Dispositivo para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido viscoso y/o altamente atenuante mediante ultrasonidos de alta potencia y procedimiento correspondiente.

Dispositivo para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido viscoso y/o altamente atenuante mediante ultrasonidos de alta potencia y procedimiento correspondiente.

El dispositivo comprende una primera envuelta (2) tubular exterior que define una dirección longitudinal (L), y varios transductores (10) de ultrasonidos de alta potencia montados transversales sobre el perímetro exterior de la envuelta (2). En funcionamiento, los transductores transmiten ondas mecánicas hacia el interior de la envuelta (2) a una frecuencia comprendida entre 10 kHz y 100 kHz. El dispositivo también comprende un cuerpo interior (4) rodeado por la primera envuelta (2) para formar una cámara anular (6) de procesado. Los transductores (10) están configurados y dispuestos sobre la primera envuelta (2) para emitir ondas mecánicas con una densidad de potencia igual o superior a 165 W/I. La invención también plantea un procedimiento para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de los fluidos tratados en el dispositivo.

Dispositivo para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido viscoso y/o altamente atenuante mediante ultrasonidos de alta potencia y procedimiento correspondiente

Campo de la invención

La invención se refiere a un dispositivo para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido con viscosidades superiores a 2 Pas a 30 °C y/o atenuaciones acústicas superiores a de 4 dB/cm/MHz mediante la aplicación de ultrasonidos de alta potencia que comprende una primera envuelta tubular exterior que define una dirección longitudinal, y una pluralidad de transductores de ultrasonidos de alta potencia montados sobre el perímetro exterior de dicha primera envuelta en dirección transversal a dicha dirección longitudinal y que, en funcionamiento, son aptos para transmitir ondas mecánicas hacia el interior de dicha primera envuelta a una frecuencia comprendida entre 10 kHz y 100 kHz.

Asimismo, la invención se refiere a un procedimiento para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido con viscosidades superiores a 2 Pa s a 30 °C y/o atenuaciones acústicas superiores a de 4 dB/cm/MHz altamente atenuante mediante la aplicación de ultrasonidos de alta potencia de frecuencia comprendida entre 10 kHz y 100 kHz.

Estado de la técnica

La aplicación de ultrasonidos de alta potencia en un fluido a frecuencias comprendidas entre 10 kHz y 100 kHz e intensidades acústicas superiores a 0,3 W/cm2 inducen la compresión y rarefacción del medio provocando la formación de burbujas de vapor en su interior (burbujas de cavitación). Las burbujas de vapor crecen a lo largo de varios ciclos de compresión/rarefacción, típicamente entre 1 y 3 ciclos, hasta alcanzar una dimensión crítica. Cuando se alcanza esta dimensión pueden ocurrir dos fenómenos:

i) La burbuja oscila alrededor de su posición de equilibrio a lo largo de varios ciclos de compresión/rarefacción, se fusiona con otras burbujas y alcanza la superficie. Este tipo de burbujas se denomina "burbujas de cavitación estables".

ii) La burbuja colapsa e implosiona, creándose un aumento local de temperatura y presión de varios miles de grados Kelvin y varios cientos de atmosferas. La región en sí es tan pequeña que el calor se disipa rápidamente de forma que la temperatura promedio del fluido no se incrementa. El rápido colapso de las burbujas genera también fuerzas de cizalla, turbulencia local y micro-circulación del fluido. Este tipo de burbujas se denomina "burbujas de cavitación transitorias".

Ambos fenómenos de cavitación estable y cavitación transitoria permiten modificar o alterar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de los fluidos. La aplicación controlada de ultrasonidos de potencia en un fluido específico permite conseguir mejoras a nivel industrial tales como, acortar tiempos de procesado, modificar las propiedades mecánicas y/o organolépticas en fluidos alimentarios, aumentar la calidad del producto final, reducir costes de operación y mantenimiento, aumentar el rendimiento industrial, reducir costes energéticos, entre otras mejoras.

En la invención, el concepto de modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido se refiere a procesos tales como, control de la cristalización, filtrado y criba, separación de componentes, control de viscosidad, mezclado, desgasificación, emulsión y homogeneización, eliminación de espumas, inactivación de enzimas e inactivación microbiana, extracción de componentes orgánicos o control de fermentación, entre otros.

Un ejemplo de fluido altamente atenuante es la miel. En comparación con el agua que presenta una atenuación a 30°C de 0,0017 dB/cm/MHz, a esa misma temperatura, la miel presenta atenuaciones típicas que se encuentran en el rango de 4 dB/cm/MHz a 170 dB/cm/MHz, dependiendo del tipo de miel.

Un primer problema que presenta la miel consiste en que una vez extraída del panal y almacenada en grandes lotes su viscosidad puede aumentar fuertemente e incluso llegar a solidificar, dificultando o imposibilitando su manejo. La miel altamente viscosa o no se puede bombear directamente al pasteurizador que es el proceso habitual para procesar la miel comercial. Los productores de miel han de dejar los barriles en cámaras de calefacción durante horas o incluso días hasta que la miel sea líquida y entonces hacerla pasar por el pasteurizador.

Otro de los problemas asociados a la miel ya licuada es la cristalización temprana. La cristalización es un proceso natural por el que la miel cambia de un estado líquido a un estado semisólido resultando en una miel turbia, espesa y granulada. Prácticamente todas las mieles acaban cristalizando, unas a los pocos días de ser extraídas del panal, otras a las semanas o meses.

La cristalización de la miel presenta una serie de problemas y limitaciones.

A nivel industrial, la miel cristalizada o muy viscosa no puede utilizarse debido a problemas de manejo tales como la dificultad en el bombeo o mezclado con otros ingredientes. En la elaboración de productos artesanos como el turrón, la miel cristalizada o muy viscosa es rechazada y devuelta al procesador de miel.

A nivel comercial, existe un problema de aceptación por parte del consumidor. Las grandes superficies exigen al procesador que la miel permanezca líquida en el envase durante un mínimo de tiempo, típicamente 12 meses. Esto se debe en parte a que la gran mayoría de los consumidores prefiere la miel líquida. Otros consumidores consideran de forma equivocada que la miel cristalizada no es apta para el consumo o ha sido adulterada con azúcares.

A nivel de seguridad alimentaria, la cristalización de la miel hace que el contenido de humedad en la parte líquida de la miel aumente haciéndola más susceptible a la fermentación.

La miel cristaliza naturalmente porque es una solución supersaturada: tiene una elevada concentración de azúcar (más del 70% p/p) en relación a su bajo contenido en agua (generalmente menos del 20% p/p). Se considera que el principal causante de la cristalización de la miel es la glucosa, uno de los principales azúcares de la miel. La glucosa tiene una baja solubilidad en agua por lo que tiende a precipitar en forma de cristales microscópicos. Estos microcristales sirven como núcleos decrecimiento de un cristal mucho mayor.

Para retrasar el inicio de la cristalización, los productores pasteurizan la miel destinada al consumidor. Durante la pasteurización, la miel se somete a temperaturas elevadas de entre 78- 82 °C durante 1-3 minutos para disolver los cristales de glucosa. Posteriormente la miel se enfría de forma rápida para no dañar el producto en exceso. La pasteurización suele combinarse con un tratamiento de vacío para eliminar las burbujas de aire que también pueden actuar como núcleos de crecimiento.

La pasteurización permite retrasar el inicio de la cristalización hasta 12 meses después de su procesado, tiempo que necesitan los productores de miel para tratarla, envasarla, distribuirla y que llegue a los consumidores de forma líquida.

El documento GB2435391A muestra un ejemplo del proceso de pasteurización aplicado a la miel.

Lo que diferencia la miel de otros edulcorantes es que contiene de forma natural vitaminas, minerales y enzimas que le confieren propiedades antivirales, antibacterianas, antiinflamatorias y antifungicidas. Sin embargo, las altas temperaturas aplicadas durante el proceso de pasteurización modifican sus propiedades organolépticas y enzimáticas.

Por ejemplo, las altas temperaturas en la miel elevan el nivel de hidroximetilfurfural (HMF), un subproducto de la descomposición de la fructosa. La miel fresca no contiene prácticamente HMF, pero su concentración incrementa durante el almacenamiento (envejecimiento) y su tratamiento térmico severo. Por esta razón la Unión Europea (UE) y las Normas Internacionales usan el HMF como un indicador del envejecimiento o daño térmico producido en la miel. Se ha demostrado que calentar la miel a 78°C durante apenas 15-20 segundos eleva el contenido de HMF entre 2 y 5 mg/kg, y tiempos mucho más prolongados como los que se aplican en la industria incrementan el HMF aproximadamente entre 7 y 20 mg/kg. Dependiendo de la historia previa de la miel, es decir, sus condiciones previas de almacenamiento y procesado, el nivel de HMF después de la pasteurización puede acercarse al límite de 40 mg/kg que las normas de la UE e internacionales estipulan para mieles comerciales.

Se ha demostrado que la pasteurización también causa una reducción del 98% en la actividad de la enzima invertasa, y reducción de la Glucosa Oxidasa (GOX), mermando de esta forma las propiedades antibacterianas y antiinflamatorias...

1.- Dispositivo para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido con viscosidades superiores a 2 Pa s a 30 °C y/o atenuaciones acústicas superiores a de 4 dB/cm/MHz mediante la aplicación de ultrasonidos de alta potencia que comprende:

[a] una primera envuelta (2) tubular exterior que define una dirección longitudinal (L), y

[b] una pluralidad de transductores (10) de ultrasonidos de alta potencia montados sobre el perímetro exterior de dicha primera envuelta (2) en dirección transversal a dicha dirección longitudinal (L) y que, en funcionamiento, son aptos para transmitir ondas mecánicas hacia el interior de dicha primera envuelta (2) a una frecuencia comprendida entre 10 kHz y 100 kHz,

caracterizado por que además comprende

[c] un cuerpo interior (4) rodeado por dicha primera envuelta (2) exterior de manera que se forma una cámara anular (6) de procesado de dicho fluido, porque

[d] dicha pluralidad de transductores (10) están configurados y dispuestos sobre dicha primera envuelta (2) para emitir ondas mecánicas con una densidad de potencia igual o superior a 165 W/l.

2.- Dispositivo según la reivindicación 1, caracterizado por que dicha densidad de potencia es igual o superior a 190 W/l.

3.- Dispositivo según la reivindicación 1 o 2, caracterizado por que cada uno de los transductores (10) de dicha pluralidad de transductores (10) está montado sobre el perímetro exterior de dicha primera envuelta (2) tubular en dirección perpendicular a dicha dirección longitudinal (L).

4.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que dicho cuerpo interior (4) es una segunda envuelta tubular que delimita una cámara interior (16) apta para contener un segundo fluido.

5.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que dicha cámara anular (6) presenta una primera entrada (18) y una primera salida (20) conectables funcionalmente a unos medios de impulsión aptos para producir un flujo continuo de dicho fluido que debe ser tratado a través de dicha cámara (6).

6.- Dispositivo según la reivindicación 5, caracterizado por que dicha cámara interior (16) comprende una segunda entrada (22) y una segunda salida (24) conectables a un circuito de recirculación de dicho segundo fluido.

7.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por que comprende unos medios de refrigeración asociados a dicha primera cámara anular (6).

8.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que los transductores (10) de dicha pluralidad de transductores (10) de ultrasonidos son transductores de tipo magnetoestrictivo o piezoeléctrico.

9.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que dicha cámara anular (6) comprende medios de presurzación dispuestos para regular la presión interior de dicha cámara anular (6).

10.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que comprende unos medios de calentamiento aguas arriba de dicha cámara anular (6) aptos para incrementar la temperatura de dicho fluido antes de entrar en dicha cámara anular (6).

11.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por que dicha cámara anular (6) forma un canal que define un espacio (14) de entre 10 y 100 mm y preferentemente de entre 20 y 40 mm.

12.- Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado por que dichos transductores (10) de dicha pluralidad de transductores (10) están montados agrupados en planos paralelos y perpendiculares a dicha dirección longitudinal (L), y porque los transductores (10) de un mismo plano están orientados radialmente.

13.- Dispositivo según la reivindicación 12, caracterizado por que dichos planos paralelos son equidistantes y los transductores (10) de un mismo plano están previstos a distancias angulares iguales entre sí.

14.- Dispositivo según la reivindicación 12 o 13, caracterizado por que cada uno de los transductores (10) de dicha pluralidad de transductores (10) está alineado con el correspondiente transductor (10) inmediatamente anterior y posterior a lo largo de dicha dirección longitudinal (L).

15.- Dispositivo según las reivindicaciones 12 o 13, caracterizado por que dicha pluralidad de transductores (10) de ultrasonidos está montada sobre el perímetro exterior de dicha primera envuelta (2) tubular exterior al tresbolillo.

16.- Procedimiento para modificar las propiedades mecánicas y/o fisicoquímicas de un fluido con viscosidades superiores a 2 Pas a 30 °C y/o atenuaciones acústicas superiores a de 4 dB/cm/MHz altamente atenuante mediante la aplicación de ultrasonidos de alta potencia de frecuencia comprendida entre 10 kHz y 100 kHz, caracterizado por que comprende las etapas siguientes:

[a] proporcionar una primera envuelta (2) exterior que se extiende a lo largo de una dirección axial y que rodea un cuerpo interior (4) para formar una cámara anular (6) apta para contener dicho fluido que debe ser tratado,

[b] aplicar ultrasonidos de alta potencia sobre el perímetro de dicha primera envuelta (2) con una densidad de potencia igual o superior a 165 W/l, en una dirección de emisión transversal a dicha dirección longitudinal (L) hacia el interior de dicha cámara (6) a una frecuencia y densidad de potencia tales que provoquen la cavitación de dicho fluido que debe ser tratado.

17.- Procedimiento según la reivindicación 16, caracterizado por que la densidad de potencia de dichos ultrasonidos aplicados es igual o superior a 190 W/l.

18.- Procedimiento según la reivindicación 16 o 17, caracterizado por que además comprende las etapas siguientes:

[a] proporcionar una primera entrada (18) y una primera salida (20) de dicha cámara anular (6),

[b] desplazar dicho fluido que debe ser tratado de forma continua entre dicha primera entrada (18) y dicha primera salida (20).

19.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado por que además comprende la etapa de proporcionar un cuerpo interior (4) en forma de una segunda envuelta tubular que delimita una cámara interior (16) y que contiene un segundo fluido.

20.- Procedimiento según la reivindicación 19, caracterizado por que comprende la etapa de proporcionar una segunda entrada (22) y una segunda salida (24) en dicha cámara interior (16)

y una etapa de recirculación de dicho segundo fluido entre dicha segunda entrada (22) y dicha segunda salida (24).

21.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 20, caracterizado por que la etapa de aplicación de ultrasonidos se lleva a cabo en dicha cámara anular (6) formando un

canal que define un espacio (14) de entre 10 y 100 mm y preferentemente de entre 20 y 40 mm.

22.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, caracterizado por que comprende una etapa de enfriamiento de dicho fluido en dicha cámara anular (6).

23.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 22, caracterizado por que lo comprende una etapa de incremento de la presión en el interior de dicha cámara anular (6)

hasta una presión moderada de entre 100 kPa a 800 kPa.

24.- Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 23, caracterizado por que comprende una etapa de calentamiento para incrementar la temperatura de dicho fluido entre 25°C y 60°C antes de entrar en dicha cámara anular (6).