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), por lo que el proceso también se conoce como ultrasonización o ultrasonidosonicación . ^{[ 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 fortalecer el papel.

La sonicación tiene numerosos efectos, tanto químicos como físicos. El campo científico que se ocupa de comprender el efecto de las ondas sonoras 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 ]} ni 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 ] .}

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 marinas ^{[ 1 ]} y aceite vegetal, extracción de antocianinas y antioxidantes, ^{[ 6 ]} producción de biocombustibles , desulfuración de petróleo crudo, ruptura celular , procesamiento de polímeros y epoxi, dilución de adhesivos y muchos otros procesos. Se aplica en las industrias farmacéutica, cosmética, de agua, alimentaria, de tintas, pinturas, recubrimientos, tratamiento de madera, metalurgia, nanocompuestos, pesticidas, combustibles, productos de madera y muchas otras.

La sonicación puede utilizarse para acelerar la disolución, rompiendo las interacciones intermoleculares. Resulta especialmente útil cuando no es posible agitar la muestra, como en el caso de los tubos de RMN . También puede emplearse para proporcionar la energía necesaria para que se produzcan ciertas reacciones químicas.

La sonicación se utiliza para eliminar los gases disueltos en líquidos ( desgasificación ) mediante la aplicación de ultrasonidos al líquido mientras se encuentra al vacío. Este método es una alternativa a los procesos de congelación-bombeo-descongelación y burbujeo .

En aplicaciones biológicas, la sonicación puede ser suficiente para alterar o desactivar un material biológico. Por ejemplo, se utiliza a menudo para romper las membranas celulares y liberar su contenido. Este proceso se denomina sonoporación . Se pueden obtener pequeñas vesículas unilamelares (SUV) mediante la sonicación de una dispersión de grandes vesículas multilamelares (LMV). La sonicación también se utiliza para fragmentar moléculas de ADN, en cuyo caso el ADN sometido a breves periodos de sonicación se corta en fragmentos más pequeños.

La sonicación se utiliza habitualmente en nanotecnología para dispersar uniformemente nanopartículas en líquidos. Además, se emplea para romper agregados de partículas coloidales de tamaño micrométrico.

La sonicación también puede utilizarse para iniciar procesos de cristalización e incluso controlar cristalizaciones polimórficas. ^{[ 7 ]} Se utiliza para intervenir en precipitaciones con antisolvente (cristalización) para facilitar la mezcla y aislar cristales pequeños.

La sonicación es el mecanismo utilizado en la limpieza ultrasónica , que consiste en aflojar las partículas adheridas a las superficies. Además de sus aplicaciones en laboratorios científicos, los baños de ultrasonidos se utilizan para limpiar objetos como gafas y joyas .

La sonicación también se utiliza en la industria alimentaria. Sus 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 ultrasonido para romper los agregados del suelo; esto permite estudiar 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 ha sugerido para eliminar isoflavonas de la soja y compuestos fenólicos del salvado de trigo y el polvo de cáscara de coco . ^{[ 10 ]} Los resultados varían según la materia prima, el disolvente utilizado y las diferentes técnicas de extracción. La cavitación acústica o ultrasónica es la base del funcionamiento de la extracción asistida por ultrasonidos. ^{[ 11 ]}

Se requiere una intensidad sustancial de ultrasonido y altas amplitudes de vibración ultrasónica para muchas aplicaciones de procesamiento, como la nanocristalización, la nanoemulsificación, ^{[ 5 ]} la desaglomeración, la extracción, la ruptura celular, entre otras. Comúnmente, un proceso se prueba primero a escala de laboratorio para demostrar su viabilidad y establecer algunos de los parámetros de exposición ultrasónica necesarios. Una vez completada esta fase, el proceso se transfiere a una escala piloto (de banco) para la optimización de la preproducción en flujo continuo y luego a una escala industrial para la producción continua. Durante estas etapas de escalado, es esencial asegurar que todas las condiciones de exposición locales (amplitud ultrasónica, intensidad de cavitación , tiempo de permanencia en la zona de cavitación activa, etc.) permanezcan constantes. Si se cumple esta condición, la calidad del producto final se mantiene en el nivel optimizado, mientras que la productividad aumenta mediante un "factor de escalado" predecible. El aumento de la productividad se debe a que los sistemas de procesamiento ultrasónico a escala de laboratorio, banco de pruebas e industrial incorporan bocinas ultrasónicas cada vez más grandes, capaces de generar zonas de cavitación de alta intensidad cada vez mayores y, por lo tanto, de procesar más material por unidad de tiempo. Esto se denomina "escalabilidad directa". Es importante señalar que aumentar la potencia del procesador ultrasónico por sí solo no produce escalabilidad directa, ya que puede ir acompañado (y con frecuencia lo hace) de una reducción en la amplitud ultrasónica y la intensidad de la cavitación. Durante el escalado directo, deben mantenerse todas las condiciones de procesamiento, mientras que la potencia nominal del equipo aumenta para permitir el funcionamiento de una bocina ultrasónica más grande. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} Encontrar la condición de funcionamiento óptima para este equipo es un desafío para los ingenieros de procesos y requiere un conocimiento profundo sobre los efectos secundarios de los procesadores ultrasónicos. ^{[ 15 ]}

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