Perguntas frequentes sobre banhos ultrassônicos
O que é e como funciona um banho ultrassônico?
Um banho ultrassônico é composto basicamente por três partes: gerador, transdutor e tanque.
O sinal elétrico é produzido pelo gerador, que pode ser analógico ou digital. Geradores digitais
possibilitam a operação em diferentes modos, para aplicações específicas. Ao chegar ao
transdutor, o sinal é convertido em movimento. Um transdutor funciona da mesma forma que
um autofalante, vibrando de acordo com a frequência do sinal que recebe. Quando a
frequência de vibração é muito alta, acima de 20 quilohertz (kHz), é chamada de ultrassom. O
transdutor fica acoplado ao fundo do tanque. A vibração do transdutor é passada para o fundo
do tanque, que também vibra como se fosse uma membrana, transferindo essa vibração
(ultrassom) para o líquido que se encontra dentro do tanque. Isso causa um fenômeno
chamado de cavitação, que é o que proporciona as inúmeras aplicações dos banhos
ultrassônicos que você verá no final deste documento.
Fig. 1 – Transdutor acoplado ao fundo do tanque (esq.) de um banho Elma P30H (dir.). Na
lateral do tanque (esq.) há também um elemento de aquecimento cerâmico, totalmente a
prova de funcionamento a seco.
O que é cavitação?
Cavitação é a formação e colapso de milhões de pequenas bolhas (ou cavidades) microscópicas
em um líquido. O efeito de cavitação é produzido pela alternância entre zonas de alta e baixa
pressão das ondas ultrassônicas se difundindo pelo líquido. Nas zonas de baixa pressão (vales)
as moléculas de água (ou do líquido que estiver no tanque) se separam, formando
bolhas/cavidades microscópicas, que são comprimidas e implodem ao serem atingidas por
uma zona de alta pressão (pico) da onda sonora. Assim, são gerados jatos microscópicos de
alta energia. É esta energia que, por exemplo, auxilia um detergente na quebra das ligações
entre uma sujidade e a peça que está sendo limpa.
Fig. 2 – Imagem de microscopia eletrônica: formação e colapso de uma bolha de cavitação.
Qual a frequência ideal para minha aplicação?
Frequências próximas a 37 kHz (de 35 a 45 kHz) são utilizadas para aplicações em geral, como
limpeza, preparo de amostras e desgaseificação. Frequências mais baixas, de cerca de 25 kHz,
são ideais para limpeza pesada (por exemplo, de peças mecânicas com sujeiras incrustradas e
de muito difícil remoção). Já as frequências mais altas, da ordem de 80 a 130 kHz, são
indicadas para materiais sensíveis como capilares, componentes de microeletrônica e óptica,
entre outros. Alguns equipamentos permitem ainda a alternância entre frequências altas e
baixas, chamados de multifrequência. A regra é: quanto menor a frequência ultrassônica,
maiores são as bolhas de cavitação formadas e maior é o impacto da atividade ultrassônica. E
vice-versa: quanto maior a frequência, menores as bolhas e mais brando é o efeito de
cavitação. Isso também tem como consequência uma atividade ultrassônica mais penetrante.
Como funcionam os diferentes modos de operação disponíveis nos banhos ultrassônicos
Elma?
Normal ou Sample Prep – o banho opera estabilizado em uma frequência fixa, o que
proporciona um fluxo de líquido otimizado no tanque, ideal para preparo de amostras.
Disponível nas linhas Elmasonic S e P.
Sweep – o gerador oscila a frequência ultrassônica em uma faixa estreita. Assim, o efeito de
cavitação é distribuído de forma mais homogênea, eliminando zonas de baixa performance
próximas aos cantos do tanque. É o modo de operação ideal para limpeza. Disponível nas
linhas Elmasonic E, S e P.
Degas – neste modo, o ultrassom é operado em intervalos. Durante a atividade ultrassônica os
gases dissolvidos são coletados nas bolhas de cavitação e empurrados para a superfície. Nos
intervalos essas bolhas são liberadas para a superfície do líquido. Este modo é utilizado para
desgaseificação de líquidos. Disponível nas linhas Elmasonic S e P.
Pulse – o ultrassom opera em pulsos, simulando eletronicamente os picos de potência que
ocorrem assim que o ultrassom é ligado. Entregando aproximadamente 20% de potência
adicional, este modo é ideal para aplicações de limpeza ou misturas mais difíceis. Exclusivo da
linha Elmasonic P.
Sieve Cleaning – neste modo são combinados os modos Sweep e Pulse para uma melhor
eficiência na limpeza de peneiras analíticas. Exclusivo das unidades Elma S50R e S350R.
O que é desgaseificação e porque deve ser feita?
Desgaseificação é a remoção de gases dissolvidos na solução. A cavitação útil ocorre somente
após os gases serem removidos da solução presente no tanque, o que permite que se forme
vácuo nas bolhas de cavitação. Enquanto houver gases na solução, serão coletados pelas
bolhas e estas não irão implodir como esperado.
Como eu consigo a melhor limpeza com meu banho ultrassônico?
Existem vários fatores importantes para a limpeza por ultrassom. Todos os fatores devem ser
otimizados para se atingir o melhor resultado. Os fatores mais importantes são: solução de
limpeza, temperatura e tempo de limpeza adequados para o material que está sendo limpo
bem como para a sujeira que deve ser removida. A escolha do tipo e tamanho de banho
ultrassônico também é importante para garantir que o banho comporte os objetos que serão
processados e atenda à aplicação pretendida.
A limpeza por ultrassom pode danificar meus objetos?
A limpeza em geral é segura apesar do efeito gerado por milhares de implosões por segundo,
já que o fenômeno da cavitação e a energia liberada estão localizados no nível microscópico,
com algumas exceções. O mais importante a ser levado em conta é a solução de limpeza, já
que potenciais efeitos adversos do detergente sobre o objeto serão aumentados com o uso do
ultrassom. A frequência ultrassônica também é de grande importância. A limpeza por
ultrassom não é recomendada para, por exemplo, joias contendo opalas, pérolas, esmeraldas,
entre outros, uma vez que essas se desfazem ou descoloram quando submetidas à cavitação.
Consulte sempre o fabricante do seu objeto quanto à possibilidade de limpeza ultrassônica
caso fique na dúvida.
O que é limpeza direta e indireta?
Limpeza direta é quando os itens são colocados diretamente na solução que preenche o
tanque, idealmente dentro de um cesto perfurado. Uma das limitações nesse caso é que deve
ser utilizada uma solução que não danifique o tanque ou traga riscos para o local. Já na
limpeza indireta, os itens são colocados dentro de um frasco ou recipiente fechado contendo a
solução de limpeza e o frasco é então colocado dentro do cesto. Neste caso, o nível de líquido
no tanque deve ficar sempre no máximo (cerca de 2 cm a partir do topo do tanque), já com o
material dentro. Na limpeza indireta uma parte da energia é perdida, podendo chegar a 20%.
Assim, um processo de limpeza indireta tende a levar um pouco mais tempo do que a limpeza
direta se considerar as mesmas condições.
Porque é necessária uma solução especial para limpeza?
Para romper as ligações entre a sujeira e a superfície que será limpa, uma vez que a água por si
só não tem propriedades de limpeza. O objetivo da atividade ultrassônica é auxiliar a solução a
fazer sua função. Além de romper as ligações, o detergente utilizado na solução de limpeza
também reduz a tensão superficial do líquido, o que facilita o efeito de cavitação. É indicado
que o detergente seja sempre dissolvido em água potável comum, uma vez que água
destilada/deionizada ou ultrapura tem tensão superficial mais alta.
Que solução de limpeza devo utilizar?
Está disponível no mercado uma variedade de soluções para limpeza ultrassônica,
desenvolvidas para aplicações específicas. A seleção do detergente adequado é crucial para a
limpeza e para a correta conservação da peça a ser limpa bem como do tanque do banho
ultrassônico. Por este motivo é importante conhecer o tipo de sujeira a ser removida e a
composição dos materiais a serem limpos. Para outras aplicações que não a limpeza é
recomendado o uso de um detergente neutro comum e água, com o simples objetivo de
romper a tensão superficial da água e facilitar a cavitação.
Que solução de limpeza não devo utilizar?
Soluções inflamáveis jamais devem ser utilizadas diretamente no tanque (a não ser que o
banho seja desenvolvido especificamente para limpeza com líquidos inflamáveis). A cavitação
aquece o líquido, gerando gradientes de temperatura na solução, além de aumentar a taxa de
evaporação. Ainda, pode haver formação de eletricidade estática. Ou seja, condições de
trabalho extremamente perigosas com líquidos inflamáveis. Soluções ácidas ou fortemente
alcalinas também devem ser evitadas, pois danificam o tanque. Nestes casos a limpeza deve
ser feita de forma indireta e dentro de capela de exaustão. Após o uso, é altamente
recomendável retirar o banho ultrassônico da capela para evitar corrosão e possíveis danos ao
banho e suas partes eletrônicas (devido à atmosfera agressiva da capela).
Quando deve ser feita a troca da solução?
A solução deve ser trocada quando for observado um decréscimo na eficiência da limpeza,
quando estiver visivelmente suja ou quando for observado depósito visível de sujeira no fundo
do tanque. Como o fundo do tanque vibra como uma membrana, qualquer depósito que fique
acumulado irá funcionar como um abrasivo, podendo reduzir a vida útil do mesmo. A cada
troca deve ser feita a desgaseificação da solução para garantir o melhor desempenho.
Porque devo sempre manter o nível da solução na marca indicativa do tanque?
Todo o sistema foi desenvolvido para funcionar em condições ótimas quando o nível da
solução estiver na marca indicativa do tanque (com todos os objetos já dentro do mesmo).
Níveis inadequados de líquido podem alterar as características do processo, afetar a
frequência, reduzir a eficácia e potencialmente até danificar o equipamento em casos
extremos.
Qual o tempo de limpeza ideal?
O tempo ideal irá variar e depende da aplicação, do tipo de sujeira, tipo de solução,
temperatura e resultado necessário. Logo após iniciar o processo deverá ser possível visualizar
a sujeira sendo removida. O ajuste do tempo é a maneira mais fácil (e geralmente mal
aplicada) de compensar outras variáveis do processo. A determinação do tempo ideal para sua
aplicação deverá ser empírica, efetuando-se testes e validando o método, embora possa ser
aproximada por um operador com experiência.
Qual a temperatura ótima para limpeza?
O aquecimento geralmente acelera e facilita o processo de limpeza. A melhor maneira de
encontrar a temperatura ótima é efetuando testes e obedecendo as instruções do fabricante
da solução de limpeza utilizada. Geralmente, os melhores resultados são obtidos em
temperaturas na faixa de 50 a 65 °C, mas algumas soluções de limpeza funcionam bem em
temperatura ambiente. Acima de 80 °C a atividade ultrassônica é consideravelmente
atenuada, por este motivo e também para evitar danos aos objetos os banhos Elma aquecem
até no máximo 80 °C.
É necessário enxague após a limpeza por ultrassom?
O enxague é recomendado para remover quaisquer resíduos químicos do material. O enxague
pode ser feito logo após a limpeza, com o uso de um banho com água limpa ou em uma cuba
contendo água da torneira, destilada ou deionizada, dependendo do objetivo da limpeza.
Para quê serve o aquecimento?
O objetivo principal é manter a temperatura da solução entre os ciclos de limpeza ou aquecer
a mesma até a temperatura ótima antes da aplicação.
Porque o meu banho ultrassônico continua aquecendo além da temperatura que eu defini?
É importante ressaltar que a atividade ultrassônica por si só aquece o líquido, como
consequência da liberação de energia pelo processo de cavitação. Portanto deve-se ter
cuidado caso os objetos sejam termossensíveis ou caso a temperatura deva ser controlada
para sua aplicação (por exemplo, limpeza de materiais contendo resíduos de sangue e/ou
proteínas). Nesses casos, existem acessórios para controlar precisamente a temperatura do
banho com o uso de chillers ou banhos de resfriamento com circulação.
Fig. 3 – Banho Elma com uma serpentina acoplada. Esta serpentina deve ser ligada a um chiller
com recirculação para controle da temperatura durante o processo.
Como faço para saber se meu banho ultrassônico está funcionando corretamente?
Resultados insatisfatórios de limpeza ou de sua aplicação geralmente resultam do controle
inadequado das variáveis do processo: solução de limpeza inadequada, temperatura
inadequada e/ou tempo insuficiente. Se você suspeitar que seu banho ultrassônico não esteja
funcionando adequadamente, existe um teste simples que pode ser feito, o teste do papel
alumínio. Além disso, existem materiais específicos para verificação de atividade ultrassônica.
O mais recomendado e utilizado pela Elma é o SonoCheck®. Consiste em ampolas com esferas
que devem mudar de cor (verde para amarela) quando submetidas à cavitação por 5 a 10
minutos no máximo.
Fig. 4 – Ampolas SonoCheck® antes (verde) e depois (amarela) de submetidas à cavitação.
Como faço o teste do papel alumínio?
Corte três pedaços pequenos de papel alumínio. Suspenda-os em locais diferentes do banho
com o uso de algum suporte e ligue o ultrassom por 1 minuto. Após este tempo, inspecione os
pedaços de papel alumínio. Todos os pedaços deverão estar perfurados e marcados de forma
semelhante.
Fig. 5 – Aspecto do papel alumínio após o teste. Observe as perfurações e marcas deixadas
pela cavitação na parte inferior da folha.
Como faço para calibrar/verificar a frequência do meu banho ultrassônico?
Não existe atualmente nenhuma metodologia oficial para verificação da frequência do banho
ultrassônico durante a operação. A Elma está desenvolvendo um aparelho para tal, que já
passou por uma primeira aprovação ISO e segue em fase de desenvolvimento.
Porque deve ser utilizado o cesto ou suporte adequado para os objetos?
Como os transdutores estão acoplados ao fundo do tanque e o mesmo funciona como uma
membrana, qualquer objeto que esteja em contato direto com o fundo irá: reduzir a atividade
ultrassônica, causar superaquecimento do sistema e, eventualmente, danificar o tanque e os
transdutores. Além disso, o cesto auxilia na retirada, escorrimento e transporte dos objetos.
Uma alternativa é colocar os itens suspensos dentro do banho, com o uso de garras metálicas.
Neste caso deve ser respeitada uma distância de cerca de 2 cm do fundo e das paredes do
tanque.
Fig. 6 – Elma P30H e seus acessórios básicos: cesto em aço inox e tampa plástica, que também
pode ser utilizada como bandeja para transporte e escorrimento.
O que é ideal para minha aplicação, um sonicador ou um banho ultrassônico?
Para muitas aplicações em preparo de amostras os dois equipamentos podem ser utilizados.
Para alguns casos em específico devemos analisar com cuidado. No caso de rompimento de
células, por exemplo, alguns tipos de células mais resistentes podem não ser passíveis de
rompimento em banho ultrassônico, pois a atividade ultrassônica está espalhada em um
grande volume de líquido. Nestes casos utilizamos um sonicador, que concentra a atividade
ultrassônica próxima à probe, entregando maior potência no local. Consulte-nos quanto à
aplicação pretendida.
Aplicações dos banhos ultrassônicos Elma
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Limpeza de objetos diversos feito em plástico, metal, cerâmica, vidro, entre outros, como
espátulas, peças e ferramentas em geral, pipetas e vidrarias, etc;
Limpeza de peças complexas como manifolds e condensadores, com locais de difícil
acesso para os métodos de limpeza manuais;
Limpeza de peneiras analíticas;
Limpeza de objetos pequenos e sensíveis como capilares, lentes, componentes de
microeletrônica, entre outros;
Limpeza na área médica e odontológica (próteses, instrumentos, etc.);
Limpeza de amostras geológicas, metalúrgicas ou de materiais para análise em
microscopia eletrônica;
Limpeza técnica de peças na indústria para controle de qualidade/produção;
Preparo de amostras envolvendo mistura, dispersão, emulsificação ou dissolução;
Preparo de meios de cultura;
Extração auxiliada por ultrassom;
Aceleração de reações químicas;
Preparação de nanopartículas metálicas;
Esfoliação de grafeno;
Separação de células e desprendimento de biofilmes;
Rompimento de células;
Transformação genética;
Desgaseificação de líquidos, como por exemplo, solventes para HPLC e amostras de água
e bebidas para análise.
Entre muitas outras aplicações. Consulte-nos!
Nova Analítica Imp e Exp Ltda
Gerente Elma: Alexandre Garcia
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