Tangential microfiltration of orange juice in bench pilot

The aim of this study was to introduce the tangential microfiltration (TMF) technique on the production of orange juice (TMFJ), and compare it with pasteurised juice (control) as regards chemical composition and sensorial characteristics. We used a TMF pilot equipped with four monotubular ceramic membranes (0.1, 0.2, 0.8 and 1.4mm) arranged in series with a filtering area of 0.005 m² each. Commercial flash-pasteurised orange juice was used as the initial product. Experiments were divided into three parts: a) the characterisation of the TMF pilot; b) optimisation of operational conditions; c) production of the TMFJ. In the second part, membrane with 0.8-mm pores presented best flux followed by those with 1.4-, 0.1-, and 0.2-mm pores. However, to guarantee permeate sterility, we chose the membrane with 0.1-mm pores for TMFJ production. Initially, the orange juice was sieved in order to separate part of the pulp, being subsequently submitted to TMF. A mixture of retentate and pulp was made, and was subsequently pasteurised. We obtained the TMFJ by adding the permeate to the mixture. TMFJ presented soluble solids content (°Brix), pulp, pH, and titrable acidity similar to the initial pasteurised juice (control). Nevertheless, 28% of vitamin C was lost during the TMFJ production. According to the juice taster panel, the control juice presented best sensorial characteristics (greater aroma intensity and fruity flavour) when compared with the TMJF.

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.

Crossflow microfiltration of sugarcane juice: effects of processing conditions and juice quality

Sugarcane juice with passion fruit pulp was clarified using microfiltration under different T (temperature), P (pressure), and V (tangential velocity). The effects of these processing parameters were evaluated applying a rotational central composite experimental design (RCCD) and response surface methodology (RSM). The tests were performed at a filtration pilot plant using a polyamide hollow-fiber membrane with an average pore diameter of 0.4 µm and filtration area of 0.723 m². In addition, the resistances to the permeate flux during the microfiltration were investigated according to the series resistance. The final permeate flux ranged from 7.05 to 17.84 L·h- 1·m- 2. There was a rapid decline in flux (50%) in the initial stages of microfiltration. T and V were the major variables responsible for the flux increase. The concentration polarization showed the greatest influence on the flux decline, and highest values for the flux decline rate (λ) were found when low pressures were used. In the clarified juice there was a reduction in the contents of total solids, proteins, vitamin C, and acidity, while the soluble solids, pH, and ash contents did not change. Finally, membrane process could produce high quality filtered sugarcane juice with substantial flux and increased luminosity improving organoleptical properties.

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.

Manufacture of ceramic membranes for application in demulsification process for cross-flow microfiltration

This paper describes the manufacture of tubular ceramic membranes and the study of their performance in the demulsification of soybean oil/water emulsions. The membranes were made by iso-static pressing method and micro and macro structurally characterized by SEM, porosimetry by mercury intrusion and determination of apparent density and porosity. The microfiltration tests were realized on an experimental workbench, and fluid dynamic parameters, such as transmembrane flux and pressure were used to evaluate the process relative to the oil phase concentration (analysed by TOC measurements) in the permeate. The results showed that the membrane with pores` average diameter of 1.36 mu m achieved higher transmembrane flux than the membrane with pores` average diameter of 0.8 mu m. The volume of open pores (responsible for the permeation) was predominant in the total porosity, which was higher than 50% for all tested membranes. Concerning demulsification, the monolayer membranes were efficacious, as the rejection coefficient was higher than 99%.

Hybrid modeling of convective laminar flow in a permeable tube associated with the cross-flow process

The confined flows in tubes with permeable surfaces arc associated to tangential filtration processes (microfiltration or ultrafiltration). The complexity of the phenomena do not allow for the development of exact analytical solutions, however, approximate solutions are of great interest for the calculation of the transmembrane outflow and estimate of the concentration, polarization phenomenon. In the present work, the generalized integral transform technique (GITT) was employed in solving the laminar and permanent flow in permeable tubes of Newtonian and incompressible fluid. The mathematical formulation employed the parabolic differential equation of chemical species conservation (convective-diffusive equation). The velocity profiles for the entrance region flow, which are found in the connective terms of the equation, were assessed by solutions obtained from literature. The velocity at the permeable wall was considered uniform, with the concentration at the tube wall regarded as variable with an axial position. A computational methodology using global error control was applied to determine the concentration in the wall and concentration boundary layer thickness. The results obtained for the local transmembrane flux and the concentration boundary layer thickness were compared against others in literature. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Experimental Analysis of Structural Change and Rheological Behavior of Macromolecular Solutions with Guar and Xanthan Gums in Crossflow Microfiltration Processing

The present paper reports on the structural change and rheological behavior of mixtures of macromolecular suspensions (guar and xanthan gums) in crossflow microfiltration processing. Mixtures in suspension of guar and xanthan gums at low concentrations (1,000 ppm) and different proportions were processed by microfiltration with membrane of nominal pore size of 0.4 mu m. The rheological behavior of the mixtures was investigated in rotational viscometers at two different temperatures, 25 and 40 C, at the beginning and at the end of each experiment. The shear stress (t) in function of the shear rate (gamma) was fitted and analyzed with the power-law model. All the mixtures showed flow behavior index values (n) lower than 1, characterizing non-Newtonian fluids (pseudoplastic). The samples of both mixtures and permeates were also analyzed by absorbency spectroscopy in infrared radiation. The absorbency analysis showed that there is good synergism between xanthan and guar gums without structure modifications or gel formation in the concentration process by microfiltration.

Manufacture and characterization of ultra and microfiltration ceramic membranes by isostatic pressing

This paper describes the manufacture of tubular UF and MF porous and supported ceramic membranes to oil/water emulsions demulsification. For such a purpose, a rigorous control was realized over the distribution and size of pores. Suspensions at 30 vol.% of solids (zirconia or alumina powder and sucrose) and 70 vol.% of liquids (isopropyl alcohol and PVB) were prepared in a jar mill varying the milling time of the sucrose particles, according to the pores size expected. The membranes were prepared by isostatic pressing method and structurally characterized by SEM, porosimetry by mercury intrusion and measurements of weight by immersion. The morphological characterization of the membranes identified the formation of porous zirconia and alumina membranes and supported membranes. The results of porosimetry analysis by mercury intrusion presented an average pore size of 1.8 mu m for the microfiltration porous membranes and for the ultrafiltration supported membranes, pores with average size of 0.01-0.03 mu m in the top-layer and 1.8 mu m in the support. By means of the manufacture method applied, it was possible to produce ultra and microfiltration membranes with high potential to be applied to the separation of oil/water emulsions. (C) 2011 Elsevier Ltd and Techna Group S.r.l. All rights reserved.