Perguntas frequentes sobre banhos ultrassônicos

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1 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.

2 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

3 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

4 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.

5 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.

6 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

7 ultrassônica próxima à probe, entregando maior potência no local. Consulte-nos quanto à aplicação pretendida. Aplicações dos banhos ultrassônicos Elma 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 alexandre.garcia@novanalitica.com.br Visite o nosso site: