Concentration of Osmotic Dehydration Solutions using Membrane Separation Processes

Abstract

El procesado de alimentos conlleva, en mayoría de los casos, la generación de subproductos o residuos que pueden ser reutilizados o revalorizados mediante la utilización de técnicas de separación por membrana. Estas técnicas ofrecen la posibilidad de tratar las soluciones en condiciones de operación muy suaves, y no comportan en mayoría de las ocasiones, una alteración de los componentes a recuperar. Actualmente, las técnicas de separación por membrana, debido a su alta calidad y relativamente bajos costes, se encuentran completamente integradas en la mayoría de procesos productivos que requieren de una etapa de separación. Sin embargo, la investigación en el área de las técnicas de separación por membrana sigue abriendo nuevos campos de aplicación, que surgen con la mejora de las condiciones tecnológicas de los equipos y la posibilidad de obtener nuevas membranas adaptables a necesidades específicas.<br/><br/>En concreto, en este proyecto se utilizaron técnicas de separación por membranas para concentrar soluciones de azúcar procedentes de deshidratación osmótica (en adelante OD). El principal objetivo fue estudiar el potencial de varias técnicas de separación, haciendo hincapié en los flujos obtenidos durante la reconcentración y en la calidad de la solución reconcentrada.<br/><br/>La deshidratación osmótica es un tratamiento que permite una eliminación parcial del agua en un alimento y/o la incorporación de solutos de una manera controlada, respetando la calidad inicial del producto. El proceso consiste en introducir los alimentos en una solución hipertónica, controlando las condiciones de operación para favorecer, en mayor o menor grado la incorporación de solutos y la deshidratación del alimento. La aplicación de OD puede resultar en la mejora de las propiedades nutricionales y funcionales de los alimentos y en la reducción de la energía requerida para la deshidratación. El principal problema de la aplicación industrial de la OD radica en la gestión de la solución procedente del proceso. La reutilización de esta solución plantea una doble ventaja: primero desde el punto de vista ambiental, ya que se elimina un efluente del proceso que a menudo no puede ser vertido directamente, y segundo el ahorro económico que representa la recuperación de las materias primas que muchas veces contienen solutos de importante valor económico. <br/><br/>Los métodos de separación por membrana utilizados para recuperar las soluciones de OD fueron los siguientes: nanofiltración, osmosis directa y destilación osmótica por membranas. La nanofiltración (NF) presenta altos niveles de retención y un menor gasto de energía que la osmosis inversa, y en la industria azucarera se aplica como uno de los pasos en la clarificación y concentración de jarabes. En los procesos de contactores de membranas: osmosis directa (DO) y destilación osmótica por membranas (OMD), a diferencia de los procesos basados en el tamizaje, el flujo depende solamente de la diferencia de potencial osmótico. Las únicas presiones hidráulicas requeridas son las necesarias para bombear la solución de azúcar y la solución osmótica hasta la superficie de la membrana. Estas características hacen que estos procesos presenten como muy prometedores para la reconcentración de soluciones de azúcar de concentraciones elevadas.<br/><br/>Los experimentos de filtración se llevaron a cabo utilizando plantas piloto diseñadas y construidas expresamente para el presente proyecto. Durante todos los procesos de separación por membranas, se empleó como solución modelo una solución de sacarosa a diferentes concentraciones (5-60 ºBrix), debido a que las soluciones aplicadas en la deshidratación osmótica de frutas son habitualmente soluciones de azucares (sacarosa, glucosa o jarabes). <br/><br/>Durante los experimentos de NF se evaluó el funcionamiento de las membranas planas: Desal5 DK (GE- Osmonics), MPF-34 (Koch Membrane), NFT-50 (DSS) y tubulares: MPT-34 (Koch Membrane) y AFC 80 (PCIMembranes). Además de la solución de azúcar de diferentes concentraciones (5-20 ºBrix), se concentraron zumos de pera y manzana.<br/><br/><br/>La reconcentración mediante osmosis directa se realizó utilizando dos modos de operación: off-site e on-site. En el modo off-site, la reconcentración por ósmosis directa se llevó a cabo en una planta de filtración provista de un módulo plano o tubular, dependiendo de la membrana. En el módulo se llevó a cabo la concentración. En el modo on-site, la deshidratación se realizaba conjuntamente con la reconcentración de la solución osmótica. La solución de reconcentración de la osmosis directa en off-site (offsiteDO) fue NaCl, mientras la solución de reconcentración de la osmosis directa on-site (on-site DO) fue una solución de sacarosa más concentrada que la solución osmótica (60 para una solución osmótica de 40 y 68 para una solución de 50 ºBrix). Para garantizar el flujo de agua entre las dos soluciones y altas retenciones de azúcar durante la off-site DO, se utilizaron membranas de NF planas (Desal5-DK y MPF-34) y tubulares (MPT-34 y AFC80). La reconcentración por osmosis directa on-site se levó a cabo empleando una membrana de microfiltración (Durapore, Millipore), ya que la solución de reconcentración (SS) es la misma que la solución osmótica y la alta viscosidad de la SS restringe mucho el flujo de agua si se utiliza una membrana más densa.<br/><br/>En la deshidratación por membranas (OMD) se utilizaron membranas hidrófobas (11806, Sartorius) que presentan una retención teórica del 100 %. Se comparó el rendimiento de dos soluciones de reconcentración: NaCl y CaCl2.<br/><br/>Con el fin de obtener información referente a la influencia de las propiedades de las membranas sobre el desarrollo del proceso de concentración de las soluciones procedentes de la deshidratación osmótica, se realizó un estudio detallado de las propiedades de las membranas aplicadas mediante AFM, SEM, FTIR, ángulo de contacto y medidas de potencial zeta. Con la finalidad de generar soluciones osmóticas para someterlas a reconcentración, y también para disponer de productos procedentes de deshidratación osmótica con soluciones frescas que pudieran compararse con aquellas procedentes de OD con solución reconcentrada, se deshidrataron diferentes lotes de manzana (Granny Smith) con soluciones de sacarosa de 40, 50 y 60 ºBrix. Estas pruebas permitieron determinar también el tímelo de operación para una máxima pérdida de agua con relativamente poca impregnación de las manzanas. Después de cada experimento se analizaron los siguientes parámetros: concentración de azúcar, pH, absorbancia a 420 nm de las soluciones y humedad de las manzanas.<br/><br/>La nanofiltración, aplicada en la primera fase del presente estudio, resultó ser viable solamente para la reconcentración de soluciones de concentraciones hasta 24 ºBrix. El aumento de la temperatura de 25 hasta 35 ºC para las dos membranas tubulares ocasionó un incremento del flujo de permeado, y el mismo efecto tuvo el aumento de presión transmembranaria de 8 a 12 bar.<br/><br/>Se comprobó que el factor más importante para la eficacia del proceso es disponer de una membrana que combine altos flujos y retenciones durante el proceso. La deposición de las partículas de sacarosa y/o los zumos se caracterizó mediante SEM y la topología de la capa filtrante de la membrana se identificó usando AFM. La topología de la capa filtrante de las membranas era diferente para cada una de ellas, a pesar de que todas estaban preparadas con el mismo material (poliamida). En las imágenes de los cortes transversales de las membranas realizados con SEM, se observaron los cambios en la estructura de las membranas producidos por la aplicación de presión durante los experimentos y las altas temperaturas empleadas durante su acondicionamiento. Gracias a las imágenes de SEM se pudo verificar también la eficacia del proceso de acondicionamiento de membranas.<br/><br/>A diferencia de NF, tanto la ósmosis directa como la destilación osmótica por membrana permiten la reconcentración de soluciones concentradas de sacarosa (hasta60 ºBrix). La eficacia de estas dos últimas técnicas se evaluó en unción de los flujos de agua obtenidos.<br/><br/>El sistema de ósmosis directa on-site propuesto para la reconcentración de las soluciones de OD permitió reutilizar las soluciones osmóticas como mínimo cuatro veces. Para la solución osmótica de 40 ºBrix la humedad de las manzanas fue similar utilizando solución fresca o reconcentrada. En cambio, una solución osmótica de 50 ºBrix, la pérdida de agua de las manzanas fue mayor cuando la deshidratación osmótica se llevó a cabo con reconcentración on-site de la solución osmótica. Los análisis de concentración de azúcar de las soluciones osmóticas y de la solución de reconcentración indican que la membrana elegida para los experimentos facilita el transporte óptimo de solutos y agua entre las dos soluciones. Además, el sistema de reconcentración por membrana propuesto es muy sencillo y de bajo coste porque no requiere presurización.<br/><br/>La osmosis directa en off-site proporcionó flujos mucho mayores que los obtenidos con el sistema on-site (1.3 kg/m2h para la solución osmótica de 50 ºBrix respecto a 0.0023 kg/m2h durante on-site DO para la misma solución). Sin embargo, el transporte de solutos de la solución de reconcentración hacía la solución osmótica puede ser considerado un obstáculo para su aplicación a escala industrial.<br/><br/>Los flujos de agua más elevados fueron obtenidos utilizando la OMD (2.01 kg/m2h para la solución osmótica de 50 ºBrix y con CaCl2 con la solución de reconcentración). Otra gran ventaja de este proceso es la retención de solutos que proporciona, hecho confirmado por los análisis realizados.<br/><br/>El estudio sobre el transporte durante los procesos de contactores de membranas indicó que la viscosidad es la propiedad limitante para la solución osmótica y la actividad de agua/alta presión osmótica como la propiedad más importante a la hora de elegir una solución de reconcentración. Para todos los procesos de separación aplicados, el aumento de la concentración de azúcar de la solución osmótica comporta una disminución notable del flujo de agua.<br/><br/>El desarrollo de un posible proceso de deshidratación osmótica con una etapa de reconcentración de la solución osmótica mediante procesos con contactores de membrana ha permitido calcular el área requerida para realizar la reconcentración: 3.6,9.7, 1608 m2 para OMD, off-site DO e on-site DO, respectivamente.<br/><br/>Las conclusiones del trabajo confirman la posibilidad de utilizar procesos por membrana para realizar la reconcentración de soluciones osmóticas. No obstante se ha constatado que técnicas más tradicionales basadas en diferencias de presión (NF) no son