MX2014013262A - Metodo para obtener proteinas vegetales. - Google Patents

Abstract

Se proporciona un método para concentrar las proteínas vegetales de un líquido acuoso en el que las burbujas de gas se generan en el líquido de un gas que contiene un gas hidrógeno y así, se forman una espuma en la que las proteínas vegetales se concentran y extraen como un resultado; las burbujas de gas se generan electroquímicamente de una manera ventajosa; el método es particularmente adecuado para obtener proteínas naturales de un líquido tal como agua del fruto de la papa con un contenido muy bajo de glicol alcaloide.

Description

MÉTODO PARA OBTENER PROTEÍNASVEGETALES MEMORIA DESCRIPTIVA La invención se refiere a un procedimiento para el enriquecimiento, la recuperación y la eliminación de proteínas vegetales de un líquido acuoso y el uso de gas hidrógeno o una mezcla de gas que contiene gas hidrógeno en un procedimiento para la recuperación de proteínas vegetales de un líquido para la purificación de un líquido o el agotamiento de proteínas vegetales de un líquido.

La papa contiene proteínas con una composición de aminoácidos muy equilibrada, la cual es similar a la composición de proteína del huevo de pollo. El agua del fruto de la papa, que se acumula en gran cantidad durante la producción de almidón, contiene aproximadamente 0.5 a 2.5 por ciento de proteínas en peso. Hay un gran interes por la recuperación de proteínas de tales líquidos para su uso.

La separación y el aislamiento de proteínas del agua del fruto de la papa sin cambios o desnaturalización son difíciles. El agua del fruto de la papa fresco es una mezcla compleja de proteínas, almidón residual, minerales, glicoalcaloides tóxicos y compuestos monoméricos o fenólicos altamente reactivos. La oxidación del aire de estos compuestos de fenol causa una coloración rápida del agua del tomatillo, su color cambia a un color entre café y negro. Durante este proceso de oxidación, las proteínas pueden reaccionar, unirse y formar subproductos no deseados.

Los procedimientos son comunes, los cuales logran la separación de las proteínas mediante la precipitación después de la coagulación. La coagulación se realiza mediante el calor y/o cambio de pH. Tal un método se describe por ejemplo en DE102006050620 A1. Tal un procedimiento da sólo proteínas desnaturalizadas, que no se pueden aplicar para la nutrición y por lo tanto, no son adecuadas para la producción de alimentos y aplicaciones farmacéuticas. Además, los posibles agentes reactivos auxiliares agregados tales como ácidos orgánicos o sales tienen que eliminarse. Las proteínas obtenidas de esta manera pierden propiedades funcionales útiles mediante la desnaturalización, tales como solubilidad, capacidad de emulsionarse, capacidad de producir espuma, capacidad de unir el agua y el gel de manera térmica. Los procedimientos más delicados son los procedimientos de membrana (ultrafiltración), los cuales tienen un alto grado de eficiencia y están listos para utilizarse para otros propósitos téenicos. Sin embargo, estos métodos son de trabajo intensivo.

Otro método para recuperar proteínas del agua del fruto de la papa se describe en DE660992 C1. Con la ayuda de un gas tal como dióxido de carbono se genera espuma, en la que la proteína se enriquece y puede eliminarse con la espuma. Tal procedimiento para el enriquecimiento y aislamiento de las sustancias activas de superficie, incluyendo las proteínas, se describen en DE960239 C1. Los métodos con un enriquecimiento de los compuestos activos de superficie disueltos en una espuma se conocen como "separación de burbujas de adsorción" (en alemán '‘Zerscháumung“o “Zerscháumungsanalyse“).

La proteína de papa obtenida por medio de los métodos mencionados contiene generalmente una cantidad intolerable de glicoalcaloides, que excluye su uso para alimento.

Por lo tanto, se desea un procedimiento, que permita la recuperación de proteínas naturales sin impurezas tóxicas.

El alto contenido de materia orgánica en agua residual desde el procesamiento de plantas y partes de plantas, especialmente de la producción de almidón de papa, es un problema. La práctica del manejo de residuos mediante la utilización en la alimentación animal o mediante la irrigación de aspersión en la tierra ya no es aceptable. Por lo tanto, en el procesamiento de la papa y otros procedimientos hay una demanda por encontrar maneras para la reducción de la carga orgánica en el agua residual y de la cantidad de agua residual.

Por lo tanto, el objetivo de la invención es proporcionar un procedimiento alternativo para la producción de proteínas naturales puras, no desnaturalizadas de los líquidos que contienen proteínas vegetales, en particular de las aguas de procesos y aguas residuales del procesamiento de productos vegetales. Un objetivo adicional es proporcionar un método alternativo para la reducción de la cantidad de materia orgánica en un agua residual o agua de procesos de procesamiento de vegetales.

El objetivo se logra mediante un procedimiento con las características descritas en la reivindicación 1.

El procedimiento se utiliza para el enriquecimiento, la recuperación o la eliminación de proteínas vegetales de un líquido acuoso que contiene proteínas vegetales disueltas o emulsionadas. En el procedimiento, se generan burbujas de gas en el líquido mediante la evolución de gas electroquímica o por medio de gas hidrógeno o un gas hidrógeno que contiene mezcla de gas. En el procedimiento preferido, la espuma se crea conteniendo las proteínas vegetales disueltas. Las proteínas vegetales se enriquecen en la espuma. La espuma se utiliza para extraer proteínas vegetales no desnaturalizadas, solubles.

En general, para obtener las proteínas vegetales o un producto con proteínas vegetales o para la purificación del líquido, la espuma se separa del líquido con un dispositivo adecuado y se transfiere, por ejemplo, mediante la descarga o espumado de espuma. De manera ventajosa, se utiliza un dispositivo que comprende un tubo, una estructura tubular o un cuerpo hueco con una abertura de entrada y una abertura de salida en la que la espuma puede elevarse. El dispositivo por ejemplo es una célula electrolítica o un compartimiento de electrodos de una célula electrolítica, que se conecta a un vástago, un conducto, un tubo o estructura tubular o comprende una región en la que la espuma puede elevarse. El tubo o las estructuras análogas pueden dimensionarse ventajosamente de tal manera que su diámetro mide tres veces a un décimo del diámetro de la célula electrolítica. El espumado y la descarga de espuma (separación de espuma del liquido en el dispositivo) resultan en una reducción de proteínas vegetales del líquido, que está en el depósito o en el contenedor donde se genera la espuma. Una descarga de espuma (separación de espuma) puede realizarse mediante un desbordamiento. La reducción de proteína también se utiliza para la purificación del líquido. Un tratamiento de espuma de un líquido comprende espumar y descargar espuma.

En la presente invención el término "proteína vegetal" se refiere a cualquier proteína que es de origen vegetal, es decir la proteína que se contiene en plantas, partes de las plantas u otros productos vegetales. Los productos vegetales son por ejemplo, fruta, fruto, bayas, frutos secos, pepitas de una planta, semillas, tubérculos, raíces. Los líquidos que contienen proteínas vegetales disueltas se forman por ejemplo en el procesamiento de almidón que contiene productos vegetales, tales como cereales y papas. Los líquidos que contienen proteínas vegetales disueltas se forman en particular en el procesamiento de cultivos agrícolas o plantas o sus productos. Los cultivos agrícolas o sus productos vegetales son por ejemplo, maíz, arroz, cebada, trigo, centeno, avena, mijo, soya, tapioca, alcachofa de Jerusalén, papas y camotes, espárragos, salsifí, betabel, yuca, mandioca, tañía, canna, jicama, cúrcuma, (maranta), taro, farro, rapé, pepino, melón, calabaza, frutos secos, cacahuates, semillas de girasol, caña de azúcar, remolacha azucarera, zanahoria, col, colirrábano, manzanas o uvas.

Dentro del alcance de la presente invención el término "proteína" significa cualquier molécula que comprende por lo menos diez aminoácidos.

Por lo tanto, el termino "proteína" también comprende péptidos, oligopéptidos y polipéptidos.

Los líquidos que contienen proteínas vegetales disueltas en particular son aguas de la fruta de la planta, por ejemplo, agua del fruto de la papa. El término "agua del fruto de la planta" significa cualquier líquido que contiene material vegetal disuelto o sustancias vegetales disueltas. El término "agua del fruto de la planta" comprende agua de procesos del procesamiento de plantas, partes de las plantas o productos vegetales. El agua del fruto de la planta puede producirse del material residual de plantas de cosechas agrícolas o plantas o productos vegetales de las mismas, por ejemplo, cáscaras de plantas o materiales residuales vegetales, especialmente cáscaras de papa. El agua del fruto de la planta puede obtenerse al presionar, extraer o lavar el material vegetal, en particular plantas, partes de plantas o productos vegetales cortados o machacados. El agua es el solvente, medio de extracción o líquido de lavado preferido. El agua puede contener aditivos u otros solventes. Sin embargo, puede utilizarse cualquier solvente, que se conoce en la téenica como adecuado para la finalidad de acuerdo con la invención. Además, el agua del fruto de la planta puede prepararse mediante cualquier método en la técnica como sea adecuado.

Los fluidos utilizados contienen por ejemplo, 0.01 a 10 por ciento en peso de proteínas, en particular 0.1 a 5 por ciento en peso de proteínas o 0.1 a 3 por ciento en peso de proteínas. Los líquidos con un bajo contenido de proteína son utilizables en el procedimiento. Comúnmente, se utilizan los líquidos con un contenido de proteína en la escala de 0.5 a 3 por ciento en peso de proteínas o proteína.

En algunos casos, puede ser ventajosa una dilución del líquido. Por ejemplo, el líquido se diluye con agua 1:5 ó 1:10. Una dilución del líquido puede mejorar la pureza del producto del tratamiento de espuma.

El líquido, en particular el agua del fruto de la planta, por ejemplo, el agua del fruto de la papa, puede contener un agente estabilizador. Por ejemplo, un agente estabilizador puede agregarse al agua del fruto de la papa para evitar los cambios químicos tales como las reacciones de degradación durante el almacenamiento. El uso de gas hidrógeno o mezcla de gas que contiene gas hidrógeno es particularmente ventajoso en procedimientos con enriquecimiento de proteínas vegetales disueltas del medio acuoso, en particular de las soluciones que contienen proteínas.

Un procedimiento llamado "separación de burbujas de adsorción" (en alemán "Zerscháumung"), donde en por lo menos un paso, una formación de espuma en un líquido acuoso, que contiene sustancias activas de superficie disueltas tales como proteínas, se utiliza para producir una espuma, que está enriquecida con estas sustancias.

El tratamiento, la separación y el procesamiento de la espuma obtenida en el procedimiento de acuerdo con la invención pueden conducirse como en los procedimientos convencionales para la separación de burbujas de adsorción. La espuma en una separación de burbujas de adsorción se forma por ejemplo al suministrar un gas en un líquido. Las burbujas finas pueden formarse mediante la saturación del líquido con el gas bajo presión y subsecuente relajación, es decir mediante la despresurización. En general, la espuma formada se separa, elimina o descarga. El procedimiento puede realizarse en un procedimiento por lotes o continuamente. Puede servir para la reducción de las proteínas vegetales disueltas de un líquido, para el enriquecimiento de las proteínas vegetales o para el aislamiento de las proteínas vegetales. De manera ventajosa, la espuma se deja elevar en un tubo. Una columna de espuma se forma, la cual tiene una influencia en la distribución de la proteína vegetal y puede realizar una separación entre las proteínas vegetales diferentes. Dado que las burbujas de gas en la columna de gas tienen propiedades de adsorción, el procedimiento se llama separación de burbujas de adsorción. Los procedimientos de separación de burbujas de adsorción se describen por ejemplo en DE327976 C1, DE660992 C1 y DE960239 C1 que se incorporan a manera de referencia. El tratamiento, la separación y el procesamiento de la espuma en el procedimiento de acuerdo con la invención pueden conducirse como en los procedimientos convencionales para la separación de burbujas de adsorción.

El uso de gas hidrógeno o mezclas de gas que contienen gas hidrógeno facilita la separación de producto y permite una recuperación del producto más delicada. Las burbujas de gas muy pequeñas pueden producirse con gas hidrógeno, especialmente por la evolución de hidrógeno catódico, que conduce a una acumulación más efectiva de proteínas vegetales en la espuma resultante. A partir de los resultados preliminares, se concluye que las burbujas de gas de hidrógeno muestran propiedades de adsorción favorables en el límite de la fase entre líquido y gas. Además una separación más delicada de las proteínas vegetales hace al gas hidrógeno y a las mezclas de gas que contienen gas hidrógeno atractivas como gas productor de espuma en los procedimientos de espumado para el enriquecimiento o la extracción de proteínas vegetales tales como la separación de burbujas de adsorción. Las condiciones reductivas durante el espumado con gas hidrógeno protegen los productos y las sustancias en el líquido contra el oxígeno atmosferico. Esto es particularmente ventajoso para el agua del fruto de la papa, la cual contiene sustancias con grupos fenólicos sensibles a la oxidación (por ejemplo, polifenoles), cuyos productos de oxidación hacen una preparación del líquido más difícil y causan un oscurecimiento del líquido. Por lo tanto, el producto obtenido por la separación de burbujas de adsorción con el gas hidrógenos contiene menos impurezas de la degradación o descomposición oxidativa. Las proteínas no estables se recuperan sin daños. El uso de gas hidrógeno o mezclas de gas que contienen gas hidrógeno para el enriquecimiento y aislamiento de proteínas vegetales mediante el espumado por lo tanto es particularmente ventajoso para la recuperación de proteínas naturales. En general, las proteínas recuperadas retienen la capacidad de disolverse en agua.

El uso de gas hidrógeno para el espumado puede combinarse con uno o más gases diferentes, simultáneamente o secuencialmente. Por ejemplo, el gas nitrógeno, oxígeno, dióxido de carbono pueden utilizarse además del hidrógeno. Además, pueden utilizarse los gases inertes o gases reactivos. Por ejemplo, el espumado puede empezar con el uso de gas hidrógeno y puede continuar usando otro gas.

Los productos líquidos que contienen proteína vegetal, que se obtienen mediante espumado, se pueden enriquecer adicionalmente por el tratamiento de espuma adicional (solo o múltiple) (separación de burbujas de adsorción.) Los procedimientos con espumado por los gases o las mezclas de gas electroquímicamente generados en el líquido son ventajosos, en particular el gas hidrógeno electroquímicamente generados o las mezclas de gas electroquímicamente generada que contienen gas hidrógeno. Las burbujas de gas electroquímicamente generadas (electrolíticamente) en el líquido son diferentes de las burbujas de gas producidas convencionalmente en la separación de burbujas de adsorción. Las burbujas de gas electrolíticamente generadas son en general mucho más pequeñas que las generadas con un rociador de gas y generalmente conducen a una consistencia de espuma favorable para el enriquecimiento y la separación de las proteínas vegetales disueltas.

En principio, la evolución del hidrógeno catódico y la evolución del oxígeno anódico pueden utilizarse para la generación de burbujas de gas. Sin embargo, el gas hidrógeno y el gas oxígeno difieren en el comportamiento de adsorción. De manera sorprendente, se ha encontrado que se obtiene la espuma con un bajo contenido de glicoalcaloides cuando las burbujas de gas hidrógeno se generan electrolíticamente para la recuperación de proteínas del agua del fruto de la papa. Por lo tanto, el gas hidrógeno puede utilizarse con contaminaciones tóxicas orgánicas para la producción de productos de proteínas vegetales con contenido reducido de impurezas tóxicas. Además, el gas hidrógeno protege contra las reacciones de oxidación, como ya se mencionó. El espumado con gas hidrógeno conduce a una mejor calidad del producto de proteínas vegetales recuperadas. La evolución de hidrógeno catódico se prefiere para la generación de espuma, especialmente usando una célula electroquímica dividida.

Por lo tanto, otro objetivo de la invención es un procedimiento para la recuperación o la eliminación de proteínas vegetales de un líquido acuoso, donde las burbujas de gas electroquímicas de gas hidrógeno o una mezcla de gas que contiene gas hidrógeno se generan en el líquido y se genera una espuma que contiene proteínas vegetales disueltas, en donde la espuma o una parte de ella se separa del líquido y se obtienen un producto o intermediario con proteínas vegetales que tienen un bajo contenido de impurezas tóxicas.

El procedimiento es particularmente ventajoso con agua del fruto de la papa como líquido o con un líquido que contienen proteínas de la papa. Aquí se obtiene un producto o producto intermediario con proteínas vegetales, el cual tiene un contenido bajo de glicoalcaloides o contiene menos de 100 ppm de glicoalcaloides, preferiblemente menos de 50 ppm de glicoalcaloides, más preferiblemente menos de 10 ppm de glicoalcaloides (1 ppm es un gramo por 106 gramos).

El procedimiento para la recuperación o eliminación de proteínas vegetales de un líquido acuoso se lleva a cabo sin precipitación de plantas vegetales. La variante del procesamiento con formación de burbujas de gas electroquímico en el líquido no es electroflotación, ya que la electroflotación siempre se utiliza para la separación de partículas.

La célula electroquímica (célula de electrólisis) puede ser una célula dividida o no dividida. Preferiblemente, la célula electroquímica comprende por lo menos un tubo o una estructura similar a tubo, en donde la espuma formada puede elevarse. El tubo o la estructura similar a tubo generalmente dispuesto de manera vertical en la célula electroquímica o conectado a la célula electroquímica. Por lo general, una célula electroquímica es ventajosa, la cual comprende un miembro hueco o una estructura hueca o está conectada a una parte hueca con una abertura superior e inferior, en donde puede elevarse la espuma formada.

El tubo o la estructura similar a tubo, en la que puede elevarse la espuma formada, tiene por ejemplo una longitud de por lo menos 0.5 m, ventajosamente por lo menos 1 m, más ventajosamente por lo menos 2 m. El extremo superior del tubo o de la estructura similar a tubo se forma por ejemplo como un desbordamiento. La longitud del tubo o de la estructura similar a tubo tiene una influencia en la consistencia y composición de la espuma que se desborda.

Las fracciones de muestra (muestras de espuma) pueden recolectarse del desbordamiento para una recuperación de proteína vegetal fraccionada. A partir de la espuma descargada por el desbordamiento se procesa adicionalmente para el aislamiento de proteína vegetal. En general, en un primer paso, la espuma se transforma en una espuma colapsada. Por ejemplo, la espuma que se desborda se suministra a un quebrador de espuma (dispositivo para obtener espuma colapsado) o en un contenedor de recolección. La espuma se convierte en un líquido, que tiene un contenido de proteína mayor que el líquido inicial. Este producto líquido (solución de proteína) puede además procesarse para el aislamiento de la proteína vegetal o para obtener un concentrado de proteínas vegetales. Los procedimientos adecuados para desarrollar tales soluciones de proteínas se conocen en la téenica.

Generalmente, se forman burbujas muy pequeñas de gas de hidrógeno durante la producción electrolítica de hidrógeno en el líquido a tratar. Las burbujas de gas formadas por lo general tienen un diámetro menor a 50 pm. Las burbujas de gas con un diámetro de menos de 30 mm, en particular debajo de 25 pm, pueden prepararse de una manera sencilla. Las burbujas de gas generadas electroquímicamente, preferiblemente generadas en el líquido tratado, preferiblemente tienen un diámetro en la escala de 1 a 50 pm, más preferiblemente en la escala de 1 a 30 pm, en particular en la escala de 5 a 25 mm Las burbujas de gas pequeñas son muy benéficas. Mejoran, entre otras cosas, el enriquecimiento de proteínas en la espuma.

Por lo general, para la generación electroquímica de electrodos de gas hidrógeno con materiales de electrodos se utilizan como cátodo que son adecuadas para la evolución del hidrógeno catódico. Contienen por ejemplo, platino, níquel, hierro, iridio, rutenio, paladio o materiales que contienen carbono conductivo. Los materiales catódicos son por ejemplo platino, carbono vitreo, grafito, diamante conductivo, en particular diamante tratado con boro (BDD) o materiales carbonosos, en particular nanotubos de carbono y negro de carbono. Los cátodos de platino son por ejemplo electrodos de titanio revestidos con platino. Por ejemplo, el grafito se utiliza como electrodo en la forma de estructuras planas (por ejemplo, placas), una capa de grafito plana microestructurada formada de partes o partículas. Un electrodo de partículas de grafito es por ejemplo un lecho de partículas de grafito. El diámetro de partícula de un lecho de partículas de grafito varía por ejemplo entre 0.1 mm y 5 mm. El electrodo en partículas puede utilizarse como un lecho fijo o un electrodo de lecho fluidizado. Los materiales catódicos carbonosos tales como el grafito, diamante conductivo y electrodos de carbono son ventajosos.

El electrolito, en particular el cátodo (electrolito en el compartimiento de cátodos), preferiblemente tiene un valor de pH en la escala de 4 a 9, más preferiblemente de 4 a 8.8, más preferiblemente de 4 a 8.5, incluso más preferiblemente de 4.5 a 8.2, preferiblemente en particular de 4.5 a 8.0 y con más preferencia de 4.8 a 6.5. Los líquidos que contienen proteínas vegetales pueden utilizarse por lo general directamente como electrolito. El líquido utilizado, por ejemplo, agua del fruto de la papa, generalmente tiene un valor de pH en la escala de pH 4 a pH 7. El valor de pH del líquido puede ajustarse al valor deseado.

El valor de pH del electrolito, en particular del catolito, puede mantenerse constante o puede cambiarse durante la electrólisis. En muchos casos, el pH permanece constante en la operación por lotes usando una célula no dividida. Un gradiente de pH durante la espumación puede realizarse en una forma muy sencilla al utilizar el desplazamiento de pH durante la electrólisis en una célula dividida con operación por lotes, mientras el catolito se vuelve más alcalino durante la electrólisis.

La cantidad de gas, la cantidad de burbujas de gas y el caudal del gas pueden ajustarse al cambiar la densidad de la corriente en el cátodo.

De manera ventajosa, se utilizan una o más células electrolíticas divididas que pueden ponerse en operación de manera discontinua (operación por lotes) o de manera continua (operación de flujo). La célula electrolítica dividida puede ser en particular una célula de flujo.

La electrólisis generalmente se lleva a cabo a una temperatura en la escala de 0 °C a 40 °C, preferiblemente en la escala de 10 °C a 30 °C, en particular en la escala de 15 °C a 30 °C o en la escala de 15 °C a 25 °C. Por ejemplo, la electrólisis se lleva a cabo a temperatura ambiente.

De manera ventajosa, la célula electrolítica se dimensiona de tal manera que la altura de la célula electrolítica excede el ancho o diámetro de la célula electrolítica muchas veces. De manera ventajosa, los electrodos se utilizan con una relación altura a ancho (para electrodos planos) o relación altura a diámetro (para electrodos cilindricos) mayor a 1. Es muy ventajosa la relación altura a ancho o la relación altura a diámetro de los electrodos de por lo menos 10. Tales dimensiones de los electrodos crean un camino más largo para el movimiento de las burbujas de gas a lo largo del cátodo.

En el caso de una celula electrolítica dividida operada continuamente, el compartimiento del cátodo y ánodo generalmente se suministra con electrolitos de los tanques por medio de las bombas. La operación con un flujo circular entre el tanque y el compartimiento del electrodo es una ventaja. En general, los líquidos tales como el agua del fruto de la planta, en particular el agua del fruto de la papa, se utilizan como catolitos. Tales fluidos, en particular después del tratamiento de espuma y la eliminación de proteínas en el compartimiento del cátodo, se utilizan de preferencia como anolitos. Puede ser ventajoso utilizar otros fluidos como anolito, dependiendo de la reacción de ánodo elegida.

Por ejemplo, la reacción de cátodo se lleva a cabo en una densidad de corriente de 5 a 15 mAcm 2 . En la operación por lotes, el tiempo de electrólisis es de 2 a 3 horas como un ejemplo.

La oxidación de hidrógeno anódico puede ser una alternativa para la evolución de oxígeno anódico o la oxidación anódica de materia orgánica. Una combinación de generación de hidrógeno catódico para la producción de espuma con una oxidación anódica de hidrógeno ofrece ventajas en vista de la demanda de energía. Preferiblemente, se utiliza una célula dividida. Particularmente ventajosos para la oxidación anódica de hidrógeno están los electrodos de difusión. Por ejemplo, un electrodo de difusión de gas adecuado se prepara al presionar la mezcla de negro de carbono platinizado y politetrafluoroetileno o una membrana de intercambio de cationes, donde se genera un revestimiento de 40 a 50 mm de grosor en la membrana de intercambio de cationes. Tales electrodos de difusión de gas y la oxidación anódica de hidrógeno se describen en EP0800853 A2, los cuales están incorporados a la presente a manera de referencia. Combinar la generación de hidrógeno catódico para el espumado con una oxidación anódica de hidrógeno puede reducir el consumo de energía de manera significativa.

Por lo tanto, otro objetivo de la invención es un procedimiento, en donde el gas hidrógeno se genera en el cátodo para una generación de espuma en un líquido con proteínas vegetales, por ejemplo, agua de procesos o aguas residuales, en una celula electroquímica, preferiblemente una célula dividida y el hidrógeno se oxida en el ánodo como una contrarreacción.

De manera ventajosa, el gas hidrógeno producido electroquímicamente se utiliza para el tratamiento de un fluido en y fuera de la célula electrolítica, donde la generación catódica de burbujas de gas hidrógeno generalmente sucede en el líquido a tratar bajo espumado. Por ejemplo, el gas hidrógeno generado electroquímicamente puede eliminarse de la célula de electrólisis y puede retroalimentarse en la forma de burbujas de gas en la célula electrolítica o el compartimiento del cátodo respectivamente o hacia un tanque externo con líquido a tratar (separación de burbujas de adsorción fuera de la celula electrolítica.) La inyección o el suministro con gas hidrógeno puede llevarse a cabo mientras la electrólisis está en operación o apagada. Para la inyección o recirculación de gas hidrógeno se puede utilizar un generador de burbujas de gas. Generalmente, cada dispositivo, que el experto en la téenica considera adecuado, puede utilizarse como generador de burbujas de gas. Lo dispositivos adecuados son filtros hechos de metal o vidrio, los cuales liberan burbujas de gas o inyectores, que pueden dirigirse contra una placa deflectora o inyectores Venturi. Los inyectores también pueden combinarse con un mezclador estático, que disipa el flujo de gas del inyector en pequeñas burbujas y las distribuye lo más homogéneamente posible. La liberación de presión ventajosa puede servir para la generación de burbujas de gas. Cuando la liberación de presión se utiliza, el gas hidrógeno no necesita recircular.

La oxidación de hidrógeno anódico es prefiere para recielar o reusar el gas hidrógeno, en particular de gas hidrógeno generado electrolíticamente para el tratamiento de espuma de un líquido que contiene proteínas vegetales disueltas dentro o fuera de una célula electroquímica, ya que la generación de burbujas de gas electrolíticas es superior a otros métodos para la generación de burbujas de gas.

El gas hidrógeno puede generarse mediante la electrólisis de manera continua (por ejemplo, galvanostáticamente o potenciostáticamente) o de manera discontinua en el procedimiento de formación de espuma para enriquecimiento, recuperación o eliminación de proteínas vegetales disueltas o emulsionadas en un líquido. Por ejemplo, el gas hidrógeno se genera en pulsos, preferiblemente en el líquido. En tal una operación de pulsos, la corriente se enciende y se apaga repetidamente por un cierto tiempo. Tales pulsos de corriente pueden ser de duración constante o variables en duración. De manera ventajosa, la secuencia de pulsos de corriente se produce por medio de un dispositivo de control o una unidad de control. El dispositivo de control puede ser, por ejemplo, un generador de pulsos o un dispositivo programable. La longitud del pulso de corriente puede controlarse o controlarse por sensores. Por ejemplo, la corriente de electrólisis puede interrumpirse, cuando al formación de espuma llega a un cierto tamaño o el líquido obtiene cierta propiedad. Tales variables de control son por ejemplo, la altura de la espuma en un tubo, las propiedades ópticas tales como transparencia o conductividad del líquido. El control de la corriente electrolítica puede llevarse a cabo con la ayuda de sensores ópticos (por ejemplo, fotocélulas, fotodiodos, fototransistores, fotorresistores) o sensores eléctricos (sensores de conductividad, sensores de capacitancia) u otros sensores adecuados.

En el procedimiento de la formación de espuma para el enriquecimiento, la recuperación o la eliminación de proteínas vegetales disueltas o emulsionadas en un líquido, la corriente o la densidad de corriente puede cambiar durante la generación de gas hidrógeno electrolítico. En una electrólisis continua, la corriente puede aumentar, disminuir o variar. La densidad de corriente puede controlarse durante la electrólisis. El control puede ser como se describió para la operación pulsada. La variación de la corriente puede combinarse con una operación de pulsos. Por ejemplo, la densidad de la corriente de los pulsos de corriente puede variar, por ejemplo, una secuencia de pulsos de corriente constante con altura variable de pulso a pulso o una secuencia de pulsos de corriente variable con altura constante de pulso a pulso o una secuencia de pulsos de corriente variable con altura variable de pulso a pulso.

Los electrodos pueden contaminarse o cubrirse con depósitos durante la electrólisis. Por lo tanto, puede ser ventajoso cambiar la polaridad del electrodo una o múltiples veces durante la electrólisis. Para una electrólisis con inversión de la polaridad de los electrodos, es ventajosa una célula electrolítica con electrodos adecuados o con una estructura simétrica (mismos electrodos). Por ejemplo, una célula electrolítica dividida o no dividida con electrodos de platino para la evolución de hidrógeno catódico y evolución de oxígeno anódico con oxidación anódica de materia orgánica es adecuada para invertir la polaridad.

Otro objetivo de la invención es un procedimiento para enriquecer, recuperar y eliminar las proteínas vegetales de un liquido acuoso, donde el gas hidrógeno se produce electroquímicamente y se lleva a cabo la electrólisis de manera continua o discontinua, a una corriente constante o variable, controlada, regulada o de control programada, pulsada con pulsos de corriente o con inversión de la polaridad de los electrodos.

Al dirigir el procedimiento para la recuperación de proteínas, se elimina del 80 al 90 por ciento del contenido de proteína del líquido tratado, por ejemplo, agua del fruto de la papa. De manera sorprendente, las proteínas respectivamente, el producto extraído del agua del fruto de la planta, en particular el agua del fruto de la papa contiene muy bajas cantidades de glicoalcaloides. En este aspecto, el procedimiento es superior a los procedimientos conocidos. Las proteínas aisladas son solubles. Esto hace a los productos obtenidos mediante el espumado con gas hidrógeno muy adecuado para las aplicaciones en el campo de la producción de alimentos.

La eliminación de proteínas vegetales de un líquido mediante el espumado, en particular con espuma electroquímicamente generada, puede utilizarse para purificar líquidos de los procedimientos, donde los productos vegetales se procesan.

En un procedimiento para la purificación de líquidos que contienen material orgánica y proteínas vegetales, tal como agua de procesos, agua residual o agua del fruto de la planta, ventajosamente el contenido de la materia orgánica del líquido se reduce por el tratamiento de espuma y el líquido reducido obtenido se utiliza para purificación adicional. La purificación adicional del líquido reducido se lleva a cabo, por ejemplo, mediante la oxidación anódica. De manera ventajosa, el líquido reducido se utiliza como electrolito, en particular como anolito, en una celula electrolítica. Una extracción de proteínas vegetales de un líquido con proteínas vegetales al espumar con evolución catódica de hidrógeno (tratamiento de espuma catódica) y una purificación mediante oxidación anódica de componentes orgánicos de un líquido, por ejemplo, líquido reducido de una separación de burbujas de adsorción o del tratamiento de espuma, puede llevarse a cabo ventajosamente en paralelo en una celula de electrólisis dividida o menos preferida en una célula de electrólisis no dividida.

Otro objetivo de la invención es un procedimiento, en donde se combinan un tratamiento de espuma catódica de un líquido y una purificación de otro líquido (por ejemplo, un líquido reducido) por medio de una oxidación electroquímica directa o indirecta.

Una oxidación electroquímica directa es una oxidación anódica. Una oxidación electroquímica indirecta es una oxidación mediante un oxidante, que se formó en el ánodo, por ejemplo, un mediador de redox. El uso de un mediador de redox requiere una célula electrolítica dividida. Ventajosamente, el ánodo es un electrodo con diamante conductivo, por ejemplo electrodo revestido con BDD.

Mediante el tratamiento de espuma catódica y la oxidación anódica subsecuente o paralela, el valor de COD y BOD de un líquido que contiene proteínas vegetales puede reducirse de manera importante (COD significa Demanda de Oxígeno Químico, BOD significa demanda de oxígeno biológico.) Una célula dividida generalmente se utiliza para el procedimiento de purificación (procedimiento combinado). Preferiblemente, una membrana de intercambio de iones separa los compartimientos de electrodos. Un electrodo adecuado para la evolución de hidrógeno se utilizó como cátodo. Un electrodo se prefiere como ánodo, el cual está hecho de un material de electrodos que tiene un sobrevoltaje de oxigeno alto tal como un material de electrodos que contiene Sn02, platino suave o diamante conductivo, similar a BDD. Se prefiere como ánodo un electrodo hecho de un sustrato conductivo (Nb, Ti, metal resistente a la corrosión o aleación de metal; sustratos de metal) en la forma de metal expandido, revestido con diamante tratado con boro. El procedimiento utiliza por ejemplo una célula de flujo. En este caso, el líquido, por ejemplo, agua del fruto de la papa, se suministra en el compartimiento del cátodo (catolito) y el líquido reducido (catolito utilizado) se suministra en el compartimiento del ánodo. Esto puede hacerse por medio de una bomba de un depósito en cada caso. El uso de una célula dividida con membrana de intercambio de iones y una disposición de electrodos "zero-gap" (en ambos lados de la membrana de intercambio de iones, los electrodos directamente dispuestos tales como electrodos de rejilla) es muy ventajosa.

Por ejemplo, una placa de grafito sirve como el cátodo y un electrodo revestido con el diamante conductivo (por ejemplo, BDD, diamante tratado con boro) como el ánodo. De manera ventajosa, un tubo se dispone herméticamente sobre el compartimiento de cátodo (por ejemplo, 0.3 m, 0.5 m, 1 m o 2 m de largo), en donde la espuma formada se puede elevar. En un procedimiento para reducir el contenido de la materia orgánica de un líquido (el procedimiento para purificar un líquido), donde el líquido se trata catódicamente y anódicamente, la velocidad de la bomba para el catolito es por ejemplo 5 ml/min y para el anolito por ejemplo 1 l/min. En el depósito con anolito circulado por ejemplo, agua del fruto de la papa o agua del fruto de la papa reducida catódicamente como el anolito generalmente se obtiene pronto un pH de menos de 3. Aquí, la materia orgánica se precipita y la solución se aclara. En un procedimiento de flujo con tratamiento catódico y anódico de un líquido tal como agua del fruto de la papa, los caudales de los electrolitos se ajustan ventajosamente de tal manera que el tiempo de residencia del anolito en el compartimiento del ánodo es menor al tiempo de residencia del catolito en el compartimiento de cátodo. Es muy ventajoso un tiempo de residencia del anolito en el compartimiento del ánodo cinco o diez veces, preferiblemente diez veces, menor que el tiempo de residencia del catolito en el compartimiento del cátodo.

EJEMPLOS EJEMPL0 1 Extracción de proteínas con célula de electrólisis en modo por lotes La célula electrolítica contiene una pila de electrodos con electrodos de rejilla de cátodos y ánodos, separados por rejillas de plástico como separadores (distancia d = 1 mm). Los cátodos se hacen de mallas de acero inoxidable, los ánodos son electrodos de metal expandido hechos de niobio revestido con diamante tratado con boro. El depósito de la celda electrolítica es, en el caso más simple, un vaso de precipitados con un volumen de 2.56 litros. El área efectiva de un solo electrodo es 120 cm2 La pila de electrodos está hecha de dos ánodos y tres cátodos, alternando. La superficie completa del cátodo es 360 cm2.

Se llenaron 1.8 litros de agua del fruto de la papa y se agitaron moderadamente con un agitador magnetico. La electrólisis por lotes se llevó a cabo a una temperatura de 15 °C y una temperatura final de 22.5 °C después de 10 horas de operación. La corriente constante fue 3.6A y el voltaje celular promedio fue 1.7 V. El valor de pH se ajustó a pH 5 y se mantuvo constante. Para pruebas diagnósticas, la espuma de proteína que se formó en la superficie del líquido se espumó y secó en un evaporador giratorio bajo vacío parcial. Se obtuvieron 4.5 g de un polvo amarillento a amarillo pálido, el cual fue casi todo de proteína como se determinó mediante un ensayo de nitrógeno de acuerdo con Kjeldahl.

EJEMPLO 2 Electrólisis con inversión de la polaridad de electrodos Se utilizó una célula electrolítica sencilla: un vaso de precipitados (volumen graduado: 800 mi, altura: 14 cm, diámetro: 11 cm) como un depósito para electrólisis y dos electrodos de metal de titanio expandido y platinizado (altura: 6 cm, ancho: 10 cm) como el cátodo y ánodo.

En este ejemplo, la distancia de migración de las burbujas a través de la solución se determina solamente por la altura de electrodo. La altura de la espuma formada arriba del líquido es 3.5 cm.

El agua del fruto de la papa con un contenido de 1.2 por ciento en peso (% p/p) de proteína (de acuerdo con el ensayo Kjeldahl) se utiliza como electrolito. Esta solución se bombea lentamente con una bomba peristáltica desde un depósito (volumen: 5 litros) en el vaso de precipitados con la misma bomba, para que la superficie de líquido se mantenga 1 cm arriba de los electrodos.

Los electrodos se conectan a una fuente DC variable. La electrólisis se lleva a cabo a una corriente constante de 0.9 A. El voltaje celular inicial es 1.5V. Teóricamente, un tiempo de electrólisis de 83 horas se requiere con estas configuraciones.

El ph se ajustó a un pH 5 y se mantuvo constante.

Despues de 20 horas de operación, el voltaje aumentó por 250 por ciento. La razón es un bloqueo de inicio de los electrodos (formación de una capa contaminante en los electrodos.) Como una contramedida, los electrodos se invirtieron ahora por 2 minutos cada 0.5 horas. Después de 3 horas, el voltaje cayó a 130 por ciento del valor inicial y permaneció constante durante el tiempo de operación residual. Después de un tiempo de operación de 50 horas, la fuente DC se desconecta de los electrodos y se determinan el peso de la espuma recolectada y su contenido de proteínas (por un ensayo adaptado Kjeldahl). El electrolito se analizó antes y al final de la electrólisis con el ensayo Kjeldahl.

En este experimento, se encontró un factor de enriquecimiento de 6.5 (relación de contenido de proteínas en la espuma al contenido de proteínas del líquido original), lo que significa que la proteína está concentrada 6.5 veces en la espuma. Los resultados analíticos indican que 60 por ciento de la proteína del líquido inicial se recuperó con la espuma.

EJEMPLO 3 Célula de electrólisis con canal para elevar la espuma La célula de electrólisis consiste esencialmente en un vástago (altura: 100 cm; área base: 0.12 cm ancho, 5.5 cm profundidad), en donde se colocan los electrodos de metal de titanio expandidos, fijos en un bastidor a una distancia de 2 cm. El ánodo de metal expandido está revestido con una mezcla de óxidos de metales nobles. El cátodo no está revestido. El área del electrodo es 275 cm2 respectivamente.

Después del llenado de la célula de electrólisis con el líquido, permanece un canal libre de aproximadamente 0.5 m en donde la espuma puede elevarse. La mezcla del electrolito se logra al bombear (bomba peristáltica) el electrolito de la región superior a la región inferior del líquido en la célula electrolítica.

Durante la operación, la espuma se eleva, dependiendo de su consistencia, aproximadamente de 3 a 10 cm sobre el borde del depósito (extremo superior del vástago) hasta que la espuma se rompe en la parte superior. Esta espuma se recolecta en una canaleta y se secó a 25-30 °C bajo presión baja.

Un volumen de 3.4 litros de agua del fruto de la papa se llena en la celula de electrólisis. Los electrodos se conectan a un suministro de corriente DC. Una corriente constante de 2.2 A fluye, la cual corresponde a una densidad actual de i = 8 mA/cm2. Después de un tiempo de electrólisis de 4.7 horas, 1.17 g de un polvo se obtienen de la espuma recolectada después del secado al vacío como se describió anteriormente, correspondiente a un contenido de proteína de 88 por ciento (determinado por el ensayo Kjeldahl.) EJEMPLO 4 Espumado con gas hidrógeno en una célula dividida Se utiliza una célula electrolítica (sistema cerrado), la cual se divide mediante una membrana de intercambio de cationes en un compartimiento catódico y uno anódico, y se equipa con electrodos de platino. El compartimiento anódico se llena con ácido acético diluido. El compartimiento catódico se conecta a una salida inferior del depósito de almacenamiento llenado con agua del fruto de la papa de pH 5. Un tubo se extiende desde la porción superior de la célula electrolítica y está dispuesta de tal forma que la espuma transportada en ella puede caer en un depósito de recolección desde arriba.

El líquido circulado se bombea con una bomba peristáltica desde el depósito hacia la parte inferior de la célula. Las burbujas de gas se mueven a traves del líquido (columna de líquido sobre los electrodos) que pasan por una distancia más larga en comparación con la mera altura de electrodos. También la columna de espuma formada es más grande que en los ejemplos anteriores. La relación de longitud de electrodos/longitud de columna de líquido/longitud de columna de espuma es aproximadamente 1: 3.3: 5.

Los electrodos de platino idénticos se utilizan y se aplica una densidad de corriente de 7.7 mA/cm2 .

La espuma, que surge de la parte superior del tubo se recolecta y analiza como se describió anteriormente. La sustancia seca producida de la espuma tiene un contenido de proteínas de 92 por ciento (determinada por el ensayo Kjeldahl).

EJEMPLO COMPARATIVO Un cilindro de gas (altura: 1 m, diámetro: 8 cm) se llena con 2.5 litros de agua del fruto de la papa. El aire se esparce a través de un filtro de porosidad D3 en la parte inferir del depósito. Esto resulta en una columna de líquido con una altura de 50 cm y una columna de espuma con una altura de 50 cm. El gas se suministra a una velocidad de flujo de gas v = 30 mi / min. En contraste con los resultados de los experimentos previos, la espuma contuvo burbujas muy grandes y tuvo sobre todo una densidad muy baja. La espuma es difícil de manipular bajo condiciones téenicas en un procedimiento de producción. El contenido de la materia seca es muy bajo. La espuma tuvo un factor de enriquecimiento de proteínas de 1.3.

Claims (14)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1. Un procedimiento para el enriquecimiento, la recuperación o la eliminación de proteínas vegetales de un líquido acuoso, en donde las burbujas de gas de gas hidrógeno o una mezcla de gas que contiene un gas hidrógeno o burbujas de gas generadas electroquímicamente se generan en el líquido formando una espuma que contiene proteínas vegetales disueltas y la espuma se separa del líquido.

2. El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque las burbujas de gas se generan electroquímicamente en el líquido en una célula electrolítica no dividida o dividida.

3. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque las burbujas de gas se producen en por lo menos un electrodo que contiene platino, iridio, rutenio, iridio y rutenio, grafito, material de carbono conductivo o diamante conductivo

4. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque un producto líquido o producto intermediario se recupera de la espuma separada del líquido, que contiene un contenido mayor de proteínas vegetales que en el líquido inicial.

5. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque se utiliza un dispositivo, que comprende por lo menos un tubo, una estructura tubular, un cuerpo hueco que tiene una abertura de entrada y una abertura de salida o una región en la que la espuma formada puede elevarse, donde el dispositivo es una célula electrolítica o un dispositivo con una entidad para la generación de burbujas de gas.

6. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque un líquido reducido de proteínas vegetales se produce del líquido, el cual se somete después a una oxidación electroquímica directa o indirecta.

7. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque en las burbujas de gas de células electrolíticas divididas se generan catódicamente en el líquido para eliminar las proteínas vegetales y anódicamente un líquido reducido de proteínas vegetales o un líquido que contiene sustancias orgánicas se somete a una oxidación electroquímica directa o indirecta.

8. El procedimiento de conformidad con cualquierá de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el líquido utilizado es un agua de procesos o agua residual del procesamiento de plantas, partes de las plantas o productos vegetales o el líquido utilizado es agua del fruto de la planta o agua del fruto de la papa.

9. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque las burbujas de gas se producen electroquímicamente en el líquido en una célula electrolítica no dividida o dividida, donde el gas hidrógeno se genera en el cátodo y el gas oxígeno en el ánodo o el gas hidrógeno se genera catódicamente y el gas hidrógeno se oxida anódicamente.

10. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el líquido tiene un valor de pH en la escala de pH 4 a pH 7 al principio de la generación de burbujas de gas y el pH del líquido se mantiene constante o cambia.

11. El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque las burbujas de gas se producen electroquímicamente por electrólisis y la electrólisis se opera continuamente o discontinuamente, pulsada o con por lo menos una inversión de la polaridad de los electrodos.

12. El uso de gas hidrógeno o una mezcla de gas que contiene gas hidrógeno para producir espuma en un líquido que contiene proteínas vegetales en un procedimiento para la recuperación de proteínas vegetales del líquido, para la purificación del líquido o para la disminución de proteínas vegetales del líquido mediante el tratamiento de espuma.

13. El uso como se reclama en la reivindicación 12, en donde el gas hidrógeno o la mezcla de gas que contiene gas hidrógeno se produce electroquímicamente en el líquido.

14. El uso como se reclama en la reivindicación 12 ó 13, en donde el líquido es un agua del fruto de la planta o agua del fruto de la papa.