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ES2403785A2 - PROCEDURE AND DEVICE FOR IMPROVING THE TRANSFER OF MATTER IN LOW TEMPERATURE PROCESSES THROUGH THE USE OF HIGH INTENSITY ULTRASOUNDS - Google Patents

PROCEDURE AND DEVICE FOR IMPROVING THE TRANSFER OF MATTER IN LOW TEMPERATURE PROCESSES THROUGH THE USE OF HIGH INTENSITY ULTRASOUNDS Download PDF

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ES2403785A2
ES2403785A2 ES201131512A ES201131512A ES2403785A2 ES 2403785 A2 ES2403785 A2 ES 2403785A2 ES 201131512 A ES201131512 A ES 201131512A ES 201131512 A ES201131512 A ES 201131512A ES 2403785 A2 ES2403785 A2 ES 2403785A2
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Spain
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solid
transfer
solvent
high intensity
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ES201131512A
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Spanish (es)
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ES2403785R1 (en
ES2403785B1 (en
Inventor
Victor Manuel Acosta Aparicio
Juan Andres Carcel Carrion
Juan Antonio Gallego Juarez
Jose Vicente GARCIA PEREZ
Antonio Mulet Pons
Ramon Peña Cervero
Enrique Riera Franco De Sarabia
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad Politecnica de Valencia
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Universidad Politecnica de Valencia
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Abstract

The present invention relates to a method for accelerating and improving the transfer of at least one solvent, occluded in a solid, semi-solid or liquid matrix, to a gaseous medium at an absolute pressure equal to or greater than 0.5 atm and at a temperature equal to or less than 15 C, which is characterized in that it comprises the application of a high-intensity ultrasonic field, equal to or greater than 150 dB. A further subject matter of the invention is the device for implementing said method and the use thereof in the agrifoodstuff, chemical, cosmetic and/or pharmaceutical field.

Description

Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad Procedure and device to improve the transfer of matter in low temperature processes by using high intensity ultrasound

Sector de la técnica Technical sector

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. The present invention relates to a method and device based on the application of high intensity ultrasound (equal to or greater than 150 dB) to accelerate processes of matter transfer carried out at low temperature (equal to or less than 15 ° C) between a matrix solid or semi-solid (such as high concentration suspensions, purees, pastes, etc.) and a gaseous medium (such as air, CO2, N2, etc.). Due to the low temperature used, the transfer of matter is carried out without affecting the quality properties of the solid or semi-solid matrix. The process can be carried out at absolute pressures equal to or greater than 0.5 atm, that is, close to atmospheric or higher. This procedure has applications in the agri-food, chemical, cosmetic and pharmaceutical fields.

Estado de la técnica State of the art

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 Matter transfer processes between solid or semi-solid matrices and gases are common at the industrial level in the agri-food, chemical, cosmetic and pharmaceutical fields. Thus, the processes of dehydration of agri-food products or residues (EP1821054; WO2005092109) or the elimination of organic solvents from chemical, cosmetic or pharmaceutical products (US5630911; EP0723127; JP1245804) can be cited. In all these processes, there is a high concern in the literature to accelerate the transfer of matter and thus increase energy efficiency and production capacity, so that the process is accelerated and reduced. In addition, in some cases it is very difficult to eliminate the molecules that are most strongly retained in the matrix, so that solid or semi-solid substances are never free of traces of said molecules. The transfer rate of a solvent occluded in a solid matrix to a gas can be increased by increasing the temperature of the solid or semi-solid matrix, either by heating directly or by application of technologies with high thermal capacity, such as infrared radiation (US3883958; WO2006020749) and microwaves (GB2343502B; US2008179318). The increase in the temperature of the solid matrix

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. or semi-solid entails a degradation of quality properties, so it is necessary to find other alternatives to improve the transfer of matter without inducing a degradation of quality properties.

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. In the processes of transfer of matter in which it is intended to avoid degradation of the quality properties of the solid or semi-solid matrix, the use of low temperatures (equal to or less than 15 ° C) is an alternative of great interest. Due to the low temperature used, the matter transfer process occurs without practically affecting the quality properties of the solid or semi-solid matrix (WO2006068499). In these cases, the rate of transfer of matter is very low, and should not be increased by increasing the temperature of the product (US3883958) if you want to preserve its quality properties. The processes of transfer of matter at low temperature can be accelerated by working at pressures below atmospheric (GB2343502; US2008179318). Thus, lyophilization processes of agri-food, chemical, cosmetic and pharmaceutical products are common (US3648379, US4590687). The main problems of the processes of transfer of matter carried out under vacuum are the high costs of the installation and that it is difficult to work in continuous (US3883958), so that it is normally operated in batch (loads). In this context, the application of power ultrasound can be enormously interesting because ultrasound in gaseous media produces mechanical effects that improve the transfer of matter and produce a low thermal effect. In addition, it is not necessary to lower the pressure of the gaseous medium. It is necessary to indicate that in gaseous media the transmission of acoustic energy is very difficult due to the large difference in impedances between the emitting systems of ultrasound and gases and the high acoustic absorption of the latter. Therefore, to obtain an efficient transmission of energy and produce high intensity acoustic fields it is necessary to achieve a good impedance adaptation between the emitter and the gas, large amplitudes of vibration and a high concentration of energy. In addition, for industrial applications where large volumes need to be treated, it is necessary that the application system has high power capacity and an extensive radiant surface.

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. So far, the application of power ultrasound in gaseous media constitutes a potential area that has not been sufficiently exploited. This is probably due to problems related to the complexity of the basic mechanisms involved and the difficulties in the efficient generation of high intensity ultrasound under these conditions.

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: The permanent effects produced in the medium treated with high intensity ultrasonic waves are mainly due to a series of mechanisms, such as: radiation pressure, acoustic currents, agitation, instability at the interfaces, diffusion, etc., which are linked to the non-linear phenomena produced by ultrasonic waves of great amplitude. Some of these phenomena and mechanisms are briefly described below:

1. one.
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 Radiation pressure When a high intensity ultrasonic wave propagates in a medium in the presence of obstacles, continuous radiation forces acting on these obstacles become apparent.

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; and that give rise to what is known as radiation pressure. The radiation pressure is linked to any wave process and has its origin in the change of momentum experienced by the wave when acting on the obstacle. These forces are weak for waves of infinitesimal amplitude, and intense for acoustic waves of high power (macrosonids) giving rise to drag and interaction processes;

2. 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; Acoustic currents As a consequence of the effects of acoustic absorption on high intensity ultrasonic waves, radiation forces are generated that induce movements of the irradiated fluid causing transfer of matter and heat;

3. 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; Instability at the interfaces. High intensity ultrasound produces pressure variations at the solid-gas interfaces that can influence the evaporation / sublimation rate (depending on the temperature) of the solvent molecules retained in the solid. During the negative phase of the pressure cycle, the partial pressure of the solvent on the surface decreases and therefore the loss from the matrix surface is accelerated. On the other hand, high intensity acoustic energy also causes oscillating and microcurrent velocities at the solid-gas interface that can contribute to the reduction of the thickness of the diffusion boundary layer, and therefore, reduce the external resistance to matter transfer. and increase the coefficient of matter transfer. The effects of ultrasound on solid-gas interfaces can also influence the internal resistance to matter transport when they affect the intercellular spaces inside the particle. These phenomena will be more intense in those materials with a wide network of intercellular spaces such as solid matrices of high porosity;

4. Four.
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. Structural diffusion: When ultrasonic energy passes through the solid or semi-solid matrix, it causes rapid series of contractions and alternative expansions. The process could be assimilated to what happens when a sponge squeezes and relaxes, which is why it is usually referred to as the "sponge effect." These alternating stresses facilitate the movement and elimination of solvents through microscopic channels created by the propagation of the wave, increasing the diffusion coefficients.

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. In this way, the mechanical effects produced by ultrasound can induce an improvement (US20100199510; WO2009102679; US20090007931) in the phenomena of matter transfer, which entails the corresponding acceleration of the process without affecting the quality of the product and without the need to perform empty. This makes, without decreasing the quality of the product, installation costs are reduced and continuous processes are feasible.

No se han encontrado antecedentes en la bibliografía existente de patentes en las que se contemple la aplicación de ondas ultrasónicas de elevada intensidad en procesos de transferencia de materia a baja temperatura y a presiones cercanas a la atmosférica o superiores. El único método publicado en la actualidad en el cual se utilizan ultrasonidos de elevada intensidad para mejorar los procesos de transferencia de materia a baja temperatura se refiere a la mejora del proceso de nucleación durante la liofilización en vacío (WO2004090446). Esta invención, sin embargo, presenta objetivos diferentes a los expuestos en el procedimiento que aquí se propone, ya que se refiere a la mejora de la formación de cristales de hielo mediante la vibración ultrasónica generada por un transductor en contacto directo con las partículas en el proceso de congelación. Además, resulta necesario indicar que en este proceso la aplicación de los ultrasonidos se realiza en vacío y por contacto directo, por lo que los efectos de los ultrasonidos sobre los procesos de transferencia de materia en el medio gaseoso son inexistentes, debido a que las ondas acústicas necesitan de un medio material para su transmisión. No background has been found in the existing patent literature that contemplates the application of high intensity ultrasonic waves in processes of matter transfer at low temperature and at near atmospheric or higher pressures. The only method currently published in which high intensity ultrasound is used to improve the processes of transfer of matter at low temperature refers to the improvement of the nucleation process during vacuum lyophilization (WO2004090446). This invention, however, has different objectives than those set forth in the process proposed herein, since it refers to the improvement of the formation of ice crystals by the ultrasonic vibration generated by a transducer in direct contact with the particles in the freezing process In addition, it is necessary to indicate that in this process the application of ultrasound is performed in a vacuum and by direct contact, so that the effects of ultrasound on the processes of transfer of matter in the gaseous medium are non-existent, because the waves Acoustics need a material medium for transmission.

En base a lo anterior, en el procedimiento de la presente invención se propone aplicar ultrasonidos de elevada intensidad para acelerar y mejorar la eficiencia de procesos de transferencia de materia a baja temperatura en medios gaseosos, mediante el aprovechamiento de los efectos que los ultrasonidos producen tanto en las interfases como en la estructura de la matriz sólida o semisólida. Una de las principales desventajas en los procesos de transferencia de materia que se realizan a baja temperatura es la lentitud de la cinética del proceso, la cual no se puede mejorar con tecnologías que conlleven un aumento de la temperatura si se quieren preservar las propiedades de calidad de la matriz sólida o semisólida. Based on the foregoing, in the process of the present invention it is proposed to apply ultrasound of high intensity to accelerate and improve the efficiency of processes of transfer of matter at low temperature in gaseous media, by taking advantage of the effects that ultrasound produces both at the interfaces as in the structure of the solid or semi-solid matrix. One of the main disadvantages in the processes of transfer of matter that are carried out at low temperature is the slowness of the kinetics of the process, which cannot be improved with technologies that lead to an increase in temperature if you want to preserve quality properties of the solid or semi-solid matrix.

Como se acaba de indicar la aplicación de los ultrasonidos de elevada intensidad produce tanto un aumento de la difusión del solvente debido los efectos estructurales que se producen en el interior de la matriz sólida o semisólida, como una disminución de la capa límite, lo que conlleva un aumento del coeficiente externo de transferencia de materia. El aumento del coeficiente de transferencia de materia se produce con un bajo efecto térmico, de manera que la aplicación eficiente de los ultrasonidos de elevada intensidad se traduce en una disminución del tiempo de procesado sin incremento de la temperatura de la matriz sólida o semisólida. As just indicated, the application of high intensity ultrasound produces both an increase in the diffusion of the solvent due to the structural effects that occur inside the solid or semi-solid matrix, as a decrease in the boundary layer, which entails an increase in the external coefficient of matter transfer. The increase in the transfer coefficient of matter occurs with a low thermal effect, so that the efficient application of high intensity ultrasound results in a decrease in processing time without increasing the temperature of the solid or semi-solid matrix.

Descripción de la invención Description of the invention

Es un primer objeto de la invención un procedimiento para acelerar y mejorar la transferencia de materia de al menos un solvente ocluido en una matriz sólida o semisólida a un medio gaseoso (como aire, CO2, N2, etc.) a una presión cercana a la atmosférica o superior (igual o superior a 0.5 atm) y a una temperatura igual o inferior a 15ºC, mediante la aplicación de un campo ultrasónico de elevada intensidad igual o superior a 150 dB). A first object of the invention is a process for accelerating and improving the transfer of matter from at least one solvent occluded in a solid or semi-solid matrix to a gaseous medium (such as air, CO2, N2, etc.) at a pressure close to the Atmospheric or higher (equal to or greater than 0.5 atm) and at a temperature equal to or less than 15ºC, by applying an ultrasonic field of high intensity equal to or greater than 150 dB).

De este modo, la transferencia de materia se produce como consecuencia de la diferencia de fugacidades del solvente (preferentemente agua y disolventes orgánicos) en la matriz sólida o semisólida y en el gas. Esta transferencia de materia se ve acelerada por los fenómenos mecánicos que produce la aplicación eficiente de ondas ultrasónicas de elevada intensidad tanto en la estructura de la matriz como en las interfases, para lo cual se requiere un campo acústico con una intensidad igual o superior a 150 dB. Estos fenómenos pueden conllevar una reducción de los tiempos de procesado de hasta el 70-80%. Debido a la baja temperatura utilizada, las propiedades de calidad de la matriz sólida o semisólida no se ven afectadas. Thus, the transfer of matter occurs as a result of the difference in solvent leakage (preferably water and organic solvents) in the solid or semi-solid matrix and in the gas. This transfer of matter is accelerated by the mechanical phenomena produced by the efficient application of high intensity ultrasonic waves both in the structure of the matrix and at the interfaces, for which an acoustic field with an intensity equal to or greater than 150 is required. dB These phenomena can lead to a reduction in processing times of up to 70-80%. Due to the low temperature used, the quality properties of the solid or semi-solid matrix are not affected.

De manera particular, la aplicación del campo ultrasónico puede realizarse por vía aérea y sin necesidad de modificar la presión del medio gaseoso. De manera preferida, esta aplicación del campo ultrasónico puede llevarse a cabo a partir de sistemas seleccionados de manera que dispongan de una buena adaptación de impedancia con el gas, grandes amplitudes de vibración (preferentemente, igual o superior a 10 μm), gran capacidad de potencia (preferentemente, igual o superior a 50 W), una superficie radiante extensa (preferentemente, igual o superior a 750 cm2), así como una capacidad para generar un campo acústico con una elevada concentración de energía (preferentemente, igual o superior a 0.1 W/cm2). In particular, the application of the ultrasonic field can be carried out by air and without the need to modify the pressure of the gaseous medium. Preferably, this application of the ultrasonic field can be carried out from selected systems so that they have a good adaptation of impedance with the gas, large amplitudes of vibration (preferably, equal to or greater than 10 μm), large capacity of power (preferably, equal to or greater than 50 W), a large radiant surface (preferably, equal to or greater than 750 cm2), as well as a capacity to generate an acoustic field with a high concentration of energy (preferably, equal to or greater than 0.1 W / cm2).

Es objeto adicional de la invención un dispositivo para llevar a cabo un procedimiento según ha sido previamente descrito, caracterizado porque comprende un elemento radiante cilíndrico o de placa vibrante integrado en una cámara para contener la matriz sólida o semisólida, así como un sistema para hacer circular un flujo de gas alrededor de una matriz sólida o semisólida. A further object of the invention is a device for carrying out a method as previously described, characterized in that it comprises a cylindrical or vibrating plate radiating element integrated in a chamber for containing the solid or semi-solid matrix, as well as a system for circulating a gas flow around a solid or semi-solid matrix.

Este dispositivo puede comprender adicionalmente un sistema electrónico de excitación de al menos un elemento piezoeléctrico de transducción, donde dicho sistema electrónico a su vez puede comprender un sistema de control y seguimiento de la frecuencia de resonancia. This device may additionally comprise an electronic excitation system of at least one piezoelectric transduction element, wherein said electronic system can in turn comprise a resonant frequency control and monitoring system.

Asimismo, es objeto de la invención el uso del procedimiento para la eliminación de un solvente (agua o disolvente orgánico) retenido en una matriz sólida o semisólida (como suspensiones de alta concentración, purés, pastas…) de interés en campos, entre otros, como el agroalimentario, químico, cosmético o farmacéutico. Likewise, the use of the process for the elimination of a solvent (water or organic solvent) retained in a solid or semi-solid matrix (such as high concentration suspensions, purees, pastes ...) of interest in fields, among others, is also an object of the invention. such as agri-food, chemical, cosmetic or pharmaceutical.

Si bien en cualquiera de los casos la temperatura a la que se lleva a cabo el procedimiento es igual o inferior a 15ºC, esta temperatura puede estar por encima del punto de congelación del compuesto orgánico, o bien puede estar por debajo del punto de congelación de dicho compuesto orgánico. De este modo, la eliminación del compuesto orgánico en uno u otro caso se lleva a cabo por procesos físicos diferentes (evaporación frente a sublimación). Although in any case the temperature at which the procedure is carried out is equal to or lower than 15 ° C, this temperature may be above the freezing point of the organic compound, or it may be below the freezing point of said organic compound. In this way, the elimination of the organic compound in one case or another is carried out by different physical processes (evaporation versus sublimation).

Breve descripción de las figuras Brief description of the figures

La Figura 1 muestra un esquema del dispositivo ultrasónico de cilindro vibrante. Figure 1 shows a diagram of the vibrating cylinder ultrasonic device.

La Figura 2 muestra un esquema del dispositivo ultrasónico de placa vibrante. Figure 2 shows a schematic of the vibrating plate ultrasonic device.

La Figura 3 muestra cinéticas de eliminación de agua de cubos de manzana (10 mm de lado). Aire (HR=7%) a -13ºC y 2 m/s y presión absoluta 1 atm. Figure 3 shows kinetics of water removal from apple cubes (10 mm side). Air (RH = 7%) at -13ºC and 2 m / s and absolute pressure 1 atm.

La Figura 4 muestra cinéticas de eliminación de etanol de cubos de manzana (10 mm de lado). Aire (HR=7%) a -13ºC y 2 m/s y presión absoluta 1 atm. Figure 4 shows kinetics of ethanol removal from apple cubes (10 mm side). Air (RH = 7%) at -13ºC and 2 m / s and absolute pressure 1 atm.

Listado de referencias: List of references:

1. one.
Conducto de gas; Gas duct;

2. 2.
Gas a baja temperatura (igual o inferior a 15ºC); Low temperature gas (equal to or less than 15ºC);

3. 3.
Matriz sólida o semisólida; Solid or semi-solid matrix;

4. Four.
Radiador cilíndrico; Cylindrical radiator;

5. 5.
Amplificador mecánico; Mechanical amplifier;

6. 6.
Elemento piezoeléctrico de potencia o de transducción; Piezoelectric power or transduction element;

7. 7.
Sistema electrónico de generación, control y adaptación de la señal eléctrica de excitación del elemento piezoeléctrico; Electronic system for the generation, control and adaptation of the electrical signal of excitation of the piezoelectric element;

8. 8.
Ordenador; Computer;

9. 9.
Material de acople; Coupling material;

10. 10.
Superficie continua o perforada para la colocación y conducción del producto; Continuous or perforated surface for product placement and conduction;

11. eleven.
Radiador de placa vibrante. Vibrating plate radiator.

Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention

A continuación se describen de manera detallada dos modos particulares de llevar a cabo la invención. Esta descripción se lleva a cabo en referencia a las figuras que acompañan a la descripción, a modo de ilustración y con carácter no limitante de la invención. Two particular ways of carrying out the invention are described in detail below. This description is carried out in reference to the figures accompanying the description, by way of illustration and with no limitation of the invention.

De este modo, las FIG.1 y la FIG 2. representan una primera y una segunda configuración del dispositivo para llevar a cabo el procedimiento objeto de la invención. Thus, FIG. 1 and FIG. 2. represent a first and a second configuration of the device for carrying out the process object of the invention.

La principal diferencia entre ambos dispositivos radica en el elemento que irradia (emite) la energía acústica al medio gaseoso, es decir, en el sistema de aplicación de los ultrasonidos, cuyo diferente diseño influye en sus posibles aplicaciones. Así, se ha utilizado un dispositivo ultrasónico con un radiador cilíndrico (FIG. 1) que se puede emplear principalmente en cámaras de tratamiento en lecho móvil, y un dispositivo ultrasónico con radiador de placa vibrante (FIG. 2), utilizable en cualquier tipo de cámara de tratamiento. The main difference between the two devices lies in the element that radiates (emits) the acoustic energy to the gaseous medium, that is, in the ultrasonic application system, whose different design influences its possible applications. Thus, an ultrasonic device with a cylindrical radiator (FIG. 1) has been used that can be used mainly in mobile bed treatment chambers, and an ultrasonic device with vibrating plate radiator (FIG. 2), usable in any type of treatment chamber

Estos dispositivos pueden ser diseñados para trabajar en el rango de frecuencia de 20-50 kHz. Las corrientes generadas en el medio gaseoso, por las elevadas amplitudes de la onda acústica propias de un campo acústico de una intensidad igual o superior a 150 dB, provocan una disminución de la capa límite reduciendo la resistencia externa a la transferencia de materia. Cuando la onda acústica alcanza la matriz sólida o semisólida, provoca ciclos de compresiones y descompresiones que favorecen la eliminación del solvente por un aumento de los coeficientes de difusión. These devices can be designed to work in the frequency range of 20-50 kHz. The currents generated in the gaseous medium, due to the high amplitudes of the acoustic wave typical of an acoustic field of an intensity equal to or greater than 150 dB, cause a decrease of the boundary layer reducing the external resistance to the transfer of matter. When the acoustic wave reaches the solid or semi-solid matrix, it causes cycles of compressions and decompressions that favor the elimination of the solvent due to an increase in the diffusion coefficients.

En ambos dispositivos, para la excitación de los elementos piezoeléctricos de potencia o de transducción (6) se ha diseñado y construido un sistema electrónico de generación, control y adaptación de la señal eléctrica (7) compuesto por un generador de potencia con baja impedancia de salida, un amplificador de potencia, un circuito de acoplamiento de la impedancia y un sistema de control y seguimiento de la frecuencia de resonancia que mantiene constante la potencia aplicada al elemento piezoeléctrico. Para el control remoto desde un ordenador (8) se ha diseñado un software específico de medida y control de los parámetros de la señal eléctrica y frecuencia de resonancia. In both devices, for the excitation of the piezoelectric power or transduction elements (6), an electronic system for generating, controlling and adapting the electrical signal (7) has been designed and built, consisting of a power generator with low impedance of output, a power amplifier, an impedance coupling circuit and a resonance frequency control and monitoring system that keeps the power applied to the piezoelectric element constant. For the remote control from a computer (8) a specific software for measuring and controlling the parameters of the electrical signal and resonance frequency has been designed.

De este modo, se consigue maximizar la transferencia de energía entre el generador de potencia y el gas irradiado. El dispositivo ultrasónico con radiador de placa vibrante (11), así como el sistema electrónico de generación, control y adaptación de la señal eléctrica (7) son del mismo tipo de los recogidos en la Solicitud Internacional PCT/ES2005/070113. In this way, the transfer of energy between the power generator and the irradiated gas is maximized. The ultrasonic device with vibrating plate radiator (11), as well as the electronic system for generating, controlling and adapting the electrical signal (7) are of the same type as those set forth in International Application PCT / ES2005 / 070113.

La señal eléctrica se convierte piezoeléctricamente en una vibración mecánica que es amplificada por el amplificador mecánico (5) y que excita el elemento radiante con forma de cilindro (4) o de placa vibrante (11). Adicionalmente, la señal eléctrica de excitación del elemento piezoeléctrico de potencia o de transducción (6) está aislada del medio gaseoso exterior a baja temperatura para evitar problemas de humedad o condensación en los elementos piezoeléctricos que pudieran dar lugar a un cortocircuito. The electrical signal is piezoelectrically converted into a mechanical vibration that is amplified by the mechanical amplifier (5) and that excites the radiating element in the form of a cylinder (4) or vibrating plate (11). Additionally, the electrical excitation signal of the piezoelectric power or transduction element (6) is isolated from the external gaseous medium at low temperature to avoid moisture or condensation problems in the piezoelectric elements that could lead to a short circuit.

Por ello, tanto la parte piezoeléctrica como el amplificador mecánico (5) se colocan en el interior de una carcasa metálica estanca que protege además al elemento piezoeléctrico de potencia o de transducción (6) de posibles golpes o impactos por una incorrecta manipulación. Los radiadores ultrasónicos, cilíndrico (4) o de placa vibrante (11), producen una vibración que se transmite a través del medio gaseoso a la matriz sólida o semisólida. Las dimensiones de los sistemas de aplicación pueden variar en función del volumen de la cámara de tratamiento. En el sistema de aplicación de cilindro vibrante, las muestras se colocan en el interior de la cámara de tratamiento, a través del cual se hace circular una corriente de gas a baja temperatura (2), sin necesidad de controlar su presión. En el dispositivo de aplicación de placa vibrante, las muestras se colocan a una cierta distancia del radiador de placa radiante (11) y el flujo de gas a baja temperatura (2) puede ser paralelo o perpendicular a la superficie de la placa. Therefore, both the piezoelectric part and the mechanical amplifier (5) are placed inside a sealed metal housing that also protects the piezoelectric element from power or transduction (6) from possible shocks or impacts due to improper handling. Ultrasonic radiators, cylindrical (4) or vibrating plate (11), produce a vibration that is transmitted through the gaseous medium to the solid or semi-solid matrix. The dimensions of the application systems may vary depending on the volume of the treatment chamber. In the vibrating cylinder application system, the samples are placed inside the treatment chamber, through which a stream of gas is circulated at low temperature (2), without the need to control its pressure. In the vibrating plate application device, the samples are placed at a certain distance from the radiating plate radiator (11) and the low temperature gas flow (2) can be parallel or perpendicular to the plate surface.

En el sistema de aplicación de cilindro vibrante, la estructura del campo acústico del transductor en el interior del radiador es la de un campo estacionario con geometría cilíndrica. Los dispositivos ultrasónicos diseñados están acondicionados para trabajar a bajas temperaturas, por lo que tanto el elemento piezoeléctrico de potencia o de transducción (6) como los radiadores ultrasónicos operaran en esas condiciones con buen rendimiento electroacústico. In the vibrating cylinder application system, the structure of the acoustic field of the transducer inside the radiator is that of a stationary field with cylindrical geometry. The designed ultrasonic devices are conditioned to work at low temperatures, so that both the piezoelectric power or transduction element (6) and the ultrasonic radiators will operate in those conditions with good electroacoustic performance.

Los dispositivos ultrasónicos desarrollados/utilizados tienen alto rendimiento (mayor o igual 60%) para la generación en gases. Para obtener la máxima eficiencia y poder actuar en cualquier volumen de trabajo, es posible emplear transductores de superficie extensa (PCT/ES2005/070113, EP0450030A1; US5299175). The developed / used ultrasonic devices have high performance (greater than or equal to 60%) for gas generation. To obtain the maximum efficiency and to be able to act in any volume of work, it is possible to use transducers of wide surface (PCT / ES2005 / 070113, EP0450030A1; US5299175).

Ejemplos de realización de la invención Examples of embodiment of the invention

Ejemplo 1. Eliminación de agua en manzana Example 1. Elimination of water in apple

A modo de ejemplo se incluyen en la FIG. 3, los resultados de la experimentación llevada a cabo para eliminar agua (proceso de deshidratación) de cubos de manzana fresca (10 mm de lado). Los cubos de manzana se congelaron a -20ºC 24 horas antes del comienzo de las experiencias. Las muestras se colocaron en el interior del radiador ultrasónico cilíndrico (4) por el que se hizo circular una corriente de aire a humedad relativa (7%), presión By way of example, they are included in FIG. 3, the results of the experimentation carried out to remove water (dehydration process) from fresh apple cubes (10 mm side). The apple cubes were frozen at -20 ° C 24 hours before the beginning of the experiences. The samples were placed inside the cylindrical ultrasonic radiator (4) through which a stream of air at relative humidity (7%) was circulated, pressure

5 absoluta (1 atm), temperatura (-13ºC) y velocidad (2 m/s) controladas. Dadas estas condiciones experimentales, la eliminación del solvente se realizó por sublimación. Se puede observar que en las experiencias donde se aplicaron ultrasonidos de elevada intensidad (156 dB) el tiempo de deshidratación se redujo de manera drástica en comparación a las experiencias que se realizaron sin aplicación de ultrasonidos. Así, para alcanzar un contenido de humedad de 1 kg agua/kg producto seco el tiempo de secado se redujo de 60 horas a 20 horas por la aplicación de 5 absolute (1 atm), temperature (-13ºC) and speed (2 m / s) controlled. Given these experimental conditions, solvent removal was performed by sublimation. It can be seen that in the experiences where high intensity ultrasound (156 dB) were applied, the dehydration time was drastically reduced compared to the experiences that were performed without ultrasound application. Thus, to achieve a moisture content of 1 kg water / kg dry product the drying time was reduced from 60 hours to 20 hours by the application of

10 ultrasonidos. Esto supone un descenso del tiempo de proceso cercano al 70%. 10 ultrasounds This means a decrease in process time close to 70%.

Ejemplo 2. Eliminación de etanol en una matriz sólida Example 2. Elimination of ethanol in a solid matrix

A modo de ejemplo se incluyen en la FIG. 4, los resultados de la experimentación llevada a cabo para eliminar etanol (disolvente orgánico) de una matriz sólida. Como matriz sólida se escogieron los cubos de manzana deshidratados del ejemplo 1, que se impregnaron a vacío durante 2 horas con etanol (pureza 96%). Así, los cubos By way of example, they are included in FIG. 4, the results of the experimentation carried out to remove ethanol (organic solvent) from a solid matrix. The dehydrated apple cubes of Example 1, which were impregnated in vacuo for 2 hours with ethanol (96% purity), were chosen as the solid matrix. So, the cubes

15 de manzana impregnados con etanol, se colocaron en el interior del radiador ultrasónico cilíndrico (4) por el que se hizo circular una corriente de aire a humedad relativa (7%), presión absoluta (1 atm) temperatura (-13ºC) y velocidad (2 m/s) controladas. Dadas estas condiciones experimentales, la eliminación del solvente se realizó por evaporación. De manera similar al ejemplo 1, la aplicación de ultrasonidos de elevada intensidad (156 dB) redujo de manera significativa el tiempo de tratamiento. Para alcanzar un contenido de etanol de 125.000 ppm, el tiempo de 15 apples impregnated with ethanol, were placed inside the cylindrical ultrasonic radiator (4) through which a stream of air was circulated at relative humidity (7%), absolute pressure (1 atm) temperature (-13ºC) and speed (2 m / s) controlled. Given these experimental conditions, solvent removal was performed by evaporation. Similar to example 1, the application of high intensity ultrasound (156 dB) significantly reduced the treatment time. To reach an ethanol content of 125,000 ppm, the time of

20 tratamiento se redujo de 225 a 45 minutos. Esto supone un descenso del tiempo de proceso cercano al 80%. 20 treatment was reduced from 225 to 45 minutes. This means a decrease in process time close to 80%.

Claims (9)

REIVINDICACIONES 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 1. Procedure for accelerating and improving the transfer of at least one solvent, occluded in a solid or semi-solid matrix, to a gaseous medium at an absolute pressure equal to or greater than 0.5 atm and at a temperature equal to or less than 15 ° C, characterized in that it comprises the application of a high intensity ultrasonic field, equal o superior a 150 dB. or greater than 150 dB.
2. 2.
Procedimiento, de acuerdo a la reivindicación 1, donde la aplicación del campo ultrasónico se realiza por vía gaseosa. Method, according to claim 1, wherein the application of the ultrasonic field is carried out by gas.
3. 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. Process according to claim 1 or 2, wherein the transfer of the solvent is carried out by evaporation when the temperature of the gaseous medium is higher than the freezing point of the solvent.
4. Four.
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. Process according to claim 1 or 2, wherein the transfer of the solvent is carried out by sublimation when the gas temperature is below the freezing point of the solvent.
5. 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. Device for carrying out the application of a high intensity ultrasonic field, equal to or greater than 150 dB, according to a method according to any one of claims 1 to 4, wherein said device is characterized in that it comprises an extensive, equal radiating surface or greater than 750 cm2 and a good impedance adaptation with the gaseous medium.
6. 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. Method, according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the application of the high intensity ultrasonic field is carried out from a device according to claim 5, wherein said device operates with equal or superior performance at 60%, vibration amplitudes equal to or greater than 10 μm and a power capacity equal to or greater than 50 W.
7. 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. Device for carrying out a method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a cylindrical radiator (4) or vibrating plate (5) connected to an element for containing the solid or semi-solid matrix, as well as a system for circulating a gas flow around said solid or semi-solid matrix.
8. 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. Device according to claim 7, characterized in that it additionally comprises an electronic excitation system of at least one piezoelectric transduction element, wherein said electronic system in turn comprises a resonance frequency control and monitoring system.
9. 9.
Utilización de un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en el campo agroalimentario, químico, cosmético y/o farmaceútico. Use of a method according to any one of claims 1 to 4 in the agri-food, chemical, cosmetic and / or pharmaceutical field.
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