Efecto de la presión transmembrana y velocidad tangencial sobre los cambios en el flujo de permeado y turbidez del jugo de mango (Mangifera indica L) microfiltrado

Tonny Garcia-Rujano ₁, Alexia Torres ², Elba Sangronis ², Juan Fernández ³, José Martínez ³, Elba Garrido ¹

¹ Departamento de Ecología y Control de Calidad, Decanato de Agronomía, UCLA, Lara - Venezuela, Teléfono: (0251) 2591630, tonnygarcia@ucla.edu.ve.

² Departamento de Procesos Biológicos y Bioquímicos, Programa de Doctorado en Ciencias de Alimentos, Universidad Simón Bolívar USB, Caracas – Venezuela.

³ Programa Ciencias del Agro y del Mar, UNELLEZ-San Carlos, estado Cojedes, Venezuela

RESUMEN

El aumento de la demanda de alimentos, con mínimo proceso por parte de los consumidores, los cuales se encuentren libre de aditivos y se mantengan estables durante el almacenamiento, sugiere la necesidad de explorar otros tratamientos físicos como posibles alternativas para los procesos de calor. La microfiltración tangencial (MFT) es un proceso no térmico que se utiliza para clarificar jugos o bebidas elaborados a partir de frutas. Sin embargo, estos sistemas presentan problemas por el decrecimiento del flujo de permeado (J_p) con la consecuencia inmediata de la disminución progresiva del permeado, afectando el rendimiento a nivel industrial. En esta investigación se analizó el efecto de la presión transmembrana (PTM) y velocidad tangencial en un sistema piloto, con membranas de Polivinildenedifloride (PVDF) y diámetro de poro de 0,22 μm, para detectar los cambios en el J_p y la turbidez del jugo de mango clarificado. El jugo clarificado se circuló por el sistema a PTM de 0,5; 0,8 y 1,1 *10⁵ Pa y velocidad tangencial de 4; 5 y 6 m/s. El ensayo fue montado bajo un diseño factorial 32. La velocidad tangencial, incrementó linealmente el J_p y disminuyó valores de turbidez en el permeado del jugo de mango, mientras que la PTM presentó un efecto lineal, aumentando el Jp y disminuyendo la turbidez.

Palabras clave: Microfiltración, Polivinildenedifloride, Clarificación, Pretratamiento, Tangencial.

Effect of transmembrane pressure and cross-flow changes permeate flow and turbidity mango juice (Mangifera Indica L.) Microfiltration

 

ABSTRACT

Increased demand for food with minimal processing by consumers, which are free of additives and remain stable during storage, suggesting the need to explore other physical treatments as alternatives to heating processes. The tangential microfiltration (MFT) is a non-thermal process used to clarify juices or drinks made from fruit. However, these systems present problems for the decrease in permeate flux (J_p) with the immediate consequence of the progressive decrease of the permeate, affecting industrial performance. In this study we examined the effect of transmembrane pressure (TMP) and tangential velocity in a pilot system with Polivinildenedifloride membranes (PVDF) and pore diameter of 0.22 microns, to detect changes in turbidity and Jp clarified mango juice. The clarified juice was circulated through the system at TMP of 0.5, 0.8 and 1.1 * 10⁵ Pa and tangential velocity of 4, 5 and 6 m/s. The trial was mounted under a factorial design 32. Tangential speed, increased and decreased linearly J_p turbidity values in the permeate of mango juice, while the TMP had a linear effect, increasing and decreasing the turbidity J_p.

Keywords: Microfiltration, Polivinildenedifloride, Clarification, Pretreatment, Tangential.

Recibido: junio 2012 Revisado: agosto 2012

INTRODUCCION

La MFT consiste en la separación de componentes de un fluido alimentado, el cual se puede mover frontal o tangencialmente a la superficie de la barrera (membrana). Es decir, cuando la alimentación y la presión están orientadas en el mismo sentido contra la membrana se denomina microfiltración frontal. En el caso de que la alimentación se mueva paralelamente a la superficie de la membrana se llama microfiltración tangencial (MFT), la cual es la mas usada por presentar ventajas en el arrastre o barrido en el retenido, trayendo como consecuencia la minimización en la acumulación de partículas rechazadas y posterior formación de torta sobre la superficie de la membrana (Pandolfi, 2008).

La MFT esta basada en la teoría de la filtración descrita por la ley de Darcy, en la cual el flujo de permeado es función de la presión transmembrana (PTM) y de una resistencia total. En condiciones ideales, únicamente la configuración de la membrana (forma y tamaño de poros y espesor de la membrana) daría una resistencia intrínseca (Rm).

Uno de los grandes problemas del uso de sistema de membranas en la clarificación de jugos de frutas pulposas, es el decrecimiento del flujo de permeado con la consecuencia inmediata, del incremento de la resistencia de la membrana y una disminución progresiva del permeado, este fenómeno es conocido como ensuciamiento, lo cual ocasiona paradas en el proceso para realizar limpieza o remoción de esta torta. En tales casos se hidrolizan los polisacáridos mediante enzimas, para mejorar el filtrado. A pesar de esto se presentan dificultades en la operación y disminución en el rendimiento del equipo (Velez et al. 2007).

La selección del sistema enzimática o preparación enzimática adecuada, que trabaje de forma sinérgica con procesos mecánicos, ayuda a obtener extractos de calidad, estables, completamente naturales y a maximizar la eficiencia del equipo utilizado en los tratamientos (Brito et al. 2010).

Por lo antes expuesto, la MFT se ha convertido en una tecnología emergente en la industria del procesamiento de frutas debido a la simplificación y eliminación de varias operaciones unitarias. Solo se deben tener en cuenta variables intrínsecas como lo son: velocidad tangencial, presión transmembrana, temperatura del fluido, composición del fluido a microfiltar, entre otras.

En la presente investigación del efecto de la presión transmembrana y velocidad tangencial sobre los cambios en el flujo de permeado y la turbidez del jugo de mango clarificado, se encontró que al aumentar de manera gradual la PTM de trabajo, el J_p vario de 89 a 93,8 L/h*m², este comportamiento ocurre a cualquier velocidad tangencial en el rango de 4 . 6 m/s.

TÉCNICAS EXPERIMENTALES

Obtención del jugo de mango microfiltrado

El jugo clarificado se proceso de acuerdo a Garcia et al. (2012) a partir de la pulpa de mango tipo bocado almacenada, previo descongelado, se adiciono agua en una relación (p/p) 2:1 (agua: pulpa de mango) y se incorporo enzima comercial Pectinex Ultra SP-L, en concentración de 664 mg de enzima/kg de jugo, durante 115 min con agitación y temperatura constante de 8 RPM y 30°C, respectivamente. Luego se centrifugo (2000 RPM por 5 min) y se separo el precipitado del sobrenadante mediante decantación.

El sobrenadante o jugo clarificado que se obtuvo en el paso anterior, represento el fluido de alimentación en el proceso de MFT, el cual se llevo a cabo en un sistema de filtración de flujo tangencial modelo CogentTM M marca Millipore, con membranas de PVDF y diámetro de poro de 0,22 mm, con un área efectiva de filtrado de 0,1 m².

Efecto de la PTM y velocidad tangencial sobre los cambios en el J_p y turbidez en el permeado

El jugo clarificado se coloco en el tanque balanza del microfiltrador y se hizo circular por el sistema a PTM en un rango de 0,5 - 1,1 bar y velocidad tangencial de 4 - 6 m/s (a modo concentración). Las combinaciones o tratamientos fueron fijadas de acuerdo a un diseño factorial para dos factores a tres niveles de experimentación, en la Tabla 1 se presenta la matriz de diseño. El ensayo se repitió dos veces, para un total de 27 unidades experimentales.

Flujo de permeado (J_p)

Se calculo de acuerdo a lo sugerido por Ushikubo et al. (2007). Colocando un vaso de precipitado como recolector de permeado sobre una balanza electrónica (con precisión de 0,001 g), la medición se realizo en intervalos de tiempo de 5 minutos. La masa del permeado fue controlada aplicando el factor de concentración (FC) de 2, el cual se calculo mediante la ecuación 1:

FC = mf / (mf - mp)                    (1)

donde: mf es la masa total en la alimentación y mp es la masa de permeado, en un tiempo t determinado.

Para calcular el flujo de permeado se utilizó la ecuación 2:

J_p=  mp / (t - A)                           (2)

donde: A es el área efectiva de filtrado de la membrana, t es el tiempo donde se toma el valor de mp.

Turbidez

Fue determinada usando un turbidimetro modelo 2100P USA, y los resultados se expresaron en las Nephelometric Turbidity Units (NTU).

Al finalizar cada ensayo, se realizó un ciclo de lavado, que comprende una limpieza con solución de ácido fosfórico a 0,1N, con períodos de enjuague de 30 min, en los que se utilizó agua desmineralizada hasta alcanzar la permeabilidad inicial de la membrana de 223,12 L/h*m². Los datos obtenidos bajo diseño estadístico se analizaron mediante análisis de varianza, análisis de regresión y graficas de superficies de respuestas y contornos en el software STATDISTICA V7.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Los valores experimentales de turbidez y Jp por efecto de la velocidad de microfiltrado y PTM se muestran en la Tabla 1.

Tabla 1. Matriz de tratamientos y valores experimentales obtenidos por efecto de la velocidad de microfiltrado y PTM sobre el J_p y la turbidez del jugo de mango clarificado

Análisis de varianza

En la Tabla 2 se muestra el resumen del grado de significancia de cada efecto o término del modelo poblacional para las respuestas J_p, y turbidez, y se aprecia que existe un efecto altamente significativo en los tratamientos. Así mismo se observó la implicación en los cambios, ocurridos en J_p y turbidez, por efectos de los factores velocidad tangencial y PTM; de igual manera se encontró un efecto de interacción de ambos factores sobre las respuestas estudiadas.

Tabla 2. Resumen del ANAVAR para las respuestas J_p y turbidez del jugo de mango bocado por efecto de la velocidad de microfiltración y PTM

** Altamente significativa (p<0,01)

*Significativo (p<0,05)

n.s. No significativo (p>0,05)

En el J_p no se manifestaron efectos significativos de los términos cuadráticos, lo cual es indicativo de modelos que tiende a mostrar linealidad. En cuanto a la turbidez, el término cuadrático de la velocidad tangencial, presentó un efecto de segundo orden, el cual produce un valor mínimo o máximo en la turbidez del jugo de mango, cuando se trabaja con valores intermedios de la velocidad tangencial.

Análisis de regresión de los modelos ajustados

El resumen de los coeficientes estimados para cada modelo poblacional de las respuestas J_p y turbidez, se observa en la Tabla 3. Se denota que el factor velocidad tangencial presenta un coeficiente regresor (β₁) de incremento lineal (primer orden) sobre J_p y disminuye los valores de turbidez en el jugo de mango clarificado. El incremento es del orden de 0,956 sobre el flujo de permeado y el decrecimiento es de -0,445 para los cambios en la turbidez del jugo, respectivamente. Esta tendencia se estima por cada unidad de aumento en el factor velocidad tangencial. Igual efecto lineal mostró el coeficiente (β₂) de la PTM, ya que a medida que se incrementó el factor se aumento el Jp (5,593) y disminuyó la turbidez (-4,111).

Tabla 3. Resumen de los coeficientes estimados del modelo poblacional planteado, para las respuestas estudiadas

 

** Altamente significativa (p<0,01)

*Significativo (p<0,05)

n.s. No significativo p> 0,05

Las interacciones de los dos factores en estudio mostraron efecto significativo (p< 0,05) en el J_p y la turbidez del jugo microfiltrado, es decir que existió un efecto sinérgico entre la velocidad tangencial (X₁) y la PTM (X₂), para aumentar los valores de J_p y turbidez en el jugo de mango clarificado. Este comportamiento de la interacción entre la PTM y la velocidad resulta lógico debido a que cuando se incrementan los valores de estas variables, existe un aumento en el flujo del permeado con la consecuencia inmediata de un incremento en los sólidos insolubles del permeado, lo cual se traduce en un aumento de los NTU finales del microfiltrado. Watanabe et al. (2006) en jugos clarificados de tamarindo (Tamarindus indica L.) por MFT, publicaron resultados semejantes usando los mismos factores e intervalos, éstos hallaron mayores J_p para jugos más turbios, cuando trabajaron en los niveles superiores de velocidad tangencial (6 m/s) y PTM (1,1*10⁵ Pa) del ensayo.

El término cuadrático del factor velocidad tangencial, incrementó la turbidez de manera significativa, cuando se trabajó o se aumentó la velocidad de 4 a 6 m/s. Vera (2009) reportó comportamiento asintóticos en la turbidez de aguas depuradas cuando trabajó a velocidad tangencial superior a los 3 m/s. No se registró efecto cuadrático a consecuencia de la variación de la PTM en el rango de 0,5 a 1,1* 10⁵ Pa, en las dos respuestas estudiadas.

Efecto de la velocidad tangencial y PTM

Las superficies de respuesta y contornos de J_p y turbidez del jugo de mango clarificado, se presentan en las Figuras 1 y 2, respectivamente. En las mismas se observa un comportamiento lineal o casi lineal, lo cual concuerda con lo encontrado en la Tabla 3 donde no se halló efecto en la curvatura del modelo, adicionalmente no se observan óptimos matemáticos sino regiones operativas. Esta observación es análoga a la registrada por Watanabe et al. (2006) al filtrar jugo de tamarindo en una membrana de polipropileno, donde se presentó efecto lineal de los factores velocidad y PTM sobre el J_p y la turbidez. Brito et al. (2010) lo observaron en la clarificación de Granadilla (Passiflora ligularis L) cuando varió la PTM de 0,5 a 2 bar y, por último, Laverde (2010) manifestó que existe una relación lineal entre el J_p y la PTM cuando se trabaja entre 1 – 3 bar, ya que se encontró una correlación de 0,99 del R².

En la Figura 1, se muestra que la velocidad tangencial y PTM podrían ensayarse a intervalos mayores a los presentados en el estudio, para optimizar el J_p, ya que no mostró una tendencia a maximizar o minimizar. Si se trabaja con 6 m/s de velocidad tangencial, el J_p se incrementa a medida de que se aumenta la PTM de trabajo. Un rango máximo operativo de 95,4 – 96,2 L/h*m² de J_p , se obtendría, al combinar velocidad tangencial entre 5 a 6 m/s y PTM de 1,1*10⁵ Pa.

Figura 1. Superficie de respuestas y contornos estimada para la respuesta J_p en el microfiltrado de jugo de mango por efecto de la velocidad tangencial y PTM

Estos flujos son muy altos comparados con los resultados de Chaverri (2003), quien reporta en jugo pulposo de melón flujos entre los 70L/hm² y los 80L/hm², y un factor de reducción volumétrica (FRV) óptimo de 3. Vaillant et al. (1999) en jugo pulposo de maracuyá, obtuvieron flujos cercanos a 40 L/hm² y un FRV óptimo de 3. Igualmente, Vaillant et al. (2001) en jugos de mandarina, piña, naranjilla, mora (Castilla) y mango, reportaron flujos de permeado de 50 L/hm², 70 L/hm², 65 L/hm², 70 L/hm² y 60 L/hm² y valores de FRV óptimos de 3,5; 3,5; 3,2; 3,0 y 1,3 respectivamente.

Por lo tanto, los altos flujos de permeados encontrados es indicativo de que existen bajas concentraciones de partículas depositadas en la membrana durante el procesamiento de microfiltración del jugo de mango bocado, ya que estos depósitos fueron disminuidos fácilmente mediante el uso del tratamiento enzimático realizado a la mezcla pulpaagua y a una etapa de centrifugación que disminuyen los sólidos insolubles en suspensión, tal como lo indican Montero (2008), Brito et al. (2010) y Laverde (2010). Adicionalmente, al aumentar la velocidad tangencial mejora la fuerza de corte en la superficie de la membrana, lo que evita los depósitos de partículas y reduce al mínimo la capa polarizada, y conduce a un coeficiente de transferencia de masa superior (Vaillant et al. 1999; Ushikubo et al. 2007; Furukama et al. 2008).

Ciertamente, al incrementar la velocidad tangencial en un fluido se incrementa el Jp, pero esta variable debe estar limitada por el tamaño de las bombas a utilizar para alcanzar dichos flujos y el costo energético que producen tales velocidades. Así mismo de este factor depende el grado de erosión de la pared de la membrana y flujo turbulento que se produce que afectan significativamente el grado de clarificación de un jugo (Ortiz et al. 2008).

El efecto que tiene la PTM sobre el J_p se muestra en la Figura 1. En este estudio se encontró que al aumentar de manera gradual la PTM de trabajo, el J_p varió de 89 a 93,8 L/h*m², este comportamiento ocurre a cualquier velocidad tangencial en el rango de 4 – 6 m/s. Muchos autores han reportado un comportamiento lineal entre el Jp y PTM en ensayos con jugos obtenidos a partir de frutas tropicales (pulposas). Laverde (2010) presentó una relación lineal entre el Jp y la PTM, cuando ensayó con arazá (Eugenia Stipitapa) con pulpas refinadas y tratadas enzimáticamente. Por otro lado, se debe tener en cuenta que al utilizar altas PTM se produce una compactación de la capa de partículas depositadas en la superficie de la membrana, que se traduce en suciedad y, en consecuencia, contribuye a disminuir del J_p e incrementar variables de clarificación como el color L y la absorbancia (Gallego, 2011).

Es bueno mencionar que en este estudio no se encontró tal deposito o suciedad en grado significativo, debido a las características físicas y químicas del jugo de mango bocado previamente tratado con enzimas pectídicas y centrifugado, ya que no se manifestaron disminuciones drásticas sobre el J_p por efecto PTM, como en otros estudios con frutas tropicales (Ushikubo et al. 2007; Mirsaeedghazi et al. 2010). Asimismo, se puede atribuir la baja variabilidad del J_p y la turbidez (Figura 2) a los valores bajo experimentados de PTM en este ensayo (0,5 – 1,1 bar). Aunque sí se obtuvo una variabilidad significativa estadística (p< 0,01; Tabla 2) de este factor (PTM) sobre J_p.

Figura 2. Superficie de respuestas y contornos estimada para la respuesta turbidez en el microfiltrado de jugo de mango por efecto de la velocidad tangencial y PTM

El mínimo operativo de turbidez (3,4 – 3,8 NTU) se logra con alta velocidad tangencial de microfiltrado próximas a 6 m/s y PTM en un valor de 0,5*10⁵ Pa (Figura 2), esta combinación logra un producto final bastante transparente (3,4 NTU), lo cual no beneficiaría la aceptabilidad futura del producto por el consumidor puesto que el mercado está acostumbrado a observar el color característico de la fruta en el producto envasado (Ávila et al. 2010).

Por lo tanto, los valores recomendados de turbidez son los cercanos a 6 NTU (Ávila et al. 2010), esta turbidez puede lograrse en este ensayo al combinar una PTM de 0,5*10⁵ Pa y velocidad de 4 a 5 m/s. Esta combinación de los factores afectará el flujo de permeado, en valores aproximados de 91 L/h*m² (Figura 2), lo cual no se considera significativo ya que un J_p es aceptable a nivel industrial por encima de 40 L/h*m² (Brito et al. 2010).

CONCLUSIONES

Se encontró el efecto que causa la variación de la PTM y la velocidad tangencial sobre los cambios ocurridos en un jugo de mango bocado microfiltrado.

La velocidad tangencial incrementa de manera lineal (primer orden) el J_p y disminuye de la misma forma la turbidez en el jugo de mango clarificado. Igual efecto lineal mostró la PTM, ya que a medida de que se incrementó la PTM aumento el J_p (5,594) y disminuyó la turbidez (-4,111).

El mínimo operativo de turbidez (3,4 – 3,8 NTU) se logra con alta velocidad tangencial próximas a 6 m/s y PTM en un valor de 0,5*10⁵ Pa, esta combinación logra un producto final bastante transparente (3,4 NTU).

El rango máximo operativo en del orden de 95,4 – 96,2 L/h*m² de flujo de permeado, al combinar velocidad tangencial de microfiltrado en el rango de 5 a 6 m/s y PTM 1,1*10⁵ Pa.

Se debe tener en cuenta que valores muy bajos de turbidez tienden a disminuir el color característico del jugo de mango bocado, por lo tanto los valores recomendados de turbidez están en valores cercanos a 6 NTU, esta turbidez puede lograrse al combinar una PTM de 0,5*10⁵ Pa y velocidad de 4 a 5 m/s. El flujo de permeado, será sacrificado de sus valores máximos a valores intermedios de 91 L/h*m².

Los resultados encontrados de PTM y velocidad tangencial, pueden ser aplicados a cualquier fruto tropical del tipo pulposo, siempre que se realice previamente a la microfiltración, una etapa de centrifugación para disminuir los sólidos insolubles.

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