Modelamiento y simulación de la extracción por arrastre de vapor del aceite esencial de cáscara de naranja en la perspectiva de su aprovechamiento integral - Cárdenas Malaga, Miguel Angel (2023)
La naranja es una de las frutas de mayor producción e industrialización a nivel mundial, pero, generándose también un subproducto significativo como es la cáscara de naranja. En la perspectiva de un aprovechamiento integral se debe valoriza a este subproducto mediante la extracción de su aceite esencial. Sin embargo, la tecnología de su extracción es altamente empírica como lo indican las pocas investigaciones orientadas al análisis de la cinética de extracción del aceite esencial de la cáscara de naranja, los pocos estudios a escalas mayores que las de laboratorio, y la ausencia de investigaciones a nivel de lecho de extracción. La presente investigación tiene como objetivos evaluar tres modelos cinéticos (difusión interna, modelo de lecho y modelo dual) formular y validar un modelo para el proceso de extracción y simular el lecho de extracción. Para la evaluación de los modelos cinéticos se utilizó los resultados de 10 pruebas experimentales de extracción de aceite esencial de cáscara de naranja por arrastre de vapor en un módulo de 10 L de capacidad, fijando la presión del vapor de arrastre en 5, 7 y 10 psig y variando el factor de empaquetamiento desde 32.0 hasta 89.2 kg/m3. Para obtener el modelo del proceso de extracción se formularon los balances de materia y energía para los componentes del módulo y se diseñó un algoritmo de solución que se resolvió con aplicaciones desarrolladas en Matlab ®. Finalmente, con ayuda de un simulador basado en CFD se simuló el lecho de extracción a nivel de flujo del vapor de extracción y del transporte de calor. En el modelo de difusión los coeficientes de difusión obtenidos tienen un orden de magnitud de 10-10, mayor que el de otras especies vegetales, lo que explica, por lo menos parcialmente, el menor tiempo de extracción para el aceite esencial de cáscara de naranja. El modelo de lecho fijo y el modelo dual representan muy aceptablemente a los datos experimentales con coeficientes de correlación superiores a 0.92. Por su parte, la simulación del lecho de extracción encontró que el patrón de flujo varía muy poco, siendo prácticamente independiente de la presión y flujo másico del vapor arrastre. Estas simulaciones también fueron útiles para determinar y evaluar a la porosidad y permeabilidad del lecho de extracción. Se concluye que los tres modelos cinéticos representaron adecuadamente a los datos experimentales y el modelo del proceso de extracción, basado en los balances de materia y energía, refleja apropiadamente el comportamiento experimental y permite concluir que el perfil de temperatura en el extractor es independiente de la presión y del factor de empaquetamiento. La simulación térmica del lecho de extracción indica que el equilibrio térmico se alcanza muy rápidamente y que es prácticamente independiente de la presión y flujo másico del vapor de arrastre e indican la presencia de zonas estacionarias que reducen el tiempo de contacto del vapor con el lecho sólido por lo que es necesario hacer algunas modificaciones en el extractor para lograr una mayor eficiencia.