Clarificação de suco de maracujá por microfiltração: análise experimental e modelagem matemática

The yellow passion fruit (Passiflora edulis) is worldwide commercialized and Brazil is the world greatest producer, and approximately 95% of its production is focused in the beverage market. Conventional fruit juice clarification methods usually involve many batch processes, involving a high demand of time and energy. Membrane processes as microfiltration can be applied for microorganisms removal, providing a concentrated pulp and a clarified and sterilized fraction with higher sensorial properties. In this work, some pre-treatment procedures in the passion fruit pulp were studied before microfiltration, as centrifugation, enzymatic and chitosan treatments. The influence of the combination of these treatments in the physical-chemical characteristics of the passion fruit juice was evaluated, and also the effect of these treatments in the permeate flux during microfiltration. The effect of transmembrane pressure in the permeate flux was also evaluated, and so the physical-chemical characteristics of permeate after clarification. After obtaining the experimental data of permeate flux, the mathematical model proposed by FIELD et al. (1995) was applied in order to describe the mechanisms of fouling formation. A microfiltration module was used, based on the crossflow filtration method, with polyetherimide hollow-fiber membranes with 0,056 m2 of filtration area and 0,4μm average pore diameter. For the enzymatic treatment, the best condition for viscosity reduction was the combination of 1 mL/L of enzyme concentration and 44ºC for temperature. For chitosan treatment, pH values close to neutrality, chitosan concentration of 300 ppm and slow stirring time of 3 minutes were the conditions which induced the best pre-clarification. The enzymatic treatment was efficient in viscosity reduction, being able to reduce over 50% of the viscosity of passion fruit juice; centrifugation was effective in color, turbidity and viscosity reduction and chitosan treatment has shown to be an interest alternative for pretreatment, as presented the highest values of color and turbidity reductions among the observed pre-treatments. The combination of centrifugation at 4000 rpm and chitosan treatment presented the higher stabilized permeate flux during the filtrations, followed by centrifugation at 12000 rpm with enzymatic treatment. The increase of trasmembrane pressure did not influence the permeate flux. The microfiltration process was able to produce a clarified juice with no significant difference in the physical chemical characteristics in the permeate after each of the carried out pretreatments, except for the total soluble solids content, which presented a slight reduction in the clarified samples of juice without any pretreatment. The mathematic model used was able to explain the main mechanisms of fouling formation. It was concluded that in the filtrations with the raw juice, all fouling mechanisms could be satisfactorily fitted to the experimental data, with a slight predominance of the total pore blocking mechanism. In the other samples, the predominant mechanism observed was the formation of a gel layer, except for the chitosan pretreated sample, where the predominant mechanism was found to be the internal pore blocking. The microfiltration process was found to be effective, being capable of producing a clear juice without any pulp.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorMestre em Engenharia QuímicaO maracujá amarelo (Passiflora edulis) é comercializado mundialmente e o Brasil é o maior produtor mundial, sendo que cerca de 95% de sua produção voltada para o mercado de bebidas. O processamento convencional de sucos de frutas envolve diversas etapas em batelada, envolvendo uma grande demanda de tempo e recursos energéticos. Processos de separação com membranas podem ser utilizados para a remoção de micro-organismos, sem que o suco seja submetido a tratamentos térmicos indesejados, possibilitando a obtenção de uma polpa concentrada e fibrosa e uma fração clarificada e esterilizada, conservando suas propriedades sensoriais. Neste trabalho foram estudados procedimentos de pré-tratamento da polpa de maracujá antes da microfiltração, como a centrifugação, tratamento enzimático e de pré-clarificação com quitosana. Foi avaliado o efeito da combinação destes pré-tratamentos nas características físico-químicas da polpa de maracujá, bem como o seu efeito no fluxo de permeado durante a microfiltração. Foi estudado o efeito da pressão transmembrana (PTM) no fluxo de permeado e as características físico-químicas do mesmo. Depois de levantados os dados experimentais de fluxo de permeado, foi aplicado o modelo matemático proposto por FIELD et al. (1995) para se efetuar a descrição dos mecanismos de fouling ocorridos. Foi utilizado um módulo de microfiltração, utilizando o princípio de filtração tangencial com membranas porosas de polieterimida (PEI) do tipo fibra-oca, com área de filtração de 0,056 m2 e diâmetro médio dos poros de 0,4 μm. Verificou-se que para o tratamento enzimático, a melhor condição para redução de viscosidade do suco de maracujá foi a combinação entre 1 mL/L de enzima Pectinex 3XL e temperatura de 44ºC, sendo assim capaz de se reduzir mais de 50% da viscosidade do suco de maracujá. Para o tratamento com quitosana, valores de pH próximos à neutralidade, concentração de quitosana de 300 ppm e tempo de rotação lenta (TRL) de 3 minutos foi o conjunto de condições que possibilitou a melhor clarificação. O tratamento enzimático foi eficiente na redução de viscosidade do suco de maracujá, a centrifugação foi efetiva na redução de cor, viscosidade e turbidez, e o tratamento com quitosana se mostrou como uma alternativa promissora para pré-tratamento, uma vez que apresentou os maiores valores de redução de cor e turbidez dentre todos os pré-tratamentos efetuados. Para os ensaios de microfiltração, verificou-se que o aumento da pressão não tem influência significativa sobre o fluxo de permeado obtido. Dentre os pré-tratamentos analisados, a combinação de centrifugação a 4000 rpm e tratamento com quitosana foi o que apresentou o maior fluxo estabilizado de permeado durante as filtrações, seguido da centrifugação a 12000 rpm e tratamento enzimático. Com relação aos parâmetros físico-químicos do suco permeado, não foi observada diferença entre as características físico-químicas dos sucos clarificados após os tratamentos efetuados, exceto pelo teor de sólidos solúveis totais (TSS). Através do modelo matemático utilizado concluiu-se que durante as filtrações do suco in natura, todos os mecanismos de fouling puderam ser satisfatoriamente ajustados aos dados experimentais, com ligeira predominância do mecanismo de bloqueio total dos poros. Nas demais amostras, o mecanismo predominante observado foi a formação de camada de gel, exceto na filtração da amostra pré-clarificado com quitosana, onde o mecanismo predominante foi o bloqueio interno dos poros. O processo de microfiltração de suco de maracujá se mostrou efetivo, sendo capaz de produzir um suco límpido e isento de polpa