Reatores ultrassónicos de fluxo – Conceção, aplicações e vantagens

Os reatores ultrassónicos permitem o tratamento contínuo em linha de líquidos e suspensões através da aplicação de ondas ultrassónicas potentes. Os reatores ultrassónicos são utilizados para homogeneização, mistura, emulsificação, dispersão, extração, desintegração celular, pasteurização, desgaseificação, dissolução e intensificação de reações químicas, como a síntese ou a catálise. Saiba mais sobre a tecnologia dos reatores ultrassónicos e sobre como o seu processo pode beneficiar da sonicação!

Para que são utilizadas as células de fluxo nos processos de sonicação?

Uma célula de fluxo, também conhecida como célula de passagem ou reator de fluxo, é um dispositivo utilizado em várias aplicações científicas e de engenharia para permitir processos de fluxo contínuo. As células de fluxo são habitualmente utilizadas em processos de sonicação, especialmente quando se tratam grandes volumes com ultrassons de potência. Uma célula de fluxo ultrassónica ou um reator sonoquímico é uma câmara ou célula especializada, concebida para permitir a passagem de um líquido ou de suspensões enquanto são submetidos a sonicação.

As células de fluxo são habitualmente utilizadas em áreas como a mistura e a homogeneização, a química, a biologia, a eletroquímica e a biotecnologia. Oferecem várias vantagens em relação aos processos por lotes, incluindo uma sonicação mais uniforme, maior controlo, melhor cinética de reação, transferência de massa eficiente e a capacidade de integrar eficientemente o processo de sonicação num processo de produção em linha.

Homogeneizador ultrassónico industrial com reator de célula de fluxo

O MultiSonoReactor MSR-4 é um reator industrial de homogeneização em linha para a homogeneização industrial de líquidos com elevadas capacidades de processamento.

Aplicações das células de fluxo ultrassónicas e dos reatores sonoquímicos

Os reatores ultrassónicos Hielscher podem ser úteis numa ampla variedade de reações químicas que envolvem interfaces líquido-sólido, líquido-líquido ou líquido-gás. Alguns exemplos de reações que podem ser melhoradas com reatores ultrassónicos incluem:

Homogeneização de emulsões: os reatores ultrassónicos podem ajudar a fragmentar e dispersar partículas em emulsões, originando produtos mais estáveis e uniformes.
Cristalização: A irradiação ultrassónica pode induzir a cristalização em soluções, levando à formação de cristais pequenos e uniformes com elevada pureza.
Desgaseificação: A irradiação ultrassónica pode ser utilizada para remover gases dissolvidos de líquidos, o que pode melhorar a qualidade e a estabilidade dos produtos.
Extração: Os reatores ultrassónicos podem aumentar a eficiência dos processos de extração ao promoverem a difusão de solutos através de membranas ou interfaces.
Polimerização: A irradiação ultrassónica pode promover a iniciação e a propagação de reações de polimerização, originando velocidades de reação mais elevadas e massas moleculares superiores.
Síntese de nanopartículas: Os reatores ultrassónicos podem ser utilizados para sintetizar nanopartículas com tamanho, forma e propriedades superficiais controlados.
Sonocatálise: A irradiação ultrassónica pode aumentar a atividade catalítica de determinados materiais, originando velocidades de reação mais elevadas e melhor seletividade.

Sonicador UIP6000hdT com reator ultrassónico de célula de fluxo e armário de isolamento acústico para processos industriais com elevada capacidade de processamento.

O sonicador industrial UIP6000hdT com reator ultrassónico de célula de fluxo e armário de isolamento acústico.

Mudança de cor induzida por cavitação com o sonicador UP400St

Conceção sofisticada de reatores ultrassónicos para resultados de processo superiores

Quando se trata de reatores em linha para o processamento de líquidos, devem ser considerados vários fatores importantes. Os reatores ultrassónicos Hielscher são concebidos e fabricados. Estes fatores podem variar consoante a aplicação e os requisitos específicos, mas seguem-se algumas considerações relevantes:

Conceção do reator: A conceção do próprio reator é um dos fatores mais influentes para o sucesso do processamento ultrassónico em linha. Fatores como o tamanho, a geometria, a posição do sonotrodo e o material de construção devem ser considerados para garantir a compatibilidade com o líquido submetido a sonicação, bem como as condições de reação pretendidas (por exemplo, intensidade dos ultrassons, temperatura, pressão).

Mistura e agitação: A sonicação proporciona uma micromistura altamente eficiente. Em reatores de tanque maiores, a mistura e a agitação adicionais podem ser benéficas para obter uma boa macromistura. Um misturador de pás ou um impulsor contribui para uma transferência de massa ideal, uma vez que todo o material é deslocado para a zona de cavitação ultrassónica. Por conseguinte, a conceção dos reatores Hielscher permite incorporar macromisturadores, como impulsores ou agitadores.

Tempo de residência: O tempo de residência no reator sonoquímico, que corresponde ao tempo que o líquido permanece no interior do reator, é um parâmetro crítico: é o tempo durante o qual o material é exposto à vibração ultrassónica, à cavitação e às forças de cisalhamento. Afeta a extensão da reação e a produtividade do processo. Os reatores ultrassónicos Hielscher são concebidos para controlar e ajustar o tempo de residência pretendido de forma fácil e fiável, mantendo um caudal adequado.

Controlo da temperatura: Para muitos materiais e reações, o controlo preciso da temperatura é essencial. Por conseguinte, os reatores ultrassónicos Hielscher estão equipados com meios para controlar e manter a temperatura pretendida. Isto é conseguido através de vários meios, como camisas térmicas ou sistemas externos de aquecimento/arrefecimento.

Controlo da pressão: Algumas reações beneficiam de condições de pressão específicas. Em geral, os efeitos da sonicação são intensificados a pressões elevadas. O reator deve ser capaz de funcionar na gama de pressões pretendida de forma segura e eficaz. Naturalmente, a Hielscher disponibiliza mecanismos de controlo da pressão, como válvulas de alívio ou reguladores de pressão, para os seus reatores ultrassónicos.

Considerações de segurança: A simplicidade de operação e a segurança são de importância primordial na conceção dos reatores. Em conformidade com as normas industriais e com as mais elevadas exigências de segurança, os reatores ultrassónicos Hielscher são concebidos e operados com dispositivos de segurança adequados, como válvulas de alívio de pressão, sistemas de monitorização da pressão e da temperatura, registo automático de dados e capacidade de purga com gás inerte, se necessário.

Potencial de aumento de escala: Se se prevê que as necessidades de processamento de líquidos aumentem no futuro, é importante considerar o potencial de aumento de escala do reator. Os reatores ultrassónicos Hielscher são concebidos para facilitar o aumento de escala, permitindo maiores volumes de produção e mantendo a eficiência do processo.

Manutenção e facilidade de limpeza: Os reatores sonoquímicos Hielscher são muito robustos e concebidos para facilitar a manutenção, a inspeção e a limpeza. As superfícies internas lisas, as ligações acessíveis e rapidamente removíveis, bem como a boa capacidade de drenagem e a funcionalidade de limpeza no local (CIP), ajudam a minimizar o tempo de paragem e a garantir uma higiene adequada.

Compatibilidade e resistência à corrosão: Tendo em conta a compatibilidade dos materiais do reator com o líquido processado, a Hielscher disponibiliza reatores sonoquímicos personalizados. A compatibilidade química é crucial para evitar a corrosão, a contaminação ou reações indesejadas.

Monitorização e controlo do processo: A incorporação de sensores de pressão e temperatura, de alimentação e velocidade de passagem ajustáveis e dos respetivos dispositivos de monitorização, bem como o registo automático dos dados relativos às condições do processo ultrassónico, fornece dados em tempo real sobre parâmetros críticos do processo. Esta informação permite o mais elevado nível de controlo, otimização e normalização do processo.

Integração com o equipamento de processo: Os reatores ultrassónicos Hielscher podem ser integrados de forma fácil e prática no sistema global de processamento de líquidos. A compatibilidade e as ligações adequadas com equipamentos a montante e a jusante, como bombas, filtros, permutadores de calor e unidades de recolha/armazenamento de produtos, podem ser facilmente implementadas e posteriormente adaptadas a alterações na linha de produção.

Sonicador em linha Hielscher UIP4000hdT com célula de fluxo para processos de homogeneização e mistura em linha

Homogeneizador ultrassónico industrial de 4kW UIP4000hdT com reator de passagem para mistura e homogeneização em linha

Sonicadores e reatores sonoquímicos para processos de fluxo em linha

A Hielscher Ultrasonics disponibiliza sonicadores de elevado desempenho e reatores ultrassónicos para o processamento de líquidos a qualquer escala.

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os sonicadores e os reatores sonoquímicos Hielscher são bem conhecidos pelos seus padrões máximos de qualidade e conceção. A robustez e a facilidade de operação permitem a integração harmoniosa dos nossos sonicadores e células de fluxo ultrassónicas em instalações industriais. Os sonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a sonicadores de elevado desempenho que incorporam tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os sonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos de UL, CSA e RoHs.

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

Volume do lote	Caudal	Dispositivos recomendados
0,5 a 1,5mL	n.a.	VialTweeter
1 a 500mL	10 a 200mL/min	UP100H
10 a 2000mL	20 a 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 a 20L	0,2 a 4L/min	UIP2000hdT
10 a 100L	2 a 10L/min	UIP4000hdT
15 a 150L	3 a 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 a 100L/min	UIP16000
n.a.	superior	conjunto de UIP16000

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Os homogeneizadores ultrassónicos de elevado cisalhamento são utilizados no processamento laboratorial, de bancada, piloto e industrial.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.

Temas relacionados

Bibliografia / Referências

Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.
Antonia Tamborrino, Agnese Taticchi, Roberto Romaniello, Claudio Perone, Sonia Esposto, Alessandro Leone, Maurizio Servili (2021): Assessment of the olive oil extraction plant layout implementing a high-power ultrasound machine. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 73, 2021.

Ultrassons de elevado desempenho! A gama de produtos da Hielscher abrange todo o espectro, desde o sonicador laboratorial compacto, passando pelas unidades de bancada, até aos sistemas ultrassónicos totalmente industriais.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassónicos de elevado desempenho desde a escala laboratorial até à escala industrial.