Efecto de la distribución de diámetro de partícula en la extracción con CO2 supercrítico de aceite de semillas de arándano rojo

Típicamente, la extracción de semillas oleaginosas con dióxido de carbono (CO2) supercrítico asume condiciones ideales tales como un tamaño y forma de partícula única, temperatura y presión constantes, y un patrón de flujo tipo tapón de CO2 en el lecho empacado. Sin embargo, dichos supuestos no necesariamente se aplican industrialmente, ya que las condiciones operacionales a dicha escala no se encuentran totalmente controladas. Dado lo anterior, es que se requieren descripciones matemáticas confiables para la extracción con fluidos supercríticos, que incorporen dichas condiciones no ideales, con la finalidad de facilitar el diseño del proceso industrial, y determinación de su viabilidad técnica y económica. El objetivo de este trabajo fue desarrollar y aplicar una metodología experimental y posteriormente un modelo robusto de transferencia de masa, que sea capaz de cuantificar el efecto de la distribución del tamaño de partícula en el rendimiento y velocidad de una extracción con CO2 supercrítico. Para los experimentos de laboratorio se usó como sustrato semillas de arándano rojo (Vaccinium oxycoccus) peletizadas en un molino plano tipo D (R) y cortadas en cilindros con relación de altura a diámetro unitaria, correspondientes a su diámetro equivalente (dpe). Para llevar a cabo los experimentos se utilizó el sistema de extracción SFE de Thar Technologies, para muestras de tamaño pequeño (dpe = 2 mm), muestra de tamaño grande (dpe = 4 mm) y para una mezcla 1:1 (p/p) por un tiempo de 3,5 horas, en un extractor de 200 cm3 (diámetro interno = 5 cm) usando 20 g/min de CO2 supercrítico con una velocidad superficial de 0,19 mm/s en condiciones de operación a 40 ºC y 30 MPa. En cada extracción se usaron 120 gramos de material vegetal y todos los experimentos fueron realizados por triplicado. Posteriormente, y con la finalidad de modelar las curvas de extracción obtenidas a escala laboratorio, se utilizó el modelo Linear Driving Force (LDF) de manera modificada, considerando la isoterma de partición de aceite para semillas oleaginosas pre-prensadas utilizando la solubilidad del aceite en el CO2 supercrítico (Csat) y la difusividad efectiva del aceite en el sustrato (De) en condiciones del proceso (40 ºC y 30 MPa) como los dos parámetros que mejor se ajustan. El modelo matemático se adaptó para un sustrato con una distribución de tamaño de partícula, en el cual las tasas de extracción individuales están determinadas por el modelo LDF para cada fracción de tamaño como función del tiempo de extracción y posición axial en el lecho empacado considerando la concentración única del aceite en el CO2 en ese momento y posición. Luego, dicho modelo se usó para simular la curva de extracción experimental de la mezcla homogénea sin ningún parámetro de ajuste, solo considerando los valores de Csat y De estimados para las muestras de tamaño pequeñas (dpe = 2 mm) y muestras de tamaño grande (dpe = 4 mm). Los resultados, reportan concordancia entre las curvas de extracción simuladas y las obtenidas de manera experimental. Se aprecia de manera notoria, que la curva de extracción de la mezcla se acerca en un comienzo a la curva de tamaño de partícula menor, y hacia el final a la curva de tamaño de partícula mayor. Se aprobaron los resultados simulados y experimentales, validando de esta forma el modelo de sustratos polidispersos. Finalmente, y solo a través de modelación matemática, se utilizó dicho modelo para simular extracciones con CO2 supercrítico en sustratos con diferentes distribuciones de tamaño de partícula, para lo cual se utilizó como características propias de la muestra: la diferencia en la dispersión y la asimetría de las distribuciones normales. De esta simulación se pudo concluir, que los gráficos de extracción de sustratos que poseen la misma tendencia central, considerada para este caso el diámetro medio de Sauter, cambiaba dependiendo de la distribución del tamaño de partícula.