O que é um Processador Ultrassônico ou Sonicador

Este artigo O Que é um Processador Ultrassônico  ou Sonicador tem como objetivo detalhar melhor sobre os processadores ultrassônicos, também chamados de Sonicador de ponteira, esclarecendo assim dúvidas sempre presentes no dia a dia dos usuários.

1 – O que é e como funciona um processador ultrassônico ou sonicador  

Como já mencionamos anteriormente, o  processador ultrassônico também é chamado de Sonicador de ponteira ou apenas sonicador.

Da mesma forma que o “processamento ultrassônico” também é chamado de “sonicação”.

Ele é um equipamento de laboratório utilizado em muitas aplicações, como por exemplo na produção de dispersões, disruptura de parede celular (lise celular) e para homogeneização de amostras (veja mais aplicações no post específico).

Seu funcionamento é fruto da conversão de energia elétrica em energia mecânica.

Um sonicador de ponteira é composto basicamente por 3 componentes:

• Controlador
• Conversor
• Sonda

No exemplo da foto, este modelo possui também um sensor de temperatura externo, que permite definir o valor máximo suportado pela amostra, evitando sua degradação ou evaporação de solventes.

Princípio de funcionamento de um processador ultrassônico ou sonicador

O CONTROLADOR de um processador ultrassônico ou sonicador converte a frequência da energia elétrica (60 Hz no Brasil) em uma frequência muito maior, que no caso dos processadores ultra-sônicos Vibra-Cell da SONICS é de 20 KHz.

Esta energia elétrica, já na frequência de 20 KHz, é transmitida através dos transdutores piezelétricos existentes dentro do CONVERSOR. Portanto, dentro do conversor, a energia elétrica é transformada em energia mecânica vibratória, devido a expansão e contração dos transdutores.

Atenção: Estes transdutores existentes dentro do conversor são confeccionados com materiais cerâmicos, portanto não são resistentes a impactos. Logo, o conversor é um componente bastante sensível do sonicador e cuidados com quedas são fundamentais para evitarem danos irreversíveis.

Cavitação

As vibrações geradas pelo conversor são intensificadas pela SONDA, que é o componente que será introduzido na amostra.

Estas vibrações criam ondas de pressão sobre o líquido / amostra, rompendo as forças moleculares de coesão da mesma.

Logo, esta ação forma milhões de bolhas microscópicas que se expandem, a medida que a pressão negativa ocorre, e implodem violentamente durante a pressão positiva.

Neste fenômeno, chamado de cavitação, uma considerável quantidade de energia é liberada no momento das implosões das bolhas, o que gera uma poderosa força de cisalhamento na ponta da sonda.

Mesmo tendo duração de micro segundos, e considerando que a energia liberada por cada implosão seja pequena, a energia cumulativa de todas as implosões é consideravelmente alta.

Portanto, quanto maior é o diâmetro da sonda, maior é o volume de amostra que ela pode processar, mas menor é a intensidade desta energia.

Sondas com menor diâmetro, processam menores volumes de amostra, mas geram maior intensidade na sua ponta, devido a maior expansão (amplitude).

Esta intensidade é chamada AMPLITUDE.

O QUE É AMPLITUDE ?

A Amplitude, medida em microns, e é a distância longitudinal que a sonda oscila, também chamada de DESLOCAMENTO ou CURSO, definida também como “Aumento do comprimento da sonda”.

Portanto, ao ajustar uma amplitude mais alta, você aumenta o deslocamento da sonda e, consequentemente, transmite mais energia para a amostra.

Entretanto, a amplitude em uma sonda depende do seu diâmetro e do % da amplitude selecionada no controlador do Sonicador.

No ajuste máximo da amplitude do controlador (100%), a sonda irá deslocar uma determinada amplitude pré definida pelo fabricante.

Exemplo

Em um Processador Ultrassônico de 500W de potência (Sonics Vibra-Cell VC 505) ou com potência de 750 W (Sonics VibraCell VCX 750), utilizando uma sonda de 13 mm de diâmetro, o deslocamento máximo com ajuste da Amplitude do controlador em 100% será de 124 μm (Curso de 124 μm).

Como o controle da amplitude é linear, se o controlador for ajustado para amplitude de 50%, a sonda irá se deslocar 62 μm.

Se utilizarmos um processador ultrassônico de 130 W, como o Sonics Vibra-Cell VCX 130, com uma sonda de 3 mm, a amplitude máxima (considerando o controlador ajustado para 100%) será de 182 μm. Da mesma forma, com uma amplitude ajustada no controlador em 50%, o deslocamento da sonda será de 91 μm.

Para informações completas sobre o deslocamento de cada sonda, consulte as tabelas 14 e 15 existentes no tópico 9 deste post.

Controle automático da amplitude

Os processadores ultrassônicos Sonics Vibra-Cell possuem um controle de amplitude único no mercado mundial, que garante uma estabilidade muito grande. Ao contrário dos concorrentes, o deslocamento da sonda (amplitude) não será impactado quando a resistência da amostra à sonda aumenta.

A amplitude também não será afetada em função de variações de outras variáveis, tais como pressão, densidade, viscosidade e temperatura da amostra.

Entretanto, conforme veremos a seguir, estas variáveis irão influenciar na quantidade de ENERGIA liberada pelo controlador, ou seja, a POTÊNCIA utilizada.

O QUE É POTÊNCIA DE UM SONICADOR?

A potência, medida em Watts (W), representa a quantidade de energia que a amostra requer para movimentar e vibrar a sonda na AMPLITUDE definida no controlador. Esse valor depende diretamente das características e condições da amostra — por isso, o usuário não pode defini-lo previamente.

Nos equipamentos da Sonics, durante o processamento, você pode visualizar os parâmetros em tempo real. Basta pressionar a tecla “VIEW” para acompanhar dados como tempo, amplitude e, inclusive, a potência que está sendo aplicada sobre a amostra.

Mas, então, por que o sonicador não entrega a potência máxima mesmo quando a amplitude está ajustada para 100%?

A resposta está no comportamento da própria amostra. A potência fornecida depende da resistência que a amostra oferece ao movimento da sonda. Se essa resistência for baixa, o sistema não precisa liberar toda a potência disponível para manter a amplitude ajustada. Assim, mesmo com 100% de amplitude, o sonicador só utilizará a potência necessária para manter o deslocamento da sonda conforme o ajuste do controlador.

Podemos explicar este fenômeno fazendo uma comparação com o controle de velocidade de um “piloto automático” em um automóvel.

Piloto Automático

O piloto automático controla a velocidade para mantê-la constante durante todo o trajeto.

Entretanto, em alguns momentos do trajeto, pode haver necessidade de aumento de potência do motor para manter a mesma velocidade, como em uma subida por exemplo.

Conforme o ambiente muda, a potência despejada pelo motor do carro é alterada, mas a velocidade é constante.

Quanto maior for a inclinação do terreno, como em uma subida de ladeira, maior será a potência despejada pelo motor para vencer esta resistência do ambiente, objetivando manter a velocidade constante.

Portanto, o “piloto automático” percebe alterações do terreno e automaticamente ajusta a quantidade de potência que o motor do carro precisa produzir para manter a velocidade constante.

O processador ultrassônico Vibra-Cell da Sonics mantém constante a AMPLITUDE em todos os experimentos, graças ao sistema de Auto Tuning. Dessa forma, garante a repetibilidade e o mesmo desempenho do sonicador, independentemente do tipo ou da condição da amostra. No entanto, a quantidade de energia (potência) exigida pode variar conforme a resistência da amostra ao deslocamento da sonda.

Logo ….

À medida que a resistência da amostra contra a sonda aumenta, o controlador libera potência adicional para manter o deslocamento (amplitude) no nível ajustado pelo usuário.

O controlador dos sonicadores de ponteira Sonics Vibra-Cell permite com que a sonda tenha sua amplitude ajustada em qualquer nível definido pelo usuário, de 10 a 100%.

Você pode identificar visualmente o grau de cavitação necessário para processar uma amostra; no entanto, não é possível determinar a potência exigida apenas pela observação.

Uma rede “sensitiva” e de alta tecnologia existente no controlador monitora continuamente as necessidades de processamento e ajusta automaticamente a potência para manter a amplitude definida pelo usuário no controlador sempre constante.

Quanto maior for a resistência ao movimento da sonda, maior será a potência despejada.

O processador ultrassônico atinge sua potência máxima apenas quando a sonda encontra resistência suficiente ao movimento, o que permite alcançar a saída nominal.

Podemos demonstrar esse fenômeno da seguinte forma:

• Com o equipamento em stand by (ligado, mas não processando), ajuste a AMPLITUDE no controlador para 100%
• Encoste a ponta da sonda em um pedaço de madeira, sem muita força, e ligue o equipamento.
• Observando o monitor de potência do equipamento no display do controlador, identifique a potência despejada
• Quanto maior for a pressão da sonda na madeira, maior será a resistência à sonda e consequentemente maior será a potência despejada pelo controlador para compensar esta resistência.

OBS. Não executar este teste se estiver utilizando um micro sonda, ou seja, sonda para pequenos volumes. – Ver maiores informações no post sobre sondas, micro sondas e microponteiras !

O fabricante de um sonicador de ponteira pode definir a potência de forma realista ou de maneira exagerada. Vemos muitos concorrentes informando uma potência de X watts em seus equipamentos, mas na realidade eles são capazes de processar volumes que não condizem com esta informação.

Infelizmente, não existe norma que padronize ou regule esta informação a nível mundial.

Logo, um fabricante pode informar que seu modelo tem 100 W de potência. Mas quem utiliza o padrão RMS, que é mais rigoroso, informa que seu processador tem 60 W e processa o mesmo volume de amostra que o fabricante de 100 W informou.

Como veremos a seguir, o aumento da potência e do diâmetro da sonda permite processar volumes maiores.

Medida de potência

Como os fabricantes adotam diferentes métodos para determinar a potência, recomendamos selecionar cuidadosamente a sonda ou microsonda para garantir um processamento adequado.

Por exemplo, uma unidade de 100 watts deve poder utilizar uma sonda de 1⁄2 “(13 mm) e processar efetivamente até 100 ml. Se um equipamento de 100 watts não acompanhar uma sonda de 1/2″ (13 mm), isso indica que o fabricante utilizou um método diferente do padrão RMS para medir a potência. Nesse caso, a capacidade real de processamento será inferior a 100 ml.

Importante: uma sonda de 1/8” (3 mm) processa, de forma eficaz, no máximo 15 ml de volume.

Na Sonics Vibra-Cell, realizamos a classificação de potência RMS, que é a mair rigorosa, e divulgamos os recursos de potência e volume de processamento reais, pois pensamos que fornecer uma informação sem a outra seria ao mesmo tempo sem sentido e intencionalmente enganosa aos clientes.

    2 – Parâmetros para utilização de um processador ultrassônico ou sonicador de ponteira

A intensidade da cavitação que ocorre no líquido, ou seja, a intensidade da sonicação, é proporcional a algumas variáveis, tais como:

1. a intensidade da vibração da ponta da sonda (Amplitude)
2. a tensão superficial do solvente
3. a temperatura da amostra
4. a viscosidade da amostra
5. a pressão que o líquido está recebendo
6. a posição/profundidade da sonda em relação a amostra

Quanto maior a amplitude, maior é a oscilação da ponta da sonda e maior o nível de cavitação, e portanto sua eficiência de sonicação.

É possível ajustar o percentual de amplitude diretamente no controlador do sonicador. Mas a amplitude de cada sonda, ou seja, quanto ela oscila, é consequência entre o diâmetro inicial e final da sonda.

Quanto maior for esta relação, maior será a amplitude da sonda, ou seja, sondas com menores diâmetros terão maiores amplitudes do que sondas com maiores diâmetros.

Em contrapartida, quanto menor o diâmetro da sonda, menor seu volume de processamento. Maiores diâmetros permitirão processar maiores volumes de amostra.

Tanto a viscosidade quanto a tensão superficial do solvente possuem grande efeito no processo de cavitação. Quanto maior forem, maior será a redução acústica e maior será a energia necessária para cavitar o líquido. Tipicamente, a viscosidade máxima recomendada para um processamento eficiente é de 4.000 cps.

Com relação a temperatura, a influência da mesma também é direta: maior temperatura produzirá maior cavitação. Este fenômeno ocorre até 70ºC aproximadamente, quando a cavitação começa a ser reduzida até parar completamente quando o líquido chega no seu ponto de ebulição.

Um líquido pressurizado exige maior energia ultrassônica (maior amplitude) para produzir cavitação. Assim, a amostra recebe mais energia à medida que as bolhas implodem.

Influência da temperatura no processamento ultrassônico ou sonicador

A temperatura do líquido que está sendo sonicado tem grande influência na intensidade da cavitação. A temperatura modifica diversas propriedades do líquido, como viscosidade, tensão superficial e principalmente a pressão de vapor, e todas estas características influenciam na cavitação.

Apesar de temperaturas elevadas “enfraquecerem” o colapso das bolhas devido ao aumento da pressão de vapor, quanto mais alta a temperatura maior a quantidade de bolhas e mais violento é o colapso das mesmas.

Para a maioria das aplicações, recomendamos manter a temperatura entre 4 e 20ºC. Em sistemas tradicionais, o limite técnico para processamento é de 65ºC, não sendo portanto recomendado ultrapassar esta temperatura.

Durante o processo de sonicação, a temperatura da amostra invariavelmente irá aumentar, principalmente em volumes menores.
O excesso de temperatura traz consequências negativas como evaporação de solventes, alterando o volume processado, ou até mesmo a degradação da amostra, como por exemplo em células ou fármacos.

Abordagem

Uma abordagem simples para minimizar os efeitos negativos do aumento da temperatura é manter a amostra em um banho termostático ou banho de gelo. O frasco da amostra deve ficar submergido em um nível na qual a amostra fique submersa no banho.

O operador deve manter a temperatura da amostra baixa. Para isso, pode pulsar o processamento usando a função ON/OFF enquanto a amostra permanece submersa no banho.

Durante o processamento ultrassônico, toque o frasco para avaliar se o mesmo está com baixa temperatura.

Com relação a um possível dano a sonda, sua liga permite trabalhos até 350ºC, portanto temperaturas abaixo de 100ºC não irão danificar a mesma.

Portanto, as consequências negativas, conforme relatado anteriormente, são todas para a amostra e não para a sonda em si.

O gráfico abaixo detalha a expansão térmica da liga de titânio utilizada nas sondas e microssondas.

Operação em modo contínuo e pulsado

Os processadores ultrassônicos ou sonhadores podem operar no modo contínuo ou pulsado.

No modo pulsado existe um intervalo do pulso (processamento) com um tempo estático (pulso off), ou seja, durante um tempo ON o equipamento estará processando e durante o tempo OFF o equipamento estará sem operar.

O operador pode regular esses tempos conforme a aplicação e o desenvolvimento do processo de preparação da amostra.

A operação em modo de pulsação, com pulsos ON e OFF, retarda consideravelmente o aumento da temperatura da amostra, minimizando os efeitos indesejados citados acima, permitindo assim um melhor controle da temperatura.

Especialistas geralmente recomendam operar com pequenos pulsos, intercalados com períodos de refrigeração.

Quando se trabalha com pequenos volumes, a temperatura da amostra tende a aumentar rapidamente com a sonicação. Logo, as condições de refrigeração da amostra devem ser mais intensas do que para grandes volumes.

Trabalhar com pulsos ON e OFF permite também uma melhor homogeneização da amostra, que pode retornar a proximidade da sonda durante o ciclo OFF.

 3 – Vantagens de um processador ultrassônico ou sonicador sobre um banho de ultrassom

Muitos clientes perguntam sobre as diferenças e vantagens de um sonicador de ponteira sobre um banho ultrassôncio em suas aplicações.

Basicamente, a diferença é que em um banho ultrasônico temos uma grande área e volume de líquido para dissipar a energia ultrassônica pequena, enquanto em um processador ultrassônico, temos uma pequena área e volume de amostra e uma grande quantidade de energia ultrassônica.

Comparem a relação da potência de um sonicador com o diâmetro de uma sonda em e a potência do banho de ultrassom com a área disponível.

Teremos uma relação W/cm2 MUITO maior em um processador ultrassônico e portanto uma aplicação muito mais eficiente, exigindo portanto tempos muito menores de processamento.

4 – Vantagens do processador Ultrassônico Sonics Vibra-Cell sobre os concorrentes

Os processadores ultrassônicos da Sonics Vibra-Cell possuem a mais alta tecnologia do mercado mundial. Portanto, oferecemos diferenciais únicos, tais como:

• Garantia única no mercado mundial de 3 anos conta defeitos de fabricação, coberta no Brasil pela Biovera.
• Assistência técnica autorizada, com peças de reposição originais no Brasil, garantindo rápida manutenção e preços justos
• Eletrônica avançada, promovendo assim amplitude constante independente do tipo de amostra. O sistema permite repetir seu experimento ou aplicação inúmeras vezes, sempre alcançando o mesmo resultado. O mercado mundial conhece essa função exclusiva como Auto Tuning!
• Proteção contra sobre carga, minimizando danos ao equipamento em caso de problemas
• Controle e monitoramento ON LINE da energia dissipada na amostra
• Modelos com ampla faixa de trabalho, de poucos microlitros até 50 litros

Além das características acima, temos em nosso portfólio diversos acessórios para aplicações específicas, como por exemplo células de fluxo contínuo (para scale up e produção); sondas com diversas micro sondas para processamento simultâneo de amostras; adaptadores para processamento sem contato da sonda com a amostra; etc

Por final, se ainda persistem dúvidas sobre a escolha do equipamento adequado ou outras dúvidas,  consultem nossos especialistas treinados na fábrica da Sonics nos Estados Unidos.

Se você quer contribuir para melhorar este texto, O Que é e como funciona um Processador Ultrassônico, fazer alguma correção ou até mesmo compartilhar seu trabalho desenvolvido com nosso equipamento, entre em contato conosco.