Modelado, simulación y optimización del proceso de extracción para la obtención de extractos con alto valor añadido a partir de orujo de uva.

Abstract

El orujo de uva es el principal subproducto sólido de la fabricación de vino. Se compone de semillas, piel y restos sólidos de la pulpa de las uvas y se genera en grandes cantidades en un corto período durante la vendimia, constituyendo un gran desafío para muchas bodegas gestionar adecuadamente este subproducto, que tradicionalmente ha sido considerado como un descarte sin mayor potencial económico. Sin embargo, el orujo de uva es una fuente rica de antioxidantes naturales como los polifenoles. Estos compuestos exhiben una amplia gama de actividades biológicas y se les ha atribuido potenciales efectos beneficiosos para la salud. La recuperación de los polifenoles para obtener extractos bio-activos de alto valor añadido, con aplicaciones en la industria alimentaria, farmacéutica y cosmética, ha sido una de las alternativas de valorización del orujo de uva de mayor interés y consecuentemente más investigadas. Un adecuado diseño del sistema de extracción por solvente para recuperar los compuestos bioactivos de manera eficaz, eficiente y rentable es fundamental para poder valorizar el orujo de uva por esta vía. En este sentido, el desarrollo de modelos matemáticos confiables para predecir el comportamiento del proceso en diferentes esquemas y condiciones de operación, sumado a la capacidad de cálculo y almacenamiento de datos que se tiene con las computadoras y el software disponibles actualmente, brindan una poderosa herramienta de ingeniería que permite evaluar diseños y condiciones de operación de una manera mucho más económica y rápida que acudiendo a pruebas en plantas piloto. El objetivo general de este estudio fue brindar herramientas que resulten útiles para hallar condiciones de proceso eficientes y económicas, desde un enfoque de modelado, simulación y optimización de procesos. Mediante una combinación de fundamentos teóricos con datos experimentales se desarrollaron modelos matemáticos capaces de predecir las concentraciones de los polifenoles y del total de solutos disueltos en extractos obtenidos del orujo de uva Tannat con soluciones de etanol al 50 % en agua. En primer lugar, fue desarrollado un modelo que permite predecir las concentraciones del extracto en condiciones de equilibrio con el residuo sólido. Luego fue desarrollado un segundo modelo que además describe la dinámica de la extracción cuando es llevada a cabo de un modo batch en un recipiente agitado para mantener a las partículas de orujo suspendidas en el líquido. Ambos modelos son aplicables en el rango de temperaturas de 30 a 70 °C para un amplio rango de concentraciones de solutos totales en el extracto (de 1 a 118 g/L). Los errores de predicción fueron en promedio del orden del 5 %, siendo muy similares a los experimentales. Los modelos matemáticos se aplicaron para optimizar los parámetros básicos de diseño de un sistema de Shanks con tanques agitados para extraer los polifenoles. La optimización fue conducida para maximizar el valor actual neto (VAN) de una hipotética inversión para la producción de un extracto natural de orujo de uva que se comercializaría en forma sólida. El diseño de planta y evaluación económica preliminar arrojó resultados prometedores para un proyecto de inversión de este tipo, sugiriendo que el mismo podría resultar económicamente viable para la escala y distribución geográfica que tiene la generación orujo de uva en Uruguay. Los códigos creados en Matlab para hallar condiciones óptimas de extracción constituyen una interesante herramienta de toma de decisiones, y pueden volver a ejecutarse actualizando los parámetros de entrada para considerar otros lotes de materia prima, escenarios de escala de producción, precios de venta del producto final, costos de insumos o equipos.