Tema- “Aplicaciones de Ultrasonido”.

Universidad de Concepción.

Facultad de Ingeniería Agrícola.

Ingeniería en Alimentos.

Departamento de Agroindustrias.

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Laboratorio N°8

“Aplicaciones de Ultrasonido”

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INTRODUCCIÓN

El ultrasonido es una tecnología emergente que, recientemente, ha sido estudiada para propósitos de inactivación microbiana y enzimática, pero que durante años ha sido objeto de investigación en la industria de alimentos, especialmente, en el tema de control de calidad. Se ha demostrado que puede ser utilizado para la evaluación de textura, composición y viscosidad de alimentos, para el desarrollo de técnicas de análisis no invasivas y para determinar el nivel de homogenización de glóbulos de grasa en leche, entre otras aplicaciones. Adicionalmente, el ultrasonido, por su capacidad para destruir paredes y membranas biológicas, se considera una tecnología promisoria tanto para la destrucción de microorganismos a temperaturas de procesamiento inferiores a las utilizadas durante la esterilización, como para acompañar otras tecnologías de proceso como lo son la extracción, las altas presiones, la pasteurización, entre otras.

OBJETIVO GENERAL

• Conocer y comprender algunas formas de ultrasonido empleadas en alimentos.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Conocer el funcionamiento de un equipo US de diagnóstico en manzanas con sus respectivas partes y equipos que lo conforman.
• Conocer el funcionamiento de un equipo US de diagnóstico en miel.

MARCO TEÓRICO

1. Ultra Sonido

Los ultrasonidos son ondas sonoras con una frecuencia superior a la perceptible por el oído humano 16 kHz. De acuerdo a los intervalos de frecuencia de sonido utilizados en el ultrasonido se divide básicamente en:

a) Ultrasonido de diagnóstico o de alta frecuencia (2-10 MHz): Este tipo de ultrasonido puede ser utilizado para proveer información sobre las propiedades Físico Químicas, como la estructura, composición, estado físico y velocidad de flujo.

b) Ultrasonido de poder o de baja frecuencia (20- 100 kHz): Provoca el fenómeno de cavitación, efecto por el cual tiene mucho interés en la industria de alimentos, ya que tiene la capacidad de afectar las propiedades tanto físicas como químicas de los mismos.

1. Cavitación

 El fenómeno de cavitación fue observado hace unos 100 años con el desarrollo de los primeros buques torpederos por el Sr. John Isaac Thornycroft. La cavitación es la formación y actividad de burbujas en un líquido. Las burbujas de gas pueden ser formadas por gas o vapor de cualquier tipo de líquido bajo diversas condiciones. De acuerdo a como es producida la cavitación existen 4 tipos:

-Cavitación hidrodinámica: producida por las variaciones de presión en el flujo del líquido debido a la geometría del sistema.

-Cavitación acústica: debido a la propagación de longitudes de onda, producidas por las variaciones de presión en un líquido.

-Cavitación óptica: producidas por fotones de luz de alta intensidad que atraviesan un líquido.

-Cavitación de partícula: producida por cualquier tipo de partícula elementaría.

1. Fuentes de Ultrasonido

El ultrasonido es generado por una corriente eléctrica, que es transformada a energía de sonido por medio de diferentes tipos de transductores; existen tres tipos de transductores principales:

1. Transductores conducidos por líquidos: en la cual un líquido es forzado a atravesar una lámina muy delgada causando que la lámina vibre, generando ondas de sonido.
2. Transductores de Magneto Rígido: dispositivos electromecánicos que utilizan materiales ferromagnéticos, es decir materiales que cambian de tamaño como respuesta a la presencia de un campo magnético, sin embargo tienen la desventaja que su trabajo está restringido por debajo de 100 kHz.
3. Transductores Piezoeléctricos: son los más utilizados en la generación de ultrasonidos, utilizan cerámicas que contienen materiales piezoeléctricos como titanio de vario o metaniobato de plomo, estos pueden operar en todo el intervalo ultrasónico.

Efectos que se consideran importantes en la eliminación de microorganismos producidos por el ultrasonido se encuentran:

1. Colapso de burbujas: Producen extremos incrementos de temperatura (5000ºC) y presión (500 MPa) en puntos localizados.
2. Sonólisis: en la cual se forman radicales libres muy oxidantes.

1. Aplicaciones del ultrasonido

1. Despolimerización por ultrasonido: la aplicación de ultrasonido de baja potencia, por lo general, causa una reducción temporal de la viscosidad de los líquidos poliméricos, mientras que tratamientos con altas potencias generan despolimerización y cambios permanentes en la reología de un producto. Estas modificaciones, atribuidas al tratamiento ultrasónico, permiten generar productos con características fisicoquímicas y organolépticas diferentes, motivo por el cual esta tecnología se utiliza en el procesamiento de bebidas y en el desarrollo de nuevos productos.
2. Ultrasonido y cocción: se ha comprobado que la aplicación de ultrasonido en el proceso de cocción genera una mayor retención de la humedad de los productos tratados, así como una mayor eficiencia energética, lo que optimiza los tratamientos convencionales solo con temperatura. Esta combinación de tecnologías podría considerarse como una técnica nueva, rápida y energéticamente eficiente, que puede mejorar los atributos de textura de productos como la carne cocida.
3. Ultrasonido y corte: el corte de productos alimenticios mediante la aplicación de ondas de vibración ultrasónica, se ha convertido en un procedimiento de gran impacto en la industria, el cual compite directamente con las tecnologías tradicionales como son el corte de alta velocidad y el uso de sierras y cuchillos. Se ha comprobado que mediante el proceso ultrasónico se obtiene mayor precisión en los cortes y se produce un menor porcentaje de desperdicios. La aplicación más difundida se encuentra en el corte de alimentos frágiles como tartas, pasteles y otros productos de panadería, así como en productos grasos (quesos) o viscosos como las gelatinas.
4. Ultrasonido como método de emulsificación/homogenización: Cuando dos líquidos inmiscibles se irradian con ultrasonidos, no siempre es posible mezclarlos y crear una emulsión, ya que una de las fases debe cavitar y de este modo poder hacer miscibles las dos fases. Durante la cavitación, las burbujas generadas colapsan cerca a la interface existente entre los dos líquidos y este choque resulta en la mezcla eficiente de las dos fases.
5. Filtración asistida ultrasónicamente: la aplicación de energía ultrasónica en la superficie de la membrana utilizada, puede aumentar el flujo del líquido, ya que la permeabilidad intrínseca de esta, se ve afectada por las ondas de ultrasonido [15], [16]. La filtración asistida ultrasónicamente se ha aplicado con éxito para aumentar la filtración de aguas industriales residuales, consideradas difíciles de procesar. Sin embargo, en este proceso, se debe controlar la intensidad del ultrasonido, con el fin de prevenir el daño de la membrana de filtración.
6. Ultrasonido como método antiespumante: ondas de ultrasonido de alta intensidad ofrecen un método atractivo para controlar el exceso de espuma en los procesos, y al mismo tiempo brindan condiciones estériles, lo que hace que este método sea particularmente apropiado para su implementación en las industrias alimentaria y farmacéutica [19]. Como ejemplo, se encuentra el control del exceso de espuma en el embotellado de alta velocidad en líneas de latas de bebidas carbónicas, ya que debido a la cavitación (ruptura de burbujas) se controla, casi instantáneamente, bajo el haz acústico formado por estas ondas de ultrasonido.
7. Ultrasonido en el proceso de desgasificación/de-aireación: en el procesamiento de las bebidas carbonatadas, el objetivo es desplazar el aire de la superficie del líquido, con el fin de evitar daños organolépticos del producto por las bacterias y el oxígeno. Este proceso consiste en el acoplamiento de un transductor en la parte exterior de la botella, lo que lleva a la desgasificación.
8. Ultrasonido en el proceso de secado: el secado acústicamente asistido ha sido un tema de interés por muchos años [31]. Los métodos tradicionales para la deshidratación de alimentos por una corriente forzada de aire caliente son bastante económicos, pero la eliminación de la humedad interior toma un tiempo relativamente largo.
9. Ultrasonido en el proceso de descongelación: para la descongelación de carnes y pescados, los métodos ultrasónicos son más eficientes que los métodos comunes, ya que se logra disminuir el tiempo de esta, lo que, a su vez, reduce las pérdidas por goteo y genera una mejora de la calidad del producto final.
10. Ultrasonido para mejorar viscosidad y textura: en la industria alimentaria, el ultrasonido se utiliza cada vez más para la emulsificación de productos como jugos de frutas, mayonesas y salsas de tomate; para la homogeneización de la leche y para la encapsulación de aromas, así como para la emulsión de aceites comestibles. Esta predilección por el método ultrasónico se debe a que requiere menos energía para producir una emulsión, por lo cual es más económico que los métodos convencionales.
11. Inactivación microbiana y de enzimas: La pasteurización térmica convencional y la esterilización son las técnicas más comunes en la actualidad para inactivar los microorganismos y las enzimas en productos alimenticios. Sin embargo, las intensidades de temperatura de tratamiento y el tiempo del proceso también son proporcionales a la cantidad de pérdida de nutrientes, el desarrollo de sabores indeseables y el deterioro de las propiedades funcionales de los alimentos. De esta manera, el ultrasonido proporciona un método para mejorar dichos procesos en virtud de los efectos de la cavitación.

1. Equipos de ultrasonido

En la actualidad, existen tres tipos de equipos diseñados para la aplicación de tratamientos por ultrasonido en el laboratorio: el baño de ultrasonido, el “cup-horn”, sonicador y el de inmersión directa de la sonda de ultrasonido

1) Baños de ultrasonidos: Los baños de ultrasonidos posiblemente sean la aplicación más popular de los ultrasonidos de potencia. Aunque se utilicen normalmente como equipos de limpieza de material de laboratorio, en un gran número de referencias bibliográficas se encuentra que estos se han usado para acelerar los procesos de transferencia de materia en medios líquidos [35]. Se pueden calificar como equipos ultrasónicos simples y compactos; los transductores colocados en la base de un recipiente de acero inoxidable y con el sistema de generación y sus principales limitaciones como es la poca potencia que suministran al medio si se comparan con otros sistemas, como la variación del campo acústico dentro del baño y la dificultad en el control de la temperatura.

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