PROCEDIMIENTO Y DISPOSITIVO PARA MEJORAR LA TRANSFERENCIA DE MATERIA EN PROCESOS A BAJA TEMPERATURA MEDIANTE EL USO DE ULTRASONIDOS DE ELEVADA INTENSIDAD.

Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad.

La presente invención se refiere a un procedimiento para acelerar y mejorar la transferencia de al menos un solvente, ocluido en una matriz sólida o semisólida, a un medio gaseoso a una presión absoluta igual o superior a 0.5 atm y a una temperatura igual o inferior a 15ºC, caracterizado porque comprende la aplicación de un campo ultrasónico de elevada intensidad, igual o superior a 150 dB. Asimismo, es objeto de la invención el dispositivo para llevar a cabo dicho procedimiento y su uso en el campo agroalimentario, químico, cosmético y/o farmacéutico.

Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad

Sector de la técnica La presente invención se refiere a un procedimiento y dispositivo basado en la aplicación de ultrasonidos de elevada intensidad (igual o superior a 150 dB) para acelerar procesos de transferencia de materia que se realicen a baja temperatura (igual o inferior a 15ºC) entre una matriz solida o semisólida (como suspensiones de alta concentración, purés, pastas, etc.) y un medio gaseoso (como aire, CO2, N2, etc.) . Debido a la baja temperatura utilizada, la transferencia de materia se realiza sin afectar a las propiedades de calidad de la matriz sólida o semisólida. El proceso se puede realizar a presiones absolutas iguales o superiores a 0.5 atm, es decir cercanas a la atmosférica o superiores. Dicho procedimiento presenta aplicaciones en el campo agroalimentario, químico, cosmético y farmacéutico.

Estado de la técnica Los procesos de transferencia de materia entre matrices sólidas o semisólidas y gases son comunes a nivel industrial en los campos agroalimentario, químico, cosmético y farmacéutico. Así, se pueden citar los procesos de deshidratación de productos o residuos agroalimentarios (EP1821054; WO2005092109) o la eliminación de solventes orgánicos de productos químicos, cosméticos o farmacéuticos (US5630911; EP0723127; JP1245804) . En todos estos procesos, se encuentra en la literatura una elevada preocupación por acelerar la transferencia de materia y así aumentar la eficiencia energética y la capacidad de producción, de manera que se acelere y abarate el proceso. Además, en algunos casos resulta muy dificultosa la eliminación de las moléculas que están más fuertemente retenidas a la matriz, por lo que las sustancias sólidas o semisólidas nunca quedan libres de trazas de dichas moléculas. La velocidad de transferencia de un solvente ocluido en una matriz sólida a un gas se puede incrementar aumentando la temperatura de la matriz sólida o semisólida, bien sea calentando directamente o por aplicación de tecnologías con elevada capacidad térmica, tales como la radiación infrarroja (US3883958; WO2006020749) y las microondas (GB2343502B; US2008179318) . El aumento de la temperatura de la matriz sólida o semisólida conlleva una degradación de las propiedades de calidad, por lo que es necesaria la búsqueda de otras alternativas para mejorar la transferencia de materia sin inducir una degradación de las propiedades de calidad.

En los procesos de transferencia de materia en los que se pretenda evitar la degradación de las propiedades de calidad de la matriz sólida o semisólida, la utilización de bajas temperaturas (iguales o inferiores a 15ºC) es una alternativa de mucho interés. Debido a la baja temperatura utilizada, el proceso de transferencia de materia ocurre sin prácticamente afectar a las propiedades de calidad de la matriz sólida o semisólida (WO2006068499) . En estos casos, la velocidad de transferencia de materia es muy baja, y no se debe incrementar aumentando la temperatura del producto (US3883958) si se quieren preservar las propiedades de calidad del mismo. Los procesos de transferencia de materia a baja temperatura se pueden acelerar trabajando a presiones inferiores a la atmosférica (GB2343502; US2008179318) . Así, son comunes los procesos de liofilización de productos agroalimentarios, químicos, cosméticos y farmacéuticos (US3648379, US4590687) . Los principales problemas de los procesos de transferencia de materia realizados a vacío son los elevados costes de la instalación y que resulta complicado trabajar en continuo (US3883958) , de manera que normalmente se opera en discontinuo (cargas) . En este contexto, la aplicación de ultrasonidos de potencia puede resultar enormemente interesante debido a que los ultrasonidos en medios gaseosos producen efectos mecánicos que mejoran la transferencia de materia y producen un bajo efecto térmico. Además, no es necesario disminuir la presión del medio gaseoso. Es necesario indicar que en medios gaseosos la transmisión de energía acústica se ve muy dificultada debido a la gran diferencia de impedancias entre los sistemas emisores de ultrasonidos y los gases y la elevada absorción acústica de estos últimos. Por tanto, para obtener una eficiente transmisión de energía y producir campos acústicos de elevada intensidad es necesario conseguir una buena adaptación de impedancia entre el emisor y el gas, grandes amplitudes de vibración y una elevada concentración de energía. Además, para las aplicaciones industriales donde se precisen tratar grandes volúmenes es necesario que el sistema de aplicación tenga elevada capacidad de potencia y una superficie radiante extensa.

Hasta el momento, la aplicación de los ultrasonidos de potencia en medios gaseosos constituye un área potencial que no ha sido suficientemente explotada. Ello se debe probablemente a los problemas relativos a la complejidad de los mecanismos básicos involucrados y a las dificultades existentes en la generación eficiente de los ultrasonidos de elevada intensidad en estas condiciones.

Los efectos permanentes producidos en el medio tratado con ondas ultrasónicas de elevada intensidad se deben principalmente a una serie de mecanismos, tales como: presión de radiación, corrientes acústicas, agitación, inestabilidad en las interfases, difusión, etc., que están ligados a los fenómenos no-lineales producidos por las ondas ultrasónicas de gran amplitud. Se describen brevemente a continuación alguno de estos fenómenos y mecanismos:

1. Presión de radiación. Cuando una onda ultrasónica de elevada intensidad se propaga en un medio en presencia de obstáculos, se ponen de manifiesto fuerzas continuas de radiación que actúan sobre dichos obstáculos

y que dan lugar a lo que se conoce como presión de radiación. La presión de radiación está ligada a cualquier proceso ondulatorio y tiene su origen en el cambio de momento que experimenta la onda al actuar sobre el obstáculo. Estas fuerzas son débiles para ondas de amplitud infinitesimal, e intensas para ondas acústicas de elevada potencia (macrosonidos) dando lugar a procesos de arrastre e interacción;

2. Corrientes acústicas. Como consecuencia de los efectos de absorción acústica sobre las ondas ultrasónicas de elevada intensidad se generan fuerzas de radiación que inducen movimientos del fluido irradiado causando transferencia de materia y calor;

3. Inestabilidad en las interfases. Los ultrasonidos de elevada intensidad producen variaciones de presión en las interfases sólido-gas que pueden influir en la velocidad de evaporación/sublimación (en función de la temperatura) de las moléculas del solvente retenido en el sólido. Durante la fase negativa del ciclo de presión, la presión parcial del solvente en la superficie disminuye y por tanto se acelera la pérdida desde la superficie de la matriz. Por otro lado, la energía acústica de elevada intensidad también provoca velocidades oscilantes y microcorrientes en la interfase sólido-gas que pueden contribuir a la disminución del espesor de la capa límite de difusión, y por tanto, reducir la resistencia externa a la transferencia de materia e incrementar el coeficiente de transferencia de materia. Los efectos de los ultrasonidos en las interfases sólido-gas también pueden influir en la resistencia interna al transporte de materia cuando afectan a los espacios intercelulares del interior de la partícula. Dichos fenómenos serán más intensos en aquellos materiales con una amplia red de espacios intercelulares como son las matrices sólidas de elevada porosidad;

4. Difusión estructural: Cuando la energía ultrasónica atraviesa la matriz sólida o semisólida causa series rápidas de contracciones y expansiones alternativas. El proceso podría asimilarse a lo que ocurre cuando una esponja se aprieta y se relaja, por lo que normalmente se le conoce como “efecto esponja”. Estas tensiones alternas facilitan el movimiento y la eliminación del los solventes a través de canales microscópicos creados por la propagación de la onda, incrementándose los coeficientes de difusión.

De este modo, los efectos mecánicos que producen los ultrasonidos pueden inducir una mejora (US20100199510; WO2009102679; US20090007931) en los fenómenos de transferencia de materia, lo que conlleva la correspondiente aceleración del proceso sin afectar a la calidad del producto y sin necesidad de realizar vacío. Esto hace que, sin disminuir la calidad del producto, se abaraten los costes de instalación y los procesos continuos sean factibles.

No se han encontrado antecedentes en la bibliografía existente de patentes en las que...

1. Procedimiento para acelerar y mejorar la transferencia de al menos un solvente, ocluido en una matriz sólida o semisólida, a un medio gaseoso a una presión absoluta igual o superior a 0.5 atm y a una temperatura igual o inferior a 15 ºC, caracterizado porque comprende la aplicación de un campo ultrasónico de elevada intensidad, igual

o superior a 150 dB.

2. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1, donde la aplicación del campo ultrasónico se realiza por vía gaseosa.

3. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1 o 2, donde la transferencia del solvente se realiza por evaporación cuando la temperatura del medio gaseoso sea superior al punto de congelación del solvente.

4. Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1 o 2, donde la transferencia del solvente se realiza por sublimación cuando la temperatura del gas sea inferior al punto de congelación del solvente.

5. Dispositivo para llevar a cabo la aplicación de un campo ultrasónico de elevada intensidad, igual o superior a 150 dB, de acuerdo a un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, donde dicho dispositivo se caracteriza porque comprende una superficie radiante extensa, igual o superior a 750 cm2 y una buena adaptación de impedancia con el medio gaseoso.

6. Procedimiento, de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la aplicación del campo ultrasónico de elevada intensidad se lleva a cabo a partir de un dispositivo de acuerdo a la reivindicación 5, donde dicho dispositivo opera con un rendimiento igual o superior a 60%, amplitudes de vibración iguales o superiores a 10 μm y una capacidad de potencia igual o superior a 50 W.

7. Dispositivo para llevar a cabo un procedimiento de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque comprende un radiador cilíndrico (4) o de placa vibrante (5) conectado a un elemento para contener la matriz sólida o semisólida, así como un sistema para hacer circular un flujo de gas alrededor de dicha matriz sólida o semisólida.

8. Dispositivo, de acuerdo a la reivindicación 7, caracterizado porque comprende adicionalmente un sistema electrónico de excitación de al menos un elemento piezoeléctrico de transducción, donde dicho sistema electrónico comprende a su vez un sistema de control y seguimiento de frecuencia de resonancia.

9. Utilización de un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el campo agroalimentario, químico, cosmético y/o farmaceútico.