Cavitação ultra-sónica em líquidos

A cavitação ultrassónica é a força motriz por trás do processamento ultrassónico de líquidos de alta intensidade. Quando um ultrassom potente é aplicado a um líquido, formam-se bolhas de vapor microscópicas, que crescem e colapsam violentamente. Esta cavitação acústica cria intensas forças de cisalhamento locais, 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 ruptura celular e as reações sonoquímicas.

Os sonicadores de sonda da Hielscher utilizam cavitação acústica controlada para transferir energia ultrassónica diretamente para líquidos, suspensões e pastas. Desde pequenas amostras laboratoriais até à produção industrial contínua em fluxo contínuo, os sistemas da Hielscher permitem ajustar a amplitude, a geometria do sonotrodo, a pressão, a temperatura, o caudal e o tempo de permanência, 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 reais de processamento.
• Para produção: adaptar a cavitação ultrassónica a processos em lote, de recirculação ou contínuos em linha.

O princípio de funcionamento da cavitação ultra-sónica

Ao sonicar líquidos a altas intensidades, as ondas sonoras que se propagam no meio líquido resultam 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 280m/s.

A cavitação acústica (gerada por ultra-sons de potência) cria condições locais extremas, os chamados efeitos sonomecânicos e sonoquímicos. Devido a estes efeitos, a sonicação promove reacções químicas que conduzem a rendimentos mais elevados, a uma velocidade de reação mais rápida, a novas vias e a uma maior eficiência global.

Principais aplicações dos sonicadores e da cavitação acústica

Os ultrassons do tipo sonda, também conhecidos como sondas ultrassónicas, geram eficazmente cavitação acústica intensa em líquidos. Por conseguinte, são amplamente utilizados em várias aplicações em diferentes indústrias. Algumas das aplicações mais importantes da cavitação acústica gerada por ultrassons do tipo sonda incluem:
 

1. Homogeneização: As sondas ultra-sónicas podem gerar uma cavitação intensa, que se caracteriza por um campo denso de energia de vibração e forças de cisalhamento. Estas forças proporcionam uma excelente mistura, combinação e redução do tamanho das partículas. A homogeneização por ultra-sons produz suspensões uniformemente misturadas. Por conseguinte, a sonicação é utilizada para produzir suspensões coloidais homogéneas com curvas de distribuição estreitas.
2. Dispersão de nanopartículas: Os ultrassons são utilizados para a dispersão, desaglomeração e moagem húmida de nanopartículas. As ondas de ultra-sons de baixa frequência podem gerar uma cavitação de impacto, que quebra os aglomerados e reduz o tamanho das partículas. Em particular, o elevado cisalhamento dos jactos de líquido acelera as partículas no líquido, que colidem umas com as outras (colisão interparticular), de modo a que as partículas se quebrem e sofram erosão. Isto resulta numa distribuição uniforme e estável das partículas, evitando a sedimentação. Isto é crucial em vários domínios, incluindo a nanotecnologia, a ciência dos materiais e os produtos farmacêuticos.
3. Emulsificação e mistura: Os ultrassons de tipo sonda são utilizados para criar emulsões e misturar líquidos. A energia ultra-sónica provoca a cavitação, a formação e o colapso de bolhas microscópicas, o que gera forças de cisalhamento locais intensas. Este processo ajuda a emulsionar líquidos imiscíveis, produzindo emulsões estáveis e finamente dispersas.
4. Extração: Devido às forças de cisalhamento cavitacionais, os ultrassons são altamente eficientes na rutura de estruturas celulares e para melhorar a transferência de massa entre sólido e líquido. Por conseguinte, a extração ultra-sónica é amplamente utilizada para libertar material intracelular, tais como compostos bioactivos para a produção de extractos botânicos de alta qualidade.
5. Desgaseificação e Desaeração: Os ultrassons do tipo sonda são utilizados para remover bolhas de gás ou gases dissolvidos em líquidos. A aplicação da cavitação ultra-sónica promove a coalescência das bolhas de gás de modo a que estas cresçam e flutuem para o topo do líquido. A cavitação ultra-sónica torna a desgaseificação um procedimento rápido e eficiente. Isto é valioso em várias indústrias, tais como em tintas, fluidos hidráulicos ou processamento de alimentos e bebidas, onde a presença de gases pode afetar negativamente a qualidade e estabilidade do produto.
6. Sonocatálise: As sondas ultra-sónicas podem ser utilizadas para a sonocatálise, um processo que combina a cavitação acústica com catalisadores para melhorar as reacções químicas. A cavitação gerada pelas ondas ultra-sónicas melhora a transferência de massa, aumenta as taxas de reação e promove a produção de radicais livres, conduzindo a transformações químicas mais eficientes e selectivas.
7. Preparação da amostra: Os ultrassons do tipo sonda são normalmente utilizados em laboratórios para a preparação de amostras. São utilizados para homogeneizar, desagregar e extrair amostras biológicas, tais como células, tecidos e vírus. A energia ultra-sónica gerada pela sonda rompe as membranas celulares, libertando o conteúdo celular e facilitando a análise posterior.
8. Desintegração e rutura celular: Os ultrassons do tipo sonda são utilizados para desintegrar e romper células e tecidos para vários fins, como a extração de componentes intracelulares, a inativação microbiana ou a preparação de amostras para análise. As ondas ultra-sónicas de alta intensidade e a cavitação assim gerada causam tensão mecânica e forças de cisalhamento, resultando na desintegração das estruturas celulares. Na investigação biológica e no diagnóstico médico, os ultrassons do tipo sonda são utilizados para a lise celular, o processo de abertura das células para libertar os seus componentes intracelulares. A energia ultra-sónica rompe as paredes celulares, as membranas e os organelos, permitindo a extração de proteínas, ADN, ARN e outros constituintes celulares.

 
Estas são algumas das principais aplicações dos ultrassons de tipo sonda, mas a tecnologia tem uma gama ainda mais vasta de outras utilizações, incluindo a sonoquímica, a redução do tamanho das partículas (moagem húmida), a síntese de partículas de baixo para cima e a sono-síntese de substâncias e materiais químicos em várias indústrias, tais como a farmacêutica, a transformação de alimentos, a biotecnologia e as ciências ambientais.

Sequência de alta velocidade (de a a f) de imagens que ilustram a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um aparelho de ultra-sons de 200 W com um sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local de fracionamento das partículas com bolhas de cavitação que penetram no fracionamento.
© Tyurnina et al. 2020

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

Vídeo de Cavitação Acústica em Líquido

O vídeo seguinte demonstra a cavitação acústica no cascatrodo do ultrasonicador UIP1000hdT numa coluna de vidro cheia de água. A coluna de vidro é iluminada a partir do fundo por luz vermelha para melhorar a visualização das bolhas de cavitação.