Facultad de Ciencias

Alexis López Padilla

Directores: Dra. Tiziana Fornari, Dr. Alejandro Ruíz

Los fluidos supercríticos han abierto un amplio campo de posibilidades y nuevas alternativas en la tecnología de los alimentos.  La razón más poderosa se debe al hecho del empleo del CO₂ como disolvente, una sustancia permitida en alimentos, siendo la extracción con fluidos supercríticos (SFE) de materiales vegetales sólidos la aplicación, actualmente, más explotada.

Bajo el concepto de química verde, La SFE es una de las más eficientes y prometedoras alternativas en la producción de extractos vegetales de alta calidad. La tecnología SFE puede considerarse como una óptima técnica de extracción de biomoléculas debido a la no presencia de disolventes orgánicos en el producto final, su adecuación para especies termosensibles, la ausencia de daño oxidativo y la posibilidad de poder ser aplicada tanto a escala analítica como a escala industrial.

El comportamiento cinético de la SFE de materiales vegetales en lecho fijo se suele representar mediante un gráfico de la masa extraída en función del tiempo o en función de masa de disolvente consumido, comúnmente conocido como curva de extracción (OEC, Overall Extraction Curve). No solo los rendimientos másicos varían durante el tiempo de extracción, sino también la composición, así como las propiedades fisicoquímicas y biológicas del extracto. El escalado en un proceso de SFE busca reproducir la misma OEC en diferentes celdas de extracción con diferente forma o capacidad.

Existe  un gran número de modelos cinéticos en la literatura, los cuales han sido desarrollados y/o adaptados para representar la OEC de un proceso SFE. Estos modelos incluyen desde correlaciones simples basadas en cinéticas de primer orden, tales como el modelo de Barton, hasta modelos fenomenológicos integrales basados en la transferencia de masa diferencial al interior de la celda de extracción. Sin embargo, los estudios o enfoques sobre el escalado SFE son escasos en la bibliografía y los que hay disponibles están basados en algunas reglas de pulgar o enfoques semi-empíricos tradicionales de la ingeniería química.

En esta tesis doctoral se estudió el comportamiento cinético de dos materiales vegetales: mortiño (Vaccinium meridionals Swartz) y caléndula (Calendula officinalis). Las OECs se obtuvieron a diferentes presiones y temperaturas de extracción, así como a diferentes caudales de CO₂ y utilizando distintas celdas de extracción (de 0.5 y 2 L de capacidad) disponibles en la Plataforma Novalindus (CIAL UAM+CSIC). Todas las OECs fueron representadas siguiendo el modelo Broken and Intact Cells (BIC), el cual fue posteriormente empleado para evaluar la precisión de los dos criterios de escalado seleccionados en esta Tesis Doctoral, a saber a) mantener constante la velocidad lineal del disolvente a través del lecho empacado y b) mantener constante el tiempo de residencia del CO₂. De acuerdo con las predicciones del modelo BIC, este último criterio debería proporcionar una buena estimación del caudal másico de CO₂ para factores de escalado de 5 y 19. Sin embargo, los resultados experimentales no casaron con las predicciones teóricas (Materials, 2016, 9(519) DOI: 10.3390/ma9070519; The Journal of Supercritical Fluids, 2017, DOI: 10.1016/j.supflu.2017.03.033). Este hecho concuerda con lo señalado por otros estudios previos de escalado, corroborando la evidencia general de que no hay un criterio sencillo y efectivo para el escalado de un proceso de SFE de materiales vegetales.

No obstante, utilizando las OECs generadas en esta Tesis Doctoral se consiguió desarrollar una correlación general que sirviera como herramienta del cálculo del caudal másico de CO₂ en el salto de escala utilizando las instalaciones de SFE de las que dispone la Plataforma Novalindus. Los coeficientes de transferencia de masa en la fase supercrítica fueron estimados mediante dos modelos diferentes (modelo de Barton y modelo BIC) a partir de las OECs obtenidas para mortiño y caléndula en celdas de extracción de diferente tamaño, y ambos correlacionaron satisfactoriamente (R² > 0.96) en función de los parámetros geométricos de la celda de extracción (diámetro y longitud), el número adimensional Schmidt, y el tamaño de partícula y la porosidad del material (Journal of Food Engineering, enviado en junio de 2017). Además, para calcular el coeficiente de difusión de un extracto natural, el cual forma parte del número Schmidt, se desarrolló un método propio el cual fue utilizado en la desarrollo de la presente Tesis Doctoral (The Journal of Supercritical Fluids, 109 (2016) 148-156).

Como última etapa, se estudió la relación resultante entre el caudal de CO₂ y el coeficiente de transferencia de masa extendiendo el conjunto de datos de las OECs, incluyendo así 19 OECs obtenidas en la Plataforma Novalindus y 34 OECs recopiladas de la literatura. Este conjunto de datos abarcó 10 materiales vegetales diferentes, temperaturas comprendidas entre 298 y 333 K, presiones en el rango de 10 a 30 MPa, diámetros de partículas entre 250 y 1400 µm, volúmenes de celdas de extracción desde 50 a 5200 cm³, así como porosidades de lecho en el rango de 0.59 a 0.97. La correlación resultante presentó un coeficiente de regresión mayor a 0.86, indicando la validez de la tendencia general observada y estableciendo su potencial uso en la estimación del caudal de CO₂ requerido en el escalado SFE de materiales vegetales (Journal of Food Engineering, enviado en junio de 2017).