Ultra-som: Aplicações e Processos

Ultrasonication é um método de processamento mecânico que cria cavitação acústica extraordinariamente intensa e forças físicas relacionadas, como altas forças de cisalhamento e diferenciais de alta pressão. Essas forças geradas por ultrassom são usadas para inúmeras aplicações, como mistura, homogeneização, fresamento, dispersão, emulsificação, extração e reações sonoquímicas.
Abaixo, você encontrará uma seleção das aplicações e processos ultrassônicos mais típicos.

Ultrasonic homogeneização

UP400St Homogeneizador Ultrassônico 400 watts para a sônica de béquers e lotes.Homogeneizantes ultrassônicos reduzem pequenas partículas em um líquido para melhorar a uniformidade e a estabilidade da dispersão. As partículas (fase de dispersão) podem ser sólidos ou gotículas líquidas suspensas em fase líquida. A homogeneização ultrassônica é muito eficiente para a redução de partículas macias e duras. Hielscher fabrica ultrassonicadores para homogeneização de qualquer volume líquido e para processamento em lote ou inline. Dispositivos ultrassônicos de laboratório podem ser usados para volumes de 1,5mL a aproximadamente 4L. Os dispositivos industriais ultrassônicos podem processar lotes de 0,5 a aproximadamente 2000L ou taxas de fluxo de 0,1L a 20 metros cúbicos por hora no desenvolvimento de processos e na produção comercial.
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Dispersão e desaglomeração ultra-sônica

A ultrassônica interrompe partículas sólidas através da cavitação acústica.A dispersão e desagglomeração de sólidos em líquidos é uma importante aplicação de ultrassononicadores do tipo sonda. A cavitação ultrassônica/acústica gera altas forças de cisalhamento que quebram aglomerações de partículas em partículas individuais e dispersas únicas. A mistura de pós em líquidos é um passo comum na formulação de diversos produtos, como tinta, verniz, produtos cosméticos, alimentos e bebidas, ou mídia de polimento. As partículas individuais são mantidas juntas por forças de atração de várias naturezas físicas e químicas, incluindo van-der-Waals-forces e tensão superficial líquida. A ultrassônica supera essas forças de atração a fim de desagglomerar e dispersar as partículas em mídia líquida. Para a dispersão e desagglomeração de pós em líquidos, a ultrassonização de alta intensidade é uma alternativa interessante para homogeneizadores de alta pressão, misturadores de cisalhamento alto, moinhos de contas ou misturadores de rotor-esterco.
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O vídeo está demonstrando dispersão ultrassônica da cor vermelha usando o UP400St com uma sonda S24d 22mm.

Dispersão de cor vermelha ultrassônica usando o UP400St

Ultrasonic Emulsificação

A ultrassonização é um método altamente eficaz para a produção de nanoemulsões.Uma ampla gama de produtos intermediários e de consumo, como cosméticos e loções de pele, pomadas farmacêuticas, vernizes, tintas e lubrificantes e combustíveis são baseados total ou em parte em emulsões. Emulsões são dispersões de duas ou mais fases líquidas imiscíveis. O ultrassom altamente intensivo fornece tesoura intensa suficiente para dispersar uma fase líquida (fase dispersa) em pequenas gotículas em uma segunda fase (fase contínua). Na zona de dispersão, bolhas de cavitação implodindo causam ondas de choque intensivas no líquido circundante e resultam na formação de jatos líquidos de alta velocidade líquida (tesoura alta). A ultrassônica pode ser precisamente adaptada ao tamanho da emulsão de destino, permitindo assim a produção confiável de micro-emulsões e nano-emulsões.
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Homogeneizador ultrassônico UIP1000hdT para mistura, dispersão, emulsificação e extração.

O UIP1000hdT é ultrassônico poderoso de 1000 watts para aplicações de homogeneização, fresagem e extração.

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Ultrasonic Wet-moagem e trituração

A ultrassônica é um meio eficiente para a moagem úmida e micro moagem de partículas. Em particular para a fabricação de pastas do tamanho de superfinais, o ultrassom tem muitas vantagens. É superior aos equipamentos tradicionais de redução de tamanho, tais como: moinhos de coloide (por exemplo, moinhos de bolas, fábricas de contas), fábricas de discos ou moinhos de jatos. A ultrassônica pode processar chorugens de alta concentração e alta viscosidade – reduzindo assim o volume a ser processado. É claro que a fresagem ultrassônica é adequada para o processamento de materiais de tamanho micron e nano-tamanho, como cerâmica, pigmentos, sulfato de bário, carbonato de cálcio ou óxidos metálicos. Especialmente quando se trata de nanomateriais, a ultrassônica se destaca no desempenho, pois suas forças de cisalhamento altamente impactantes criam nanopartículas uniformemente pequenas.
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Partículas de tio2 de dióxido de titânio após a fresagem ultrassônica mostram um diâmetro drasticamente reduzido e uma distribuição de tamanho estreito.

TiO2 seco com spray antes e depois da fresagem ultrassônica

Desintegração celular ultrassônica e lise

ultrassonicamente assistida a extracção de substâncias a partir de ervas, utilizando um processador ultra-sónico UP200SO tratamento ultrassônico pode desintegrar material fibroso, 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 ultrassonização torna mais o material intracelular, por exemplo, amido, bem como os detritos da parede celular disponíveis para as enzimas que convertem 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 de leveduras e outros processos de conversão, por exemplo, para impulsionar 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 de 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. Adequada para extração de água e solvente de compostos orgânicos, a sônica melhora significativamente o rendimento dos botânicos contidos dentro de plantas ou sementes. A extração ultrassônica é utilizada para a produção de fármacos, nutracêuticos/suplementos nutricionais, fragrâncias e aditivos biológicos. Ultrassônica é uma técnica de extração verde também utilizada para a extração de componentes bioativos em biorefinaries, por exemplo, liberar compostos valiosos de fluxos de subprodutos não utilizados formados em processos industriais. Ultrassonicação é uma tecnologia altamente eficaz para extração botânica em laboratório e escala de produção.
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Extração botânica ultrassônica dá maiores rendimentos. O hielscher UIP2000hdT, homogeneizador de 2000 watts é poderoso o suficiente para extrair lotes de 10 litros a 120 litros facilmente.

Extração Ultrassônica de Botânicos - Lote de 30 Litros / 8 Galões

A ultrassônica é conhecida por melhorar as reações de transesterificação, dando, assim, ésteres e polióis de metila mais elevados. Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrassônicas industriais e reatores para altos rendimentos.

Reator ultrassônico com 16.000 watts para processamento líquido ultrasonicamente aprimorado.

Aplicação sonoquímicos de Ultrasonics

cavitation_2_p0200Sonoquímica é a aplicação do ultrassom a reações e processos químicos. O mecanismo que causa efeitos sonológicos nos líquidos é o fenômeno da cavitação acústica. Os efeitos sonográficos às reações e processos químicos incluem aumento da velocidade ou produção de reação, uso mais eficiente de energia, melhoria de desempenho de catalisadores de transferência de fase, ativação de metais e sólidos ou aumento na reatividade de reagentes ou catalisadores.
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Ultrasonic Transesterificação de óleo para biodiesel

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

A desgaseamento de líquidos é outra aplicação importante de ultrassonicadores do tipo sonda. Vibrações ultrassônicas e cavitação causam a coalescência de gases dissolvidos em um líquido. À medida que as bolhas de gás minúsculas se fundem, elas formam bolhas maiores que flutuam rapidamente para a superfície superior do líquido de lá, podem ser removidas. Assim, a desgaseização e desaeração ultrassônicas pode reduzir o nível de gás dissolvido abaixo do nível de equilíbrio natural.
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Este vídeo demonstra a desgaseamento eficiente do óleo viscoso (40cP). A ultrassônica remove pequenas bolhas de gás suspensas do líquido e reduz o nível de gás dissolvido abaixo do nível de equilíbrio natural.

Ultrassônico Inline Degassing & Desfoaming de Petróleo (40cP)

Ultrasonic Fio, cabos e Limpeza Faixa

bobina de caboA limpeza ultrassônica é uma alternativa ambientalmente amigável para a limpeza de materiais contínuos, como fio e cabo, fita ou tubos. O efeito da poderosa cavitação ultrassônica remove resíduos de lubrificação como óleo ou graxa, sabonetes, estearatos ou poeira da superfície do material. Hielscher Ultrasonics oferece vários sistemas ultrassônicos para a limpeza inline de perfis contínuos.
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Princípio de Trabalho e Uso do Processamento Ultrassônico

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

Enquanto o ultrassom de baixa intensidade ou alta frequência é usado principalmente para análise, testes e imagens não destrutivas, 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 desagglomerar, desintegração celular ou desativação enzimante. Ao sonicar líquidos em alta intensidade, as ondas sonoras se propagam através da mídia líquida. Isso resulta em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas dependendo da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, ondas ultrassônicas 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 entram em colapso violentamente durante um ciclo de alta pressão. Este fenômeno é chamado de cavitação. Durante a implosão, temperaturas muito altas (aproximadamente 5.000K) e pressões (aproximadamente 2.000atm) são atingidas localmente. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jatos líquidos de até 280 metros por segundo de velocidade.

A cavitação ultrassônica em líquidos pode causar desgaseamento rápido e completo; iniciar várias reações químicas gerando íons químicos livres (radicais); acelerar reações químicas facilitando a mistura de reagentes; melhorar as reações de polimerização e despomerização dispersando agregados ou rompendo permanentemente as ligações químicas nas cadeias poliméricas; aumentar as taxas de emulsificação; melhorar as taxas de difusão; produzir emulsões altamente concentradas ou dispersões uniformes de materiais de tamanho micron ou nano-tamanho; 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) Nas interfaces líquidas/sólidas ou gas/solid, a implosão assimétrica das bolhas de cavitação pode causar turbulências extremas que reduzem a camada de 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)

Reator ultrassônico para síntese química, por exemplo, processos de transesterificação, esterificação ou acetilação.

Reator ultrassônico com sondas 4x 2000 watts (8kW) para processos sonológicos.



Literatura


Ultrassônicos de alto desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro desde o ultrassônico de laboratório compacto sobre unidades de bancada até sistemas ultrassônicos industriais completos.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.