Intensificación de procesos de transferencia de materia mediante ultrasonidos de potencia. Aplicación al secado convectivo y a la extracción con fluidos supercríticos

Abstract

La intensificación de procesos constituye una de las vías de desarrollo más prometedoras para la industria alimentaria y una de las áreas de estudio más interesantes en el campo de la ingeniería de alimentos. Se define como la mejora en el procesado y la calidad de productos, consecuencia del desarrollo de equipos o de la aplicación de técnicas innovadoras que permiten disminuir de manera sustancial el volumen de equipos, el consumo de energía y/o la formación de residuos, dando lugar a procesos más baratos, seguros y sostenibles. El presente trabajo tiene como objetivo general evaluar el uso de ultrasonidos de potencia para intensificar dos procesos utilizados en la industria alimentaria: el secado convectivo y la extracción con fluidos supercríticos; ambos presentan como limitación principal la baja velocidad del proceso, hecho que repercute sobre la eficacia del mismo y también sobre la calidad nutricional y organoléptica del producto final. En un primer bloque, se estudió el proceso de secado convectivo empleando tanto aire caliente como aire frío, y se analizó el efecto de las variables del proceso sobre la cinética y la calidad del producto final. Los ultrasonidos de potencia están considerados hoy en día como una tecnología emergente y prometedora en la industria alimentaria. El potencial de esta tecnología, consecuencia de su capacidad para acelerar los procesos de transferencia de materia tanto en sistemas sólido-líquido, como en sistemas sólido-gas ha despertado un amplio interés en el sector alimentario. La intensificación del proceso de secado utilizando ultrasonidos de potencia puede llevarse a cabo en dos etapas diferentes, mediante el tratamiento (previo) de la materia prima por inmersión en medio líquido o durante el propio proceso de secado. En un segundo bloque, se estudió la aplicación de ultrasonidos de potencia mediante sonda a un tratamiento por inmersión previo al secado. Se analizó su efecto sobre la movilidad del agua, la actividad enzimática de la polifenoloxidasa (PPO), la microestructura y las cinéticas de secado con aire caliente de manzana Granny smith. Una vez evaluado el efecto de la aplicación de ultrasonidos de potencia durante un tratamiento previo al secado, se procedió a analizar el efecto de la temperatura de secado y la densidad acústica aplicada durante el proceso de secado de manzana Granny smith, concretamente sobre las cinéticas de secado y la calidad del producto final. En un tercer bloque, se estudió la intensificación del proceso de extracción de grasas mediante CO2 supercrítico para mejorar no solo su cinética de extracción sino además la calidad del producto final obtenido. En definitiva, a partir de los resultados obtenidos se pudo comprobar la utilidad de la aplicación de los ultrasonidos de potencia en la intensificación de dos procesos de transferencia de materia, el secado convectivo y la extracción con fluidos supercríticos, en base a su efecto sobre la velocidad del proceso y sobre la calidad del producto final respecto a los procesos tradicionales.

This Doctoral Thesis has as main objective evaluating the use of power ultrasound in the enhancement of two commonly used processes in the food industry: the convective drying and the supercritical fluid extraction. These processes have as a main limitation a low mass transfer rate which affects both, the efficiency of the process, and the nutritional and organoleptic quality of the final product. In the first section, convective drying is studied using hot and cold air; the effect of the process variables (temperature and air velocity) on the kinetics and final product quality is analyzed. In the second section, the intensification of the drying process by means of power ultrasound is studied by carrying out pre-treatments like soaking in liquid medium assisted acoustically or during the drying process itself applying power ultrasound in the gaseous medium. Finally in a third section, the intensification of the supercritical extraction process was studied with the aim of improving not only the extraction kinetics but also the quality of the final product. In brief, from the results obtained in this study, the usefulness of the application of power ultrasound in the enhancement of the mass transfer in processes like convective drying and supercritical fluid extraction has been demonstrated, based on the effects observed on the process kinetics and on the quality of the final product compared to the traditional processes carried out without acoustic assistance.