Cavitação ultrassónica em líquidos

A cavitação ultrassónica é a força motriz do processamento ultrassónico de líquidos de alta intensidade. Quando ultrassons potentes são acoplados a um líquido, formam-se bolhas microscópicas de vapor, que crescem e colapsam violentamente. Esta cavitação acústica cria forças locais intensas de cisalhamento, microjatos, ondas de choque, variações de pressão e efeitos de micromistura que podem acelerar a homogeneização, a dispersão, a emulsificação, a extração, a desgaseificação, a rutura celular e as reações sonoquímicas.

Os sonicadores de sonda Hielscher utilizam cavitação acústica controlada para transferir energia ultrassónica diretamente para líquidos, suspensões e suspensões pastosas. Desde pequenas amostras de laboratório até à produção industrial contínua em fluxo, os sistemas Hielscher permitem ajustar a amplitude, a geometria do sonotrodo, a pressão, a temperatura, o caudal e o tempo de residência para obter resultados de cavitação reprodutíveis.

• Para laboratórios: desenvolver e otimizar os parâmetros de sonicação em pequenos volumes.
• Para instalações piloto: validar processos baseados na cavitação em condições de processamento realistas.
• Para produção: aumentar a escala da cavitação ultrassónica para processos por lotes, com recirculação ou contínuos em linha.

O princípio de funcionamento da cavitação ultrassónica

Ao sonicar líquidos a altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam nos meios líquidos originam ciclos alternados de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação), com ritmos 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 em que 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 280m/s.

A cavitação acústica (gerada por ultrassons de potência) cria condições localmente extremas, os chamados efeitos sonomecânicos e sonoquímicos. Devido a estes efeitos, a sonicação promove reações químicas que conduzem a rendimentos superiores, maior velocidade de reação, novas vias de reação e melhor eficiência global.

Principais aplicações dos sonicadores e da cavitação acústica

Os sonicadores de sonda, também conhecidos como sondas ultrassónicas, geram de forma eficiente cavitação acústica intensa em líquidos. Por isso, são amplamente utilizados em diversas aplicações em diferentes setores industriais. Algumas das aplicações mais importantes da cavitação acústica gerada por sonicadores de sonda incluem:
 

1. Homogeneização: As sondas ultrassónicas podem gerar cavitação intensa, caracterizada como um campo de vibração e forças de cisalhamento com elevada densidade energética. Estas forças proporcionam uma excelente mistura, combinação de componentes e redução do tamanho das partículas. A homogeneização ultrassónica produz suspensões uniformemente misturadas. Por isso, a sonicação é utilizada para produzir suspensões coloidais homogéneas com curvas de distribuição estreitas.
2. Dispersão de nanopartículas: Os sonicadores são utilizados para a dispersão, a desaglomeração e a moagem por via húmida de nanopartículas. As ondas ultrassónicas de baixa frequência podem gerar cavitação de forte impacto, que desfaz aglomerados e reduz o tamanho das partículas. Em particular, o elevado cisalhamento dos jatos de líquido acelera as partículas no líquido, que colidem umas com as outras (colisão interpartículas), pelo que as partículas se fraturam e sofrem erosão. Isto resulta numa distribuição uniforme e estável das partículas, evitando a sedimentação. Este efeito é crucial em diversas áreas, incluindo a nanotecnologia, a ciência dos materiais e a indústria farmacêutica.
3. Emulsificação e mistura: Os sonicadores de sonda são utilizados para criar emulsões e misturar líquidos. A energia ultrassónica provoca cavitação, ou seja, a formação e o colapso de bolhas microscópicas, que gera forças locais intensas de cisalhamento. Este processo ajuda a emulsionar líquidos imiscíveis, produzindo emulsões estáveis e finamente dispersas.
4. Extração: Devido às forças de cisalhamento produzidas pela cavitação, os sonicadores são altamente eficientes na rutura de estruturas celulares e na melhoria da transferência de massa entre o sólido e o líquido. Por isso, a extração ultrassónica é amplamente utilizada para libertar material intracelular, como compostos bioativos, para a produção de extratos botânicos de elevada qualidade.
5. Desgaseificação e desaeração: Os sonicadores de sonda são utilizados para remover bolhas de gás ou gases dissolvidos dos líquidos. A aplicação de cavitação ultrassónica promove a coalescência das bolhas de gás, de modo que crescem e sobem até à superfície do líquido. A cavitação ultrassónica torna a desgaseificação um procedimento rápido e eficiente. Isto é valioso em diversos setores, como os das tintas, dos fluidos hidráulicos ou do processamento de alimentos e bebidas, em que a presença de gases pode afetar negativamente a qualidade e a estabilidade do produto.
6. Sonocatálise: As sondas ultrassónicas podem ser utilizadas para sonocatálise, um processo que combina cavitação acústica com catalisadores para melhorar as reações químicas. A cavitação gerada pelas ondas ultrassónicas melhora a transferência de massa, aumenta as velocidades de reação e promove a produção de radicais livres, conduzindo a transformações químicas mais eficientes e seletivas.
7. Preparação de amostras: Os sonicadores de sonda são habitualmente utilizados em laboratórios para a preparação de amostras. São utilizados para homogeneizar, desagregar e extrair amostras biológicas, como células, tecidos e vírus. A energia ultrassónica gerada pela sonda rompe as membranas celulares, libertando o conteúdo celular e facilitando análises posteriores.
8. Desintegração e rutura celular: Os sonicadores de sonda são utilizados para desintegrar e romper células e tecidos para diversas finalidades, como a extração de componentes intracelulares, a inativação microbiana ou a preparação de amostras para análise. As ondas ultrassónicas de alta intensidade e a cavitação por elas gerada provocam tensões mecânicas e forças de cisalhamento, resultando na desintegração das estruturas celulares. Na investigação biológica e no diagnóstico médico, os sonicadores de sonda são utilizados para lise celular, o processo de romper as células para libertar os seus componentes intracelulares. A energia ultrassónica rompe paredes celulares, membranas e organelos, permitindo a extração de proteínas, DNA, RNA e outros constituintes celulares.

 
Estas são algumas das principais aplicações dos sonicadores de sonda, mas a tecnologia tem uma gama ainda mais ampla de outras utilizações, incluindo sonoquímica, redução do tamanho das partículas (moagem por via húmida), síntese de partículas por abordagem ascendente e sonossíntese de substâncias químicas e materiais em diversos setores, como a indústria farmacêutica, o processamento de alimentos, a biotecnologia e as ciências do ambiente.

Uma sequência de imagens a alta velocidade (de a a f) que ilustra a exfoliação sonomecânica de uma lâmina de grafite em água utilizando o UP200S, um sonicador de 200W com um sonotrodo de 3-mm. As setas mostram o local de separação das partículas, com bolhas de cavitação a penetrar na fenda.
© Tyurnina et al. 2020

A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores:

Vídeo de cavitação acústica num líquido

O vídeo seguinte demonstra a cavitação acústica no cascatrode do sonicador UIP1000hdT numa coluna de vidro cheia de água. A coluna de vidro é iluminada a partir de baixo com luz vermelha para melhorar a visualização das bolhas de cavitação.