Study of polyphenols recovery from orange juice production waste by means of membrane technologies

Abstract

[ES] Este Trabajo Fin de Máster tiene como objetivo recuperar compuestos de alto valor añadido, como los polifenoles, a partir de residuos de la producción industrial de zumo de naranja mediante Ósmosis Directa, una tecnología de membranas emergente. La ósmosis directa tiene la importante ventaja de ser un proceso que no trabaja a elevadas temperaturas y presiones, lo que responde bien a los requisitos del proyecto, teniendo en cuenta que los polifenoles son sensibles a las altas temperaturas y que, al no aplicar elevadas presiones, el proceso requiere menos costes de mantenimiento. Tres sales inorgánicas (NaCl, Mgl2, CaCl2) se utilizaron como disoluciones de arrastre y se analizaron dos tipos de alimentos: extracto de naranja sin ultrafiltración y extracto de naranja ultrafiltrado. Para cada experimento se realizaron tres ensayos: caracterización de la membrana, ensayo de concentración y caracterización de las muestras, tanto para el alimento como para la disolución de arrastre. La caracterización de las muestras se realizó mediante el análisis del contenido fenólico total, demanda química de oxígeno, contenido de azúcar, contenido de pectinas, contenido de cloruros, pH, conductividad y medición del color. Después del proceso de concentración, se siguió un protocolo de limpieza para restablecer las condiciones iniciales de permeabilidad de la membrana. Comparando los dos experimentos con NaCl, se confirmó la necesidad de una etapa previa de ultrafiltración. En el experimento que se utilizó como alimento el extracto sin aplicar la etapa previa de ultrafiltración, el alto contenido orgánico (principalmente pectinas) del extracto de naranja provocó un gran ensuciamiento en la membrana, reduciendo significativamente el flujo de agua y la eficiencia del proceso, como demuestra también la menor concentración de polifenoles. Comparando los experimentos con NaCl, MgCl2 y CaCl2 utilizando como alimento el extracto de naranja ultrafiltrado, el cloruro de sodio resultó ser la mejor disolución de arrastre gracias a su mayor factor de reducción de volumen y su mayor concentración de polifenoles. Además de la investigación experimental realizada con el sistema de ósmosis directa, una vez obtenidos los resultados experimentales, se estudió también una modelización para comparar los resultados experimentales con resultados simulados. Para ello se simularon los resultados de los ensayos de caracterización de la membrana y concentración con agua residual para el mejor experimento correspondiente al cloruro sódico con alimento ultrafiltrado. Se aplicó un modelo realizado con agua simulada, que nunca se había probado con agua residual. En este estudio MATLAB R2021b se utilizó como software para la simulación del modelo.

[EN] This Master Thesis aims to recover high added value compounds, such as polyphenols, from orange juice industrial production waste by means of forward osmosis, an emerging membrane technology. Forward osmosis has the great advantage to be a non-thermal and non-pressurised process, which fits well with the requirement of the project since polyphenols are sensitive to high temperatures and without applied pressure, the process necessitates less maintenance costs. Three inorganic salts (NaCl, MgCl2, CaCl2) were tested as draw solutions and two types of feed solutions were analysed: raw orange extract and ultrafiltered orange extract. Several experiments were performed: NaCl with ultrafiltered orange waste extract, NaCl with not-ultrafiltered orange waste extract, MgCl2 with ultrafiltered orange waste extract, and CaCl2 with ultrafiltered orange waste extract. For each experiment three tests were conducted: membrane characterization test, concentration test, and samples characterization tests for both the feed and draw solutions. The samples characterization was performed in terms of total phenolic content, chemical oxygen demand, sugar content, pectin content, chloride content, pH, conductivity and colour measurement. After the concentration process, a cleaning protocol was followed to restore membrane initial conditions. Comparing the two experiments with NaCl, it was revealed the necessity of a previous ultrafiltration step. Otherwise, the high organic content (mainly pectins) in the orange extract led to excessive membrane fouling, significantly reducing water flux and process efficiency, as evidenced also by the lower polyphenol concentration of the second experiment. When comparing NaCl, Mgl2 and CaCl2 with ultrafiltered feed, NaCl emerged as the best draw solution due to the higher volume reduction factor and greater polyphenol concentration. In addition to the experimental research conducted with the forward osmosis system, a modelling was also performed once the experimental results were obtained. In this study MATLAB R2021b was employed as software for the model simulation. A model performed with synthetic wastewater that has not yet been tested with orange wastewater was used to compare the simulated values with the experimental results of membrane characterization and concentration tests for the best experiment corresponding to sodium chloride as draw solution and ultrafiltered feed.

[CA] Este Treball fi de màster té com a objectiu recuperar compostos d'alt valor afegit, com els polifenols, a partir de residus de la producció industrial de suc de taronja mitjançant Osmosi Directa, una tecnologia de membranes emergent. L'osmosi directa té l'important avantatge de ser un procés que no treballa a elevades temperatures i pressions, la qual cosa respon bé als requisits del projecte, tenint en compte que els polifenols són sensibles a les altes temperatures i que, al no aplicar elevades pressions, el procés requerix menys costos de manteniment. Tres sals inorgàniques (NaCl, MgCl2, CaCl2) es van utilitzar com a dissolucions d'arrossegament i es van analitzar dos tipus d'aliments: extracte de taronja sense ultrafiltració i extracte de taronja ultrafiltrat. Per a cada experiment es van realitzar tres assajos: caracterització de la membrana, assaig de concentració i caracterització de les mostres, tant per a l'aliment com per a la dissolució d'arrossegament. La caracterització de les mostres es va realitzar mitjançant l'anàlisi del contingut fenòlic total, demanda química d'oxigen, contingut de sucre, contingut de pectines, contingut de clorurs, pH, conductivitat i mesurament del color. Després del procés de concentració, es va seguir un protocol de neteja per a restablir les condicions inicials de permeabilitat de la membrana. Comparant els dos experiments amb NaCl, es va confirmar la necessitat d'una etapa prèvia d'ultrafiltració. En l'experiment que es va utilitzar com a aliment l'extracte sense aplicar l'etapa prèvia d'ultrafiltració, l'alt contingut orgànic (principalment pectines) de l'extracte de taronja va provocar un gran ensuciament en la membrana, reduint significativament el flux d'aigua i l'eficiència del procés, com demostra també la menor concentració de polifenols. Comparant els experiments amb NaCl, MgCl2 i CaCl2 utilitzant com a aliment l'extracte de taronja ultrafiltrat, el clorur de sodi va resultar ser la millor dissolució d'arrossegament gràcies al seu major factor de reducció de volum i la seua major concentració de polifenols. A més de la investigació experimental realitzada amb el sistema d'osmosi directa, una vegada obtinguts els resultats experimentals, es va estudiar també una modelització per a comparar els resultats experimentals amb resultats simulats. Per a això es van simular els resultats dels assajos de caracterització de la membrana i concentració amb aigua residual per al millor experiment corresponent al clorur sòdic amb aliment ultrafiltrat. Es va aplicar un model realitzat amb aigua simulada, que mai s'havia provat amb aigua residual. En este estudi MATLAB R2021b es va utilitzar com a software per a la simulació del model.