Recuperação de produtos de valor acrescentado de efluentes vinícolas

Abstract

O vinho é produzido há pelo menos 7 000 anos com origem onde hoje se localiza a Geórgia. Desde a sua origem manufaturada até o ano de 2020 com uma produção de 260 MhL no mundo e 6.4 MhL em Portugal, o processo foi industrializado para acompanhar a procura de consumo dessa bebida. Por consequência, atualmente estima-se que 2.20 L de água são utilizados por litro de vinho produzido. Não obstante uma parcela de compostos de valor acrescentado associados aos benefícios à saúde humana promovidos pelo vinho é perdida no efluente e nos resíduos sólidos que são gerados no processo de vinificação. Portanto, este trabalho teve como objetivo principal a recuperação de compostos fenólicos a partir de efluentes vinícolas por meio de processos de membranas em que foi necessário um pré-tratamento por centrifugação sendo possível valorizar também os sólidos gerados.O efluente da lavagem das cubas do processo de vinificação é proveniente da região Centro de Portugal. O efluente bruto possuía muitos sólidos totais, ST, (81 g/L), compostos fenólicos totais, TPH, (3.1 g GAE/L) e carência química de oxigénio, CQO, (149 g/L) associada. Dessa forma, foi sujeito a um pré-tratamento de centrifugação a 4 000 RPM por 15 min que reduziu os ST para 12 g/L ao passo que removeu 84 e 33 % de TPH e CQO, respetivamente. A seguir o efluente foi sempre processado nas unidades de filtração com fator de diluição de 10 (corresponde ao efluente com 50 mg GAE/L).As membranas 1 (M1) e 2 (M2) de 15 e 5 kDa, respetivamente, da unidade de ultrafiltração (UF) foram caracterizadas quanto suas permeabilidades com água cujos valores foram da ordem de 216 e 49 L / (m2 h bar), respetivamente para M1 e M2. Os fatores de maior relevo observados no âmbito da rejeição dos compostos fenólicos em ambas as membranas foram pH e a pressão transmembranar (PTM). Dessa forma, os melhores valores de pH e PTM para operação com este efluente neste equipamento foram 3.5 e (2.1 para 1 e 3.1 bar para 2). O mecanismo de colmatação foi investigado para as M1 e M2 pelo que pela análise do ajuste de modelos de fouling para escoamento tangencial, o bloqueio completo foi o que melhor representou o comportamento real. Contudo, foi sempre possível recuperar a permeabilidade inicial das membranas. Por fim, realizou-se a UF ótima para produzir o material de estudo para a nanofiltração (NF) em que na corrente de interesse se obteve 75.3 mg GAE/L e 7 666 mg O2 / L.A membrana utilizada para NF possuía permeabilidade de 1.946 L / (m2 h bar). A otimização da rejeição nesse caso foi feita com um modelo de resposta de superfície avaliando-se os mesmos fatores que foram analisados na UF, pH e PTM. Neste caso, o pH ótimo foi 3.5 e a PTM 13 bar e também se conseguiu recuperar a permeabilidade inicial da membrana após todos os ensaios. A composição final obtida na corrente de interesse foi 75.7 mg GAE/L e 7 535 mg O2/L.Foram realizadas 3 extrações sequenciais preliminares as borras provenientes dos sólidos da centrifugação. Água destilada, etanol e etanol 50% v/v foram testados de forma que o solvente ótimo para extração de TPH foi o etanol 50 % em que foi possível se obter 28.7 mg GAE/L que representou mais de 80 % do total extraído nas 3 extrações desse mesmo solvente.Através deste estudo foi possível concentrar compostos fenólicos a partir do efluente vinícola bruto de 50 para 75.7 mg GAE/L por via de dois processos de membrana, cuja força motriz é a pressão, sucessivos. Para além disso, o permeado da NF tem alto potencial para ser utilizado como água de rega, mas ainda carece de tratamento posterior. Por fim, foi possível identificar uma opção de fracionamento do efluente a partir da extração de compostos fenólicos dos sólidos inerentes ao processo de centrifugação.

Wine has been produced for at least 7 000 years with origins in what is now Georgia. From its manufactured origin until the year 2020 with a production of 260 MhL in the world and 6.4 MhL in Portugal, the process was industrialized to follow beverage consumption demand. As a result, it is currently estimated that 2.20 L are used per liter of wine produced. However, there are added value compounds associated with benefits to human health lost in the effluent and in the solid waste generated in the winemaking process. Therefore, this work had as main objective the recovery of phenolic compounds from wine effluents through membrane processes in which a pre-treatment with centrifugation was necessary and it was also possible to be valued by the generated solids.The effluent from washing the tanks of the winemaking process comes from the Central region of Portugal. The raw effluent had 81 g/L total solids, ST, 3.1 g GAE/L total phenolic compounds, TPH, and associated 149 g/L chemical oxygen demand, COD. Thus, it was subjected to a pre-treatment of centrifugation at 4000 RPM for 15 min which reduced the TS to 12 g/L while removing 84 and 33% of TPH and COD, respectively. Then the effluent was always processed in the filtration units with a dilution factor of 10 (corresponds to the effluent with 50 mg GAE/L).Membranes 1 (M1) and 2 (M2) of 15 and 5 kDa, respectively, of the ultrafiltration unit (UF) were characterized in terms of their permeability with water whose values were approximately 216 and 49 L / (m2 h bar), respectively for M1 and M2. The most important factors observed in the context of the rejection of phenolic compounds in both membranes were pH and transmembrane pressure (PTM). Thus, the best pH and PTM values for operation with this effluent in this equipment were 3.5 and (2.1 for 1 and 3.1 bar for 2). The fouling mechanism was investigated for M1 and M2, so by analyzing the fit of fouling models for tangential flow, complete blocking model was the one that best represented the real behavior. However, it was always possible to recover the initial permeability of the membranes. Finally, the optimal UF was performed to produce the study material for nanofiltration (NF) in which the stream of interest yielded 75.3 mg GAE/L and 7 666 mg O2/L.The membrane used for NF had a permeability of 1.946 L / (m2 h bar). The rejection optimization in this case was done with a surface response methodology evaluating some factors that were analyzed in UF, pH and PTM. In this case, the optimal pH was 3.5 and the PTM 13 bar and the initial permeability of the membrane was also recovered after all the tests. The final composition obtained in the stream of interest was 75.7 mg GAE/L and 7 535 mg O2/L.Wine lees were evaluated with 3 preliminary sequential extractions that were carried out on the lees from the solids from the centrifugation. Distilled water, ethanol and 50% v/v ethanol were tested so that the optimal solvent for TPH extraction was 50% ethanol in which it was possible to obtain 28.7 mg GAE/L which represented more than 80% of the total extracted in the 3 extractions of the same solvent.Through this study, it was possible to concentrate phenolic compounds from the raw wine effluent from 50 to 75.7 mg GAE/L through two successive membrane processes, whose driving force is pressure. In addition, the NF permeate has high potential to be used as irrigation water, but still needs further treatment. Finally, it was possible to identify an option to fractionate the effluent from the extraction of phenolic compounds from the sedimented solids inherent to the centrifugation process.