Microfiltração com membranas de carbeto de silício para clarificação e estabilização da água de coco verde (Cocos nucífera L.): uma abordagem de otimização de processos

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Alimentos, Florianópolis, 2022.

O Brasil é o quarto maior produtor de coco do mundo e o primeiro em produção de água de coco, portanto pesquisas são necessárias na área de industrialização e desenvolvimento de produtos a partir da água de coco. Este trabalho teve como objetivo a otimização de condições de operação do processo de clarificação da água de coco verde (Cocos nucifera L.) em membranas de carbeto de silício (SiC). Inicialmente, foram investigados os efeitos da pressão e da temperatura sobre o fluxo permeado (L.h-1.m-2) e o índice de fouling (%) em membranas com diâmetro médio de poro de 0,3 e 0,6 µm. Dois métodos estatísticos, metodologia de superfície de resposta de faces centradas (DFC) e metodologia de redes neurais artificiais (RNA), foram comparados. Após otimizações dos parâmetros, o desempenho (fluxo permeado e resistências associadas) da membrana de SiC (0,3 µm) operando com um sistema de retrofluxo foi avaliado em um terceiro desenho experimental tendo como objetivo investigar os efeitos dos tempos de duração (segundos) e frequência de pulso (minutos) sobre o fluxo permeado (L.h-1.m-2) e o índice de fouling (%). Ainda, as membranas de SiC foram estudas mediante a membranas comerciais de polipropileno (PP) e alumina (Al2O3) a partir da determinação do tipo de fouling preponderante (modelos das resistências). Os processos (com e sem retrofluxo) foram comparados no produto final, mediante análises quimiométricas de PCA (análise de componentes principais) e HCA (análise de agrupamentos hierárquicos) dos compostos primários, secundários e minerais (RMN, UPLC-QTof/QDa e plasma, respectivamente). De acordo com os resultados, verificou-se que a metodologia de redes neurais artificias (RNA) foi capaz de predizer melhor os resultados em comparação com a metodologia de faces centradas (DFC), apresentando maiores coeficientes de determinação (R² > 0,99) e menores erros. No primeiro planejamento (membrana de 0,3 µm de diâmetro de poro) determinou-se 75 kPa / 30°C como parâmetros ótimos, predizendo fluxo de 605 L.h-¹.m-² e índice de fouling de 82,79 %. Já para membrana de 0,6 µm de diâmetro médio de poro, determinou-se 60 kPa / 35 °C como parâmetros ótimos, predizendo fluxo de 1060 L.h-1.m-2 e índice de fouling de 83,56%. No terceiro desenho experimental, os parâmetros ótimos dos tempos de duração e frequência de pulso foram de 14 segundos e 10 minutos, respectivamente, predizendo um fluxo de 450 L.h-1.m-2 e índice de incrustação de 78%. Tendo o sistema com retrofluxo proporcionado um ganho de ± 25% no fluxo permeado e uma diminuição de ± 10% no índice de incrustação em comparação ao processo de clarificação sem o sistema de retrofluxo. Para os processos em recirculação total (FRV=1) foi constatado que os processos que não utilizaram retrofluxo em membranas cerâmicas de SiC e alumina obtiveram como resistência preponderante a polarização por concentração. Já os processos com membrana de SiC que utilizaram o sistema de retrofluxo obtiveram como resistência preponderante o fouling. Nas membranas de polipropileno, a resistência preponderante foi o fouling. Tendo o sistema com retrofluxo proporcionado ganhos nos parâmetros de processo é pertinente relatar que também houve perdas nutricionais em todos os componentes avaliados, sendo as menores relatadas (< 10%) para potássio, cálcio, magnésio, glicose e frutose, tais perdas não inviabilizam a utilização do sistema com retrofluxo, mediante os ganhos de processo (fluxo permeado + índice de incrustação). Dessa forma, mediante as predições e validações com os resultados experimentais em todos os desenhos experimentais, além dos estudos dos fenômenos de incrustações, pode-se considerar haver viabilidade técnica para um possível escalonamento industrial de clarificação de água de coco com membranas de SiC, com e sem sistema de retrofluxo.

Abstract: Brazil is the fourth largest coconut producer in the world and the first in coconut water production, so research is needed in the area of industrialization and development of products from coconut water. This work aimed to optimize the operating conditions of the clarification process of green coconut water (Cocos nucifera L.) using silicon carbide (SiC) membranes. Initially, the effects of pressure and temperature on permeate flux (L.h-1.m-2) and fouling index (%) were investigated in membranes with average pore diameters of 0.3 and 0.6 µm. Two statistical methods, centered face response surface (FCD) methodology and artificial neural network (ANN) methodology, were compared. After parameter optimizations, the performance (permeate flux and associated resistances) of the SiC membrane (0.3 µm) operating with a backflow system was evaluated in a third experimental design aiming to investigate the effects of pulse duration times (seconds) and frequency (minutes) on permeate flux (L.h-1.m-2) and fouling rate (%). Furthermore, SiC membranes were studied in comparison with commercial polypropylene (PP) and alumina (Al2O3) membranes by determining the predominant type of fouling (resistance models). The processes (with and without backflow) were compared in the final product by means of chemometric PCA (principal component analysis) and HCA (hierarchical cluster analysis) analyses of the primary, secondary and mineral compounds (NMR, UPLC-QTof/QDa and plasma, respectively). According to the results, it was found that the artificial neural networks (ANN) methodology was able to better predict the results compared to the centered faces methodology (FCD), presenting higher determination coefficients (R² > 0.99) and lower errors. In the first planning (0.3 µm pore diameter membrane) 75 kPa / 30°C was determined as optimal parameters, predicting a flow rate of 605 L.h-1.m-2 and fouling index of 82.79 %. For membranes with 0.6 µm of average pore diameter, 60 kPa / 35°C was determined as optimal parameters, predicting a flux of 1060 L.h-1.m-2 and fouling rate of 83.56%. In the third experimental design, the optimal parameters of pulse duration time and frequency were 14 seconds and 10 minutes, respectively, predicting a flow rate of 450 L.h-1.m-2 and fouling index of 78%. The backflow system provided a gain of ± 25% in permeate flux and a decrease of ± 10% in fouling index compared to the clarification process without the backflow system. For processes in total recirculation (FRV=1) it was found that the processes that did not use backflow in SiC and alumina ceramic membranes had concentration polarization as the predominant resistance. On the other hand, the processes with SiC membrane that used the backflow system had fouling as the predominant resistance. In polypropylene membranes, fouling was the predominant resistance. As the backflow system provided gains in the process parameters, it is pertinent to report that there were nutritional losses in all the evaluated components, being the smallest losses reported (< 10%) for potassium, calcium, magnesium, glucose, and fructose. Such losses do not make the use of the backflow system unfeasible by means of process gains (permeate flux + fouling index). Thus, through the predictions and validations with the experimental results in all experimental designs, in addition to the studies of the fouling phenomena, one can consider that there is technical feasibility for a possible industrial scale-up of coconut water clarification with SiC membranes, with and without backflow system.