Sonicación
La sonicación es el acto de aplicar energía sonora para agitar partículas en una muestra, con diversos fines como la extracción de múltiples compuestos de plantas, microalgas y algas marinas. [1] Generalmente se utilizan frecuencias ultrasónicas (> 20 kHz), lo que hace que el proceso también se conozca como ultrasonicación o ultra-sonicación . [2]
En el laboratorio, se suele aplicar mediante un baño ultrasónico o una sonda ultrasónica , conocida coloquialmente como sonicador . En una máquina de papel , una lámina ultrasónica puede distribuir las fibras de celulosa de forma más uniforme y reforzar el papel.
Efectos
La sonicación tiene numerosos efectos, tanto químicos como físicos. El campo científico que se ocupa de comprender el efecto de las ondas sónicas en los sistemas químicos se denomina sonoquímica . Los efectos químicos del ultrasonido no provienen de una interacción directa con especies moleculares. Los estudios han demostrado que ningún acoplamiento directo del campo acústico con especies químicas a nivel molecular puede explicar la sonoquímica [3] o la sonoluminiscencia [4] . En cambio, en la sonoquímica las ondas sonoras migran a través de un medio, induciendo variaciones de presión y cavitaciones que crecen y colapsan, transformando las ondas sonoras en energía mecánica. [1]
Aplicaciones
La sonicación se puede utilizar para la producción de nanopartículas , como nanoemulsiones , [5] nanocristales, liposomas y emulsiones de cera, así como para la purificación de aguas residuales, desgasificación, extracción de polisacáridos de algas [1] y aceite vegetal, extracción de antocianinas y antioxidantes, [6] producción de biocombustibles , desulfuración de petróleo crudo, disrupción celular , procesamiento de polímeros y epoxi, adelgazamiento de adhesivos y muchos otros procesos. Se aplica en las industrias farmacéutica, cosmética, del agua, de alimentos, de tintas, pinturas, revestimientos, tratamiento de madera, metalurgia, nanocompuestos, pesticidas, combustibles, productos de madera y muchas otras.
La sonicación se puede utilizar para acelerar la disolución, rompiendo las interacciones intermoleculares. Es especialmente útil cuando no es posible agitar la muestra, como en el caso de los tubos de RMN . También se puede utilizar para proporcionar la energía necesaria para que se produzcan determinadas reacciones químicas. La sonicación se puede utilizar para eliminar los gases disueltos de los líquidos ( desgasificación ) mediante la sonicación del líquido mientras se encuentra en vacío. Esta es una alternativa a los métodos de congelación-bombeo-descongelación y de burbujeo .
En aplicaciones biológicas, la sonicación puede ser suficiente para alterar o desactivar un material biológico. Por ejemplo, la sonicación se utiliza a menudo para alterar las membranas celulares y liberar el contenido celular. Este proceso se denomina sonoporación . Se pueden crear pequeñas vesículas unilamelares (SUV) mediante la sonicación de una dispersión de vesículas multilamelares grandes (LMV). La sonicación también se utiliza para fragmentar moléculas de ADN, en las que el ADN sometido a breves períodos de sonicación se corta en fragmentos más pequeños.
La sonicación se utiliza habitualmente en nanotecnología para dispersar de manera uniforme nanopartículas en líquidos. Además, se utiliza para desintegrar agregados de partículas coloidales de tamaño micrométrico.
La sonicación también se puede utilizar para iniciar procesos de cristalización e incluso controlar cristalizaciones polimórficas. [7] Se utiliza para intervenir en precipitaciones antidisolventes (cristalización) para ayudar a mezclar y aislar cristales pequeños.
La sonicación es el mecanismo que se utiliza en la limpieza ultrasónica para aflojar las partículas adheridas a las superficies. Además de las aplicaciones científicas de laboratorio, los baños de sonicación tienen aplicaciones que incluyen la limpieza de objetos como anteojos y joyas .
La sonicación también se utiliza en la industria alimentaria. Las principales aplicaciones son la dispersión para ahorrar emulsionantes costosos (mayonesa) o para acelerar los procesos de filtración (aceite vegetal, etc.). Se han realizado experimentos con sonicación para el envejecimiento artificial de licores y otras bebidas alcohólicas.
Las muestras de suelo a menudo se someten a ultrasonidos para romper los agregados del suelo; esto permite el estudio de los diferentes componentes de los agregados del suelo (especialmente la materia orgánica del suelo ) sin someterlos a un tratamiento químico agresivo. [8]
La sonicación también se utiliza para extraer microfósiles de la roca. [9]
Para la extracción se utiliza un baño ultrasónico o un sistema de sonda ultrasónica. Por ejemplo, esta técnica se sugirió para eliminar las isoflavonas de la soja y los compuestos fenólicos del salvado de trigo y el polvo de cáscara de coco . [10] Los resultados difieren para cada materia prima y disolvente utilizado y las otras técnicas de extracción. La cavitación acústica o ultrasónica es la base para el funcionamiento de la extracción asistida por ultrasonidos. [11]
Equipo
Para muchas aplicaciones de procesamiento, como la nanocristalización, la nanoemulsificación, [5] la desaglomeración, la extracción, la disrupción celular y muchas otras, se requiere una intensidad considerable de ultrasonidos y amplitudes de vibración ultrasónicas elevadas. Por lo general, un proceso se prueba primero a escala de laboratorio para demostrar su viabilidad y establecer algunos de los parámetros de exposición ultrasónica requeridos. Una vez completada esta fase, el proceso se transfiere a una escala piloto (de laboratorio) para la optimización de la preproducción de flujo continuo y luego a una escala industrial para la producción continua. Durante estos pasos de ampliación, es esencial asegurarse de que todas las condiciones de exposición locales (amplitud ultrasónica, intensidad de cavitación , tiempo transcurrido en la zona de cavitación activa, etc.) permanezcan iguales. Si se cumple esta condición, la calidad del producto final permanece en el nivel optimizado, mientras que la productividad aumenta mediante un "factor de ampliación" predecible. El aumento de la productividad resulta del hecho de que los sistemas de procesadores ultrasónicos a escala de laboratorio, de banco y a escala industrial incorporan bocinas ultrasónicas progresivamente más grandes, capaces de generar zonas de cavitación de alta intensidad progresivamente más grandes y, por lo tanto, de procesar más material por unidad de tiempo. Esto se llama "escalabilidad directa". Es importante señalar que aumentar la capacidad de potencia del procesador ultrasónico por sí solo no da como resultado una escalabilidad directa, ya que puede ir acompañada (y con frecuencia va) de una reducción en la amplitud ultrasónica y la intensidad de la cavitación. Durante el aumento de escala directo, se deben mantener todas las condiciones de procesamiento, mientras que se aumenta la potencia nominal del equipo para permitir el funcionamiento de una bocina ultrasónica más grande. [12] [13] [14] Encontrar la condición de operación óptima para este equipo es un desafío para los ingenieros de procesos y necesita un conocimiento profundo sobre los efectos secundarios de los procesadores ultrasónicos. [15]
Véase también
Referencias
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