Design and Evaluation of Processes to Obtain Antioxidant-Rich Extracts from tropical fruits cultivated in Amazon, Caldas and Northern Tolima Regions

Abstract

En esta tesis se presenta un análisis del diseño del proceso para la obtención de extractos ricos en antioxidantes a partir de cinco frutas tropicales (Cordata matisia, Physalis peruviana, Solanum betaceum, Theobroma grandiflorum, Renealmia alpinia). Se utilizaron procedimientos de simulación basado en la caracterización experimental para evaluar el rendimiento de las diferentes tecnologías para las etapas de pretratamiento, extracción y concentración utilizando el software Aspen Plus. Se utilizaron dos tecnologías para el pretratamiento: secado convencional y secado por liofilización; para la extracción se evaluaron extracción supercrítica y con solventes, mientras que para la etapa de concentración se utilizó destilación al vacío y procesos de separación por membranas "ultrafiltración". Teniendo en cuenta lo anterior, ocho posibles configuraciones de proceso con integración másica fueron evaluadas con y sin integración energética en términos técnicos, económicos y ambientales de cada fruta. Además, se utilizaron modelos termodinámicos para determinar las condiciones de operación para todas las tecnologías, esto permitió minimizar los altos costos y el tiempo que implican los experimentos. Las evaluaciones técnicas que se presentan, incluyen la evaluación de los impactos económicos y ambientales. No obstante, estudios posteriores son necesarios para poner en práctica este tipo de proceso a escala industrial, pero este tipo de análisis sirven como base para el desarrollo de procesos eficientes. La principal desventaja asociada con las tecnologías convencionales es la degradación de los compuestos antioxidantes dado a la oxidación de compuestos antioxidantes, mientras que las tecnologías de gama alta conservan la calidad del producto, sin embargo, su costo es relativamente alto. Una característica común en las configuraciones de proceso fue la gran influencia de los costos de las materias primas en el coste de producción total. Este trabajo es un punto de partida para mejorar la cadena productiva de frutas tropicales e integrar como posibles nuevas alternativas de transformación. Con el fin de comparar los resultados obtenidos por simulación, los compuestos polifenólicos de cada fruta tropical fueron extraídos por las diferentes configuraciones de proceso y se evaluaron la actividad antioxidante de cada extracto con el propósito de comparar la calidad del producto final. Además, se diseño una biorefinería a base de copoazu a la cual se le realizó un análisis económico y ambiental. Se encontró que el uso de los datos experimentales, junto con el procedimiento de simulación son herramientas poderosas para el diseño y análisis de los procesos de extracción de antioxidantes. Como resultado final se demostró la viabilidad de la extracción de antioxidante para todas las frutas estudiadas con excepción de la fruta copoazú. Además, es importante tener en cuenta que la cáscara de Alpinia R. contiene relativamente cantidades más altas de compuestos polifenólicos con mayor actividad antioxidante. Por último, la producción de extractos ricos en antioxidantes a partir de frutas tropicales podría ser considerada como una oportunidad para promover el desarrollo rural con la participación de los productores en pequeña escala, como proveedores de materia prima.

Abstract : In this thesis, a process design to obtain antioxidant-rich extracts from five tropical fruits (i.e. Matisia cordata, Physalis peruviana, Solanum betaceum, Theobroma grandiflorum, Renealmia alpinia) is presented. Simulation procedures based on experimental characterization were used to evaluate the yield of different technologies for pretreatment, extraction and concentration procedures using the Aspen Plus software. Both the conventional and freeze drying technologies were evaluated as pretreatment methods whereas conventional solvent and supercritical fluids were used for the extraction procedure. The concentration stage was performed by using vacuum distillation or ultrafiltration processes. Eight possible process configurations with mass integration were evaluated with and without energetic integration in technical, economic and environmental terms for each fruit. In this study, thermodynamic models were used in order to provide convenient use of the operation conditions for all the technologies, this methodology permit minimize the high costs and time that involve the experiments. The technical evaluations presented in this work provide the feasibility of process configurations, which included the evaluation of economic and environmental impacts. Nonetheless, several adjustments must be done to implement this type of process at industrial scale, but this kind of analysis serve as the basis draw recommendations for the efficient development processes. In this work was also proposed several process configurations with both conventional and high-end technologies for pretreatment, extraction and concentration stages. The major disadvantage associate with the conventional technologies is the degradation of antioxidant compounds by the possibility of oxidation of antioxidant compounds while the high-end technologies retain the product quality. However, the major disadvantage of high-end technologies is its relatively high cost. A common feature found in the process configurations for all considered feedstock was the high influence of raw material costs in total production cost. This work is a starting point to improve the tropical fruits productive chain and integrate as possible new transformation alternatives. In order to compare the simulation results, the polyphenolic compounds from each tropical fruit were extracted by the different process configurations and the antioxidant activities of extracts were evaluated with the purpose of compare the quality of the final product. Additionally, a process design and an economic and environmental analysis for a biorefinery-based on an exotic fruit as copoazu were performed. It was found that the uses of experimental data together with simulation procedure are powerful tools for designing and analyzing the processes for antioxidant rich-extracts. As final results it was demonstrated the feasibility of antioxidant extraction for all fruits studied excepting the copoazu fruit. Additionally, it is important to note that the R. alpinia peel contained relatively the highest amounts of polyphenolic compounds with highest antioxidant activity. Finally, the antioxidant rich-extracts production from tropical fruits could be considered as an opportunity to promote rural development with the participation of small scale producers as feedstock suppliers.