La primera aplicación del ultrasonido en bioquímica debería ser la destrucción de la pared celular para liberar su contenido. Estudios posteriores han demostrado que el ultrasonido de baja intensidad puede promover el proceso de reacción bioquímica. Por ejemplo, la irradiación ultrasónica de una base nutritiva líquida puede aumentar la tasa de crecimiento de las células de algas, triplicando así la cantidad de proteína producida por estas células.

En comparación con la densidad energética del colapso de las burbujas de cavitación, la densidad energética del campo ultrasónico se ha multiplicado por billones, lo que resulta en una enorme concentración de energía. Los fenómenos sonoquímicos y la sonoluminiscencia causados ​​por la alta temperatura y presión generadas por las burbujas de cavitación son formas únicas de intercambio de energía y materia en la sonoquímica. Por lo tanto, el ultrasonido desempeña un papel cada vez más importante en la extracción química, la producción de biodiésel, la síntesis orgánica, el tratamiento microbiano, la degradación de contaminantes orgánicos tóxicos, la velocidad y el rendimiento de las reacciones químicas, la eficiencia catalítica de los catalizadores, el tratamiento de biodegradación, la prevención y eliminación de incrustaciones ultrasónicas, la trituración, dispersión y aglomeración de células biológicas, y las reacciones sonoquímicas.

1. Reacción química mejorada por ultrasonidos.

Reacción química mejorada por ultrasonidos. La principal fuerza impulsora es la cavitación ultrasónica. El colapso del núcleo de la burbuja cavitante produce alta temperatura local, alta presión, un fuerte impacto y microchorro, lo que proporciona un entorno físico y químico nuevo y muy especial para reacciones químicas difíciles o imposibles de lograr en condiciones normales.

2. Reacción catalítica ultrasónica.

Como nuevo campo de investigación, la reacción catalítica ultrasónica ha despertado cada vez más interés. Los principales efectos del ultrasonido en la reacción catalítica son:

(1) La alta temperatura y la alta presión favorecen el craqueo de los reactivos en radicales libres y carbono divalente, formando especies de reacción más activas;

(2) La onda de choque y el micro chorro tienen efectos de desorción y limpieza sobre la superficie sólida (como el catalizador), que pueden eliminar los productos de reacción de la superficie o los intermedios y la capa de pasivación de la superficie del catalizador;

(3) La onda de choque puede destruir la estructura del reactivo.

(4) Sistema de reactivos dispersos;

(5) La cavitación ultrasónica erosiona la superficie del metal y la onda de choque provoca la deformación de la red metálica y la formación de la zona de deformación interna, lo que mejora la actividad de reacción química del metal;

6) Promover que el disolvente penetre en el sólido para producir la llamada reacción de inclusión;

(7) Para mejorar la dispersión del catalizador, se suele utilizar ultrasonidos en su preparación. La irradiación ultrasónica puede aumentar la superficie del catalizador, lograr una dispersión más uniforme de los componentes activos y mejorar la actividad catalítica.

3. Química de polímeros ultrasónicos

La aplicación de la química de polímeros positivos por ultrasonidos ha atraído gran atención. El tratamiento ultrasónico puede degradar macromoléculas, especialmente polímeros de alto peso molecular. La celulosa, la gelatina, el caucho y las proteínas pueden degradarse mediante tratamiento ultrasónico. Actualmente, se cree que el mecanismo de degradación ultrasónica se debe al efecto de la fuerza y ​​la alta presión cuando la burbuja de cavitación estalla, y que la otra parte de la degradación puede deberse al efecto del calor. En ciertas condiciones, el ultrasonido de potencia también puede iniciar la polimerización. La irradiación ultrasónica intensa puede iniciar la copolimerización de alcohol polivinílico y acrilonitrilo para preparar copolímeros en bloque, y la copolimerización de acetato de polivinilo y óxido de polietileno para formar copolímeros de injerto.

4. Nueva tecnología de reacción química mejorada mediante campo ultrasónico.

La combinación de nuevas tecnologías de reacción química y la mejora del campo ultrasónico es otra dirección de desarrollo potencial en el campo de la química ultrasónica. Por ejemplo, se utiliza un fluido supercrítico como medio, y el campo ultrasónico se emplea para intensificar la reacción catalítica. Por ejemplo, el fluido supercrítico tiene una densidad similar a la de un líquido, una viscosidad y un coeficiente de difusión similares a los de un gas, lo que hace que su disolución sea equivalente a la de un líquido y su capacidad de transferencia de masa equivalente a la de un gas. La desactivación de catalizadores heterogéneos puede mejorarse aprovechando las buenas propiedades de solubilidad y difusión del fluido supercrítico, pero sin duda, la guinda del pastel es la posibilidad de utilizar el campo ultrasónico para intensificarla. La onda de choque y el microchorro generados por la cavitación ultrasónica no solo mejoran considerablemente la disolución del fluido supercrítico de ciertas sustancias que provocan la desactivación del catalizador, desempeñan la función de desorción y limpieza, y lo mantienen activo durante un largo periodo de tiempo, sino que también actúan como agitadores, lo que permite dispersar el sistema de reacción y elevar la tasa de transferencia de masa de la reacción química con fluido supercrítico. Además, la alta temperatura y la alta presión en el punto local formado por la cavitación ultrasónica favorecen la descomposición de los reactivos en radicales libres y aceleran considerablemente la velocidad de reacción. Actualmente, existen numerosos estudios sobre la reacción química del fluido supercrítico, pero pocos sobre la potenciación de dicha reacción mediante el campo ultrasónico.

5. Aplicación de ultrasonidos de alta potencia en la producción de biodiésel.

La clave para la preparación de biodiésel es la transesterificación catalítica de glicéridos de ácidos grasos con metanol y otros alcoholes bajos en carbono. El ultrasonido puede, obviamente, fortalecer la reacción de transesterificación, especialmente para sistemas de reacción heterogéneos, puede mejorar significativamente el efecto de mezcla (emulsificación) y promover la reacción de contacto molecular indirecto, de modo que la reacción originalmente requerida para llevarse a cabo a alta temperatura (alta presión) condiciones puede completarse a temperatura ambiente (o cerca de la temperatura ambiente), y acortar el tiempo de reacción. La onda ultrasónica no solo se utiliza en el proceso de transesterificación, sino también en la separación de la mezcla de reacción. Investigadores de la Universidad Estatal de Mississippi en los Estados Unidos utilizaron el procesamiento ultrasónico en la producción de biodiésel. El rendimiento de biodiésel superó el 99% en 5 minutos, mientras que el sistema de reactor discontinuo convencional tardó más de una hora.