Ultra-som: Aplicações e Processos

A ultrassonografia é um método de processamento mecânico que cria cavitação acústica e forças físicas altamente intensas. Por conseguinte, a ultra-sons é utilizada em numerosas aplicações, tais como a mistura, a homogeneização, a moagem, a dispersão, a emulsificação, a extração, a desgaseificação e as reacções sonoquímicas.
A seguir, ficará a saber tudo sobre as aplicações e processos ultrassónicos típicos.

Homogeneização por ultra-sons

Os homogeneizadores ultra-sónicos reduzem as 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 por ultra-sons é muito eficiente para a redução de partículas moles e duras. Hielscher fabrica ultrasonicators para a homogeneização de qualquer volume de líquido e para lote ou processamento em linha. Dispositivos ultra-sônicos de laboratório podem ser usados para volumes de 1,5mL a aproximadamente 4L. Os dispositivos industriais ultra-sônicos podem processar lotes de 0,5 a aprox. 2000L ou taxas de fluxo de 0,1L a 20 metros cúbicos por hora no desenvolvimento de processos e na produção comercial.
Clique aqui para ler mais sobre a homogeneização por ultra-sons!

Dispersão e desaglomeração por ultra-sons

A dispersão e desaglomeração de sólidos em líquidos é uma aplicação importante dos ultrassons de tipo sonda. A cavitação ultra-sónica/acústica gera forças de corte elevadas que quebram os aglomerados de partículas em partículas individuais e dispersas. A mistura de pós em líquidos é um passo comum na formulação de vários produtos, tais 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 as forças de van-der-Waals e a tensão superficial do líquido. A ultrassonografia supera estas forças de atração para desaglomerar e dispersar as partículas em meios líquidos. Para a dispersão e desaglomeração de pós em líquidos, ultrassom de alta intensidade é uma alternativa interessante para homogeneizadores de alta pressão, misturadores de alto cisalhamento, moinhos de esferas ou misturadores de rotor-estator.
Clique aqui para ler mais sobre dispersão ultra-sónica e desaglomeração!

Emulsificação por ultra-sons

Uma vasta gama de produtos intermédios e de consumo, tais como cosméticos e loções para a pele, pomadas farmacêuticas, vernizes, tintas e lubrificantes e combustíveis, baseiam-se total ou parcialmente em emulsões. As emulsões são dispersões de duas ou mais fases líquidas imiscíveis. Os ultra-sons de alta intensidade fornecem um cisalhamento suficientemente intenso para dispersar uma fase líquida (fase dispersa) em pequenas gotículas numa segunda fase (fase contínua). Na zona de dispersão, a implosão de bolhas de cavitação causa ondas de choque intensas no líquido circundante e resulta na formação de jactos de líquido de alta velocidade do líquido (alto cisalhamento). Ultrasonication pode ser precisamente adaptado para o tamanho da emulsão alvo permitindo assim a produção fiável de micro-emulsões e nano-emulsões.
Clique aqui para ler mais sobre a emulsificação ultra-sónica!

Moagem e trituração por via húmida por ultra-sons

A ultrassonografia é um meio eficiente para a moagem húmida e a micro-moagem de partículas. Em particular para o fabrico de pastas de tamanho superfino, ultrassom tem muitas vantagens. É superior ao equipamento tradicional de redução de tamanho, tais como: moinhos coloidais (por exemplo, moinhos de bolas, moinhos de esferas), moinhos de discos ou moinhos de jato. Ultrasonication pode processar alta concentração e pastas de alta viscosidade - reduzindo assim o volume a ser processado. Naturalmente, a moagem ultra-sónica é adequada para o processamento de materiais de tamanho micron e nano, tais como cerâmica, pigmentos, sulfato de bário, carbonato de cálcio ou óxidos metálicos. Especialmente quando se trata de nano-materiais, ultrasonication excelsa no desempenho como suas forças de cisalhamento altamente impactantes criar uniformemente pequenas nanopartículas.
Clique aqui para ler mais sobre a moagem húmida por ultra-sons e a micro-moagem!

TiO2 seco por pulverização antes e depois da moagem por ultra-sons

Desintegração e lise de células por ultra-sons

O tratamento por ultra-sons pode desintegrar o material fibroso e celulósico em partículas finas e quebrar as paredes da estrutura celular. Isto liberta mais do material intracelular, como o amido ou o açúcar, para o líquido. Este efeito pode ser utilizado para a fermentação, digestão e outros processos de conversão de matéria orgânica. Após moagem e trituração, ultrassom faz mais do material intra-celular, por exemplo, amido, bem como os restos de 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. Isto 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.
Clique aqui para ler mais sobre a desintegração ultra-sónica das estruturas celulares!

extração ultra-sónica de plantas

A extração de compostos bioactivos armazenados em células e partículas subcelulares é uma aplicação amplamente utilizada de ultra-sons de alta intensidade. A extração ultra-sónica é utilizada para isolar metabolitos secundários (por exemplo, polifenóis), polissacáridos, proteínas, óleos essenciais e outros ingredientes activos a partir da matriz celular de plantas e fungos. Adequada para a extração de compostos orgânicos com água e solvente, a sonicação melhora significativamente o rendimento dos produtos botânicos contidos nas plantas ou sementes. A extração ultra-sónica é utilizada para a produção de produtos farmacêuticos, nutracêuticos / suplementos nutricionais, fragrâncias e aditivos biológicos. Ultrasonics é uma técnica de extração verde também utilizado para a extração de componentes bioactivos em biorefinarias, por exemplo, libertar compostos valiosos a partir de fluxos de subprodutos não utilizados formados em processos industriais. Ultrasonication é uma tecnologia altamente eficaz para a extração botânica em laboratório e escala de produção.
Clique aqui para obter mais informações sobre a extração por ultra-sons!

Aplicações sonoquímicas dos ultra-sons

A sonoquímica é a aplicação de ultra-sons a reacções e processos químicos. O mecanismo que causa os efeitos sonoquímicos nos líquidos é o fenómeno da cavitação acústica. Os efeitos sonoquímicos nas reacções e processos químicos incluem o aumento da velocidade ou do rendimento 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 de reagentes ou catalisadores.
Clique aqui para ler mais sobre os efeitos sonoquímicos dos ultra-sons!

Transesterificação ultra-sónica de óleo para biodiesel

A ultrassonografia aumenta a velocidade da reação química e o rendimento da transesterificação de óleos vegetais e gorduras animais em biodiesel. Isto permite mudar a produção do processamento em lotes para o processamento em fluxo contínuo e reduz os custos operacionais e de investimento. Uma das principais vantagens do fabrico de biodiesel por ultra-sons é a utilização de óleos usados, tais como óleos alimentares usados e outras fontes de óleo de má qualidade. A transesterificação ultra-sónica pode converter até mesmo matérias-primas de baixa qualidade em biodiesel de alta qualidade (ésteres metílicos de ácidos gordos / FAME). O fabrico de biodiesel a partir de óleos vegetais ou gorduras animais, envolve a transesterificação catalisada por base de ácidos gordos com metanol ou etanol para dar os correspondentes ésteres metílicos ou ésteres etílicos. A ultrassonografia pode atingir um rendimento de biodiesel superior a 99%. Os ultra-sons reduzem significativamente o tempo de processamento e o tempo de separação.
Clique aqui para ler mais sobre a transesterificação de óleo em biodiesel assistida por ultra-sons!

Desgaseificação e desarejamento de líquidos por ultra-sons

A desgaseificação de líquidos é outra aplicação importante dos ultrassons de tipo sonda. As vibrações ultra-sónicas e a cavitação provocam a coalescência de gases dissolvidos num líquido. À medida que as bolhas de gás minúsculas coalescem, formam bolhas maiores que flutuam rapidamente para a superfície superior do líquido, de onde podem ser removidas. Assim, a desgaseificação e a desaeração por ultra-sons podem reduzir o nível de gás dissolvido abaixo do nível de equilíbrio natural.
Clique aqui para ler mais sobre a desgaseificação ultra-sónica de líquidos!

Limpeza ultra-sónica de fios, cabos e fitas

A limpeza por ultra-sons é uma alternativa amiga do ambiente para a limpeza de materiais contínuos, como fios e cabos, fitas ou tubos. O efeito da poderosa cavitação ultra-sónica remove resíduos de lubrificação como óleo ou gordura, sabões, estearatos ou poeiras da superfície do material. A Hielscher Ultrasonics oferece vários sistemas de ultra-sons para a limpeza em linha de perfis contínuos.
Clique aqui para obter mais informações sobre a limpeza por ultra-sons de perfis contínuos!

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 uma série de razões. Eis algumas razões pelas quais a sonicação a alta intensidade e baixa frequência de aproximadamente 20kHz é particularmente impactante e vantajosa para o processamento de líquidos e lamas:

1. Cavitação: Um dos principais mecanismos da sonicação é a criação e o colapso de pequenas bolhas, um fenómeno chamado cavitação. A 20 kHz, as ondas sonoras têm a frequência certa para criar e colapsar bolhas de forma eficiente. O colapso dessas bolhas produz ondas de choque de alta energia, que podem quebrar partículas e romper células no líquido que está a ser sonicado.
2. Oscilação e vibração: Para além da cavitação acústica gerada, a oscilação da sonda ultra-sónica 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 ultra-sónica é um fenómeno localizado que surge nas imediações da sonda ultra-sónica. Com o aumento da distância à sonda, a intensidade da cavitação diminui. No entanto, a sonicação a 20kHz pode tratar eficazmente maiores volumes 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 a alta pressão ou a agitação mecânica. Isto torna-a um método mais eficiente em termos energéticos e económicos para o processamento de líquidos.
5. Escalabilidade linear: Os processos ultra-sónicos podem ser escalados de forma completamente linear para volumes maiores ou menores. Isto torna fiáveis as adaptações de processos na produção, uma vez que a qualidade do produto pode manter-se continuamente estável.
6. Fluxo em lote e em linha: A ultra-sons pode ser realizada como lote ou como processos contínuos em linha. Para a sonicação de lotes, a sonda de ultra-sons é inserida no recipiente aberto ou reator de lote fechado. Para a sonicação de um fluxo de fluxo contínuo, uma célula de fluxo de ultra-sons é instalado. O meio líquido passa o sonotrodo (ultrassom vibrando haste) em passagem única ou recirculação e é altamente uniforme e eficiente exposto às ondas de ultrassom.

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

Princípio de funcionamento e utilização do processamento por ultra-sons

A ultrassonografia é uma tecnologia de processamento comercial, que foi adoptada por numerosas indústrias para a produção em grande escala. A elevada fiabilidade e escalabilidade, bem como os baixos custos de manutenção e a elevada eficiência energética fazem dos processadores ultra-sónicos uma boa alternativa ao equipamento tradicional de processamento de líquidos. Os ultra-sons oferecem outras oportunidades interessantes: A cavitação - o efeito ultrassónico básico - produz resultados únicos em processos biológicos, químicos e físicos. Por exemplo, a dispersão e emulsificação ultra-sónicas produzem facilmente formulações estáveis de tamanho nanométrico. Também no campo da extração botânica, os ultra-sons são uma técnica não térmica para isolar compostos bioactivos.

Enquanto os ultra-sons de baixa intensidade ou de alta frequência são utilizados principalmente para análises, ensaios não destrutivos e imagiologia, os ultra-sons de alta intensidade são utilizados para o processamento de líquidos e pastas, onde as ondas de ultra-sons intensas são utilizadas para misturar, emulsionar, dispersar e desaglomerar, desintegrar células ou desativar enzimas. Ao sonicar líquidos a altas intensidades, as ondas sonoras propagam-se através do meio líquido. Isto resulta em ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com taxas que dependem da frequência. Durante o ciclo de baixa pressão, as ondas ultra-sónicas de alta intensidade criam pequenas bolhas de vácuo ou espaços vazios no líquido. Quando as bolhas atingem um volume em que já não conseguem absorver energia, entram em colapso violento durante um ciclo de alta pressão. Este fenómeno é designado por cavitação. Durante a implosão são atingidas localmente temperaturas (aprox. 5.000K) e pressões (aprox. 2.000atm) muito elevadas. A implosão da bolha de cavitação também resulta em jactos de líquido com uma velocidade de até 280 metros por segundo.

A cavitação ultra-sónica em líquidos pode causar uma desgaseificação rápida e completa; iniciar várias reacções químicas através da geração de iões químicos livres (radicais); acelerar reacções químicas facilitando a mistura de reagentes; melhorar as reacções de polimerização e despolimerização dispersando agregados ou quebrando permanentemente ligações químicas em cadeias poliméricas; aumentam as taxas de emulsificação; melhoram as taxas de difusão; produzem emulsões altamente concentradas ou dispersões uniformes de materiais de dimensão micrónica ou nanométrica; ajudam a extração de substâncias como enzimas de células animais, vegetais, de levedura ou bacterianas; removem vírus de tecidos infectados; e, finalmente, corroem e decompõem partículas susceptíveis, incluindo microrganismos. (cf. Kuldiloke 2002)

Os ultra-sons 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 de bolhas de cavitação pode causar turbulências extremas que reduzem a camada limite de difusão, aumentam a transferência de massa por convecção e aceleram consideravelmente a difusão em sistemas onde a mistura normal não é possível. (cf. Nyborg, 1965)

Literatura