[001] A presente invenção refere-se a um sonotrodo para gerar um campo ultrassônico em processos de produção industrial tal como processos químicos ou processos relacionados a alimento, em que um produto líquido é processado, que gera durante o processamento uma espuma na superfície superior do produto. A invenção se refere também a um dispositivo que compreende um ou mais de tais sonotrodos para eliminação de espuma.
[002] Em campos diferentes de indústria, a geração de espuma de um produto a ser processado é um problema inerente. No campo da indústria de bebida, por exemplo, principalmente com produtos gaseificados tais como cola e cerveja, mas também com produtos não gaseificados tais como sucos de frutas, etc., existe durante o processo de produção, mas também durante o enchimento do produto em garrafas ou similares, o problema de que o produto gera uma grande quantidade de espuma. A geração de espuma resulta frequentemente em uma perda indesejada de produto, e também a contaminação dos recipientes, dentro dos quais o produto deve ser preenchido, é um grande problema nestas indústrias. Durante o processo de enchimento, a geração de muita espuma leva a problemas com respeito à vedação dos recipientes, e além do mais o processo de linha de enchimento é consideravelmente desacelerado devido à espuma no topo do produto. No entanto, também em outras indústrias, a geração de espuma de produtos líquidos é uma questão problemática. Exemplos de outras indústrias são as indústrias químicas, de petróleo, farmacêutica e de mineração. A espuma pode se formar em tanques, vasilhas abertas ou em recipientes ou garrafas, dentro das quais o produto é preenchido. Devido à espuma, existe também um problema com relação à capaci- dade/volume da vasilha, o equipamento de processamento à jusante tais como bombas, homogeneizadores, pasteurizadores, linhas de enchimento e o equipamento de filtragem.
[003] Na técnica anterior, tecnologias convencionais usadas para reduzir ou atuar contra a geração de muita espuma envolveram por vários anos o uso de produtos químicos antiespuma. No entanto, na indústria alimentícia, o uso de produtos químicos não é possível, e em outras indústrias o uso de tais produtos químicos para reduzir a geração de espuma é bastante dispendioso. Também, os produtos químicos podem mudar as características do produto líquido, que é processado na linha de produção.
[004] Além do mais, os separadores mecânicos de espuma foram sugeridos na técnica anterior a fim de limitar a geração de espuma durante o enchimento de cerveja ou cola em garrafas, por exemplo. Uma solução adicional para este tipo de problema consiste em dispositivos anties- puma usando ondas de ultrassom para a destruição de espuma no topo do produto líquido. No WO 2004/024317 A1, por exemplo, um dispositivo ultrassônico é descrito para eliminar a criação de espuma em grandes recipientes. Este dispositivo conhecido usa ressonadores em formato de placa, redondos montados em um dispositivo rotativo e sendo fornecidos com meio para mudar o ângulo da superfície de tratamento das placas de ressonador deste dispositivo na direção do produto. Através da mudança do ângulo dos ressonadores em formato de placa e a rotação dos dois dispositivos, o campo ultrassônico é focalizado em um local específico na superfície do recipiente de produto. Este sistema é bastante grande em sua construção e difícil de ser implementado em linhas de enchimento existentes sem modificações substanciais. Além do mais, este dispositivo ultrassônico precisa de meios complicados para controlar a criação do campo ultrassônico e para modificação permanente do ângulo de radiação do campo ultrassônico focalizado.
[005] No WO 2007/118285 A1, um sistema de transdutor ultras- sônico adicional é descrito, tendo um sonotrodo com uma parte de corpo principal e uma superfície de tratamento de líquido em sua extremidade. A superfície de tratamento de espuma deste sonotrodo é fornecida com várias cavidades em formato de corneta. Devido às várias cavidades, um campo ultrassônico mais intensivo pode ser emitido. No entanto, também este tipo de um dispositivo de tratamento ul- trassônico tem desvantagens em termos da possibilidade de eliminar a geração de espuma em certas aplicações, por exemplo, em linhas de enchimento para encher bebidas em garrafas ou recipientes.
[006] Em vista dos inconvenientes mencionados das soluções da técnica anterior, é um objetivo da presente invenção fornecer um sono- trodo e um dispositivo ultrassônico com pelo menos um sonotrodo, que são mais difíceis e mais flexíveis com respeito à aplicação em linhas de produção existentes e com respeito à eliminação de espuma e redução de espuma em processos de produção diferentes.
[007] Este problema é solucionado por um sonotrodo com os as pectos da reivindicação 1 e por um dispositivo para gerar um campo ultrassônico de acordo com os aspectos da reivindicação 11. As modalidades preferidas e características da invenção são descritas nas reivindicações dependentes respectivas.
[008] O sonotrodo de acordo com a invenção, de acordo com a reivindicação 2, é fornecido com uma parte de corpo principal tendo meios de conexão para conexão do sonotrodo com um gerador de alta frequência, e tem uma face dianteira, a partir da qual o campo ultras- sônico é direcionado ao local ou área desejada do produto ou no topo do produto para eliminar a espuma. O sonotrodo de acordo com a invenção é caracterizado pelo fato de que a parte de corpo principal tem um formato de um elemento de bloco compacto, e que a face dianteira é côncava em formato em relação a uma superfície de produto tal que o campo ultrassônico é focalizado e direcionado a uma área específica de uma espuma de produto a ser tratado em uma forma concentrada comparada com um ultrassom não focalizado. Como um resultado da forma côncava da face dianteira, o campo ultrassônico é concentrado comparado com uma face dianteira plana ou uma convexa. A cavidade da face dianteira de acordo com a invenção é formada de modo que um efeito aumentado para eliminação de espuma de um produto líquidoé obtido. A face dianteira côncava do sonotrodo de acordo com a invenção pode em particular ser formada como uma ranhura ou canal arredondado com uma curvatura especialmente otimizada. A frequên-cia de alta amplitude ultrassônica, que é introduzida no sonotrodo por meio de uma parte de conexão, é eficientemente transmitida pela parte de corpo principal em formato de bloco para a face dianteira côncava de modo que a geração de espuma durante o processamento do produtolíquido pode ser eliminada efetivamente e reduzida.
[009] De acordo com uma forma vantajosa de realização da in venção, o sonotrodo é fornecido com uma alta saída de energia, em particular com uma saída de energia ultrassônica em ar entre 1 a 10000 watts, entre 2 a 1000 watts, de preferência 5 a 1 para 800 watts, mais preferivelmente 10 a 700 watts, e mesmo mais preferivelmente entre 20 a 600 watts.
[0010] De acordo com uma forma vantajosa de realização da in venção, o sonotrodo é fornecido com uma relação de alta amplitude, em particular com uma amplitude ultrassônica de deslocamento de pico para pico entre 1 e 150 mícrons, de preferência 5 a 140 mícrons, mais preferivelmente 10 a 120 mícrons, e mesmo mais preferivelmente 30 a 120 mícrons. Através de pesquisa extensiva os inventores verificaram que estas variações de uma relação de alta amplitude uma destruição e redução de espuma altamente eficazes é possível.
[0011] De acordo com uma forma vantajosa adicional de realiza- ção da invenção, a parte de corpo principal é de um formato do tipo bloco retangular tendo uma parte de diâmetro reduzido no lado da face dianteira, que é aumentada comparada com a última. Isto significa, o sonotrodo tem em sua região superior uma parte em formato de bloco de uma forma compacta com os meios para conectar o sonotrodo em um gerador de alta frequência. No entanto, na parte inferior, isto é a parte mais perto da face dianteira, que é fornecida para direcionar o campo ultrassônico na espuma do produto, é fornecida uma área de diâmetro reduzido, de modo que o sonotrodo tem uma forma do tipo árvore em seção transversal. Esta forma é mais eficaz para criar um campo ultrassônico de alta frequência com um sonotrodo compacto e - a partir de um primeiro ponto de vista - formado de modo bastante simples. Foi mostrado que a parte aumentada da face dianteira com uma parte de diâmetro reduzido entre a parte de corpo do tipo bloco e a face dianteira é excelente para transmitir uma grande quantidade de feixes ultrassônicos de alta frequência no produto a ser tratado. Portanto, o efeito de eliminação de espuma é consideravelmente aumentado por meio deste tipo de sonotrodo de acordo com a invenção.
[0012] De acordo com uma forma vantajosa adicional de realiza ção da invenção, entre a parte de corpo principal e a face dianteira do sonotrodo para gerar o campo ultrassônico focalizado de uma alta amplitude, uma parte do tipo gargalo com endentações laterais redondas ao longo de um eixo longitudinal L da face dianteira côncava é fornecida, que tem um eixo longitudinal L, que é aproximadamente perpendicular a um eixo longitudinal S do sonotrodo propriamente dito.
[0013] De acordo com uma forma vantajosa adicional de realiza ção da invenção, o dispositivo de sonotrodo aperfeiçoa a impedância combinando com ar e como resultado aperfeiçoa a eficiência de saída de energia ultrassônica e distância de penetração através do ar com energia suficiente para desmanchar a espuma nas distâncias seguin- tes para longe da superfície de emissão da face dianteira do sonotro- do: 0,1 mm a 1.000 mm, de preferência 0,2 mm a 500 mm, mais preferivelmente entre 1 mm e 250 mm e mais preferivelmente entre 10 mm e 100 mm.
[0014] De acordo com uma forma vantajosa adicional de realiza ção da invenção, o dispositivo de sonotrodo é de tal forma e tamanho que poderia ser incorporado em um tubo, calha aberta, ou tanque fechado ou aberto, vasilha, recipiente (feito de aço, plástico, vidro, metal) contendo um material de espuma capaz de fluir, ou espuma e líquido ou espuma, líquidos e sólidos e o ultrassom e de uma maneira que a energia emitida da superfície de sonotrodo ou face dianteira côncava romperia a espuma que passa através do mesmo.
[0015] De acordo com uma forma preferida adicional de realização do invenção, a face dianteira do sonotrodo tem uma forma retangular com uma concavidade redonda na direção longitudinal L.
[0016] De acordo com uma forma vantajosa adicional de realiza ção da invenção, o sonotrodo tem uma concavidade em sua face dianteira, que é formada como um segmento de um círculo com um raio entre r = 2 cm a r = x.
[0017] O sonotrodo de acordo com a invenção é de preferência feito de um material de metal, tal como aço (aço inoxidável?), alumínio, níquel, titânio ou ligas destes tipos de materiais. Os melhores resultados de eliminação de espuma foram obtidos com um sonotrodo feito de um material que tem um alto grau de força elástica de resistência à tração (por exemplo, liga de titânio).
[0018] De acordo com uma forma vantajosa adicional de realização da invenção, a forma e construção do sonotrodo do tipo bloco é tal que a intensidade de som ultrassônico está entre 10 a 200 dB, de preferência de 50 a 190 dB, mais preferivelmente 70 a 180 dB, e mais preferivelmente de 100 a 175 dB. Estes valores de intensidade de som ultras- sônico mostraram resultados muito bons na eliminação de espuma de tipos muito diferentes de produtos líquidos tais como bebidas (cola, cola dietética, bebidas de fruta gaseificadas dietética, bebidas de fruta gaseificadas com açúcar, bebidas de fruta não gaseificadas, cerveja de gengibre, cerveja preta, bebidas lácteas, bebidas lácteas com frutas, cerveja, todas as bebidas gaseificadas, bebidas não gaseificadas, caldos de fermentação, fluidos à base de proteína láctea, fluidos à base de proteína de soja, fluidos à base de proteína de soro de leite, fluidos à base de óleo, etc.) bem como produtos químicos e farmacêuticos.
[0019] De acordo com um aspecto vantajoso adicional do sonotro- do de acordo com a invenção, a parte de corpo principal em formato de bloco é fornecida com uma parte de conexão central circular para conectar a um gerador ultrassônico. Através desta medida construtiva, o elemento de bloco do sonotrodo está em sua superfície superior formada com uma parte de conexão central do tipo disco, que se tornou muito eficaz para a introdução e distribuição do campo ultrassôni- co de alta amplitude a partir do gerador de alta frequência para a face dianteira, que emite o ultrassom de alta frequência para a superfície do produto a ser tratado.
[0020] A presente invenção é também direcionada a um dispositi vo para eliminar a espuma de produtos líquidos em processos de produção industrial, tais como processos químicos, farmacêuticos e relacionados a bebidas, de acordo com os aspectos da reivindicação 11, que compreende um gerador ultrassônico, um conversor com uma unidade de resfriamento e pelo menos um cabo de alta frequência para conectar um ou mais sonotrodos ao gerador. De acordo com a invenção, o dispositivo é caracterizado pelo fato de que é fornecido com pelo menos um sonotrodo de relação de alta amplitude em formato de bloco de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes 1 a 10.
[0021] De acordo com uma forma preferida de realização, o dispo sitivoé fornecido com dois sonotrodos montados em um sonotrodo mãe comum tal que ambos os eixos longitudinais L das faces dianteirassão essencialmente paralelos um ao outro. Por meio disto o efeito de eliminação de espuma é aumentado e uma área maior de produto pode ser tratada ao mesmo tempo.
[0022] De acordo com um aspecto adicional do dispositivo de eli minação de espuma de acordo com a invenção, os sonotrodos são dispostos com suas faces dianteiras em linha com uma direção de transporte de uma linha de produção do produto a ser tratado. Isto significa que o eixo longitudinal das faces dianteiras está na mesma direção que o transporte de produto ou garrafas na linha de produção. Um campo ultrassônico bastante longo é emitido através desta medida.
[0023] Alternativamente, os sonotrodos são dispostos com suas faces dianteiras em um ângulo com respeito a uma direção de transporte de uma linha de produção do produto a ser tratado. De preferência, o ângulo entre o eixo longitudinal L e a direção do processo de produto pode ser α = 90° ou mais preferivelmente α = 45°. Com este tipo de uma atuação lateral do campo ultrassônico na superfície do produto em algumas aplicações específicas o tratamento tem se mostrado surpreendentemente mais eficaz.
[0024] Vantagens adicionais, aspectos e formas de realização são descritos na descrição detalhada seguinte de algumas modalidades da invenção, com referência aos desenhos anexos, em que:
[0025] a figura 1 é uma vista em perspectiva de um primeiro exemplo de realização do sonotrodo da invenção;
[0026] a figura 2a é uma vista em perspectiva de um exemplo de realização de um dispositivo de sonotrodo de acordo com a invenção com dois sonotrodos em linha com o processo de produto;
[0027] a figura 2b é uma vista em perspectiva de um exemplo de realização de um dispositivo de sonotrodo de acordo com a invenção com dois sonotrodos dispostos em um ângulo comparado com o processo de produto; e
[0028] a figura 2c é uma vista em perspectiva de um exemplo adi cional de realização de um dispositivo de sonotrodo de acordo com a invenção com dois sonotrodos em um ângulo de 90° em relação ao processo de produto.
[0029] A figura 1 mostra em uma vista em perspectiva um primeiro exemplo de realização de um sonotrodo de acordo com a invenção. O sonotrodo 10 compreende em geral duas partes diferentes: primeiro, no lado superior, é fornecida uma parte de corpo principal 1, e segundo, na parte inferior, que é também a parte sendo direcionada para o produto líquido a ser tratado, existe uma face dianteira 2, que de acordo com a invenção tem uma concavidade na direção do produto (parte inferior na figura 1). Aqui, a parte de corpo principal 1 tem a forma retangular ou quadrada de um elemento do tipo bloco compacto 40. Na extremidade superior da parte de corpo principal 1, o sonotrodo 10 de acordo com este exemplo de realização é fornecido com uma parte de conexão central circular, que tem a forma de uma parte em formato de disco feita do mesmo material e em uma peça com o sonotrodo 10. Neste exemplo de realização, as bordas superiores da parte de corpo principal 2 são ligeiramente arredondadas, e as bordas laterais são chanfradas. Na metade inferior do sonotrodo 10, é fornecida uma parte de diâmetro reduzido 41, que em uma vista em seção transversal tem uma forma do tipo Y com endentações laterais arredondadas e que é alargada na extremidade de fundo do sonotrodo 10 a fim de formar uma face dianteira retangular 2 tendo uma concavidade 21 na direção do produto a ser tratado. A concavidade 21 tem um eixo longitudinal L, que é perpendicular ao eixo longitudinal total S do sonotrodo 10 e sua parte de corpo principal 1.
[0030] A face dianteira côncava 2 sendo conectada à parte de cor po principal 1 através da parte de diâmetro reduzido 41 resulta em uma transmissão excelente de frequências ultrassônicas de relação de alta amplitude a partir do gerador de ultrassom para a face dianteira 2, a partir da qual o campo ultrassônico deve ser emitido em uma maneira focalizada na espuma de um produto, que forma, por exemplo, na superfície superior de um produto líquido em uma vasilha de produção.
[0031] A concavidade da face dianteira 2 é formada de preferência com um raio de r = 2 cm ou mais. A focalização do campo ultrassônico é aqui otimizada em vista do propósito de eliminação de espuma de produtos líquidos. Com a forma côncava da face dianteira 2 é criado um ultrassom mais focalizado e desse modo mais concentrado. Isto aumenta o efeito de eliminar a geração de espuma. De acordo com a modalidade vantajosa do sonotrodo da invenção é fornecido com uma relação de alta amplitude, em particular com numa amplitude ultrassô- nica de deslocamento de pico para pico entre 1 a 150 mícrons, de preferência 5 a 140 mícrons, mais preferivelmente 10 a 120 mícrons e mais particularmente 30 a 120 mícrons. Estes valores são melhores para eliminar espuma na maioria de produtos líquidos, em particular bebidas tais como cola ou cerveja.
[0032] A forma e construção do sonotrodo (10) de acordo com a invenção é tal que a intensidade de som ultrassônico é aproximadamente entre 10 a 200 dB, de preferência 50 a 190 dB, mais preferivelmente 70 a 180 dB e mais preferivelmente 100 a 175 dB. Com estas mudanças de intensidade o sonotrodo 10 obtém melhores resultados e a geração de espuma é impedida.
[0033] Na figura 2a a 2c, três exemplos diferentes de realização de um dispositivo de sonotrodo, de acordo com a invenção com dois so- notrodos combinados são mostrados. Estes dispositivos 20 têm dois sonotrodos um montado em um sonotrodo mãe comum ou elemento de base comum. O sonotrodo mãe 4 é conectado a um cabo de alta frequência e gerador de ultrassom (não mostrado) e transfere a frequência diretamente para os sonotrodos 10. Estes sonotrodos 10 são essencialmente do mesmo formato e têm as mesmas características que a forma de realização descrita em conexão com a figura 1.
[0034] O sonotrodo mãe 4 nos exemplos de realização (figura 2a a 2c) é um elemento de bloco retangular com uma seção transversal do tipo I, isto é, partes terminais aumentadas e um diâmetro reduzido na seção média. A seção média do sonotrodo mãe 4 é fornecida aqui com dois furos diretos longitudinais a fim de reduzir o peso e aumentar a transferência de ultrassom para os dois sonotrodos 10. Ambos os so- notrodos 10 são atuados desse modo com a mesma quantidade e quantidade aumentada de ultrassom.
[0035] A figura 2a mostra um exemplo de realização em que o eixo longitudinal L dos sonotrodos 10 estão em linha ou em paralelo com a direção de transporte da linha de produção do produto a ser tratado (conforme setas na figura 2a).
[0036] Na figura 2b, um dispositivo ultrassônico similar 20 é mostra do com a diferença que os dois sonotrodos paralelos 10 não estão em linha com a direção de transporte do produto 3, mas são girados em um ângulo de aproximadamente 45° (ângulo α = 45°). Em algumas áreas de aplicação esta disposição resultou em tais resultados melhores.
[0037] O exemplo adicional de realização de acordo com a figura 2c mostra os sonotrodos 10 estando em um ângulo de 90° comparada com a direção de transporte do produto 3 ou garrafas. Por meio deste, a largura do campo concentrado ultrassônico é aumentada. O número de sonotrodos pode ser aumentado e ser mais que dois. Além do mais, a forma dos sonotrodos 10 e sonotrodo mãe 4 pode ser mudada na medida em que as faces dianteiras 2 dos sonotrodos 10 são fornecidas com uma concavidade aumentando o efeito de focalização como especificado nas reivindicações anexas.
[0038] O produto 3 ou líquido a ter a espuma eliminada pelo sono- trodo 10 ou dispositivo 20 de acordo com a invenção pode estar em uma vasilha, recipiente, etc. (na figura 2a a 2c somente esquematicamente indicado). Ou o produto é preenchido em uma linha de enchimento, em garrafas separadas ou similares. O sonotrodo da invenção e dispositivo é especialmente adaptado para ambas as aplicações devido a seu novo desenho de sonotrodo e campo de ultrassom altamente focalizado. A flexibilidade e variação de áreas de aplicação, portanto é amplamente aumentada para processos muito diferentes de produção industrial com relação a líquidos criando espuma.