[go: up one dir, main page]

WO2013041750A1 - Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad - Google Patents

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

Info

Publication number
WO2013041750A1
WO2013041750A1 PCT/ES2012/070652 ES2012070652W WO2013041750A1 WO 2013041750 A1 WO2013041750 A1 WO 2013041750A1 ES 2012070652 W ES2012070652 W ES 2012070652W WO 2013041750 A1 WO2013041750 A1 WO 2013041750A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
equal
transfer
solvent
matrix
application
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/ES2012/070652
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Victor Manuel Acosta Aparicio
Juan Andrés CARCEL CARRIÓN
Juan Antonio Gallego Juarez
José Vicente GARCÍA PÉREZ
Antonio Mulet Pons
Ramón 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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC, Universidad Politecnica de Valencia filed Critical Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Publication of WO2013041750A1 publication Critical patent/WO2013041750A1/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVATION OF FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES
    • A23B2/00—Preservation of foods or foodstuffs, in general
    • A23B2/50—Preservation of foods or foodstuffs, in general by irradiation without heating
    • A23B2/57—Preservation of foods or foodstuffs, in general by irradiation without heating by treatment with ultrasonic waves
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVATION OF FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES
    • A23B7/00—Preservation of fruit or vegetables; Chemical ripening of fruit or vegetables
    • A23B7/015—Preserving by irradiation or electric treatment without heating effect
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVATION OF FOODS, FOODSTUFFS OR NON-ALCOHOLIC BEVERAGES; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES
    • A23B7/00—Preservation of fruit or vegetables; Chemical ripening of fruit or vegetables
    • A23B7/02—Dehydrating; Subsequent reconstitution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/10—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing sonic or ultrasonic vibrations
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K9/00—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers
    • G10K9/12—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated
    • G10K9/122—Devices in which sound is produced by vibrating a diaphragm or analogous element, e.g. fog horns, vehicle hooters or buzzers electrically operated using piezoelectric driving means

Definitions

  • the present invention relates to a method and device based on the application of ultrasound of high intensity (equal to or greater than 150 dB) to accelerate processes of transfer of matter that are carried out at low temperature (equal to or less than 15 ° C) between a solid, semi-solid matrix (such as high concentration suspensions, purees, pastes, etc.) or liquid and a gaseous medium (such as air, CO 2 , N 2 , etc.). Due to the low temperature used, the transfer of matter is done without affecting the quality properties of the 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.
  • Matter transfer processes between solid, semi-solid or liquid matrices and gases are common at the industrial level in the agri-food, chemical, cosmetic and pharmaceutical fields.
  • US5630911; EP0723127; JP1245804 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.
  • the transfer rate of a solvent occluded in a matrix to a gas can be increased by increasing the matrix temperature, 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 matrix entails a degradation of the quality properties, so it is necessary to find other alternatives to improve the transfer of matter without inducing a degradation of the quality properties.
  • 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.
  • This invention 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
  • the application of high intensity ultrasound produces both an increase in solvent diffusion due to structural effects that occur within the matrix, as a decrease in the boundary layer, which leads to an increase in the external coefficient of matter transfer.
  • the increase in the transfer coefficients of matter occurs with a low thermal effect, so that the efficient application of high intensity ultrasound translates into a decrease in processing time without increasing the temperature of the matrix.
  • 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, semi-solid or liquid matrix to a gaseous medium (such as air, CO 2 , N 2 , etc.) to a pressure close to atmospheric or higher (equal to or greater than 0.5 atm) and at a temperature equal to or less than 15 ° C, by applying a high intensity ultrasonic field (equal to or greater than 150 dB).
  • a gaseous medium such as air, CO 2 , N 2 , etc.
  • the transfer of matter occurs as a result of the difference in solvent leakage (preferably water and organic solvents) in the matrix and in the gas.
  • solvent leakage preferably water and organic solvents
  • 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 matrix are not affected.
  • the application of the ultrasonic field can be carried out by air and without the need to modify the pressure of the gaseous medium.
  • 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 ⁇ ), large capacity of power (preferably, equal or greater than 50 W), a large radiant surface (preferably, equal to or greater than 750 cm 2 ), 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 / cm 2 ) .
  • 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 to contain the solid or semi-solid matrix, as well as a system for circulating a gas flow around the matrix.
  • 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.
  • 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 point of freezing 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).
  • FIG. 1 and FIG. 2. represent a first and a second configuration of the device for carrying out the process object of the invention.
  • 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.
  • 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 characteristic 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.
  • the acoustic wave reaches the matrix, it causes cycles of compressions and decompressions that favor the elimination of the solvent due to an increase in the diffusion coefficients.
  • 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.
  • a specific software for measuring and controlling the parameters of the electrical signal and resonance frequency has been designed.
  • 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 included in the International Application
  • 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 gaseous medium low temperature outside to avoid moisture or condensation problems in the piezoelectric elements that could lead to a short circuit.
  • 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 matrix.
  • the dimensions of the application systems may vary depending on the volume of the treatment chamber.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the developed / used ultrasonic devices have high performance (greater than or equal to 60%) for gas generation.
  • Example 1 Elimination of water in apple
  • 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 was circulated at relative humidity (7%), absolute pressure (1 atm), temperature (-13 ° C) 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 ultrasound. This means a decrease in process time close to 70%.
  • Example 2 Elimination of ethanol in a solid matrix. Examples 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.
  • the apple cubes 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 (-13 ° C) 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 achieve an ethanol content of 125,000 ppm, the treatment time was reduced from 225 to 45 minutes. This means a decrease in process time close to 80%.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Medicinal Preparation (AREA)
  • Cosmetics (AREA)

Abstract

La presente invención se refiere a un procedimiento para acelerar y mejorar la transferencia de al menos un solvente, ocluido en una matriz sólida, semisólida o líquida, 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.

Description

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 15°C) entre una matriz solida, semisólida (como suspensiones de alta concentración, purés, pastas, etc.) o liquida 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. 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, semisólidas o líquidas 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 nunca quedan libres de trazas de dichas moléculas. La velocidad de transferencia de un solvente ocluido en una matriz a un gas se puede incrementar aumentando la temperatura de la matriz, 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 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, la utilización de bajas temperaturas (iguales o inferiores a 15°C) 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 (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 o liquido-gas que pueden influir en la velocidad de evaporación/sublimación (en función de la temperatura) de las moléculas del solvente retenido en la matriz. 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 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 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, semisólida o líquida, 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 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.
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. 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.
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, como una disminución de la capa limite, lo que conlleva un aumento del coeficiente externo de transferencia de materia. El aumento de los coeficientes 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. Descripción de la invención
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, semisólida o liquida 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 15°C, mediante la aplicación de un campo ultrasónico de elevada intensidad (igual o superior a 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 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 no se ven afectadas.
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 μπι) , gran capacidad de potencia (preferentemente, igual o superior a 50 W) , una superficie radiante extensa (preferentemente, igual o superior a 750 cm2) , asi como una capacidad para generar un campo acústico con una elevada concentración de energía (preferentemente, igual o superior a 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 cilindrico 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 la matriz.
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.
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, semisólida (como suspensiones de alta concentración, purés, pastas...) o líquida de interés en campos, entre otros, como el agroalimentario, químico, cosmético o farmacéutico.
Si bien en cualquiera de los casos la temperatura a la que se lleva a cabo el procedimiento es igual o inferior a 15°C, 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) .
Breve descripción de las figuras
La Figura 1 muestra un esquema
ultrasónico de cilindro vibrante.
La Figura 2 muestra un esquema
ultrasónico de placa vibrante. La Figura 3 muestra cinéticas de eliminación de agua de cubos de manzana (10 mm de lado) . Aire (HR=7%) a -13°C y 2 m/s y presión absoluta 1 atm.
La Figura 4 muestra cinéticas de eliminación de etanol de cubos de manzana (10 mm de lado) . Aire (HR=7%) a -13°C y 2 m/s y presión absoluta 1 atm.
Listado de referencias:
1. Conducto de gas;
2. Gas a baja temperatura (igual o inferior a 15°C) ;
3. Matriz;
4. Radiador cilindrico;
5. Amplificador mecánico;
6. Elemento piezoeléctrico de potencia o de transduccion;
7. Sistema electrónico de generación, control y adaptación de la señal eléctrica de excitación del elemento piezoeléctrico;
8. Ordenador;
9. Material de acople;
10. Superficie continua o perforada para la colocación y conducción del producto;
11. Radiador de placa vibrante.
Descripción detallada de la invención
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.
De este modo, las FIG.l y la FIG 2. representan una primera y una segunda configuración del dispositivo para llevar a cabo el procedimiento objeto de la invención.
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 cilindrico (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.
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 limite reduciendo la resistencia externa a la transferencia de materia. Cuando la onda acústica alcanza la matriz, provoca ciclos de compresiones y descompresiones que favorecen la eliminación del solvente por un aumento de los coeficientes de difusión.
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 especifico de medida y control de los parámetros de la señal eléctrica y frecuencia de resonancia.
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.
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.
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, cilindrico (4) o de placa vibrante (11), producen una vibración que se transmite a través del medio gaseoso a la matriz. 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.
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 cilindrica. 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 operarán en esas condiciones con buen rendimiento electroacústico .
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) .
Ejemplos de realización de la invención
Ejemplo 1. Eliminación de agua en manzana 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 -20°C 24 horas antes del comienzo de las experiencias. Las muestras se colocaron en el interior del radiador ultrasónico cilindrico (4) por el que se hizo circular una corriente de aire a humedad relativa (7%), presión absoluta (1 atm) , temperatura (-13°C) 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. Asi, 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 ultrasonidos. Esto supone un descenso del tiempo de proceso cercano al 70%.
Ejemplo 2. Eliminación de etanol en una matriz sólida 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 vacio durante 2 horas con etanol (pureza 96%) . Asi, los cubos de manzana impregnados con etanol, se colocaron en el interior del radiador ultrasónico cilindrico (4) por el que se hizo circular una corriente de aire a humedad relativa (7%), presión absoluta (1 atm) temperatura (-13°C) 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 tratamiento se redujo de 225 a 45 minutos. Esto supone un descenso del tiempo de proceso cercano al 80%.

Claims

Reivindicaciones
1. Procedimiento para acelerar y mejorar la transferencia de al menos un solvente ocluido en una matriz sólida, semisólida o liquida a un medio gaseoso a una presión absoluta igual o superior a 0.5 atm y a una temperatura igual o inferior a 15°C, 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 es 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 es 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 μπι 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 cilindrico (4) o de placa vibrante (5) conectado a un elemento para contener la matriz, asi como un sistema para hacer circular un flujo de gas alrededor de dicha matriz.
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.
PCT/ES2012/070652 2011-09-20 2012-09-12 Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad Ceased WO2013041750A1 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ESP201131512 2011-09-20
ES201131512A ES2403785B1 (es) 2011-09-20 2011-09-20 Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013041750A1 true WO2013041750A1 (es) 2013-03-28

Family

ID=47913935

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/ES2012/070652 Ceased WO2013041750A1 (es) 2011-09-20 2012-09-12 Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad

Country Status (2)

Country Link
ES (1) ES2403785B1 (es)
WO (1) WO2013041750A1 (es)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ES2548458A1 (es) * 2014-04-15 2015-10-16 Bsh Electrodomésticos España, S.A. Aparato refrigerador doméstico con dos áreas de almacenamiento para alimentos y un dispositivo de ultrasonidos, y método para poner en funcionamiento un aparato refrigerador doméstico

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020040643A1 (en) * 2000-09-25 2002-04-11 Ware Gerald J. Desiccation apparatus and method
WO2004090446A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-21 Elizabeth Acton Method and apparatus for freeze drying material
WO2006015604A1 (en) * 2004-08-13 2006-02-16 Force Technology Method and device for enhancing a process involving a solid object and a gas
CN101126593A (zh) * 2006-08-18 2008-02-20 发泰（天津）科技有限公司 超声冷冻干燥方法及其设备

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020040643A1 (en) * 2000-09-25 2002-04-11 Ware Gerald J. Desiccation apparatus and method
WO2004090446A1 (en) * 2003-04-11 2004-10-21 Elizabeth Acton Method and apparatus for freeze drying material
WO2006015604A1 (en) * 2004-08-13 2006-02-16 Force Technology Method and device for enhancing a process involving a solid object and a gas
CN101126593A (zh) * 2006-08-18 2008-02-20 发泰（天津）科技有限公司 超声冷冻干燥方法及其设备

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOSÉ VICENTE GARCÍA PÉREZ: "Contribucion al estudio from aplicacion of ultrasonidos of potencia in the secado convectivo of alimentos", TESIS DOCTORAL, 2007, VALENCIA, Retrieved from the Internet <URL:http://riunet.upv.es/handle/10251/1890> *

Also Published As

Publication number Publication date
ES2403785R1 (es) 2013-09-17
ES2403785A2 (es) 2013-05-21
ES2403785B1 (es) 2014-08-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gallego-Juarez et al. A new high-intensity ultrasonic technology for food dehydration
Gallego-Juárez 7 Some applications of air-borne power ultrasound to
JP5775929B2 (ja) 超音波及び熱を選択的に生成する超音波トランスデューサ
CN103115481B (zh) 一种木材干燥设备及利用该设备干燥木材的方法
CN102175300A (zh) 一种声二极管及检测声二极管的系统
CN102620586B (zh) 一种套有电控压电陶瓷块的脉动热管传热系统
Gallego-Juárez et al. Recent developments in vibrating-plate macrosonic transducers
WO2013041750A1 (es) Procedimiento y dispositivo para mejorar la transferencia de materia en procesos a baja temperatura mediante el uso de ultrasonidos de elevada intensidad
US12121897B2 (en) Microfluidic system and operation method thereof
GB2400901A (en) Method and apparatus for freeze drying material
CN106288687A (zh) 一种实验室用超声波辅助电阻干燥箱
CN113631198B (zh) 低温物品的除污方法及在低温物品的除污方法中使用的传送盒
US10037752B1 (en) Orthosonic thrust apparatus and method
CN111346292B (zh) 微流体系统及其操作方法
KR100932179B1 (ko) 초음파 진동자, 마그네트론 도파관 및 탄소발열체를 이용한 온수, 난방 겸용 전기보일러
JP2004097117A (ja) 超音波解凍装置
CN102607305A (zh) 一种侧面固定有电控压电陶瓷块的板式脉动热管传热系统
CN207505874U (zh) 一种超声波干燥装置
CN218047614U (zh) 一种超声振荡一体机
JP2003517848A (ja) 超音波角アッセンブリ
CN214278766U (zh) 一种可控温式超声波震荡装置
JPH10174189A (ja) 超音波機器用送波器
Gallego-Juárez et al. Technologies and applications of airborne power ultrasound in food processing
Nagahara et al. Development of high-sensitivity ultrasonic transducer in air with nanofoam material
Andrés et al. Study of the near field generated by a power ultrasonic transducer

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12833312

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12833312

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1