Diseño de una planta para la recuperación de polifenoles a partir de 300 t/año de residuos sólidos obtenidos en el proceso de elaboración de vino

Abstract

[ES] El hollejo es el residuo solido de la uva que se obtiene en la fabricación y obtención de vino. El hollejo se genera en cantidades muy elevadas, presentando una carga contaminante importante. Sin embargo, a su vez, presenta en su composición compuestos de alto valor comercial, los compuestos fenólicos mono y oligoméricos, que generan beneficio económico si se recuperan a partir del mismo. Por lo tanto, el objetivo principal de la presente Tesis de fin de máster es diseñar una planta de tratamiento que consiga separar y concentrar dichos compuestos, generando el correspondiente beneficio económico. La secuencia de tratamiento que se propone y diseña incluye una extracción sólido-líquido y el procesamiento mediante tecnología de membranas. La elección de la mejor secuencia de tratamiento, tanto en el caso de la extracción como en el caso del tratamiento mediante membranas, se ha basado en el análisis de diferentes referencias bibliográficas sobre el tratamiento de residuos procedentes del procesado de la uva. Se analizaron los resultados de los artículos académicos en térmicos de productividad y recuperación de los compuestos fenólicos. Finalmente, se seleccionó una secuencia en la que, tras un secado y una molienda del residuo, la primera etapa de tratamiento es una extracción sólido-líquido convencional utilizando 40% p/p de etanol en agua a 40°C y una proporción en masa del medio de extracción frente el hollejo seco y molido: 8:1. Tras 3 días de tratamiento le sigue una etapa de tratamiento mediante nanofiltración (NF) y, por último, se opera mediante una etapa de ósmosis inversa (OI). En la primera fase de tratamiento se obtiene un extracto rico en compuestos fenólicos mono, oligo y poliméricos, con una concentración de 1,57, 9,31 y 4,86 g/L, respectivamente. En la NF se emplea una membrana de poliamida modificada con umbral de corte molecular de 900 Da de Evonik modelo Duramem 900 8040 y se opera a 40°C y 8bar. En esta etapa se consigue retener la mayor parte de los compuestos fenólicos poliméricos en la corriente de rechazo (coeficiente de rechazo del 97%), mientras que la corriente de permeado, rica en compuestos fenólicos mono y oligoméricos, se envía a la tercera fase de procesamiento (OI). En la etapa de OI se utiliza la membrana de Dow Chemical modelo SW30HR LE-4040, siendo las condiciones de operación la temperatura del entorno y 50bar. En esta fase se concentran los compuestos fenólicos mono y oligoméricos en la corriente de rechazo (coeficiente de rechazo del 99,6%) y en la corriente de permeado se recupera el disolvente que se reutiliza en el proceso. Una vez seleccionada la secuencia de tratamiento a implantar, se realizó el diseño de la planta para tratar un caudal de 300 t/año de hollejo con un porcentaje de humedad del 80,5%, el cual contiene 0,40, 2,23 y 11,93 mg/g de compuestos fenólicos mono, oligo y poliméricos, respectivamente. La planta de procesamiento se instalará en el terreno que tiene disponible la empresa Cherubino Valsangiacomo dedicada a la producción de vino en Cheste, Valencia. En la extracción sólido-líquido se carga la materia prima a procesar en un tanque encamisado de 2118L, durando el proceso 3 días. Por lo tanto, se requieren tres tanques con las mismas características para poder cargar un tanque cada día. Para la NF se ha considerado como modo de operación la operación por lotes durante 6,73 horas, llevándose a cabo el proceso en modo diananofiltración continua. Para el tratamiento se necesitan 47 m2 de membrana, para lo que se han considerado dos membranas espirales de 24 m2 cada una dispuestas en serie. En cuanto a la etapa de OI, la cual recibe el permeado procedente de la NF, se ha seleccionado el modo de operación en continuo con recirculación (feed and bleed). Se requieren 30,41 m2 de membrana, para lo que se han considerado 4 módulos espirales de 7,9 m2 cada uno dispuestos en serie. En la última etapa de tratamiento se generan 184,2 L diarios de rechazo que presenta una concentración en compuestos fenólicos mono y oligoméricos de 5,44 g/L y la corriente de permeado que se obtiene es disolvente que se reutiliza en el proceso. Para elaborar la planta diseñada se necesita una inversión de 506.275,17 €. Los costes de operación totales anuales ascienden a 151.793,36 €. Los ingresos anuales por la venta del concentrado de compuestos fenólicos resultan ser de 523.018,95 €, de modo que los beneficios netos anuales son de 270.974,75 €. El estudio económico refleja que el periodo de recuperación de la inversión inicial es de 2 años y se confirma que el proyecto propuesto es viable económicamente.

[EN] Grape pomace is the waste that is obtained from the winemaking process. The pomace is produced in large quantities with high pollutant load. However, at the same time, it has a remarkable amount of valuable compounds such as mono and oligomeric phenolic compounds that may generate profit if they are recovered from this waste. Consequently, the main purpose of the present master’s thesis is to design a treatment plant capable of separating and concentrating these compounds, in order to obtain the mentioned profit. The treatment sequence that is proposed and designed includes a solid-liquid extraction and the processing by means of membrane technology. The choice of the best treatment sequence for both stages, extraction and membrane technology, was based on the analysis of different bibliographic references about the treatment of the grape waste produced in grape processing. The results described in each reference were analysed in terms of productivity and recovery of phenolic compounds. Finally, after a pretreatment consisting of drying and milling the pomace, the treatment sequence that was chosen included a first step of conventional solid-liquid extraction using 40% w/w ethanol/water at 40 °C, being the mass ratio of the extracting medium to dried and milled grape pomace 8:1. After 3 days of treatment, the second step was a processing by nanofiltration (NF) and the last step a reverse osmosis (RO) treatment. In the first stage an extract rich in monomeric, oligomeric and polymeric compounds is produced with concentrations of 1,57, 9,31 and 4,86 g/L, respectively. A modified polyamide 900 Da membrane from Evonik with the reference Duramem 900 8040 was selected for the NF step. The operating conditions were 40°C and 8 bar. In this stage most of the polymeric compounds remain in the retentate stream (rejection index of 97%), whereas the permeate stream, rich in monomeric and oligomeric compounds, is sent to the third processing step (RO). In the RO stage a Dow Chemical SW30HR LE-4040 membrane was used, being the operating conditions room temperature and 50 bar. In this step the monomeric and oligomeric compounds are concentrated in the retentate stream (rejection index of 99,6%) and the solvent is recovered in the permeate stream and recycled back to theprocess. Once the treatment sequence was selected, the plant was designed to treat 300 t/year of grape pomace with 80,5% content in water, which contains 0,40, 2,23 and 11,93 mg/g of monomeric, oligomeric and polymeric compounds, respectively. The processing plant will be built in an available land belonging to the Cherubino Valsangiacomo Company, which is dedicated to wine production in Cheste, Valencia. In the solid-liquid extraction, a 2118 L jacket tank is charged with raw feed for 3 days. So, three tanks with the same characteristics are required so that a tank can be daily charged. The NF works in batch operation mode for 6,73 hours, while continuous diananofiltration mode was also considered. For the treatment a membrane area of 47 m2 was necessary. Thus two spiral wound membrane modules of 24 m2were installed in series. Regarding the RO step, which is fed with the NF permeate, the feed and bleed operation mode was selected. A membrane area of 30,41m2 was required. Four spiral wound modules membrane modules of 7,9m2 each one were placed in series as well. The last treatment step generates 184,4 L/day of retentate with a content of monomeric and oligomeric phenolic compounds of 5,44 g/L. The produced permeate is solvent which is reused in the process. To implement the designed treatment plant, an investment of 506.275,17 € is necessary. The operating costs per year are 151.793,36 €. The annual revenue obtained from the sale of the phenolic compound concentrate was estimated to be 523.018,95 €. Thus the net profit per year is 270.974,75 €. The economic analysis shows that the payback period is two years, which supports the viability of the present project.