Computational simulation of concentration by osmotic evaporation of passion fruit juice (Passiflora edullis)

Simulación computacional de la concentración por evaporación osmótica del jugo de maracuyá (Passiflora edullis)

El  objetivo  de  este  estudio  fue  aplicar  una  estrategia  integral  para  la  simulación  multifísica  del  proceso  de  evaporación osmótica aplicada en la concentración del jugo de maracuyá. Los fenómenos de transferencia de masa y momento fueron implementados en Comsol^® y Matlab^®, usando una geometría axial en dos dimensiones como simplificación del módulo de membranas, y las simulaciones computacionales fueron validadas por comparación con datos experimentales obtenidos de la evaporación osmótica de jugo de maracuyá previamente ultrafiltrado. El jugo fue concentrado hasta 52.25 ± 0.36 (°Brix) de sólidos solubles, alcanzando un flux final de 0.63 (kg/m²h) después de 6 horas. El concentrado conservó las características de calidad organolépticas y fisicoquímicas del jugo original al ser reconstituido en agua. Se comprobó que los modelos y las simulaciones desarrollados pueden ser usados para describir, analizar y mejorar de forma más rápida y eficiente el proceso de evaporación osmótica aplicado a la concentración de jugos.

I. INTRODUCCIÓN

La concentración de jugos de frutas es ampliamente utilizada para conservar este tipo de materia prima, reduciendo los costos de transporte y almacenamiento. La evaporación térmica es el proceso de concentración más aplicado a escala industrial; sin embargo, sus efectos negativos sobre la calidad nutricional y sensorial de las materias primas, y la elevada energía demandada en su operación son todavía importantes desventajas de esta técnica tradicional de conservación [1].

Las tecnologías de separación por membrana (micro, ultra, nanofiltración, ósmosis inversa y pervaporación) son una alternativa para el procesamiento de zumos de frutas. Los procesos de membrana tienen muchas ventajas sobre otras técnicas de concentración. Las ventajas más importantes son que, por lo general, mantienen la calidad del producto y, al trabajar a bajas temperaturas, requieren menos energía y espacio, lo que da lugar a una operación ampliamente flexible [2]. Dentro de la gama de operaciones con membranas, la concentración por evaporación osmótica (EO) ha surgido como una técnica potencial aplicable en las industrias alimentaria, química, cosmética y farmacéutica [3, 4].

La evaporación osmótica (EO) es una variante de la destilación por membrana (DM), cuyo proceso utiliza membranas hidrofóbicas, en las que los poros se llenan con la fase gaseosa del fluido a concentrar, impidiendo así la penetración del agua, de modo que sólo los componentes volátiles son transportados a través de la membrana [5]. La diferencia de presión parcial de vapor entre los líquidos separados por la membrana es la fuerza motriz del proceso, y su valor depende de la temperatura y la composición de las capas adyacentes a la superficie de la membrana, cuyo efecto puede generar este gradiente de presión parcial [6, 7].