e elevada viscosidade – reduzindo, assim, o volume a processar. Naturalmente, a moagem ultrassónica é adequada para processar materiais de dimensões micrométricas e nanométricas, como cerâmicas, pigmentos, sulfato de bário, carbonato de cálcio ou óxidos metálicos. Especialmente no caso dos nanomateriais, a ultrassonicação destaca-se pelo seu desempenho, uma vez que as suas forças de cisalhamento de elevado impacto criam nanopartículas uniformemente pequenas.
Saiba mais sobre a moagem ultrassónica por via húmida e a microtrituração!

TiO2 seco por atomização antes e depois da moagem ultrassónica

Desintegração celular e lise ultrassónicas

O tratamento ultrassónico pode desintegrar material fibroso e celulósico em partículas finas e romper as paredes da estrutura celular. Isto liberta mais material intracelular, como amido ou açúcar, para o líquido. Este efeito pode ser utilizado na fermentação, na digestão e noutros processos de conversão de matéria orgânica. Após a moagem e a trituração, a ultrassonicação disponibiliza mais material intracelular, p. ex., amido, bem como fragmentos da parede celular, às enzimas que convertem o amido em açúcares. Também aumenta a área superficial exposta às enzimas durante a liquefação ou a sacarificação. Isto aumenta geralmente a velocidade e o rendimento da fermentação por leveduras e de outros processos de conversão, p. ex., para potenciar a produção de etanol a partir de biomassa.
Saiba mais sobre a desintegração ultrassónica de estruturas celulares!

Extração ultrassónica de compostos botânicos

A extração de compostos bioativos armazenados em células e partículas subcelulares é uma aplicação amplamente utilizada dos ultrassons de alta intensidade. A extração ultrassónica é utilizada para isolar metabolitos secundários (p. ex., polifenóis), polissacáridos, proteínas, óleos essenciais e outros ingredientes ativos da matriz celular de plantas e fungos. Adequada para a extração de compostos orgânicos com água e solventes, a sonicação melhora significativamente o rendimento de extração dos compostos botânicos presentes nas plantas ou sementes. A extração ultrassónica é utilizada na produção de produtos farmacêuticos, nutracêuticos / suplementos nutricionais, fragrâncias e aditivos biológicos. Os ultrassons constituem uma técnica de extração ecológica também utilizada na extração de componentes bioativos em biorrefinarias, p. ex., para libertar compostos valiosos de fluxos de subprodutos não aproveitados gerados em processos industriais. A ultrassonicação é uma tecnologia altamente eficaz para a extração de compostos botânicos à escala laboratorial e de produção.
Explore as vantagens da extração ultrassónica!

Aplicação sonoquímica dos ultrassons

A sonoquímica é a aplicação de ultrassons a reações e processos químicos. O mecanismo que provoca efeitos sonoquímicos nos líquidos é o fenómeno da cavitação acústica. Os efeitos sonoquímicos nas reações e nos processos químicos incluem o aumento da velocidade ou da produção da reação, uma utilização mais eficiente da energia, a melhoria do desempenho dos catalisadores de transferência de fase, a ativação de metais e sólidos ou o aumento da reatividade dos reagentes ou catalisadores.
Explore os efeitos sonoquímicos dos ultrassons!

Transesterificação ultrassónica de óleo (usado) em biodiesel

A ultrassonicação aumenta a velocidade da reação química e o rendimento da transesterificação de óleos vegetais e gorduras animais em biodiesel. Isto permite passar a produção do processamento por lotes para o processamento em fluxo contínuo e reduz os custos de investimento e de operação. Uma das principais vantagens da produção ultrassónica de biodiesel é a utilização de óleos usados, como óleos alimentares usados e outras fontes de óleo de má qualidade. A transesterificação ultrassónica pode converter mesmo matérias-primas de baixa qualidade em biodiesel de elevada qualidade (éster metílico de ácido gordo / FAME). A produção de biodiesel a partir de óleos vegetais ou gorduras animais envolve a transesterificação de ácidos gordos com metanol ou etanol, catalisada por uma base, para obter os correspondentes ésteres metílicos ou ésteres etílicos. A ultrassonicação pode atingir um rendimento de biodiesel superior a 99%. Os ultrassons reduzem significativamente o tempo de processamento e o tempo de separação.
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Desgaseificação, desarejamento e eliminação de espuma de líquidos por ultrassons

A desgaseificação de líquidos é outra aplicação importante dos sonicadores de sonda. As vibrações ultrassónicas e a cavitação provocam a coalescência dos gases dissolvidos num líquido. À medida que as minúsculas bolhas de gás coalescem, formam bolhas maiores que sobem rapidamente até à superfície do líquido, de onde podem ser removidas. Assim, a desgaseificação e o desarejamento ultrassónicos podem reduzir o nível de gás dissolvido para valores inferiores ao nível de equilíbrio natural.
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Limpeza ultrassónica de fios, cabos e tiras

A limpeza ultrassónica é uma alternativa ecológica para a limpeza de materiais contínuos, como fios e cabos, fitas ou tubos. O efeito da potente cavitação ultrassónica remove da superfície do material resíduos de lubrificação, como óleo ou massa lubrificante, sabões, estearatos ou poeiras. A Hielscher Ultrasonics oferece vários sistemas ultrassónicos 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 a utilização de ondas sonoras de alta frequência para agitar líquidos, é um método de processamento eficiente por diversas razões. Eis algumas razões pelas quais a sonicação de alta intensidade e baixa frequência, de aprox. 20kHz, é particularmente eficaz e vantajosa para o processamento de líquidos e suspensões espessas:

1. Cavitação: Um dos principais mecanismos da sonicação é a criação e o colapso de pequenas bolhas, um fenómeno denominado cavitação. A 20kHz, as ondas sonoras têm precisamente a frequência adequada para criar bolhas e provocar o seu colapso de forma eficiente. O colapso destas bolhas produz ondas de choque de elevada energia, que podem fragmentar partículas e provocar a rutura de células no líquido submetido a sonicação.
2. Oscilação e vibração: Além da cavitação acústica gerada, a oscilação da sonda ultrassónica cria agitação e mistura adicionais no líquido, promovendo assim a transferência de massa e/ou a 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 ultrassónica é um fenómeno localizado que ocorre em redor da sonda ultrassónica. À medida que a distância à sonda aumenta, a intensidade da cavitação diminui. No entanto, a sonicação a 20kHz pode tratar eficientemente volumes maiores de líquido, em comparação com a sonicação de frequência mais elevada, que tem comprimentos de onda mais curtos e pode ser mais limitada na sua profundidade de penetração.
4. Baixo consumo de energia: A sonicação pode ser realizada com um consumo de energia relativamente baixo em comparação com outros métodos de processamento, como a homogeneização de alta pressão ou a agitação mecânica. Isto torna-a um método energeticamente mais eficiente e economicamente mais vantajoso para o processamento de líquidos.
5. Escalabilidade linear: Os processos ultrassónicos podem ser dimensionados de forma totalmente linear para volumes maiores ou menores. Isto torna fiáveis as adaptações dos processos na produção, uma vez que a qualidade do produto pode ser mantida continuamente estável.
6. Processamento por lotes e em fluxo em linha: A ultrassonicação pode ser realizada por lotes ou em processos contínuos em linha. Para a sonicação de lotes, a sonda ultrassónica é inserida no recipiente aberto ou no reator fechado de processamento por lotes. Para a sonicação de um fluxo contínuo, instala-se uma célula de fluxo ultrassónica. O meio líquido passa pelo sonotrodo (haste que vibra ultrassonicamente) numa única passagem ou em recirculação e é exposto às ondas ultrassónicas de forma muito uniforme e eficiente.

De um modo geral, as forças intensas da cavitação, o baixo consumo de energia e a escalabilidade do processo tornam a sonicação de baixa frequência e elevada potência um método eficiente para o processamento de líquidos.

Princípio de funcionamento e utilização do processamento ultrassónico

A ultrassonicação é uma tecnologia de processamento comercial que foi adotada por inúmeras indústrias para a produção em grande escala. A elevada fiabilidade e escalabilidade, bem como os baixos custos de manutenção e a elevada eficiência energética, tornam os processadores ultrassónicos uma boa alternativa aos equipamentos tradicionais de processamento de líquidos. Os ultrassons oferecem outras oportunidades interessantes: a cavitação – o efeito ultrassónico fundamental – produz resultados únicos em processos biológicos, químicos e físicos. Por exemplo, a dispersão e a emulsificação ultrassónicas produzem facilmente formulações estáveis de dimensões nanométricas. Também no domínio da extração de compostos botânicos, os ultrassons são uma técnica não térmica para isolar compostos bioativos.

A mistura ultrassónica baseia-se na cavitação acústica e nas suas forças hidrodinâmicas de cisalhamento.

Enquanto os ultrassons de baixa intensidade ou alta frequência são utilizados principalmente para análise, ensaios não destrutivos e imagiologia, os ultrassons de alta intensidade são utilizados no processamento de líquidos e pastas, no qual ondas ultrassónicas intensas são utilizadas para mistura, emulsificação, dispersão e desaglomeração, desintegração celular ou desativação de enzimas. Ao submeter líquidos a sonicação de alta intensidade, as ondas sonoras propagam-se através dos meios líquidos. Isto resulta em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas de repetição que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultrassónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou cavidades no líquido. Quando as bolhas atingem um volume no qual já não conseguem absorver energia, colapsam violentamente durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno denomina-se cavitação. Durante a implosão, atingem-se localmente temperaturas muito elevadas (aprox. 5 000K) e pressões muito elevadas (aprox. 2 000atm). A implosão da bolha de cavitação também origina jatos de líquido com velocidades de até 280 metros por segundo.

A cavitação ultrassónica em líquidos pode provocar uma desgaseificação rápida e completa; iniciar várias reações químicas através da geração de iões químicos livres (radicais); acelerar reações químicas ao facilitar a mistura dos reagentes; intensificar reações de polimerização e despolimerização através da dispersão de agregados ou da quebra permanente de 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 dimensões micrométricas ou nanométricas; auxiliar a extração de substâncias, como enzimas, de células animais, vegetais, de leveduras ou bacterianas; remover vírus de tecidos infetados; e, por fim, erodir e fragmentar partículas suscetíveis, incluindo microrganismos. (cf. Kuldiloke 2002)

Os ultrassons de alta intensidade produzem uma agitação violenta em líquidos de baixa viscosidade, que pode ser utilizada para dispersar materiais em líquidos. (cf. Ensminger, 1988) Nas interfaces líquido/sólido ou gás/sólido, a implosão assimétrica das bolhas de cavitação pode provocar turbulências extremas que reduzem a camada limite de difusão, aumentam a transferência de massa por convecção e aceleram consideravelmente a difusão em sistemas nos quais a mistura convencional não é possível. (cf. Nyborg, 1965)

Bibliografia

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).