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Publicação
Recovery of natural flavours by integrated membrane processing and fractionated condensation: case study of seafood and wine industries
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Orientador(es)
Resumo(s)
The work presented in this PhD thesis aims at designing integrated systems to capture natural aromas comprising the recovery and fractionation of natural aromas, as natural fla-vourings to be added to food products.
Within the seafood case study, canning industry effluents have a high organic matter load, with proteins, aromas and oils, resulting in an environmental impact and economic loss if they are recovered. An integrated process of coagulation/flocculation followed by reverse osmosis was designed which allows for the recovery of protein, lipid and aromas, to reduce the environmental impact of these effluents and reduce the water consumption of this indus-try, besides the production of aroma natural flavourings.
The recovery of natural flavours, assuring the removal of off-flavours, by integrated membrane processing and fractionated condensation was addressed for two different case studies – i) Sardine cooking wastewaters/seafood model solution and ii) red wine model fer-mentation headspaces.
An integrated process of pervaporation and fractionated condensation is proposed for the aroma recovery and fractionation from a designed model solution mimicking the aqueous effluents of the seafood industry, combining the advantages of organophilic pervaporation and fractionated condensation. A mathematical model was developed to predict the separa-tion efficiency of the fractioned condensation processing step.
Due to the lack of studies addressing the influence of real food matrices on integrated organophilic pervaporation/fractionated condensation processes, the mathematical model was applied to this integrated system to analyse the impact of the real matrix of sardine cook-ing wastewaters on the fractionation of aromas.
For red wine fermentation headspaces, the applicability of the mathematical model is assessed for two different alternative processes: fractionated condensation and vapour perme-ation–fractionated condensation. The aromas of the headspace of red wine fermentation are commonly lost, through the fermenter venting system, which is enhanced by the stripping effect of the produced CO2. Both processes studied allow for a good recovery of esters. How-ever, the integrated process of vapour permeation-fractionated condensation achieves a sig-nificant decrease in the amount of ethyl phenols.
The major contribution of this PhD thesis is the mathematical model applied and vali-dated that could predict fractionated condensation with only a minimum experimental work and the use of trustworthy thermodynamic parameters. The model is applicable to diverse effluents, including those with components that constrain the condensation process, namely non-condensable gases, and has been verified for both model and real solutions. This model represents a tool that can be readily adapted to other streams from diverse industrial processes for the recovery aromas, following a circular economy approach.
O trabalho desenvolvido nesta tese de doutoramento visa projetar sistemas integrados de recuperação de aromas, incluindo a recuperação e fracionamento de aromas naturais, como agentes aromatizantes naturais para serem incorporados em produtos alimentares. No âmbito do estudo de caso dos aromas de peixe e marisco, os efluentes da indústria conserveira têm uma elevada carga em matéria orgânica, contendo proteínas, lípidos e aromas, resultando num elevado impacto ambiental e numa perda económica, se não forem recupera-dos. Neste projeto de doutoramento foi concebido um processo integrado de coagulação/flo-culação seguido de osmose inversa que permite a recuperação de proteínas, lípidos e aromas, reduzindo o impacto ambiental destes compostos e o consumo de água, assegurando a pro-dução de aromas naturais com valor comercial. A recuperação de aromas naturais com remoção de aromas indesejáveis através do pro-cessamento integrado de membranas e condensação fracionada foi abordada para dois casos de estudo diferentes - i) solução modelo de águas residuais da cozedura de sardinha/ solução modelo de aromas de peixe e marisco e ii) solução modelo de aromas libertados na fermenta-ção de vinho tinto. Foi proposto um processo integrado de pervaporação e condensação fracionada para a recuperação de aromas e seu fracionamento a partir de uma solução modelo concebida de forma a mimetizar os efluentes aquosos da indústria conserveira, combinando as vantagens da pervaporação organofílica e da condensação fracionada. Foi igualmente desenvolvido um modelo matemático para prever a eficiência de separação da etapa de processamento da con-densação fracionada. Devido à falta de estudos sobre a influência de matrizes alimentares reais nos processos integrados de pervaporação organofílica/condensação fracionada, o modelo matemático foi aplicado a este sistema integrado com o objetivo de analisar o impacto da matriz real do eflu-ente de cozedura de sardinha no fracionamento de aromas. Para o caso de estudo dos aromas libertados na fermentação de vinho tinto, a aplicabili-dade do modelo foi avaliada para dois processos alternativos diferentes: condensação fracio-nada e sistema integrado de permeação de vapor seguido de condensação fracionada. Os aro-mas libertados na fermentação do vinho tinto são comumente perdidos através do sistema de ventilação do fermentador e são arrastados pelo CO2 produzido. Ambos os processos estuda-dos permitem uma boa recuperação dos ésteres. No entanto, o processo integrado de conden-sação fracionada por permeação de vapor conduz a uma diminuição significativa da quanti-dade de etil fenóis. A principal contribuição desta tese de doutoramento foi o teste e validação do modelo matemático desenvolvido para previsão do processo de condensação fracionada, usando um mínimo de dados experimentais e com recurso a parâmetros termodinâmicos confiáveis. O modelo é aplicável a diversos efluentes, incluindo aqueles com componentes que restringem o processo de condensação, como é o caso de gases não condensáveis, e foi validado tanto para soluções modelo como para soluções reais. Este modelo representa uma ferramenta que pode ser facilmente adaptada a outros efluentes de outros processos industriais, numa perspetiva de economia circular.
O trabalho desenvolvido nesta tese de doutoramento visa projetar sistemas integrados de recuperação de aromas, incluindo a recuperação e fracionamento de aromas naturais, como agentes aromatizantes naturais para serem incorporados em produtos alimentares. No âmbito do estudo de caso dos aromas de peixe e marisco, os efluentes da indústria conserveira têm uma elevada carga em matéria orgânica, contendo proteínas, lípidos e aromas, resultando num elevado impacto ambiental e numa perda económica, se não forem recupera-dos. Neste projeto de doutoramento foi concebido um processo integrado de coagulação/flo-culação seguido de osmose inversa que permite a recuperação de proteínas, lípidos e aromas, reduzindo o impacto ambiental destes compostos e o consumo de água, assegurando a pro-dução de aromas naturais com valor comercial. A recuperação de aromas naturais com remoção de aromas indesejáveis através do pro-cessamento integrado de membranas e condensação fracionada foi abordada para dois casos de estudo diferentes - i) solução modelo de águas residuais da cozedura de sardinha/ solução modelo de aromas de peixe e marisco e ii) solução modelo de aromas libertados na fermenta-ção de vinho tinto. Foi proposto um processo integrado de pervaporação e condensação fracionada para a recuperação de aromas e seu fracionamento a partir de uma solução modelo concebida de forma a mimetizar os efluentes aquosos da indústria conserveira, combinando as vantagens da pervaporação organofílica e da condensação fracionada. Foi igualmente desenvolvido um modelo matemático para prever a eficiência de separação da etapa de processamento da con-densação fracionada. Devido à falta de estudos sobre a influência de matrizes alimentares reais nos processos integrados de pervaporação organofílica/condensação fracionada, o modelo matemático foi aplicado a este sistema integrado com o objetivo de analisar o impacto da matriz real do eflu-ente de cozedura de sardinha no fracionamento de aromas. Para o caso de estudo dos aromas libertados na fermentação de vinho tinto, a aplicabili-dade do modelo foi avaliada para dois processos alternativos diferentes: condensação fracio-nada e sistema integrado de permeação de vapor seguido de condensação fracionada. Os aro-mas libertados na fermentação do vinho tinto são comumente perdidos através do sistema de ventilação do fermentador e são arrastados pelo CO2 produzido. Ambos os processos estuda-dos permitem uma boa recuperação dos ésteres. No entanto, o processo integrado de conden-sação fracionada por permeação de vapor conduz a uma diminuição significativa da quanti-dade de etil fenóis. A principal contribuição desta tese de doutoramento foi o teste e validação do modelo matemático desenvolvido para previsão do processo de condensação fracionada, usando um mínimo de dados experimentais e com recurso a parâmetros termodinâmicos confiáveis. O modelo é aplicável a diversos efluentes, incluindo aqueles com componentes que restringem o processo de condensação, como é o caso de gases não condensáveis, e foi validado tanto para soluções modelo como para soluções reais. Este modelo representa uma ferramenta que pode ser facilmente adaptada a outros efluentes de outros processos industriais, numa perspetiva de economia circular.
Descrição
Palavras-chave
aroma recovery pervaporation/vapour permeation fractionated condensation valorisation of food waste mathematical modelling