Ejemplo 3
Desgasificación Ultrasónica para el Procesamiento de Líquidos en Alimentos y Bebidas
Motivación y contexto industrial
La presencia de gases disueltos en los componentes líquidos utilizados en la producción de alimentos y bebidas puede afectar negativamente a la estabilidad del producto, las operaciones de llenado y las etapas de procesamiento posteriores. Los enfoques de desgasificación convencionales suelen basarse en sistemas de vacío, tratamientos térmicos o largos tiempos de residencia, lo que puede aumentar la complejidad del proceso, el consumo de energía y la huella de equipo.
Los ultrasonidos de potencia ofrecen un enfoque físico y no químico para promover la desgasificación, acelerando la transferencia de gas de la fase líquida a la fase gaseosa mediante una dinámica de burbujas controlada. Sin embargo, una implementación efectiva requiere un diseño acústico y mecánico específico para generar campos de presión adecuados en los líquidos, garantizando al mismo tiempo un comportamiento del sistema predecible y escalable.
Fundamento Físico de la Desgasificación Ultrasónica (Visión General Sintética)
La desgasificación ultrasónica se basa en la interacción entre un campo acústico y las burbujas de gas presentes o generadas dentro de un líquido.
Según la ecuación de Minnaert, el tamaño de una burbuja resonante es inversamente proporcional a la frecuencia de ultrasonido aplicada:
Donde f es la frecuencia de resonancia, R es el radio de la burbuja, γ es un coeficiente termodinámico, p es la presión ambiente y ρ es la densidad del medio fluido.
La desgasificación ultrasónica está gobernada por tres mecanismos principales:
- Nucleación y crecimiento de burbujas, que implica núcleos de gas preexistentes o burbujas generadas acústicamente.
- Difusión rectificada, por la cual las burbujas oscilantes crecen durante ciclos acústicos sucesivos debido a la difusión asimétrica de gas durante las fases de compresión y rarefacción.
- Coalescencia y flotación de burbujas, mejoradas por las fuerzas de radiación acústica y las fuerzas de Bjerknes, lo que lleva a la formación de burbujas más grandes que ascienden y liberan gas en la superficie del líquido.
Tanto las fuerzas de Bjerknes primarias como las secundarias contribuyen a la migración, agregación y agrupamiento de burbujas, mientras que el flujo acústico promueve el transporte a través de todo el volumen del líquido. Es importante destacar que la desgasificación puede ocurrir incluso a intensidades acústicas por debajo del umbral de cavitación, siempre que haya burbujas estables presentes.
Estos mecanismos explican por qué la frecuencia, la amplitud de la presión acústica y la distribución del campo acústico son parámetros críticos en el diseño de sistemas de desgasificación ultrasónica.
Desafío de ingeniería
El proyecto se centró en el diseño y la validación de dispositivos de desgasificación ultrasónica para el procesamiento de líquidos en la industria de alimentos & bebidas, abarcando pruebas a escala de laboratorio y volúmenes de líquido intermedios y relevantes para el proceso.
Las principales limitaciones incluyeron:
- Acoplamiento acústico eficiente en líquidos similares al agua
- Generación controlada y distribución espacial de cavitación y flujo acústico
- Robustez mecánica e idoneidad para el funcionamiento continuo
- Comportamiento predecible con potencial para una mayor ampliación
El objetivo no era desgasificar una bebida final, sino un componente líquido del proceso, utilizando agua (H₂O) como medio representativo durante la validación experimental.
Diseño de Sistemas Ultrasónicos y Modelado FEM
Se desarrollaron dispositivos de desgasificación ultrasónica personalizados, que consisten en transductores piezoeléctricos acoplados mecánicamente a placas radiantes extendidas. Los sistemas operaron en el rango de baja frecuencia ultrasónica (≈18–21 kHz), convirtiendo las vibraciones longitudinales en modos de placa flexural para maximizar la radiación acústica en el líquido.
Las actividades clave de desarrollo incluyeron:
- Modelado de Elementos Finitos (FE) del comportamiento electromecánico y la transmisión acústica en agua
- Predicción de frecuencias de resonancia, formas modales y distribución del campo de presión
- Identificación de regiones propensas a la cavitación y patrones de flujo acústico
Se utilizaron modelos FEM axisimétricos para simular el sistema acoplado dispositivo-contenedor. Los resultados numéricos mostraron máximos y mínimos de presión distintos dentro del volumen del líquido, correspondientes a regiones donde se esperaba que se iniciaran la actividad de burbujas y los mecanismos de desgasificación (Figura 1).
Posteriormente, se prototiparon los dispositivos y se validaron las predicciones numéricas mediante pruebas experimentales.
Figura 1. (a) Dispositivo de desgasificación ultrasónica con placa radiante sumergida en un recipiente de agua de 2,5 L; (b) Modelo numérico 2D del sistema acoplado dispositivo–recipiente; (c) modo de vibración del dispositivo en su frecuencia de resonancia (18,2 kHz); (d) campo de presión acústica dentro del recipiente predicho mediante elementos finitos.
Caracterización y Validación Experimental
Las frecuencias de resonancia y las características de impedancia eléctrica se midieron mediante análisis de impedancia, tanto en el aire como con las placas radiantes completamente sumergidas en agua. Se observó un cambio de frecuencia consistente y una reducción en el factor de calidad al operar en agua, lo que refleja el aumento de la carga acústica.
Las frecuencias de resonancia medidas en el aire y en el agua mostraron una excelente concordancia con las predicciones FEM, con desviaciones inferiores al 1%, lo que confirma la fiabilidad de los modelos numéricos (Tabla 1).
Tabla 1. Frecuencias de resonancia en aire y agua obtenidas del modelado por elementos finitos y mediciones experimentales de impedancia
Se realizaron pruebas experimentales de alta potencia en contenedores llenos de agua, incluyendo un tanque de 40 L, representativo de los volúmenes de líquido encontrados en etapas específicas de procesamiento de alimentos & bebidas. Un único vídeo de referencia que se muestra en la Figura 2 documenta los experimentos con el dispositivo ultrasónico sumergido.
Figura 2. Animación de desgasificación ultrasónica
Las observaciones visuales muestran claramente:
- Nucleación y crecimiento de burbujas cerca de la superficie radiante
- Coalescencia de burbujas en estructuras más grandes
- Flotación ascendente y liberación de gas en la superficie del líquido
Estas observaciones ilustran directamente los mecanismos fundamentales subyacentes a la desgasificación ultrasónica en condiciones de funcionamiento realistas.
Observaciones Clave (Resumen Cualitativo)
- Las superficies radiantes extendidas generan un campo acústico más distribuido en comparación con las sondas ultrasónicas convencionales.
- La acción combinada de cavitación, difusión rectificada y coalescencia de burbujas rige la dinámica de desgasificación observada.
- El modelado FEM predice con precisión el comportamiento de resonancia y la distribución del campo acústico tanto en entornos de aire como líquidos.
- Las observaciones experimentales son consistentes con los modelos físicos establecidos reportados en la literatura.
Resultado y relevancia
Esta actividad de desarrollo ilustra la flexibilidad del ultrasonido de potencia para aplicaciones de procesamiento de líquidos y destaca la capacidad de:
- Diseñar radiadores ultrasónicos específicos para cada aplicación basados en modelos físicos
- Validar simulaciones numéricas mediante caracterización experimental
- Explorar conceptos ultrasónicos innovadores para volúmenes de líquido relevantes industrialmente
El trabajo refuerza la importancia del diseño ultrasónico personalizado y demuestra cómo la ingeniería dirigida puede abrir nuevas oportunidades de proceso en el procesamiento de líquidos para alimentos & bebidas.