ES2712083T3 - Proceso para obtener inulina de las raíces de la planta del cardo - Google Patents

Abstract

Proceso para obtener inulina a partir de raíces de plantas que pertenecen a la tribu Cardueae, que comprende las etapas de: a) desmenuzar dichas raíces para obtener cosetas que tienen un grosor máximo de 1 cm; b) lixiviar inulina mediante al menos un tratamiento de cavitación, de dichas cosetas en presencia de una disolución acuosa; c) separar de la etapa b) una fase acuosa, que contiene inulina, y una fase sólida, que contiene cosetas consumidas; d) purificar dicha fase acuosa que contiene inulina; en donde dichas cosetas se alimentan a dicha etapa de lixiviación b) a temperatura ambiente.

Description

DESCRIPCION

Proceso para obtener inulina de las rafces de la planta del cardo

Esta invencion se refiere a un nuevo proceso para obtener inulina de las rafces de plantas del cardo, que pertenecen a la tribu Cardueae.

La inulina es un polisacarido lineal que comprende principalmente moleculas de D-fructosa que se encuentra como una sustancia de reserva, como el almidon, en muchas especies de plantas que incluyen aquellas que pertenecen a la familia Asteraceae, como por ejemplo las alcachofas de Jerusalen (Helianthus tuberosus), achicoria (Cichorium intibus) y plantas de la tribu Cardueae, como en particular aquellas de la especie Cynara cardunculus.

La inulina se aplica en muchos campos, como por ejemplo en la industria alimentaria como edulcorante o como sustituto de grasas y harinas, en la produccion de etanol, en el sector medico, donde se utiliza, por ejemplo, para medir la funcion renal, en el tratamiento de trastornos intestinales y como coadyuvante para vacunas. Dado su origen renovable y su disponibilidad potencialmente extensiva, la inulina es un material de partida util para la industria qmmica, en particular cuando se considera una posible materia prima para la produccion de HMF y acido 2,5-furandicarboxflico.

En la actualidad, la inulina se obtiene principalmente de las rafces de achicoria, de las cuales se extrae mezclando las rafces secas trituradas con agua y filtrando y/o centrifugando posteriormente la disolucion acuosa obtenida, que es rica en inulina.

El creciente interes mostrado por la industria qmmica en la inulina como posible materia prima significa que deben identificarse otras fuentes que sean capaces de asegurar una mayor disponibilidad y un menor coste.

De las diversas especies de plantas en las que esta presente, las rafces de plantas pertenecientes a la tribu Cardueae, especialmente aquellas cultivadas de acuerdo con el metodo descrito en la Solicitud de Patente Italiana N.° 102015000005531 y en la solicitud internacional N.° PCT/EP2016/052487, son una fuente prometedora de inulina debido a su capacidad para crecer incluso en terrenos aridos, practicamente sin la necesidad de tratamientos de fertilizacion significativos, mientras que al mismo tiempo aseguran altos rendimientos de produccion. Aunque las rafces de dichas plantas pertenecientes a la tribu Cardueae contienen cantidades significativas de inulina, aun no se ha desarrollado un proceso industrial para extraerlas de estas de manera eficiente, economica y con un bajo impacto ambiental. Por lo tanto, existe una necesidad de encontrar un nuevo proceso que sea capaz de obtener inulina a partir de las rafces de las plantas pertenecientes a la tribu Cardueae que cumpla con este requisito. A partir de este problema tecnico, ahora se ha descubierto sorprendentemente que es posible extraer cantidades significativas de inulina a partir de las rafces de las plantas que pertenecen a la tribu Cardueae mediante un proceso que comprende las etapas de:

a) desmenuzar las rafces para obtener cosetas que tengan un grosor maximo de 1 cm;

b) lixiviar mediante al menos un tratamiento de cavitacion la inulina de dichas cosetas en presencia de una disolucion acuosa;

c) separar una fase acuosa que contiene inulina y una fase solida que contiene las cosetas gastadas de la etapa b);

d) purificar dicha fase acuosa que contiene inulina;

en donde dichas cosetas se alimentan a dicha etapa de lixiviacion b) a temperatura ambiente.

En particular, el proceso de acuerdo con esta invencion hace posible obtener inulina a partir de las rafces de plantas pertenecientes a la tribu Cardueae con alto rendimiento, haciendo por tanto que este polisacarido este disponible para aplicaciones posteriores. Gracias a la flexibilidad del metodo de acuerdo con esta invencion, tambien es posible alterar la calidad, la concentracion y la pureza de la inulina obtenida para que se pueda adaptar de la manera mas apropiada a las necesidades de los usos posteriores. El proceso de acuerdo con esta invencion es particularmente adecuado para extraer inulina de las rafces de plantas que tienen un alto contenido de inulina, preferiblemente de entre 35 y 60 % en peso respecto al peso seco total de las rafces.

El proceso de acuerdo con esta invencion comienza desde las rafces de plantas que pertenecen a la tribu Cardueae, preferiblemente de las rafces de plantas que pertenecen a la especie Cynara cardunculus, que tienen la ventaja de que son capaces de crecer en climas aridos e incluso en condiciones climaticas poco favorables.

Dichas plantas, en particular aquellas plantas plurianuales cultivadas de acuerdo con el metodo descrito en la Solicitud de Patente Italiana N.° 102015000005531 y en la solicitud internacional N.° PCT/EP2016/052487, ademas, tienen la ventaja adicional de que contienen altas cantidades de inulina respecto tanto al peso total de las rafces como al peso total de la planta, ayudando asf a hacer que su uso para obtener inulina sea aun mas ventajoso.

Como se menciono anteriormente, el uso de plantas que pertenecen a la tribu Cardueae como fuente de suministro tiene la ventaja de que estas ultimas son plantas que generalmente son capaces de crecer en terrenos aridos incluso en condiciones climaticas desfavorables. Esto, y tambien dependiendo de las condiciones de cultivo adoptadas, provoca el crecimiento de rafces particularmente extensas y grandes que penetran el suelo hasta profundidades de incluso mas de 2 metros. Ademas, la inulina se acumula principalmente por las plantas en la parte central y superficial de las rafces, haciendola asf ventajosa en el caso de rafces particularmente extensas y grandes para recolectar solo dicha parte central superficial de las rafces, que corresponde en gran parte a aproximadamente el 60 % en peso respecto al peso total de la rafz.

En el sentido de esta invencion, se entiende, por tanto, por materia prima de rafces o bien el cuerpo entero de la rafz de la planta o bien porciones del 60 % o mas en peso respecto al peso total de dicho cuerpo entero de la rafz. En una realizacion preferida, se alimentan porciones de rafz de 60 % o mas en peso respecto al peso total de todo el cuerpo de la rafz a la etapa a) del proceso de acuerdo con esta invencion.

Antes de alimentarse a la etapa a) del proceso de acuerdo con esta invencion, ventajosamente las rafces se someten a uno o mas tratamientos preliminares que son adecuados para prepararlos para el desmenuzamiento. En el momento en que se recolectan y transportan las rafces, de hecho, se pueden contaminar por agentes externos que pueden ser de varios tipos, como por ejemplo residuos de biomasa, tfpicamente hojas, tallos o brotes, piedras, tierra y residuos ferrosos que se originan, por ejemplo, en el equipo utilizado en la recoleccion. Dichas rafces tambien pueden contener un contenido de humedad excesivo, que puede influir en la etapa de desmenuzamiento posterior a) en el proceso, dependiendo de los procedimientos operativos utilizados. El proceso de acuerdo con esta invencion, por lo tanto, comprende preferiblemente una o mas etapas preliminares antes de la etapa a) seleccionadas entre:

(i) poda;

(ii) limpieza y cribado;

(iii) lavado;

(iv) secado.

Estas etapas preliminares se pueden combinar entre sf de diferentes maneras, tambien dependiendo del metodo por el cual se recolectan y transportan las rafces. De acuerdo con un aspecto preferido de esta invencion, el proceso comprende una o mas de dichas etapas preliminares, preferiblemente en el orden indicado anteriormente. Dichas etapas pueden llevarse a cabo utilizando diferentes elementos de equipo o un solo elemento de equipo, o en diferentes partes del mismo elemento de equipo. Para simplificar la descripcion, en el resto de la solicitud se hara referencia a las operaciones que se refieren a equipos capaces de llevar a cabo las etapas individuales, entendiendose sin embargo, que esto tambien incluira el procesamiento en un solo elemento del equipo o en diferentes partes del mismo elemento de equipo.

La etapa preliminar de poda (i) esta pensada, en particular, para separar cualquier residuo de biomasa, como por ejemplo, hojas, tallos o brotes, que todavfa estan unidos a las rafces. Dicha etapa de poda se puede realizar utilizando un equipo para eliminar mecanicamente los residuos, como por ejemplo cortadores.

La etapa de limpieza y cribado de las rafces (ii) se realiza normalmente haciendo pasar las semillas a traves de tamices vibratorios, sistemas de aspiracion o electromagneticos y permite realizar las operaciones de desverdizado (eliminacion de residuos de otras plantas y biomasa vertidos junto con las rafces), eliminacion de piedras (extraccion de piedras, gravilla y tierra) y extraccion de residuos ferrosos originados, por ejemplo, a partir del equipo utilizado durante la recoleccion.

La etapa de lavado (iii) hace posible extraer hojas verdes, residuos de biomasa, piedras, gravilla y tierra y otros residuos que pueden no haber sido eliminados completamente mediante otros tratamientos, como por ejemplo la etapa de limpieza y cribado de las rafces (ii), con los cuales esta ventajosamente asociado o lo reemplaza. Preferiblemente, dicha etapa de lavado se lleva a cabo utilizando agua a temperaturas de 50 °C o inferior para minimizar la disolucion y la consiguiente perdida de inulina durante esta etapa. Ventajosamente, el lavado se puede llevar a cabo sumergiendo las rafces o haciendolas pasar bajo chorros de agua.

La etapa de secado (iv) hace posible controlar el contenido de agua de las rafces. Esto tiene el objetivo de, por un lado, limitar los fenomenos que degradan las rafces, haciendo asf posible un penodo de almacenamiento mas largo, y por otro lado, contribuir al resultado satisfactorio de la siguiente etapa (a); por ejemplo, un contenido de agua demasiado bajo puede dar como resultado una fragmentacion excesiva de los cosetas, con la consiguiente formacion de polvos.

La etapa de secado normalmente se realiza en equipos conocidos como secadores, que pueden ser verticales u horizontales con cilindros giratorios. El secado se realiza colocando las rafces en contacto con un flujo caliente de gas, generalmente aire, mantenido con un contenido de humedad por debajo del punto de saturacion a la temperatura de uso. Preferiblemente, el secado se lleva a cabo utilizando aire seco a temperaturas de 90 °C o inferior, preferiblemente 80 °C o inferior, mas preferiblemente 50 °C o superior. Las rafces que se alimentan a la etapa (a) del proceso de acuerdo con esta invencion tienen ventajosamente un contenido de agua de 3 a 55 % en peso, preferiblemente de 15 a 50 % en peso, mas preferiblemente de 20 a 40 %. Dicho contenido de agua se determina utilizando metodos de analisis conocidos por los expertos en la materia.

Despues, las rafces se alimentan a la etapa a) del proceso de acuerdo con esta invencion que hace que se desmenucen para producir cosetas que tengan un grosor maximo de 1 cm, preferiblemente 0,5 cm o menos, y mas preferiblemente entre 0,5 y 2 mm, con el fin de permitir que se realice la etapa posterior de lixiviacion. En el sentido de esta invencion, por el termino desmenuzamiento se entiende cualquier tratamiento que subdivida y reduzca las rafces en cosetas mas pequenas, como por ejemplo cortar, picar, trocear, cizallar, fragmentar, descamar, triturar o moler las rafces. Las cosetas obtenidas a traves de la operacion de desmenuzamiento tienen una mayor superficie espedfica para la etapa posterior de lixiviacion b), aumentando la eficiencia y la velocidad de extraccion de inulina de las rafces mediante la disolucion acuosa. En el sentido de esta invencion, el termino cosetas significa porciones de rafces como, por ejemplo, partfculas, virutas, trozos, fragmentos, escamas o cosetas de cualquier forma que se pueden obtener a traves de una operacion de desmenuzamiento.

La etapa a) del proceso de acuerdo con esta invencion se puede llevar a cabo en cualquier equipo que sea adecuado para subdividir y reducir las rafces de las plantas pertenecientes a la tribu Cardueae en pedazos, como por ejemplo herramientas de corte y herramientas de impacto, por ejemplo, los cortadores comunmente utilizados para la remolacha azucarera, maquinas de troceado de rafces, molinos de martillos, molinos de rodillos, molinos de cuchillas o generadores de escamas. La operacion de desmenuzamiento se lleva a cabo preferiblemente a una temperatura de 90 °C o inferior, mas preferiblemente de 80 °C o inferior y aun mas preferiblemente de 70 °C o superior para limitar el esfuerzo termico y reducir cualquier fenomeno que degrade la inulina en las rafces.

Preferiblemente, al final de la etapa a) las cosetas se pasteurizan para desactivar las enzimas que degradan la inulina (por ejemplo, inulinasas), para evitar la degradacion no deseada de la inulina antes de la lixiviacion. Dicho tratamiento de pasteurizacion tambien se puede realizar antes de la etapa a), en las rafces antes del desmenuzamiento.

Despues de la etapa a), el proceso de acuerdo con esta invencion proporciona inulina de las cosetas en presencia de una disolucion acuosa para la etapa b) de lixiviacion, mediante al menos un tratamiento de cavitacion. Dicha etapa b) se puede llevar a cabo en cualquier equipo adecuado para este proposito (conocidos como "cavitadores"), por ejemplo, cavitadores hidrodinamicos, cavitadores ultrasonicos, asf como cavitadores estaticos tanto de tipo discontinuo como continuo, y de tipo tanto corriente paralela como contracorriente. Los ejemplos tfpicos de cavitadores disponibles comercialmente adecuados para usar en la etapa b) del proceso de acuerdo con esta invencion son SPR (Shockwave Power Reactor) y cavitadores Biopush. En una realizacion preferida de la presente invencion, la etapa b) del proceso de acuerdo con esta invencion se realiza mediante al menos un tratamiento de cavitacion hidrodinamica. Alternativamente, la etapa b) se puede realizar mediante una extraccion ultrasonica.

Ademas, la etapa b) del proceso segun la presente invencion tambien puede comprender uno o mas tratamientos de lixiviacion con inulina en presencia de disoluciones acuosas, por ejemplo, utilizando uno o mas "difusores", por ejemplo reactores discontinuo o reactores de remezclado continuo, extractores solido-lfquido, tanto de tipo corriente paralela como de tipo contracorriente, funcionando en un ciclo continuo o discontinuo y pueden ser horizontales o verticales, o tanques de inmersion equipados con cintas transportadoras modulares. Los ejemplos tfpicos de equipos disponibles comercialmente adecuados para usar en la etapa b) del proceso de acuerdo con esta invencion son los extractores de rotor horizontal "RT", los extractores de tornillo giratorio inclinado DDS y las torres giratorias verticales.

En una realizacion del proceso de acuerdo con la presente invencion, la etapa b) tambien se lleva a cabo combinando uno o mas tratamientos de cavitacion con uno o mas tratamientos con difusores como se describe en la presente solicitud.

Con el fin de maximizar el contacto directo entre las cosetas y la disolucion acuosa, dicha etapa b) se lleva a cabo ventajosamente en uno o mas cavitadores, que tambien pueden estar dispuestos en grupos o en secuencias dependiendo de la configuracion de proceso deseada. Por ejemplo, la etapa b) del proceso de acuerdo con esta invencion se puede llevar a cabo utilizando un solo cavitador o dos o mas cavitadores colocados en serie. Cuando no se describe explfcitamente de otro modo, cuando se hace referencia en esta invencion a un tratamiento llevado a cabo en un cavitador, se pretende incluir configuraciones de proceso que comprenden dos o mas cavitadores dispuestos en serie.

Cuando el proceso de acuerdo con esta invencion se lleva a cabo en modo continuo, la etapa b) tambien se puede llevar a cabo utilizando dos o mas cavitadores, preferiblemente dos o mas cavitadores hidrodinamicos de los tipos descritos anteriormente que pueden funcionar simultanea o alternativamente, en serie o en paralelo, lo que hace posible apagar uno de los cavitadores sin interrumpir el proceso.

Dicha operacion de lixiviacion se lleva a cabo alimentando los cosetas a temperatura ambiente.

Tambien se describe una operacion de lixiviacion que se lleva a cabo para ayudar a la extraccion de inulina precalentando las cosetas, preferiblemente en agua, a temperaturas de 90 °C o inferior, mas preferiblemente 80 °C o inferior, e incluso mas preferiblemente 30 °C o superior, mas preferiblemente 40 °C o superior, incluso mas preferiblemente 70 °C o superior antes de entrar en el cavitador durante un tiempo que es preferiblemente de 5 minutos o menos. Al abrir las celulas de la planta, el aumento de la temperatura hace posible facilitar el paso de la inulina a la fase lfquida, maximizando asf el rendimiento de la etapa b) y al mismo tiempo evitando el esfuerzo excesivo en las cosetas, limitando asf cualquier fenomeno que degrade la inulina. Con el mismo objetivo de aumentar el rendimiento de la etapa de lixiviacion b) en el proceso de acuerdo con esta invencion, la etapa se realiza preferiblemente a temperaturas de 90 °C o inferior, mas preferiblemente 80 °C o inferior, e incluso mas preferiblemente 30 °C o superior, mas preferiblemente 40 °C o superior, incluso mas preferiblemente 70 °C o superior. En este caso, el control de la temperature durante la etapa b) se lleva a cabo, por ejemplo, precalentando la disolucion acuosa (que lixivia la inulina de las rafces) y/o utilizando cavitadores provistos de sistemas de control de la temperature. El uso de temperatures dentro de los intervalos indicados anteriormente durante la etapa b) del proceso de acuerdo con esta invencion tambien tiene la ventaja adicional de reducir la viscosidad de la disolucion acuosa, ayudando asf a facilitar el bombeo y aumentando la solubilidad de la inulina en la disolucion acuosa. Para aumentar el rendimiento de la lixiviacion de las cosetas, antes de la etapa b) y despues de la etapa de precalentamiento o durante la etapa b), tambien se pueden someter a presion a presiones de preferiblemente 5 kg/cm2 o menos, por ejemplo mediante prensas de rodillos o calandrias.

Ademas de no proporcionar beneficios adicionales para el rendimiento del proceso, las temperaturas de lixiviacion mayores que las indicadas anteriormente aumentanan su coste y podnan dar lugar a la formacion de subproductos no deseados como resultado de los fenomenos que degradan la inulina y otros componentes de las cosetas.

El al menos un tratamiento de cavitacion en la etapa b) del proceso de acuerdo con la presente invencion se realiza preferiblemente a una presion en el intervalo de 0,1 a 3,5 MPa (1 a 35 bar), preferiblemente de 0,1 a 1,8 MPa (1 a 18 bar).

El al menos un tratamiento de cavitacion en la etapa b) del proceso de acuerdo con la presente invencion se lleva a cabo preferiblemente durante un tiempo de menos de 60 minutos, mas preferiblemente en el intervalo de 5 a 40 minutos.

En una realizacion preferida, la etapa b) del proceso de acuerdo con esta invencion se lleva a cabo mediante al menos un tratamiento de cavitacion realizado a temperaturas en el intervalo de 30 a 90 °C, preferiblemente de 40 °C a 80 °C, incluso mas preferiblemente de 70 a 80 °C, a presiones en el intervalo de 0,1 a 3,5 MPa (1 a 35 bar) y preferiblemente durante un tiempo de menos de 60 minutos, mas preferiblemente en el intervalo de 5 a 40 minutos.

En lo que respecta a la disolucion acuosa que se va a utilizar en la etapa b) del proceso de acuerdo con esta invencion, ademas del agua, esta puede contener agentes desinfectantes (para inhibir la accion de cualquier bacteria que pueda deteriorar la inulina), como, por ejemplo, peroxido de hidrogeno, dioxido de azufre, cloro activo, bisulfito de amonio, inhibidores de la fermentacion, acidos o bases para controlar el pH, sales inorganicas para alterar la fuerza ionica de la disolucion y tensioactivos para posiblemente mejorar la humectabilidad de las cosetas. En una realizacion preferida, la disolucion acuosa se caracteriza portener un pH en el intervalo entre 5 y 9, preferiblemente entre 6 y 8.

En el proceso de acuerdo con esta invencion, la etapa b) se lleva a cabo preferiblemente utilizando hasta 15 partes en peso de una disolucion acuosa por parte de cosetas secas, mas preferiblemente de 12 a 2 partes en peso de disolucion acuosa por parte de cosetas secas, y mas preferiblemente de 10 a 3 partes en peso de disolucion acuosa por parte de cosetas secas.

En una realizacion particularmente preferida del proceso de acuerdo con esta invencion, la etapa b) se lleva a cabo preferiblemente tratando las cosetas con al menos un tratamiento de cavitacion en el tratamiento de cavitacion a temperaturas en el intervalo de 30 a 90 °C, preferiblemente de 40 °C a 80 °C, incluso mas preferiblemente de 70 a 80 °C, a presiones en el intervalo de 0,1 a 3,5 MPa (1 a 35 bar) y preferiblemente durante un tiempo de menos de 60 minutos, mas preferiblemente en el intervalo de 5 a 40 minutos , mas preferiblemente en un cavitador hidrodinamico que utiliza hasta 15 partes en peso de disolucion acuosa por parte de cosetas secas, mas preferiblemente de 12 a 2 partes en peso de disolucion acuosa por parte de cosetas secas, y mas preferiblemente de 10 a 3 partes en peso de disolucion acuosa por parte de cosetas secas, obteniendo asf un rendimiento de lixiviacion de inulina respecto a la inulina total presente en las rafces alimentadas al proceso que es mas del 90 % en peso, y preferiblemente el 94 % en peso o mas.

El rendimiento de lixiviacion de inulina se puede determinar de acuerdo con uno cualquiera de los metodos conocidos por el experto en este proposito, por ejemplo, determinando el contenido de inulina en la fase acuosa obtenida al final de la etapa b).

Preferiblemente, se utiliza el cromatografo de lfquidos a alta presion (HPLC, por sus siglas en ingles) equipado con un detector de mdice de refraccion (IR) para determinar el contenido de inulina. Por ejemplo, una muestra obtenida en la etapa b) se trata, por ejemplo, mediante filtracion o cualquier otro tratamiento adecuado para obtener una fase acuosa, y luego se concentra y se pesa. Una muestra de esta mezcla (1 mg) se disuelve en 0,9 ml de H2SO40,005 N y 0,1 ml de disolucion de DMSO, se filtra (diametro del poro del filtro: 0,20 pm) y luego se analiza por HPLC despues de calibrarlo utilizando un estandar de referencia.

Despues la etapa b) de lixiviacion, el proceso de acuerdo con esta invencion proporciona a etapa c) con el fin de separar la fase acuosa que contiene inulina de la fase solida que contiene las cosetas agotadas. En el sentido de esta invencion, por fase solida tambien se entiende suspensiones, lodos (conocidos como "fango") y cualquier fraccion que tenga una densidad suficientemente alta para separarse de un sobrenadante.

La etapa c) del proceso de acuerdo con esta invencion se puede llevar a cabo de acuerdo con cualquier medio conocido por los expertos en la tecnica para separar una fase solida de una fase lfquida, por ejemplo mediante filtracion, centrifugacion, sedimentacion, decantacion, prensado, aplastamiento o utilizando cualquier combinacion de estos metodos. Dicha separacion se puede realizar en otro equipo diferente al que se utiliza en la etapa b), o en el mismo equipo. Por ejemplo, cuando la etapa b) del proceso se lleva a cabo en un cavitador hidrodinamico continuo, la separacion de la fase acuosa que contiene inulina de la fase solida que contiene las cosetas gastadas tiene lugar tipicamente al final del cavitador, por ejemplo, utilizando un decantador centnfugo que descarga la fase solida que se separa y permite que la fase acuosa fluya.

La fase acuosa separada durante la etapa c) del proceso de acuerdo con esta invencion tiene un contenido de inulina que, dependiendo entre otras cosas de la cantidad inicial de inulina en las rafces y la cantidad de agua utilizada en la etapa de lixiviacion, tipicamente se encuentra entre 3 y 20 %, preferiblemente hasta 18 % en peso, en condiciones ideales preferiblemente entre 6 y 12 % en peso de inulina, mientras que la fase solida que contiene las cosetas usadas tambien tiene un contenido de agua de 70 % o menos, preferiblemente 60 % en peso o menos.

Con el fin de evitar la precipitacion de la inulina de las disoluciones acuosas presentes durante las diversas etapas del proceso de acuerdo con esta invencion, dichas disoluciones acuosas se calientan ventajosamente y se mantienen a una temperatura igual o mayor que la temperatura a la cual la concentracion de inulina presente esta por debajo de su solubilidad a esa temperatura.

Con el fin de maximizar el rendimiento del proceso, la fase solida separada durante la etapa c) se trata preferiblemente para recuperar al menos algo del agua y la inulina presentes en ella. Esto se puede someter a una etapa de prensado mecanico, que se lleva a cabo ventajosamente utilizando una o mas prensas de diversos tipos, que son preferiblemente continuas. Dicha operacion puede realizarse alimentando la fase solida a temperatura ambiente, o con el fin de facilitar la recuperacion de agua e inulina, precalentando dicha fase solida a temperaturas preferiblemente de 90 °C o inferior, mas preferiblemente de 80 °C o inferior, e incluso mas preferiblemente 30 °C o superior, mas preferiblemente 40 °C o superior, incluso mas preferiblemente 70 °C o superior. El aumento de la presion generada durante esta etapa puede dar lugar a un aumento de la temperatura interna. Por lo tanto, las prensas pueden estar provistas de sistemas de enfriamiento que evitan un aumento excesivo de la temperatura que podna tener un efecto adverso en la calidad de la inulina.

En una realizacion preferida de esta invencion, al final de dicha etapa de prensado, la fase solida de la que se ha recuperado al menos parte del agua y la inulina tiene un contenido de agua de 50 % o menos, mas preferiblemente de 40 % en peso o menos.

Con el fin de aumentar el rendimiento de la lixiviacion de inulina de las cosetas, la etapa b) y la etapa c) del proceso de acuerdo con la presente invencion se realizan preferiblemente mas de una vez, reciclando al menos parcialmente la salida de un primer tratamiento de cavitacion a al menos un segundo tratamiento de cavitacion, preferiblemente realizado en el mismo equipo en el que se ha realizado el primer tratamiento de lixiviacion, sometiendolo opcionalmente a una separacion intermedia de la fase acuosa que contiene inulina de la fase solida que contiene las cosetas agotadas, y agregando ventajosamente una nueva disolucion acuosa para restaurar, durante el segundo tratamiento de cavitacion, la cantidad seleccionada de partes en peso de disolucion acuosa por parte de cosetas secas.

En una realizacion adicional, una porcion de la fase solida obtenida al final de la etapa c) del proceso de acuerdo con la presente invencion se recicla preferiblemente a la etapa b) para ser sometida nuevamente a un tratamiento de cavitacion, mezclandose ventajosamente con una corriente nueva de cosetas

En tal configuracion, por ejemplo, el primer tratamiento de lixiviacion se puede realizar combinando al menos un tratamiento de cavitacion con tratamientos de lixiviacion por medio de difusores, o combinando dos tratamientos de cavitacion.

La fase solida obtenida al final de la etapa c) del proceso de acuerdo con esta invencion, que puede o no haberse sometido a la operacion de prensado descrita anteriormente, se puede utilizar despues para diversos fines, como, preferiblemente, la recuperacion de energfa a traves de la combustion, la produccion de biogas, la produccion de piensos para animales, o la produccion de compuestos organicos. En una realizacion preferida de esta invencion, dicha fase solida se envfa a un proceso de pretratamiento para obtener multiples compuestos organicos como azucares y ligninas. Las tecnologfas pueden ser tecnologfas de explosion de vapor con o sin pretratamientos de lavado en entornos acidos, basicos o neutros, como por ejemplo aquellos descritos en la solicitud de patente WO 2010/113129, WO 2012/042497 y WO 2012/042545 o procesos en un entorno alcalino como, por ejemplo, los descritos en las etapas b) a d) de la solicitud de patente italiana N02012A000002 o la solicitud de patente W o 2013/139839. La fase lfquida separada de la fase solida por la operacion de prensado obtenida al final de la etapa c) tambien contiene inulina disuelta y se agrupa preferiblemente con la fase acuosa separada de la etapa c) para la siguiente etapa d) del proceso de acuerdo con esta invencion.

En la etapa d) del proceso de acuerdo con esta invencion, la fase acuosa que contiene inulina sufre uno o mas tratamientos de purificacion. Dependiendo del uso final para el cual se destine la inulina, dichos tratamientos de purificacion se seleccionan preferiblemente del grupo que comprende: concentracion por evaporacion de parte del agua presente, tratamiento de carbonatacion, tratamiento con una disolucion acuosa de Ca(OH)2 (depurador) preferiblemente seguido de carbonatacion, cristalizacion, centrifugacion, filtracion, microfiltracion, nanofiltracion, ultrafiltracion, liofilizacion, osmosis, sedimentacion, refinacion o cualquier tecnica que sea adecuada para separar un solido de un lfquido y sus combinaciones. Estos tratamientos de purificacion pueden combinarse de varias maneras, lo que tambien depende de la calidad de la inulina y de la manera en que se desea obtenerla para usos posteriores.

De acuerdo con un aspecto preferido de esta invencion, el proceso comprende uno o mas de dichos tratamientos de purificacion, mas preferiblemente seleccionados del grupo que comprende la concentracion por evaporacion de parte del agua, filtracion, microfiltracion, nanofiltracion, ultrafiltracion y osmosis.

En lo que respecta a la concentracion a traves de la evaporacion de agua, esto se lleva a cabo preferiblemente en condiciones para que no se degrade y/o hidrolice la inulina presente. En una realizacion preferida, dicha concentracion se lleva a cabo mediante evaporacion de multiples etapas, que puede ser de corrientes paralelas o contracorriente, con un numero de etapas igual a 3 o mas, preferiblemente entre 4 y 6. Preferiblemente, los tratamientos de evaporacion de multiples etapas se llevan a cabo con corrientes paralelas, a fin de limitar la formacion de subproductos.

En lo que respecta al tratamiento con una disolucion acuosa de Ca(OH)2, tambien conocido como depurador, esto tiene el objeto de eliminar sustancias externas (no azucares) antes de las etapas posteriores de procesamiento. En dicho tratamiento, la fase acuosa se mezcla con la disolucion acuosa de Ca(OH)2 (tambien conocida como lechada de cal), que puede provocar la descomposicion de las bases que contienen nitrogeno presentes con la consiguiente liberacion de NH3 gaseoso y tambien la precipitacion, tfpicamente en forma coloidal, de muchas impurezas como, por ejemplo, aniones sulfato, fosfato, citrato u oxalato, que precipitan como sus correspondientes sales de calcio, y sustancias organicas tales como protemas, saponinas y pectinas. Preferiblemente, cuando se lleva a cabo, el depurado se lleva a cabo a un pH de 10 o mas, mas preferiblemente a pH 10 a 11,5, y a temperaturas de 90 °C o inferior, mas preferiblemente de 85 °C o inferior, e incluso mas preferiblemente 30 °C o superior, mas preferiblemente 40 °C o superior, incluso mas preferiblemente 70 ° C o inferior. En una realizacion preferida de la presente invencion, tal tratamiento se realiza utilizando hidroxido de calcio al 0,2 % para material extrafdo o 0,4 % de oxido de calcio equivalente para jugo prensado. Al finalizar el tratamiento de depuracion, se obtiene un lodo que comprende precipitados y coloides y una fase acuosa que contiene inulina que se separa posteriormente, preferiblemente por filtracion. Con el fin de facilitar la filtracion despues del depurado, se realiza preferiblemente un tratamiento de carbonatacion inyectando un gas rico en CO2, preferentemente por burbujeo, lo que provoca la precipitacion de la lechada de cal (formando CaCO3(s)) que a su vez espesa el lodo. Dicha etapa de carbonatacion se lleva a cabo de tal manera que se mantenga el pH en valores bajos, preferiblemente de 9 o superior. Una vez que se ha realizado la carbonatacion, la fase solida se separa de la fase lfquida que contiene la inulina. Esta separacion puede realizarse utilizando uno cualquiera de los medios conocidos por los expertos en la tecnica para separar una fase solida de una fase lfquida, por ejemplo, mediante filtracion, centrifugacion, sedimentacion, decantacion o utilizando cualquier combinacion de estos metodos.

Los subproductos obtenidos durante dichos tratamientos de purificacion, como por ejemplo la fase solida separada durante la depuracion, pueden tratarse adicionalmente para recuperar cualquier inulina que todavfa este presente en la misma, preferiblemente reciclandolos en etapas adecuadas de este proceso, o a su vez, se pueden utilizar para recuperar otros componentes o como productos secundarios del proceso.

En una realizacion preferida, al final del proceso de acuerdo con esta invencion, la inulina esta en forma de disolucion acuosa saturada obtenida por al menos un tratamiento de evaporacion de parte de agua presente en la fase acuosa al final de la etapa c) del proceso. De esta manera, la inulina se puede usar directamente como materia prima para las reacciones subsiguientes para la smtesis de monomeros e intermediarios qrnmicos de valor anadido como, por ejemplo, HMF, acido 2,5-furandicarboxflico, tal como esta o convertido en fructosa a traves de una hidrolisis qrnmica o enzimatica. Alternativamente, y de acuerdo con la necesidad de almacenamiento y uso posterior, la inulina se puede recuperar por precipitacion, tfpicamente reduciendo la temperatura y posteriormente separando el solido de las aguas madre de acuerdo con cualquiera de los metodos conocidos para el proposito, por los expertos en el arte.

Dependiendo del uso final de la inulina obtenida por el proceso de acuerdo con la presente invencion, se puede realizar un tratamiento de purificacion y fraccionamiento adicional.

De hecho, la inulina resultante puede tratarse con resinas de intercambio cationico y anionico para desmineralizarla y decolorarla, eliminando asf los metabolitos secundarios. El fraccionamiento cromatografico por exclusion de tamano generalmente produce dos fracciones: fructooligosacaridos de cadena corta con mono y disacaridos, y una fraccion de alta dp. El fraccionamiento tambien se puede lograr utilizando baja temperatura o precipitacion con etanol de la fraccion de alto peso molecular o utilizando ultra y nanofiltracion. Despues, el jarabe clarificado se puede concentrar mas en un aparato adecuado, por ejemplo, a 90 °C y de 0,06 a 0,005 MPa (600 a 50 mbar), y la inulina se puede precipitar nuevamente utilizando un 10 % en volumen de etanol respecto a la disolucion extrafda.

La Figura 1 muestra una realizacion preferida del proceso de acuerdo con la presente invencion que comprende una o mas etapas de pretratamiento, una etapa de desmenuzamiento (etapa a)), dos tratamientos de cavitacion (etapa (b)) intercalados por una separacion parcial intermedia (etapa c)), una etapa de separacion final (etapa c)) de la fase acuosa que contiene inulina de la fase solida que contiene las cosetas agotadas, y una etapa de purificacion (etapa d)).

La invencion se ilustrara ahora a traves de ejemplos que tienen un proposito ilustrativo y no restringen la invencion.

Ejemplos

Metodo HPLC-RI para el analisis de inulina

El analisis de HPLC se llevo a cabo en un cromatografo equipado con detector de IR y una columna Rezex ROA-acido organico H+ (8 %) 300x7,8 mm. Se utilizo una disolucion de H2SO4 0,005N a un caudal de 0,6 ml/min como fase movil. La temperatura de la columna se fijo a 65 °C.

Ejemplo 1 (comparativo)

Se alimentaron 10 kg de rafces de Cynara cardunculus que primero se habfan limpiado y secado hasta llegar a un contenido de 16 % en peso de agua, conteniendo un 40 % en peso de inulina (respecto al peso humedo total), a 25 °C en un molino de cuchillas CUMBERLAND (modelo 812, 4 kW) funcionando a 1450 rpm, obteniendose cosetas con un grosor aproximado de 1,5 mm.

Dichas cosetas se alimentaron a un reactor discontinuo de remezcla que contema 57 litros de agua (pH aproximadamente 7) precalentado a 80 °C. El sistema se mantuvo agitado (40 rpm) y se termostatizo a 70 °C durante un tiempo de 1 hora, obteniendo un rendimiento de lixiviacion de inulina respecto al contenido total de inulina presente en las rafces del 94 % en peso (determinado por HPLC en una porcion de la disolucion acuosa obtenida separando la disolucion acuosa de las cosetas no prensadas mediante centrifugacion) al final de dicho tratamiento.

Las cosetas y la disolucion acuosa de lixiviacion se separaron (a una temperatura de 70 °C) utilizando una centnfuga de canasta NUOVA SARA (modelo Edy Minor de 28 litros) (diametro 350 mm) funcionando a 1400 rpm para separar 51,5 kg de fase acuosa y 15,5 kg de fase solida (cosetas gastadas).

La fase solida, que todavfa contema 5,8 % de inulina y 65,8 % de agua, se lavo con 4 kg de agua y luego se sometio a presion a 80 °C y 5 kg/cm2 utilizando una prensa de semilla de uva con un rendimiento de 9,8 kg de fase acuosa que contiene 4,4 % de inulina, que se combino con la fase acuosa separada al final de la lixiviacion para su posterior purificacion, y 9,7 kg de la fase solida prensada que contema 50 % de agua y trazas despreciables de inulina residual.

Despues, se filtro una porcion de 5,7 kg de la fase acuosa que se origino en la etapa de lixiviacion mantenida a 65 ° C y que contiene 5,8 % en peso de inulina, en un filtro de papel para eliminar las impurezas solidas suspendidas. Despues, el filtrado obtenido de esta manera se concentro por evaporacion a vado (T = 90 °C, presion = 0,045 MPa (450 mbar) reducida progresivamente a 0,015 MPa (150 mbar)) en un Rotavapor hasta que se elimino el 80 % en peso del agua. Posteriormente, la disolucion concentrada obtenida de esta manera se cristalizo, recuperando aproximadamente 00,316 kg de inulina, que corresponde a un rendimiento total del proceso de inulina respecto al total de inulina presente en las rafces de 85 %.

Ejemplo 2

Se alimentaron 6,3 kg de rafces de Cynara cardunculus que primero se habfan limpiado y secado hasta llegar a un contenido de 6 % en peso de agua, que contiene un 38,4 % en peso de inulina (respecto al peso humedo total) a 25 °C en un molino de cuchillas CUMBERLAND (modelo 812, 4 kW) funcionando a 1450 rpm, obteniendose cosetas con un grosor aproximado de 1,5 mm.

Dichas cosetas se alimentaron gradualmente a un tanque agitado (10 rpm) que contema 20 litros de agua (pH aproximadamente 7). La disolucion fue bombeada por una bomba lobular en un reactor de cavitacion (tecnologfa SPR, 3 m3/h, 0,11 a 0,33 MPa (1a 3 barg), 37 kW) (condiciones de operacion 0,5 m3/h, 0,1 a 0,3 MPa (1a 3 bar)) y luego se reciclo durante un tiempo de 46 minutos. Las rafces en agua alcanzaron la concentracion final de 23,9 % en peso despues de 28 minutos, obteniendose un rendimiento de lixiviacion de inulina respecto al contenido total de inulina presente en las rafces de 97,9 % en peso (determinado por HPLC en una porcion de la disolucion acuosa obtenida separando la disolucion acuosa de las cosetas no prensadas mediante centrifugacion) al final de dicho tratamiento.

Las cosetas y la disolucion acuosa de lixiviacion se separaron (a una temperatura de 70 °C) utilizando una centnfuga de canasta NUOVA SARA (modelo Edy Minor de 28 litros) (diametro 350 mm) funcionando a 1400 rpm para separar 13,0 kg de fase acuosa y 13,3 kg de fase solida (cosetas gastadas).

La fase solida, que todavfa contema aproximadamente 8,0 % de inulina y 65,7 % de agua, se lavo con 16 kg de agua y luego se sometio a presion a 80 °C y 5 kg/cm2 utilizando una prensa de semillas de uva con un rendimiento de 22 kg de fase acuosa que contiene 3,9 % de inulina, que se combino con la fase acuosa separada al final de la lixiviacion para su posterior purificacion, y 7,3 kg de la fase solida prensada que contiene 50 % de agua y trazas despreciables de inulina residual.

Despues, se filtro una porcion de 5 kg de la fase acuosa que se origino en la etapa de lixiviacion mantenida a 65 °C y que contiene 6,4 % en peso de inulina, en un filtro de papel para eliminar las impurezas solidas suspendidas. Despues, el filtrado obtenido de esta manera se concentro por evaporacion a vacfo (T = 90 °C, presion = 0,045 MPa (450 mbar) reducida progresivamente a 0,015 MPa (150 mbar)) en un Rotavapor hasta que se elimino el 80 % en peso del agua. Posteriormente, la disolucion concentrada obtenida de esta manera se cristalizo, recuperando aproximadamente 0,311 kg de inulina, correspondiente a un rendimiento total del proceso de inulina respecto al total de inulina presente en las rafces del 90%.

Claims (12)

REIVINDICACIONES

1. Proceso para obtener inulina a partir de rafces de plantas que pertenecen a la tribu Cardueae, que comprende las etapas de:

a) desmenuzar dichas rafces para obtener cosetas que tienen un grosor maximo de 1 cm;

b) lixiviar inulina mediante al menos un tratamiento de cavitacion, de dichas cosetas en presencia de una disolucion acuosa;

c) separar de la etapa b) una fase acuosa, que contiene inulina, y una fase solida, que contiene cosetas consumidas;

d) purificar dicha fase acuosa que contiene inulina;

en donde dichas cosetas se alimentan a dicha etapa de lixiviacion b) a temperature ambiente.

2. Proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, que comprende antes de la etapa a) una o mas etapas de pretratamiento de dichas rafces, seleccionadas del grupo que consiste en:

(i) poda;

(ii) limpieza y cribado;

(iii) lavado;

(iv) secado.

3. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, en el que dicha etapa a) se realiza a una temperatura igual o menor que 90 °C.

4. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha etapa b) se realiza a una temperatura igual o menor que 90 °C.

5. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicha etapa b) se realiza en un cavitador hidrodinamico.

6. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha etapa b) se realiza a una presion en el intervalo de 0,1 a 3,5 MPa (1 a 35 bar).

7. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicha etapa b) se lleva a cabo durante un tiempo menor que 60 minutos.

8. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicha etapa b) se realiza con una disolucion acuosa que tiene un pH en el intervalo de 5 a 9.

9. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicha etapa b) se realiza utilizando hasta 15 partes en peso de disolucion acuosa por parte de cosetas.

10. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en el que dicha etapa c) se realiza mediante una o mas operaciones seleccionadas del grupo que consiste en filtracion, centrifugacion, sedimentacion, decantacion, prensado, trituracion o cualquier combinacion de las mismas.

11. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en el que la fase acuosa separada de la etapa c) muestra un contenido de inulina comprendido entre 3 y 18 % en peso y la fase solida separada de la etapa c) muestra un contenido de agua igual o menor de 70 % en peso.

12. Proceso de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicha etapa d) se realiza mediante uno o mas tratamientos seleccionados del grupo que consiste en: carbonatacion, defecacion, cristalizacion, centrifugacion, filtracion, microfiltracion, nanofiltracion, ultrafiltracion, liofilizacion, osmosis, decantacion, refinacion y combinaciones de los mismos.