miniatura|Un sonicador no Instituto de Ciencia Weizmann durante unha sonicación. A sonicación é un procedemento de laboratorio no que se aplica enerxía sonora para axitar partículas presentes nunha mostra, utilizado para varios propósitos, como a extracción de moitos compostos de plantas, microalgas e outras algas. Adoitan utilizarse frecuencias ultrasónicas (> 20 kHz), polo que o proceso se chamaría ultrasonicación .
No laboratorio o normal é aplicala usando un baño ultrasónico ou unha sonda ultrasónica, coloquialmente coñecida como sonicador. Nunha máquina de producir papel, unha lámina ultrasónica pode distribuír fibras de celulosa máis uniformemente e facer máis resistente o papel.
Efectos A sonicación ten numerosos efectos, tanto químicos coma físicos. O campo científico que trata de comprender os efectos das ondas sonoras sobre sistemas químicos chámase sonoquímica. Os efectos químicos dos ultrasóns non derivan dunha interacción directa con especies moleculares. Os estudos realizados mostraron que ningún acoplamento directo do campo acústico coas especies químicas a nivel molecular pode explicar a sonoquímica nin a sonoluminescencia. Ao contrario, en sonoquímica as ondas sonoras migran a través dun medio, inducindo variacións de presión e cavitacións que crecen e colapsan, transformando as ondas sonoras en enerxía mecánica.
Aplicacións
A sonicación pode utilizarse para a produción de nanopartículas, como nanoemulsións, nanocristais, liposomas e emulsións de cera, así como para a purificación de augas residuais, desgasificación, extracción de polisacáridos de algas e aceites vexetais, extracción de antocianinas e antioxidantes, produción de biocombustibles, desulfurización do petróleo cru, disrupción celular (para que as células liberen as moléculas do seu interior), procesamento de polímeros e epoxis, dilución de adhesivos, e moitos outros procesos. Aplícase nas industrias farmacéuticas, cosméticas, da auga, alimentos, tinta, pintura, revestimentos, tratamento da madeira, metalistaría, nanocompostos, pesticidas, combustible, produtos da madeira e moitas outras industrias.
A sonicación pode utilizarse para acelerar a disolución de substancias, ao romper as interaccións moleculares. É especialmente útil cando non é posible remexer a mostra, como co uso de tubos de RMN. Pode tamén utilizarse para proporcionar enerxía para que se produzan certas reaccións químicas. A sonicación pode usarse para eliminar os gases disoltos en líquidos (desgasificación) ao someter a sonicación o líquido cando está sometido ao baleiro. É unha alternativa aos métodos de conxelación-bombeo-desconxelación e de salpicado (facer pasar burbullas dun gas por un líquido para separar outro gas disolto).
En aplicacións biolóxicas, a sonicación pode ser suficiente para causar a disrupción ou desactivar un material biolóxico. Por exemplo, a sonicación utilízase a miúdo para romper as membranas celulares e liberar o contido do interior da célula. Este proceso denomínase sonoporación. As pequenas vesículas unilamelares poden fabricarse pola sonicación dunha dispersión de grandes vesículas multilamelares. A sonicación tamén se usa para fragmentar moléculas de ADN, proceso no cal o ADN sometido a breves períodos de sonicación, queda roto en fragmentos máis pequenos.
A sonicación utilízase frecuentemente en nanotecnooxía para dispersr homoxeneamente nanopartículas en líquidos. Ademais, utilízase para romper agregados de partículas coloidais de tamaño de microns.
A sonicación tamén se pode empregar para iniciar procesos de cristalización e controlar cristalizacións polimórficas. Úsase en preciptacións antisolvente (cristalizacións) para axudar a mesturar e illar pequenos cristais.
miniatura|200px|Máquinas de sonicación para a limpeza de discos nos Arquivos Nacionais de Son de Suíza. A sonicación é o mecanismo usado na limpeza ultrasónica, facendo que se solten as partículas adheridas a superficies. Ademais das aplicacións científicas de laboratorio, os baños de sonicación teñen aplicacións como a limpeza de obxectos como lentes e xoias.
A sonicación utilízase tamén na industria alimentaria. As súas principais aplicacións son para a dispersión para aforrar emulxentes caros (na maionesa) ou para acelerar procesos de filtración (no aceite vexetal e outros). Fixéronse experimentos con sonicación para envellecer artificialmente licores e outras bebidas alcohólicas.Audrey Chingzu Chang. Study of ultrasonic wave treatments for accelerating the aging process in a rice alcoholic beverage. Food Chemistry. Volume 92, número 2, setembro de 2005. Páxinas 337-342.
As mostras de solo adoitan someterse a ultrasóns para romper os agregados do solo; isto permite estudar os diferentes constituíntes dos agregados (especialmente a materia orgánica do solo) sen ter que sometelos a tratamentos químicos fortes.
A sonicación tamén se usa para extraer microfósiles de rochas.
Para realizar extraccións de substancias pode utilizarse un baño ultrasónico ou un sistema de sonda ultrasónica. Por exemplo, esta técnica suxeriuse para a eliminación de isoflavonas dos feixóns de soia e de compostos fenólicos do farelo do trigo e o po de casca de coco. Os resultados son distintos para cada materia prima e solvente utilizados e as outras técnicas de extracción. A cavitación acústica ou ultrasónica é o fundamento da extracción asistida por ultrasóns.
Equipo
miniatura|esquema dun banco e procesadores de líquidos ultrasónicos de escala industrial.
Para moitas aplicacións de procesamento cómpren unha intensidade substancial de ultrasóns e unha alta vibración ultrasónica, como no caso da nanocristalización, nanoemulsificación, desaglomeración, extracción, disrupción celular, así como moitos outros. O procedemento normal é facer primeiro tests a escala de laboratorio para probar a factibilidade e establecer algúns dos parámetros de exposicón a ultrasóns necesarios. Despois de que se completou esta fase, o proceso transfírese a unha escala piloto (banco) para a optimización da preprodución de fluxo e despois xa a unha escala industrial para a produción continua. Durante estes pasos de escalas sucesivas, é esencial ter a certeza de que permanecen igual todas as condicións de exposición (amplitude ultrasónica, intensidade da cavitación, tempo que se pasa na zona de cavitación activa, etc.). Se se cumpren estas condicións, a calidade do produto final permanecerá sempre no nivel óptimo, mentres que a produtividade se incrementa nun "factor escalable" predicible. O incremento de produtividade é o resultado de que os sistemas de procesador ultrasónico a escalas de laboratorio, piloto e industrial incorporen unhas sondas (cornos) ultrasónicas progresivamente máis grandes, con capacidade de xeraren zonas de cavitación de alta intensidade progresivamente máis grandes e, por tanto, procesaren máis material por unidade de tempo. Isto denomínase "escalabilidade directa". É importante sinalar que incrementar a potencia do procesador ultrasónico por si só non resulta nunha escalabilidade directa, xa que pode (como frecuentemente ocorre) ir acompañado dunha redución da amplitude ultrasónica e da intensidade da cavitación. Durante o escalado directo, deben manterse todas as condicións de procesamento, mentres que a potencia do equipo utilizado é aumentada para permitir o funcionamento dunha sonda ultrasónica máis grande.A.S. Peshkovsky, S.L. Peshkovsky "Industrial-scale processing of liquids by high-intensity acoustic cavitation - the underlying theory and ultrasonic equipment design principles", In: Nowak F.M, ed., Sonochemistry: Theory, Reactions and Syntheses, and Applications, Hauppauge, NY: Nova Science Publishers; 2010.A.S. Peshkovsky, S.L. Peshkovsky "Acoustic Cavitation Theory and Equipment Design Principles for Industrial Applications of High-Intensity Ultrasound", Book Series: Physics Research and Technology, Hauppauge, NY: Nova Science Publishers; 2010. Atopar as condicións de funcionamento óptimas deste equipo é un reto para os enxeñeiros de procesos e é preciso ter un profundo coñecemento sobre os efectos colaterias dos procesadores ultrasónicos.Parvareh, A., Mohammadifar, A., Keyhani, M. and Yazdanpanah, R. (2015). A statistical study on thermal side effects of ultrasonic mixing in a gas-liquid system. In: The 15 th Iranian National Congress of Chemical Engineering (IChEC 2015).
Véxase tamén Outros artigos Ultrasónica Limpeza ultrasónica Kenneth S. Suslick
Notas
Categoría:Ultrasóns Categoría:Técnicas de laboratorio Categoría:Dinámica de fluídos