Tangential microfiltration of orange juice in bench pilot

O objetivo deste trabalho foi introduzir a técnica de microfiltração tangencial (MFT) na produção de suco de laranja. O suco microfiltrado (SMFT) foi comparado química e sensorialmente com um suco pasteurizado (testemunha). Utilizou-se um piloto de MFT munido de quatro membranas (0,1, 0,2, 0,8 e 1,4mm) cerâmicas monotubulares dispostas em série, cada uma delas com superfície de 0,005m². Suco de laranja comercial flash pasteurizado foi usado como produto inicial. O trabalho experimental foi dividido em três fases: a) caracterização do piloto de MFT; b) otimização das condições operacionais; c) produção do SMFT. Na fase de otimização, a membrana de 0,8mm apresentou os melhores fluxos de permeado, seguidas pelas de 1,4, 0,1 e 0,2mm. Para garantir a esterilidade do permeado, a membrana de 0,1mm foi escolhida para a terceira fase do trabalho. Na produção do SMFT, o suco de laranja foi peneirado para separar uma parte de sua polpa, sendo em seguida microfiltrado. Depois, a polpa foi misturada ao retentato e a mistura pasteurizada. O SMFT foi obtido adicionando a mistura pasteurizada ao permeado. O SMFT apresentou teor de sólidos solúveis (°Brix), polpa, pH e acidez titulável semelhante ao suco inicial pasteurizado (testemunha); embora, tenha perdido maior quantidade (28%) de vitamina C. de acordo com os provadores do painel, o suco testemunha apresentou melhores características sensoriais em relação ao SMFT, por apresentar maior intensidade de odor e sabor frutoso.

Caracterització i revaloració de la fracció plasmàtica de la sang de porc procedent d'escorxadors industrials

La tesi s'ha estructurat en tres apartats que, en conjunt, han de permetre determinar les possibilitats d'aprofitament dins la mateixa indústria alimentària de la fracció plasmàtica de la sang de porc generada per escorxadors que utilitzen sistemes oberts de recollida higiènica. 1. En la primera part s'analitza la composició de la sang higiènica que s'està recollint actualment i s'estudien les característiques tant físico-químiques com microbiològiques que determinen la seva qualitat. La caracterització s'ha realitzat amb sang recollida en diferents escorxadors industrials de les comarques de Girona i s'ha centrat principalment en l'estudi de la contaminació microbiològica i el nivell d'hemòlisi de la sang. S'ha fet un disseny experimental que ha permès alhora valorar l'efecte d'alguns factors sobre la qualitat de la sang: possibles diferències relacionades amb (1) la climatologia del període de l'any en el qual es fa la recollida, (2) particularitats dels escorxadors (grandària, sistemes de dessagnat, tipus, dosi i sistema de dosificació de l'anticoagulant, condicions de processament, maneig i emmagatzematge després de la recollida, etc.). Els resultats obtinguts ens permeten constatar que, en les condicions actuals, la sang que s'està recollint en els escorxadors estudiats no es pot considerar adequada per a una matèria primera de productes destinats a alimentació humana. La major part de la microbiota contaminant s'adquireix en el propi sagnador. S'ha constatat que el sistema de dessagnat en posició horitzontal podria ser una mesura útil per minimitzar la contaminació d'origen fecal o provinent de la pell de l'animal sacrificat i que la separació immediata de les fraccions en el propi escorxador també pot contribuir a reduir la contaminació. Així doncs, en el benentès que l'efectivitat pot obtenir-se del conjunt de mesures preses, més que de l'aplicació d'una sola d'elles, es suggereix la introducció d'una sèrie d'actuacions que potser permetrien reduir els nivells de contaminació que s'obtenen actualment. El tractament mecànic de la sang, el sistema d'addició d'anticoagulant, el volum i concentració de la solució anticoagulant afegida i el període d'emmagatzematge són els factors responsables de l'hemòlisi; mentre que nivells elevats de contaminació microbiològica i el tipus d'anticoagulant utilitzat deterrminen la velocitat d'increment de l'hemòlisi de sang refrigerada. S'ha constatat que quan la sang no pot ser processada immediatament i s'ha d'emmagatzemar en refrigeració és millor utilitzar citrat sòdic enlloc de polifosfat com a anticoagulant ja que l'increment d'hemòlisi es dóna més lentament. 2. El segon apartat s'ha centrat en la fracció plasmàtica de la sang. S'ha utilitzat la deshidratació per atomització com a tecnologia de conservació del plasma i s'ha fet una caracterització del producte en pols resultant des del punt de vista de composició i qualitat. A més de la contaminació microbiològica, que determina la qualitat higiènico-sanitària del producte, s'ha realitzat un estudi de les propietats funcionals que podrien fer del plasma un producte útil en la formulació d'aliments (capacitat escumant, emulsionant, gelificant). S'ha fet especial incidència en (1) determinar l'efecte del procés tecnològic de deshidratació sobre la funcionalitat del producte i (2) estudiar l'estabilitat del plasma deshidratat durant el període d'emmagatzematge. En les condicions de deshidratació per atomització aplicades no es provoca desnaturalització de la fracció proteica i s'obté un producte suficientment deshidratat, amb una aw<0,4 per permetre suposar una bona estabilitat. Algunes mostres de plasma deshidratat analitzades presenten nivells detectables de determinats residus (sulfonamides i corticosteroides). La qualitat microbiològica del producte en pols reflecteix l'elevada contaminació que contenia la matèria primera utilitzada, tot i que la deshidratació per atomització ha comportat la reducció en una unitat logarítmica de la càrrega contaminant. Els recomptes generals de microorganismes són encara preocupants i més tenint en compte que s'ha evidenciat la presència de toxines estafilocòciques en algunes mostres. L'avaluació de les propietats funcionals del producte deshidratat en relació a les que presentava el plasma líquid ens ha permès comprovar que: (1) El procés de deshidratació no ha afectat la solubilitat de les proteïnes. Això, junt amb el fet que no s'obtinguin diferències significatives en l'anàlisi calorimètrica de mostres líquides o deshidratades, permet concloure que el procés no provoca desnaturalització proteica. (2) No s'observen efectes negatius del procés tecnològic sobre la capacitat escumant ni en l'activitat emulsionant de les proteïnes plasmàtiques, dues propietats funcionals que possibiliten l'aplicació del plasma amb aquestes finalitats en l'elaboració d'alguns aliments. (3) La deshidratació tampoc perjudica de manera important les característiques dels gels que s'obtenen per escalfament, ja que els gels obtinguts a partir del plasma líquid i del plasma deshidratat presenten la mateixa capacitat de retenció d'aigua i no s'observen diferències en la microestructura de la xarxa proteica d'ambdós tipus de gel. Tanmateix, els que s'obtenen a partir del producte en pols mostren una menor resistència a la penetració. L'estudi d'estabilitat ens ha permès comprovar que la mostra de plasma deshidratat per atomització perd algunes de les seves propietats funcionals (facilitat de rehidratació, capacitat de retenció d'aigua i fermesa dels gels) si s'emmagatzema a temperatura ambient, mentre que aquestes característiques es mantenen un mínim de sis mesos quan el producte en pols es conserva a temperatura de refrigeració. 3. En l'última part, tenint en compte les conclusions derivades dels resultats dels apartats anteriors, s'han assajat tres possibles sistemes de reducció de la contaminació aplicables a la fracció plasmàtica com a pas previ a la deshidratació, per tal de millorar les característiques de qualitat microbiològica i les perspectives d'estabilitat del producte durant l'emmagatzematge. S'ha determinat l'eficàcia, i l'efecte sobre les propietats del plasma deshidratat, que poden tenir tractaments d'higienització basats en la centrifugació, la microfiltració tangencial i l'aplicació d'altes pressions. Els tractaments de bactofugació aplicats permeten reduir entre el 96 i el 98% la contaminació microbiana del plasma. Aquesta reducció s'aconsegueix tant amb un sistema discontinu com amb un sistema continu treballant a una velocitat de 12 L/h, fet que permetria adaptar el tractament de bactofugació a un procés de producció industrial. Un sistema combinat de bactofugació en continu i microfiltració tangencial permet incrementar l'eficàcia fins a un 99,9 % de reducció. Cal tenir present, però, que aquest tractament provoca també una disminució de l'extracte sec que afecta negativament les propietats funcionals del plasma líquid. Malgrat suposar una pèrdua pel que fa al rendiment, aquest efecte negatiu sobre la funcionalitat no suposaria cap inconvenient si s'utilitzés la deshidratació com a tecnologia de conservació del plasma, ja que es podria corregir l'extracte sec durant la reconstitució del producte. Caldria avaluar si la millora en la qualitat higiènico-sanitària del producte compensa o no les pèrdues que suposa aquest sistema d'higienització combinat. Amb relació als tractaments d'alta pressió, de totes les condicions de tractament assajades, les pressions de fins 450 MPa permeten obtenir plasma sense modificacions importants que impedeixin la seva deshidratació per atomització. Així doncs, les condicions de procés que s'han aplicat són pressuritzacions a 450 MPa de 15 minuts de durada. La temperatura de tractament que s'ha mostrat més eficaç en la reducció dels recomptes de microorganismes ha estat de 40ºC. Els tractaments a aquesta temperatura permeten assolir reduccions del 99,97% i disminuir en un 80% la capacitat de creixement dels microorganismes supervivents a la pressurització en relació a la que presentava la població contaminant del plasma abans del tractament. L'estudi de l'efecte d'aquest tractament (450 MPa, 15 min i 40ºC) sobre les propietats funcionals del plasma ha permès observar que la pressurització comporta una disminució en la solubilitat del producte però una millora en les propietats de superfície -estabilitat de l'escuma i activitat emulsionant- i un increment de la capacitat de retenció d'aigua i de la duresa dels gels obtinguts per escalfament. Calen més estudis per confirmar i caracteritzar aquesta millora en la funcionalitat, així com per establir si el tractament de pressurització afecta també l'estabilitat del producte durant l'emmagatzematge. De totes les tecnologies d'higienització assajades, l'alta pressió és la que permet obtenir millors resultats en el sentit de poder garantir un producte de bona qualitat microbiològica i segur, des del punt de vista sanitari i tecnològic, per a la seva utilització com a ingredient alimentari.

Optimization Strategies Based on Sequential Quadratic Programming Applied for a Fermentation Process for Butanol Production

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Genetic Algorithms (Binary and Real Codes) for the Optimisation of a Fermentation Process for Butanol Production

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Dynamics and Control Strategies for a Butanol Fermentation Process

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

An alternative process for butanol production: Continuous flash fermentation

The objective of this work is to introduce and demonstrate the technical feasibility of the continuous flash fermentation for the production of butanol. The evaluation was carried out through mathematical modeling and computer simulation which is a good approach in such a process development stage. The process consists of three interconnected units, as follows: the fermentor, the cell retention system (tangential microfiltration) and the vacuum flash vessel (responsible for the continuous recovery of butanol from the broth). The efficiency of this process was experimentally validated for the ethanol fermentation, whose main results are also shown. With the proposed design the concentration of butanol in the fermentor was lowered from 11.3 to 7.8 g/l, which represented a significant reduction in the inhibitory effect. As a result, the final concentration of butanol was 28.2 g/l for a broth with 140 g/l of glucose. Solvents productivity and yield were, respectively, 11.7 g/l.h and 33.5 % for a sugar conversion of 95.6 %. Positive aspects about the flash fermentation process are the solvents productivity, the use of concentrated sugar solution and the final butanol concentration. The last two features can be responsible for a meaningful reduction in the distillation costs and result in environmental benefits due to lower quantities of wastewater generated by the process. © 2008 Berkeley Electronic Press. All rights reserved.

Dynamics of a continuous flash fermentation for butanol production

The ABE (acetone, butanol, ethanol) fermentation is characterized by its low productivity. In this paper, this issue is overcome with an innovative industrial process that employs the flash fermentation technology. The process consists of three interconnected units, as follows: fermentor, cell retention system (tangential microfiltration) and vacuum flash vessel (responsible for the continuous recovery of butanol from the broth). The dynamic behaviour of the process is described by a nonlinear mathematical model with kinetic parameters determined experimentally. From simulations of the mathematical model the dynamic characteristics of the process were investigated. Analyzes of the open-loop dynamic behavior of the process, after step perturbations in the manipulated variables, determined the best control structures for the process. Copyright © 2010, AIDIC Servizi S.r.l.

Flotação por ar dissolvido aplicado à separação de microalgas cultivadas em fotobiorreator, alimentado com vinhaça pré-tratada físico-quimicamente, com vistas à exploração de seu potencial bioenergético

Apesar de ser considerado um combustível sustentável, o etanol, produzido a partir da cana de açúcar, deixa um passivo de grandes proporções durante seu processo produtivo, a vinhaça, que vem sendo depositada nas próprias lavouras de cana de açúcar. É gerada na proporção de 12 litros para cada litro de etanol produzido em média, sendo rica em diversos nutrientes, os quais podem ser aproveitados para diversos fins como, por exemplo, meio de cultivo para microalgas. A presente pesquisa avaliou em uma primeira etapa a clarificação da vinhaça por um processo de coagulação com auxílio de um polímero catiônico, seguida de uma etapa de microfiltração tangencial em filtro de fibras ocas, o que permitiu uma redução superior a 77% para a cor aparente, de 99% para a turbidez e de 20% para a DQO, facilitando a utilização deste efluente para o cultivo de microalgas. Numa segunda etapa, foi avaliado o cultivo da microalga Chlorella vulgaris, em escala de bancada e operação em batelada, em meio preparado a partir da diluição da vinhaça em água de poço profundo, obtendo um aumento na biomassa produzida, determinado em termos de clorofila-a, em concentrações de vinhaça inferiores a 7,5% utilizando inóculo da ordem de 106 indivíduos. Tais dados permitiram a realização de ensaios de cultivo em escala contínua, com fotobiorreatores em escala piloto, gerando assim a biomassa utilizada nas próximas fases do estudo, que avaliaram a separação da biomassa gerada pelo processo de flotação por ar dissolvido. Os ensaios inicialmente realizados em escala de bancada e operados em batelada permitiram identificar as condições ótimas de operação, as quais foram então avaliadas em um flotador operando em fluxo contínuo. Tal flotador permitiu a obtenção de um lodo com teor de sólidos superior a 2%, o qual foi submetido à um processo final de desaguamento por centrifugação. Os ensaios de desaguamento, permitiram verificar que a utilização do mesmo polímero utilizado na etapa de clarificação permite a obtenção de um lodo mais estável, quando comparado com a não utilização de produto químico, na dosagem de polímero catiônico de 6 g.kg-1. A conclusão deste trabalho permitiu verificar a possibilidade de utilização da vinhaça como meio de cultivo de microalgas, reduzindo assim um dos impactos causados pela produção de etanol. Além disso foi possível verificar o potencial da FAD, para o espessamento de biomassa produzido em fotobiorreatores.

Demulsification of water/sunflower oil emulsions by a tangential filtration process using chemically impregnated ceramic tubes

A tangential filtration process was implemented in this study using porous ceramic tubes made of alpha-alumina produced by the slip-casting technique. These tubes were sintered at 1450 degrees C and characterized by mercury intrusion porosimetry, which revealed a mean pore size of 0.5 mu m. The tubes were chemically impregnated with a zirconium citrate solution, after which they were calcined and heat treated at temperatures of up to 600 and 900 degrees C to eliminate volatile organic compounds and transform the zirconium citrate into zirconium oxide impregnated in the alumina in the form of nanoparticle agglomerates. The microporous pipes were tested on a microfiltration hydraulic system to analyze their performance in the demulsification of sunflower oil and water mixtures. The fluid-dynamic parameters of Reynolds number and transmembrane pressure were varied in the process. The volume of permeate was analyzed by measuring the Total Organic Carbon concentration (TOC), which indicated 99% of oil phase retention. The emulsified mixture was characterized by optical microscopy, while the morphology and composition of the impregnated microporous tubes were analyzed by scanning electron microscopy (SEM). Quantification of the TOC values for the tube impregnated once at 600 degrees C showed the best demulsification performance, with the concentration on permeate smaller than 10 mg/L. The impregnated tube sintered once at 900 degrees C presented low carbon concentration (smaller than 20 mg/L), has the advantage of presenting the greatest trans-membrane flux in relation to the other microporous tube. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Dewatering of microalgal culture for biodiesel production : exploring polymer flocculation and tangential flow filtration

Background: Conventional biodiesel production relies on trans-esterification of lipids extracted from vegetable crops. However, the use of valuable vegetable food stocks as raw material for biodiesel production makes it an unfeasibly expensive process. Used cooking oil is a finite resource and requires extra downstream processing, which affects the amount of biodiesel that can be produced and the economics of the process. Lipids extracted from microalgae are considered an alternative raw material for biodiesel production. This is primarily due to the fast growth rate of these species in a simple aquaculture environment. However, the dilute nature of microalgae culture puts a huge economic burden on the dewatering process especially on an industrial scale. This current study explores the performance and economic viability of chemical flocculation and tangential flow filtration (TFF) for the dewatering of Tetraselmis suecicamicroalgae culture. Results: Results show that TFF concentrates the microalgae feedstock up to 148 times by consuming 2.06 kWh m-3 of energy while flocculation consumes 14.81 kWhm-3 to concentrate the microalgae up to 357 times. Economic evaluation demonstrates that even though TFF has higher initial capital investment than polymer flocculation, the payback period for TFF at the upper extreme ofmicroalgae revenue is ∼1.5 years while that of flocculation is ∼3 years. Conclusion: These results illustrate that improved dewatering levels can be achieved more economically by employing TFF. The performances of these two techniques are also compared with other dewatering techniques.

Microfiltration in cheese and whey processing

Milk microfiltration (0.05-0.2 um) is a membrane separation technique which divides milk components into casein-enriched and native whey fractions. Hitherto the effect of intensive microfiltration including a diafiltration step for both cheese and whey processing has not been studied. The microfiltration performance of skimmed milk was studied with polymeric and ceramic MF membranes. The changes caused by decreased concentration of milk lactose, whey protein and ash content for cheese milk quality and ripening were studied. The effects of cheese milk modification on the milk coagulation properties, cheese recovery yield, cheese composition, ripening and sensory quality as well as on the whey recovery yield and composition by microfiltration were studied. The functional properties of whey protein concentrate from native whey were studied and the detailed composition of whey protein concentrate powders made from cheese wheys after cheese milk pretreatments such as high temperature heat treatment (HH), microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) were compared. The studied polymeric spiral wound microfiltration membranes had 38.5% lower energy consumption, 30.1% higher retention of whey proteins to milk retentate and 81.9% lower permeate flux values compared to ceramic membranes. All studied microfiltration membranes were able to separate main whey proteins from skimmed milk. The optimal lactose content of Emmental cheese milk exceeded 3.2% and reduction of whey proteins and ash content of cheese milk with high concentration factor (CF) values increased the rate of cheese ripening. Reduction of whey protein content in cheese milk increased the concentration of caseinomacropeptide (CMP) of total proteins in cheese whey. Reduction of milk whey protein, lactose and ash content reduces milk rennet clotting time and increased the firmness of the coagulum. Cheese yield calculated from raw milk to cheese was lower with microfiltrated milks due to native whey production. Amounts of a-lactalbumin (a-LA) and b-lactoglobulin (b-LG) were significantly higher in the reference whey, indicating that HH, MF and UF milk pretreatments decrease the amounts of these valuable whey proteins in whey. Even low CF values in milk microfiltration (CF 1.4) reduced nutritional value of cheese whey. From the point of view of utilization of milk components it would be beneficial if the amount of native whey and the CMP content of cheese whey could be maximized. Whey protein concentrate powders made of native whey had excellent functional properties and their detailed amino acid composition differed from those of cheese whey protein concentrate powders.

Minimum power consumption for drag reduction on a circular cylinder by tangential surface motion

We investigate the effect of a prescribed tangential velocity on the drag force on a circular cylinder in a spanwise uniform cross flow. Using a combination of theoretical and numerical techniques we make an attempt at determining the optimal tangential velocity profiles which will reduce the drag force acting on the cylindrical body while minimizing the net power consumption characterized through a non-dimensional power loss coefficient (C-PL). A striking conclusion of our analysis is that the tangential velocity associated with the potential flow, which completely suppresses the drag force, is not optimal for both small and large, but finite Reynolds number. When inertial effects are negligible (R e << 1), theoretical analysis based on two-dimensional Oseen equations gives us the optimal tangential velocity profile which leads to energetically efficient drag reduction. Furthermore, in the limit of zero Reynolds number (Re -> 0), minimum power loss is achieved for a tangential velocity profile corresponding to a shear-free perfect slip boundary. At finite Re, results from numerical simulations indicate that perfect slip is not optimum and a further reduction in drag can be achieved for reduced power consumption. A gradual increase in the strength of a tangential velocity which involves only the first reflectionally symmetric mode leads to a monotonic reduction in drag and eventual thrust production. Simulations reveal the existence of an optimal strength for which the power consumption attains a minima. At a Reynolds number of 100, minimum value of the power loss coefficient (C-PL = 0.37) is obtained when the maximum in tangential surface velocity is about one and a half times the free stream uniform velocity corresponding to a percentage drag reduction of approximately 77 %; C-PL = 0.42 and 0.50 for perfect slip and potential flow cases, respectively. Our results suggest that potential flow tangential velocity enables energetically efficient propulsion at all Reynolds numbers but optimal drag reduction only for Re -> infinity. The two-dimensional strategy of reducing drag while minimizing net power consumption is shown to be effective in three dimensions via numerical simulation of flow past an infinite circular cylinder at a Reynolds number of 300. Finally a strategy of reducing drag, suitable for practical implementation and amenable to experimental testing, through piecewise constant tangential velocities distributed along the cylinder periphery is proposed and analysed.

Elastic-plastic contact conditions for frictionally constrained bodies under cyclic tangential loading

A Frictionally constrained condition implies dependence of friction force on tangential displacement amplitude. The condition may occur due to chemical, physical, and/or mechanical interaction between the contacting surfaces. The condition, sometimes also referred to as the presliding condition or partial slip condition, is characterized under fretting. Under such conditions, various experimental studies indicate the existence of two distinguishable regions, that is, stick region and slip region. In the present study, frictionally constrained conditions are identified and the evolutions of stick-slip regions are investigated in detail. Investigations have been performed on self-mated stainless steel and chromium carbide coated surfaces mated against stainless steel, under both vacuum and ambient conditions. Contact conditions prevailing at the contact interface were identified based on the mechanical responses and were correlated with the surface damage observed. Surface degradation has been observed in the form of microcracks and material transfer. Detailed numerical analysis has also been performed in order to understand the energy dissipation and the damage mode involved in the surface or subsurface damage. It has been observed that under frictionally constrained conditions, the occurrence of annular slip features are mainly due to the junction growth, resulting from elastic-plastic deformation at the contact interface. Ratcheting has been observed as the governing damage mode under cyclic tangential loading condition.

Improving tangential resolution with a modified delay-and-sum reconstruction algorithm in photoacoustic and thermoacoustic tomography

Spatial resolution in photoacoustic and thermoacoustic tomography is ultrasound transducer (detector) bandwidth limited. For a circular scanning geometry the axial (radial) resolution is not affected by the detector aperture, but the tangential (lateral) resolution is highly dependent on the aperture size, and it is also spatially varying (depending on the location relative to the scanning center). Several approaches have been reported to counter this problem by physically attaching a negative acoustic lens in front of the nonfocused transducer or by using virtual point detectors. Here, we have implemented a modified delay-and-sum reconstruction method, which takes into account the large aperture of the detector, leading to more than fivefold improvement in the tangential resolution in photoacoustic (and thermoacoustic) tomography. Three different types of numerical phantoms were used to validate our reconstruction method. It is also shown that we were able to preserve the shape of the reconstructed objects with the modified algorithm. (C) 2014 Optical Society of America