Cavitación Hidrodinámica

Plantas de Extracción y Valorización de biomasa, bajo cavitación hidrodinámica

Abstracto

La cavitación hidrodinámica (HC) es una tecnología ecológica que se ha utilizado con éxito para intensificar varios procesos. El fenómeno de la cavitación es responsable de muchos efectos, incluidas las mejoras en las tasas de transferencia de masa y la ruptura efectiva de la pared celular, lo que lleva a la desintegración de la matriz. HC es una estrategia prometedora para los procesos de extracción y proporciona la recuperación rápida y eficiente de compuestos valiosos de plantas y biomasa con alta calidad. Es un método simple con alta eficiencia energética que muestra un gran potencial para operaciones a gran escala. Esta revisión presenta una discusión general de los mecanismos de los HC, sus ventajas, diferentes configuraciones de reactores, sus aplicaciones en la extracción de compuestos bioactivos de plantas, lípidos de biomasa de algas y deslignificación de biomasa lignocelulósica, y un estudio de caso en el que la extracción de HC de las sobras de albahaca se comparan con las de otros métodos de extracción.

Palabras llave: cavitación hidrodinámica; intensificación de procesos; rector hidrodinámico rotor / estator; extracción de plantas; tratamiento de biomasa

1. Introducción

La valorización sostenible de los recursos biológicos para la producción de productos de valor agregado y biocombustibles [1,2,3], se ha convertido en un tema candente durante los últimos 20 años en busca de una reducción de la huella de carbono. La extracción de biomasa se encuentra a menudo como un pretratamiento para la producción de bioenergía y sustancias químicas de plataforma, mientras que la extracción de compuestos bioactivos es explotada directamente por las industrias farmacéutica, cosmética, agroquímica y alimentaria. Incluso la valorización de los residuos de alimentos duros, como las cáscaras de cacao, se puede lograr mediante la extracción eficiente de componentes de alto valor añadido con protocolos ecológicos [4]. Sin embargo, la complejidad de los métodos de extracción, la flexibilidad de los componentes bioactivos y la solicitud de disolventes y productos químicos peligrosos siguen siendo barreras para el uso generalizado de productos naturales [5]. A medida que crece la demanda de los consumidores, las técnicas más ecológicas se han convertido en alternativas de extracción, especialmente para las industrias de fabricación nutracéutica, farmacéutica y cosmética [6].

Las microalgas y otros microorganismos se han convertido en algunas de las materias primas más prometedoras para la producción de biodiésel [7,8]. Algunas de las ventajas que tiene el desarrollo de la producción de biodiesel a partir de microalgas incluyen una alta productividad, una mayor seguridad alimentaria y una contribución a la solución del problema del calentamiento global.

Para la extracción eficiente de metabolitos intracelulares, proteínas, carbohidratos y lípidos, la alteración celular es un procedimiento crucial [9]. Sin embargo, la dureza de las membranas y las paredes celulares de las microalgas resulta problemática al extraer la mayoría de las especies de microalgas. Por lo tanto, la disrupción celular es un proceso intensivo en energía [10] que causa un problema distinto: la extracción de lípidos de alto costo para la producción de biocombustibles de bajo valor [9,11]. Se puede lograr una disrupción eficiente de la superficie de los microorganismos mediante métodos mecánicos, que incluyen ultrasonidos, ondas de choque, homogeneización a alta presión, esfuerzo cortante, molienda de perlas y técnicas de microfluidificación [12]. Los homogeneizadores de alta presión y la sonicación conllevan un consumo energético específico del orden de cientos de MJ por kg de masa seca; obviamente, es inadecuado para la producción de biocombustible (mega litros / día) [9]. Por el contrario, el consumo de energía se reduce significativamente en los procesos de cavitación hidrodinámica (HC), que potencialmente se ajustan a las extracciones de lípidos a gran escala [8,10].

Como recurso natural altamente renovable, la biomasa lignocelulósica (LCB) es la más económica del mundo [13]. Es una materia prima abundante para producir biocombustibles y sustancias químicas de plataforma en el futuro [14]. En el contexto de la sostenibilidad, LCB se refiere principalmente a residuos agrícolas y forestales, como paja de arroz y trigo, pastos, rastrojo de maíz, bagazo y residuos de madera, ya que su uso no agota las fuentes de alimentos y piensos [15]. La LCB generalmente involucra del 30% al 50% de celulosa, del 20% al 40% de hemicelulosa y del 10% al 30% de lignina, dependiendo del tipo de material [14]. Sin embargo, la celulosa y la hemicelulosa están densamente empaquetadas en capas de lignina, lo que dificulta la digestibilidad enzimática de la celulosa presente en LCB [16]. Para facilitar la hidrólisis enzimática de la celulosa, se requiere un tratamiento previo para destruir las capas de lignina, exponer la celulosa y la hemicelulosa y, por lo tanto, aumentar los rendimientos de azúcares de la fermentación de la celulosa y la hemicelulosa [15,16,17].

Recientemente, se ha estudiado ampliamente el pretratamiento de la biomasa, incluidos los métodos mecánicos, químicos, biológicos y combinados. Se ha logrado más del 90% del rendimiento teórico de azúcar a partir de la biomasa mediante varios métodos [17]. Las técnicas de extracción, como la maceración, el reflujo y la extracción Soxhlet, son procesos habituales en la purificación y recuperación de componentes de materiales vegetales. Sin embargo, algunos procesos implican temperaturas y presiones extremas [18]. Las extracciones convencionales son laboriosas y requieren mucho tiempo. Además, las grandes cantidades de disolventes orgánicos que se consumen provocan problemas para la salud y el medio ambiente. También provocan la degradación de los componentes sensibles al calor y unos costes de eliminación excesivos [19]. Por tanto, las condiciones de pretratamiento deben adaptarse a la composición química y estructural específica de la biomasa [16]. Por lo tanto, las principales innovaciones tecnológicas que se basan en metodologías más económicas y respetuosas con el medio ambiente se encuentran actualmente en desarrollo tanto en los laboratorios académicos como en la industria [18].

Un enfoque novedoso, la extracción basada en HC (HCE), se está utilizando gradualmente en la extracción de compuestos bioactivos y antioxidantes de plantas [4,5,20], lípidos de biomasa de algas [7,10,21,22] y deslignificación. de LCB [23,24,25,26]. El HCE genera en un líquido que fluye ondas de choque, microjets, fuerzas de cizallamiento, turbulencias, etc. durante la implosión extrema de las burbujas de cavitación, que es causada por una caída y un aumento sucesivo de la presión local [27]. En este contexto, tanto la producción de bioenergía de bajo valor (biogás, bioetanol y biodiésel) como de productos químicos de valor agregado (antioxidantes y productos de seguimiento a base de lignina y celulosa) se pueden lograr gracias a la deslignificación eficiente y la extracción de componentes intracelulares. utilizando HCE. Este último es una nueva estrategia y un método alternativo que puede proporcionar extracciones altamente eficientes, convenientes y de bajo costo. El diseño de reactores de HC (HCR) y los estudios de parámetros ofrecen mucho conocimiento que ayuda en el desarrollo de procesos innovadores, ecológicos y eficientes.

2. Ventajas de la extracción de HC

El procesamiento ultrasónico es una técnica consolidada en la extracción sólido-líquido desde la escala de laboratorio hasta aplicaciones industriales. Generalmente, los sistemas ultrasónicos son menos eficientes energéticamente que las unidades de HC [28]. La limitación más importante del ultrasonido es la escasa penetración de la onda de presión a través de mezclas sólido-líquido, lo que significa que los efectos de cavitación solo ocurren cerca de la superficie vibrante, dejando la mayor parte de la mezcla sin tratar.

Aunque el HC es un evento dañino para los equipos hidráulicos, ofrece una promesa significativa para intensificar una variedad de procesos físicos y químicos [29, 30, 31], ya que la energía de los fluidos puede usarse como una fuente de energía alternativa. Las tecnologías de HC surgieron en la década de 1990 y se han utilizado en los campos de la remediación ambiental, el procesamiento de alimentos y la producción de biocombustibles con las ventajas de la aceleración del proceso y una mayor eficiencia energética [29,30,32].

Con el fin de extraer de manera eficiente productos valiosos y componentes preciosos de la agricultura y los residuos forestales, se ha empleado el HCE como tecnología habilitante para lograr mejores rendimientos de extracción y producir productos saludables y de alta calidad. Además, demuestra la capacidad de eliminar potencialmente la necesidad de disolventes tóxicos, así como de reducir los costes de capital, el consumo de recursos y el tiempo de producción [5,6,27]. En particular, el HCE puede llevarse a cabo en escalas de operación mucho más grandes con mejores eficiencias energéticas, y también puede presumir de su configuración simple y construcción del sistema en comparación con los procesos basados ​​en cavitación acústica [29, 30, 31].

3. Reactores de HC: aspectos técnicos

La cavitación se denomina creación de microburbujas, expansión y contracción sucesivas y luego colapso en un líquido [33,34]. Los fenómenos de HC se generan generalmente en una región fluídica en la que la presión cae bajo la presión de vapor cuando una corriente líquida o una mezcla de líquido / sólido pasa a través de un dispositivo de control fluídico. Estas microburbujas luego colapsan en regiones de mayor presión y conducen a poderosas fuerzas de cizallamiento, presiones extremas y temperaturas en regiones localizadas. Las implosiones intensas facilitan algunos sub-efectos de cavitación, incluyendo turbulencia, ondas de choque, microjets, generación de radicales libres, etc. [34,35].

Aunque los fenómenos de HC todavía se consideran problemas inevitables en los sistemas de flujo, el profundo interés que se ha mostrado en el uso de HC como herramienta para la intensificación de varios procesos físicos / químicos llevó al desarrollo de varios dispositivos, tanto estáticos como dinámicos [ 31]. En particular, los microambientes de alta energía (principalmente efectos mecánicos) creados por la cavitación mejoran significativamente la deconstrucción de la biomasa con un menor requerimiento de energía [4]. Asimismo, el HC puede mejorar la eficiencia de extracción gracias a una tasa de transferencia de masa mejorada y a la ruptura de la pared celular [6]. Esta transferencia de masa mejorada se ha demostrado en la formación de nanoemulsiones utilizando HC, que también es un medio eficaz para el transporte de compuestos bioactivos insolubles [36].

Las placas de orificio [22,24,35,37,38,39], los tubos Venturi [40,41] y las boquillas de alta presión [42,43,44,45,46,47,48] son ​​ejemplos de elementos de HC estáticos. [49]. Si bien son dispositivos baratos y simples, requieren bombas de alimentación potentes debido a la alta pérdida de presión necesaria para generar HC en este tipo de dispositivos. Además, se encuentran con frecuentes problemas de obstrucción, lo que resulta en una pérdida de beneficios, cuando se tratan mezclas sólido-líquido. Se desarrollaron equipos rotativos y elementos cavitacionales dinámicos con el objetivo de superar estos problemas y generar HC con menor aporte energético [25,43,44,50,51,52,53,54,55,56,57]. Un ejemplo de esto se puede encontrar en el dispositivo rotor-estator (RSD), que fue desarrollado por la Universidad de Ljubljana. Es un cavitador que está formado por un conjunto de dientes que están espaciados radialmente tanto en el rotor como en el estator [58]. Este dispositivo se ha utilizado para tratar con éxito suspensiones, como en el tratamiento de lodos para la producción adicional de biogás [59]. Este artículo ilustra los mecanismos a través de un análisis de la estructura de las HCR y una comparación de su capacidad para romper grupos de nanopartículas, alterar las células de los microorganismos y emulsionar mezclas inmiscibles, de modo que las eficiencias y ventajas de varias HCR en la extracción y valorización de la biomasa y la planta puede demostrarse bien.

3.1. HCR con estructura de orificio

3.1.1. Placas de orificio

El HCR tipo placa con orificio de bucle (OP-HCR) es un dispositivo de HC común para la desinfección del agua y el tratamiento de aguas residuales (Figura 1) [35,60]. En general, los diámetros de los orificios están en el rango de 1 a 6 mm, según el número de orificios y los diámetros de los tubos, mientras que las presiones de entrada de la placa de orificios (P1) son inferiores a 1 MPa. Las presiones negativas aguas abajo (P2) también pueden causar cavitación cuando se instala una bomba aguas abajo de la placa de orificio [61,62,63,64].

Según cálculos teóricos, la eficiencia energética del uso de HC es casi un orden de magnitud mayor que la del uso de ultrasonidos para la inactivación de microorganismos [33]. El tamaño del orificio, el número y la disposición de las placas de orificio, el número de cavitación y el tiempo de procesamiento influyen significativamente en la eficiencia de la cavitación [37]. En general, los efectos de la cavitación aumentan con la disminución del tamaño del orificio y el aumento del número de orificios, el tiempo de procesamiento y la velocidad del flujo en la placa de orificio. El esfuerzo cortante de Reynolds aumenta con la reducción del número de cavitación, mejorando así la eficiencia de la cavitación [37]. Además de las ondas de choque, el cizallamiento turbulento generado por la oscilación estable de las cavidades contribuye significativamente a la ruptura de las células [39]. Por lo tanto, la eficiencia de la cavitación está estrechamente relacionada con el esfuerzo cortante, la turbulencia y el pulso de presión formado por el colapso de la cavitación, así como con la resistencia mecánica de las células microbianas [33].

Además, las especies de algas tienen diferentes respuestas a los efectos extremos de la cavitación. Microcystis aeruginosa (gas-vacuolate) se rompe más fácilmente que el alga gas-vacuola-negativa Chlorella sp. [66]. Como indicador de la peroxidación lipídica, el aumento del contenido relativo de malondialdehído demostró significativamente la formación de radicales libres durante el tratamiento con HC. Además, el rendimiento de radicales libres aumentó con la adición de H2O2, lo que mejoró la reducción de algas en OP-HCR. Se obtuvo una mayor eliminación de algas (88%), en comparación con un 39% de eliminación de algas mediante un proceso ultrasónico, y se obtuvo una eficiencia energética en 10 min en el OP-HCR [66].

Las tecnologías de HC sólo recientemente han ganado una atención significativa en comparación con sus análogos ultrasónicos. Por lo tanto, se adoptaron los mecanismos de los efectos ultrasónicos como los puntos calientes, los efectos mecánicos y químicos inducidos por la cavitación para interpretar las funciones de los HC [67]. En realidad, los mecanismos de los efectos de los HC son más complejos que los de los efectos ultrasónicos debido a la complicada matriz de formación de los HC. Además del número de cavitación, otros factores hidrodinámicos, como la presión de entrada, el caudal y las velocidades en las constricciones, el valor α (la relación entre el perímetro total de los orificios y el área total de la abertura) y el valor β0 (la relación entre el área total de agujeros al área de la sección transversal de la tubería), etc., eficiencia sinérgica [68,69].

3.1.2. Tubos venturi

Como una de las estructuras restrictivas más comunes, los tubos Venturi también pueden inducir HC en un sistema de fluido que fluye (Figura 2) [40], que es muy adecuado para aplicaciones a escala industrial [70]. De acuerdo con la ecuación de Bernoulli, la tasa de disipación de energía muy alta y las intensidades turbulentas se obtienen a alta presión de entrada y caídas de presión conforme a través de la garganta Venturi (parte de constricción). Esto, a su vez, hace que el colapso del grupo de cavidades sea más violento [65]. Por tanto, los Venturi-HCR se pueden utilizar para producir radicales libres para oxidar contaminantes orgánicos [70,71]. Además, el rendimiento de los radicales libres generados en Venturi-HCR domina la tasa de oxidación. Por tanto, puede utilizarse para medir la intensidad del colapso de la cavidad [72].

3.1.3. Boquillas de alta presión (microfluidizadores)

Los microfluidizadores son otro tipo especial de OP-HCR. Crea una cavitación eficaz a través de un umbral de presión de la boquilla de alta presión aguas arriba (> 15 MPa) [80]. El HC se genera mecánicamente dentro del sistema de fluido de alta presión a través de una caída de presión extremadamente alta (Figura 3) [47,80]. El número de cavitación σ se calcula en el sistema de fluido a alta presión [80]:

La gran caída de presión conduce a la formación y colapso de burbujas, provocando un calentamiento localizado del solvente y la formación de microjets acumulativos ultrarrápidos [42,47]. La microdeformación en los materiales es causada por las altas fuerzas de corte y de cavitación, en las que los números de Reynolds y de cavitación son factores clave [45]. Por lo tanto, los microfluidizadores se han utilizado principalmente para producir materiales nanoestructurados, como óxidos metálicos y metales soportados cuyos tamaños de grano pueden estar en el rango de 1 a 20 nm [46,47,48]. El estado cavitacional se puede alterar mediante una simple regulación mecánica para moderar las propiedades de las partículas superfinas y finas, que se forman mediante la rotura mecánica de enlaces intermoleculares débiles en suspensiones y emulsiones [42,45].

La formación de radicales hidroxilo en el microfluidizador significa que las tensiones hidrodinámicas y los efectos cavitacionales desempeñan funciones sinérgicas [71]. Los microfluidizadores se han utilizado hasta ahora para la intensificación de la emulsificación, dispersión, disolución, extracción, reacciones químicas, así como esterilización, etc., gracias a sus efectos mecánicos y químicos [42,80].

3.2. HCR rotor-estator

Los homogeneizadores rotor-estator, que se caracterizan por su disipación de energía muy localizada, se aplican ampliamente para reducir el tamaño de las fases dispersas y la mezcla reactiva [57,81]. Una ventaja de la RSD es que se puede realizar fácilmente la ampliación, mientras tanto se evita el bloqueo de los orificios con partículas o componentes viscosos que se producían en las OP-HCR tradicionales. Debido a su diseño compacto, se requiere un espacio de instalación más pequeño para garantizar directamente la seguridad general [54].

El procesamiento mecánico de materiales en la fase líquida, como la rotura de grupos de nanopartículas, la rotura de células de microorganismos y la emulsificación de mezclas inmiscibles con RSD, se puede unir a los efectos combinados de los HC en espacios estrechos entre el rotor y el estator [52]. . La micro-turbulencia inducida por HC intensifica significativamente la transferencia de masa en un sistema heterogéneo y amplía los contactos entre sustratos y medios [54,57]. Los mecanismos físicos y químicos de los mezcladores rotor-estator se pueden explicar en términos de rotura de grupos de nanopartículas, disrupción de células de microorganismos y emulsificación de mezclas inmiscibles.

3.2.1. Rotura de grupos de nanopartículas

El Silverson 150/250 MS RSD contiene un rotor con 4 palas internas y 8 palas externas y dos estatores que se desintegran con orificios, como se muestra en la Figura 5 [82].

En RSD, se genera un estrés hidrodinámico muy alto para preparar las nanosuspensiones de larga duración rompiendo los grupos de nanopartículas (desintegración de los aglomerados de Aerosil 200 V). La tensión hidrodinámica generada por la deformación del fluido, la inercia y la cavitación difiere con el campo de flujo. A 9000 rpm, el valor de presión local más pequeño es 59 kPa, que está por encima de la presión de vapor saturado, lo que significa que se producen menos o ningún efecto de cavitación en las simulaciones rotor-estator [43, 44].

Por el contrario, la oxidación de KI a través de oxidantes formados por efectos de cavitación se logró en soluciones acuosas utilizando un barril RSD (Figura 6) [52], lo que indica que los eventos de cavitación pueden ocurrir en las fosas y la superficie del rotor. La velocidad de rotación del rotor domina la velocidad de corte y el área de presión. La velocidad de cizallamiento aumenta linealmente a medida que aumenta la velocidad de rotación, pero el área de la zona de alto cizallamiento se contrae [52].

3.2.2. Alteración de células de microorganismos

Se diseñó una RSD vertical con 58 a 80 álabes de rotor y 8 a 16 álabes de estator para análisis paramétricos a 2400 a 3000 rpm de velocidad de rotación (Figura 7). Su eficiencia energética es hasta dos órdenes de magnitud más alta para la desinfección del agua (inactivación de E. coli y E. faecalis) utilizando RSD que otros dispositivos de cavitación. Además, un espacio más pequeño entre el rotor y el estator induce altas fuerzas de cizallamiento en la constricción, lo que provoca una rápida desagregación de las colonias y el daño de las células individuales. Además, la velocidad angular y el número de contracciones / expansiones afectan significativamente la eficiencia de inactivación [50].

Las fuertes ondas de choque a altas presiones hidrostáticas inducen una liberación extraordinaria de componentes intracelulares [50] y la coagulación de la materia citoplasmática en el líquido [83]. Además, la falta de materia en el espacio periplásmico puede indicar el papel de las altas temperaturas locales durante las implosiones de burbujas cavitacionales [50,84].

El mecanismo de cavitación y el campo de flujo en un RSD se han analizado con una cámara de alta velocidad a varias velocidades de rotación del rotor (2700–3600 rpm) y presiones de bomba (0,0–0,15 MPa) (Figura 8). Se observaron claramente numerosas burbujas de cavitación y separación de nubes de cavitación (desprendimiento) durante la interacción entre el rotor y el estator. En tales regiones de separación de alta intensidad, se produjeron burbujas de cavitación a medida que las presiones disminuían bajo la presión de vapor saturado [51]. Los microorganismos se rompen bajo fuerzas de cizallamiento con el potente flujo de turbulencia [57].

La tasa de tratamiento con esta RSD es extremadamente superior y el costo es relativamente razonable en comparación con estudios anteriores de HCR [51].

3.2.3. Emulsificación de mezclas inmiscibles

La mejora de la transferencia de masa usando RSD se puede demostrar midiendo el tamaño de las gotas durante la emulsificación de fases inmiscibles. Las emulsiones (W / O y O / W) se han preparado a velocidades de rotación de 5000 y 25 000 rpm utilizando un homogeneizador de rotor / estator Virtishear (Virtis, Templest IQ, Figura 9). Las fuerzas de cizallamiento generadas en la zona de cavitación entre el rotor y el estator dominan el tamaño de la gota de emulsión [56]

El flujo se vuelve muy turbulento con remolinos de varias escalas a alta velocidad de rotación y agitación [56], lo que resulta en poderosas fuerzas de corte a través del movimiento del flujo turbulento [85]. Los micro-remolinos más pequeños son más efectivos en la superficie de estas gotas líquidas [85,86], que se rompen en gotas más pequeñas. Por lo tanto, el tamaño de las gotas disminuye al aumentar el poder de homogeneización, la velocidad de rotación y el tiempo de procesamiento [56].

Se ha aplicado la RSD continua (Figura 10) en la transesterificación de triglicéridos para la producción de biodiésel. Las gotitas del tamaño de una micra del inmiscible de lípidos y alcohol se forman por la rotación de alta velocidad de los rotores que conducen a una transferencia superior de calor y masa, por lo que la tasa de transesterificación aumenta enormemente en contraste con los métodos de agitación tradicionales [54].

Se ha preparado un precursor de engrasante para la aplicación en el cuero utilizando la misma RSD mediante la oxidación / polimerización de aceites vegetales de desecho a 90 ° C, lo que permitió una emulsificación de larga duración con agua en ausencia de tensioactivos. Se logró una reducción de cuatro veces en el tiempo de oxidación del aceite usado mediante el uso de técnicas de cavitación. Todos los resultados indican que la RSD muy eficaz está bien adaptada a un proceso de ampliación [53].

Además, se ha utilizado RSD para realizar la activación mecánica de mezclas de hidrogel de almidón y látex de copolímero sintético. La cámara termostática contiene un estator, un rotor y los anillos cilíndricos con canales rectangulares. La mecanización preliminar mejoró constantemente la compatibilidad de los componentes, mientras que el orden de la fase amorfa del material compuesto y la cristalización del almidón se promovieron a 5000 rpm durante 4–10 s. La elasticidad de las muestras aumentó con el aumento del contenido de almidón [57].

4. Extracción con reactores de HC

4.1. Extracción de compuestos bioactivos y antioxidantes de plantas

Los antioxidantes, incluidos los compuestos sintetizados endógenamente, los nutrientes antioxidantes de origen externo y los antioxidantes "no nutritivos", desempeñan un papel importante en la reducción del daño oxidativo de los radicales libres [87]. Como tecnologías habilitadoras, las microondas [88] y los ultrasonidos [89,90] se han utilizado con frecuencia para extraer compuestos bioactivos y antioxidantes, desde 2000, para mejorar la eficiencia y la calidad del producto. La introducción de la cavitación facilita la alteración de las células para mejorar la liberación del contenido celular. Aunque la extracción asistida por ultrasonido (EAU) se suele utilizar para recuperar diversos productos naturales, el HCE se considera una alternativa adecuada. Es importante destacar que el HCE ha demostrado ser muy eficaz para la extracción a gran escala [6]. Los materiales de extracción, los métodos y los factores efectivos en varias HCR se analizan brevemente a continuación.

Se han comparado las eficiencias de la extracción de cáscara de cacao en grano utilizando EAU y RSD [4]. El producto hidrófilo contiene polifenoles y metilxantinas, mientras que la capa lipídica se obtuvo simultáneamente utilizando etanol al 70% o un codisolvente de agua / etanol / hexano. Se procesaron 25 L de suspensión con una relación sólido / disolvente de 1:10 en el RSD a 3000 rpm a temperatura ambiente durante 11 min. Se logró mayor contenido de teobromina y fenólico total (TPC) usando RSD que con UAE a 19,9 kHz y 150 W (Tabla 1).

Como se enumera en la Tabla 1, también se logró el mayor rendimiento de recuperación de grasas usando RSD en comparación con el de los EAU. Los componentes valiosos, como cafeína, teobromina, flavonoides antioxidantes y manteca de cacao, se extrajeron convenientemente. La autooxidación comparable caracterizada con actividad captadora de radicales (DPPH EC50) y Trolox Eq. se lograron utilizando EAU o RSD [4].

Se ha utilizado un HCR de circuito hidráulico en forma de Venturi con una bomba centrífuga (4,9 a 7,5 kW, 2900 rpm) y 120 L de suspensión de biomasa (0,44% p / p en base seca) para producir soluciones acuosas de agujas de abeto plateado (Abies alba Mill. Recolectada en el norte de Toscana, Italia) durante 60-90 min, lo que resulta en actividades antioxidantes de DPPH y ORAC in vitro comparables o superiores a las de las sustancias de referencia, como extractos puros, otros extractos de agua y bebidas. El contenido de TPC y flavonoides aumentó con la temperatura y el tiempo de procesamiento por debajo de 47 ° C [5]. Se utilizó un equipo de extracción al vacío de HC integrado para extraer polifenoles del té verde [20]. La cavitación por presión negativa (NPC) también se considera un tipo de HC. De esta forma, la presión negativa domina los efectos de cavitación por una bomba de vacío, y la turbulencia en todo el reactor es retenida por el flujo de aire [6]. La máxima eficiencia de extracción (28,2%) se obtuvo en las condiciones óptimas de extracción (80% de concentración de etanol, relación líquido / sólido 20/1, a 73 ° C durante 28,7 min) [20]. Además, la extracción de NPC fue más eficaz para la extracción de compuestos sensibles al calor en comparación con los EAU [6].

Además, la micronización de flavonoides de ginkgo puede emplearse en sistemas de administración de fármacos para mejorar la absorción de fármacos. El rendimiento de flavonoides de ginkgo a partir de hojas de ginkgo biloba alcanzó aproximadamente el 37,5% mediante el uso de extracción de dióxido de carbono supercrítico con etanol a 20 MPa y 40 ° C durante 90 min. Después de la extracción, las micropartículas de flavonoides de ginkgo se lograron con atomización de fluido supercrítico bajo el asistente de un mezclador de HC. La atomización de la solución de mezcla se realizó a través de una boquilla, lo que permite una caída de presión localizada, lo que conduce a los efectos de cavitación. Por lo tanto, se pueden controlar los tamaños de partículas esféricas y se obtuvieron con éxito partículas de 0,2-3,0 µm [91].

4.2. Extracción de lípidos de microorganismos

La producción de recursos energéticos renovables como el biodiésel y el biogás mediante el tratamiento complejo de la biomasa de cianobacterias es una estrategia sostenible. Las tecnologías basadas en HC pueden aumentar la eficacia de la extracción de grasas no comestibles [92], ya que la alteración celular se limita principalmente a la pared y la membrana celular [9]. Dada su eficiencia energética, capacidad de extracción comparable y potencial de ampliación, los HC pueden convertirse en un método a escala industrial para la extracción de microalgas [21]. Se ha diseñado una serie de placas de orificio con α = 2,5% a 10% y β0 = 1% a 10% para optimizar la extracción de lípidos en microalgas húmedas. Los principales parámetros de HC, como el número de cavitación, los valores α y β0, afectan profundamente la eficiencia de extracción. La extracción máxima de lípidos (ca. 46,0%) se obtuvo a valores del 5% tanto de α como de β0 [22].

Se ha utilizado un Venturi-HCR para tratar una mezcla que contiene 5 g de peso seco de Nannochloropsis sp. en metanol / hexano (20,5 mL / 47,5 mL) a 34 ° C y 6,8 bar de presión en la cámara de muestra. HCE es más rápido que el método de agitación a 260 y 1000 rpm. Se logró un rendimiento de lípidos del 8,9% mediante HCE en 10 min, mientras que se consiguieron rendimientos de 5,44% y 7,3% en 60 min agitando a 260 y 1000 rpm, respectivamente. Los coeficientes volumétricos de transferencia de masa de HCE fueron 7.373 / s, mientras que los de agitación fueron 0.534 y 0.121 / sa velocidades de agitación de 1000 rpm y 260 rpm, respectivamente. De acuerdo con los parámetros termodinámicos, ∆H ° (20.72 kJ / mol), ∆S ° (58.05 J / mol / K) y ∆G (1.969-3.013 kJ / mol a 34-50 ° C), el proceso de extracción de lípidos se consideró endotérmico, no espontáneo e irreversible, lo que indica que se consumía más energía en comparación con la extracción de otras fuentes de plantas oleaginosas [8]. En un estudio similar, se fabricó un HCR de 0,9 L de tipo cerrado con una placa de orificio (0,5 mm × 13 orificios en patrón radial) para la extracción de lípidos de microalgas húmedas Nannochloropsis salina con hexano (1: 0,8 v / v). Se observó un mayor rendimiento de lípidos mediante el uso de HCE en comparación con el uso de autoclave y mediante ultrasonidos. El rendimiento de lípidos más alto alcanzó el 45,5% utilizando ácido sulfúrico al 0,89% a una presión de entrada de 0,4 MPa en 25 min [21].

En un estudio a escala piloto, se utilizó un asa HCR con una placa de orificio (1 mm × 33 orificios en patrón radial) para extraer lípidos de suspensiones de Tetraselmis suecica (40 L de agua de mar que contiene 0,9 kg de algas secas). Como resultado, se demostró que HCR tiene 3 MJ / kg de consumo de energía específico, lo que indica que HCR es mucho más eficiente que los EAU. Aunque los HC pueden dañar suficientemente la pared celular para dejar la difusión de los disolventes para la extracción de lípidos, todavía representan alrededor del 13% de la energía total de la biomasa, que es demasiado alta para la producción de biocombustibles [9]. Del mismo modo, los lípidos en las microalgas Nannochlo

Además, el NaOH-H2O2 también se puede utilizar para biorrefinerías basadas en SCB en un HCR de bucle con una placa de orificio (1 mm × 16 orificios en un patrón radial con un número de cavitación de 0,017). Se procesaron un total de 20 g de polvos SCB en un HCR de 3 L. La digestibilidad de la fracción celulósica (95,4%) se logró a una presión de entrada de 0,3 MPa en aproximadamente 10 min con NaOH 0,29 M y H2O2 al 0,78% (v / v). Después de la fermentación por Scheffersomyces stipitis NRRL-Y7124, se obtuvieron 31,5 g de etanol a partir de 1 L de líquido a granel [95]. Los polvos de mazorca de maíz (≤212 µm) se han procesado para deslignificación con enzima lacasa de una fuente microbiana (Trametes versicolor) en un HCR de asa de 6 L con dos tipos de placa de orificio (OP1: 2 mm × 9 y OP2: 3 mm × 4 agujeros en un patrón radial). Como resultado, el 47,4% de la reducción de lignina se logró con OP1 después de 60 min con las condiciones óptimas. El rendimiento cavitacional y el consumo de energía fueron menores que los de otros métodos de pretratamiento. Sin embargo, la placa de orificio estaba obstruida con una alta tasa de carga de biomasa de la lechada de mazorca de maíz (> 6,75%) [24]. De manera similar, se agregaron 16 g de polvo de rastrojo de maíz (~ 250 µm) en 400 ml de las soluciones de Na2CO3 0.4 M / H2O2 0.6 M, y la suspensión se hizo circular durante 1 ha 30 ° C dentro de un tubo Venturi HCR (40 mm longitud; 3,6 mm de diámetro interno; 1,8 mm de diámetro de garganta). En comparación con un método de pretratamiento de los EAU, se encontró que el HCR proporciona un grado de eliminación similar a la lignina, pero el HCR tiene una mayor eficacia para la producción de glucosa y xilosa [40].

Además de la producción de bioetanol, HCR también puede realizar la digestión de "desechos" lignocelulósicos para acelerar el proceso de producción de biogás. En la fermentación de biogás después del tratamiento de cortes de paja con un proceso de HC, la concentración de metano del concentrado alcanzó un valor promedio (58%) en el biogás de los residuos. Sin embargo, a partir del filtrado, el contenido de metano en el biogás era del 87%, lo que es un resultado superior para el proceso de HC [96]. Se ha logrado una solubilización de biomasa similar utilizando un pretratamiento ultrasónico y con HC para la codigestión anaeróbica mesófila de paja de trigo y estiércol de ganado. Los resultados muestran que el tiempo de pretratamiento más corto y la menor energía fueron necesarios en el proceso de HC en comparación con el pretratamiento ultrasónico. La tasa de producción de biogás para HCR fue de 194 mL / mg, que es más alta que la (177 mL / mg) del pretratamiento ultrasónico. Sin embargo, la productividad del biogás a través de ultrasonidos fue mayor que la del pretratamiento con HC. Ninguno de los métodos pudo aumentar la concentración de metano en el biogás [97].

5. Estudio de caso para la extracción de polifenoles de albahaca

Incluimos aquí un caso de estudio donde se han realizado pruebas experimentales utilizando un cavitacionador ROTOCAV desarrollado por E-PIC S.r.l. [98]. La unidad logra un HC controlado al forzar los fluidos y las mezclas a través de un RSD. Además de tener éxito en el tratamiento de líquidos, por ejemplo para producir biodiésel [54], o para acelerar las reacciones líquido-gas [53], el cavitador ROTOCAV también se puede utilizar para tratar mezclas sólido-líquido, debido a su particular geometría.

Este RSD se compone de varios canales de diferentes formas, que se alinean periódicamente durante la rotación de alta velocidad del rotor; el fluido procesado o la mezcla se acelera en ambas direcciones radial y axial dentro de la cámara de cavitación y, al fluir a través de los canales libres, se somete a ondas de presión, lo que resulta en cavitación. La característica distintiva de este RSD es que maximiza el volumen de cavitación dentro de la cámara de cavitación, procesando toda la mezcla sin bypass. Además, la mezcla está sujeta a miles de eventos cavitacionales, al mismo tiempo y con el mismo aporte energético, a diferencia de los elementos estáticos.

Durante los procesos de extracción, el cavitación ROTOCAV genera varios fenómenos físicos al mismo tiempo: fuerzas mecánicas y de cizallamiento, agitación, microjets, cavitación, puntos calientes y ondas de choque. Juntos, estos pueden romper las membranas celulares y aumentar la transferencia de masa, mejorando el acceso de solventes a los compuestos de interés. Las altas temperaturas y presiones locales se generan dinámicamente cuando las burbujas colapsan dentro del medio y esto se aprovecha de manera eficiente para extraer compuestos de alto valor agregado a partir de matrices vegetales sólidas. La desintegración de la matriz, el aumento del área de contacto y de la porosidad, junto con una mezcla intensa a microescala, aseguran la optimización de los rendimientos de extracción en un proceso continuo [99].

Por lo tanto, este enfoque se ha utilizado para la extracción de polifenoles de las hojas y tallos de los restos industriales de albahaca (Ocimum Basilicum L.), utilizando agua como único disolvente. La eficiencia de extracción se evaluó midiendo el rendimiento, el TPC y la capacidad antioxidante de los extractos y luego comparándolos con la extracción exhaustiva y EAU. La extracción exhaustiva se realizó a reflujo utilizando etanol al 75% a 85 ° C durante 4 h, mientras que la EAU se realizó en un baño de ultrasonidos (Danacamerini, Turín, Italia) a 20 kHz y 100 W durante 15 min utilizando agua a unos 45ºC. ° C. Ambos procedimientos se realizaron con 10 g de matriz fresca y una relación sólido / líquido 1:15. En un reactor a escala piloto, la extracción de HC se realizó utilizando 1000 g de muestra y agua (relación 1:15) a 3000 rpm durante 15 min, con una energía absorbida de 3,2 kW y una temperatura final de 45 ° C. Después de la extracción, los extractos se filtraron al vacío y se liofilizaron para su posterior análisis. El TPC se evaluó mediante la prueba de Folin-Ciocalteu, mientras que lo mismo se hizo para la capacidad antioxidante mediante un ensayo ORAC.

Los rendimientos de extracción obtenidos para hoja y tallo de albahaca en los diferentes procedimientos de extracción se presentan en la Figura 12. El método exhaustivo arrojó un rendimiento de 30.87% para las hojas y 25.87% para los tallos. Se obtuvieron valores similares con EAU: 28,60% para hojas y 23,95% para tallos. El HCE realizado a gran escala dio rendimientos de extracción más bajos que los otros procedimientos; 18,75% para hojas y 16,25% para tallos. Aunque el HCE proporcionó una menor eficiencia de extracción, operó exclusivamente en agua y fue dieciséis veces más rápido que los métodos exhaustivos. Además, un ciclo de extracción único de 15 min a gran escala logró 187 g de extracto por kg de material seco, lo que significa que, en 30 min (dos ciclos de extracción), puede recuperar más que el método exhaustivo, que daría 308 g en 240 min. Por lo tanto, el tiempo de extracción más corto del proceso de HC puede conducir a una mayor productividad. Además, cabe señalar que la energía específica aplicada para HCE fue menor que la aplicada para EAU: las pruebas con EAU se realizaron con una energía específica (2,5 kWh / kg de sólido) de más de 3 veces la energía de HCE (0,8 kWh / kg de sólido).

Las capacidades de TPC y antioxidantes obtenidas de los extractos se muestran en la Tabla 2. La mayor TPC extraída de la planta se logró mediante la extracción exhaustiva; 68,24 mg / g para las hojas y 50,23 mg / g para los tallos, seguido de UAE con valores similares (66,44 mg / g de hojas y 49,65 mg / g de tallos). El método HC recuperó el 65% del TPC del método exhaustivo de las hojas (44,01 mg / g) y el 80% de los tallos (40,43 mg / g).

Aunque HC extrajo menores cantidades de fenoles del material vegetal, se observó que el extracto obtenido estaba más concentrado, en términos de mg de polifenoles por g de extracto. Así, el contenido fenólico en el extracto de hoja de HC fue de 234,8 mg / g de extracto seco, y para los EAU y extractos exhaustivos fue de 232,30 y 220,9 mg / g, respectivamente. Se observó la misma tendencia para los extractos de tallo; el extracto de HC presentó 238,80 mg / g de extracto seco, seguido del extracto de UAE con 207,31 mg / gy el extracto exhaustivo con 199,9 mg / g. El ensayo ORAC para la medición de la capacidad antioxidante reveló que los extractos de HC tenían valores notables. El extracto de hoja de este proceso presentó tanta capacidad antioxidante como el extracto de EAU, con 79,51 μmol ET / g MS de HC y 79,15 μmol ET / g MS de EAU. El valor más alto del extracto exhaustivo puede deberse al uso de etanol como solvente, que puede ayudar en la recuperación de varios compuestos. La capacidad antioxidante obtenida del extracto de tallo de HC fue de 69,09 μmol ET / g MS, valor comparable a los obtenidos mediante los métodos EAU y exhaustivos (71,39 y 72,02 μmol ET / g MS, respectivamente).

En conclusión, el HCE de polifenoles de albahaca dio extractos con alto TPC y capacidad antioxidante utilizando solo agua en un proceso fácil, rápido y económico. Por tanto, este dispositivo ha demostrado ser una alternativa viable para la extracción verde de productos naturales a gran escala. En varios estudios la enorme demanda industrial de intensificación de procesos verdes, podría encontrar en la tecnología HC la mejor solución. La posibilidad de instalar unidades compactas de HC como implementación de plantas de extracción existentes, representa un gran objetivo. El poderoso efecto de los HC sobre las matrices de las plantas permite, en la mayoría de los casos, reemplazar el etanol y otros disolventes orgánicos por agua pura. El notable ahorro de energía, el corto tiempo de extracción y la fácil escalabilidad de los procesos asistidos por HC deberían allanar el camino hacia nuevas aplicaciones industriales.

Contribuciones de autor

Conceptualización, Z.W., D.C .; V.B. y G.C .; Metodología, D.F.F .; Análisis formal, L.S .; Investigación, A.C. y D.C .; V.B .; Conservación de datos, Z.W y G.C .; Redacción: preparación del borrador original, Z.W y D.F.F .; Escritura, revisión y edición, G.C .; Supervisión, Z.W y G.C.

Fondos

Esta investigación fue financiada por la Universidad de Turín (ricerca locale 2018) y el DFF fue financiado por Coordenacão de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior, CAPES / PDSE / 88881.188528 / 2018-01.

Conflictos de interés

Los autores declaran no tener ningún conflicto de intereses.

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