Resumen de Valorization of residual strawberry extrudate througt obtaining high added value compounds and methane production by anaerobic digestion
- español
La fresa se utiliza no solo para su consumo directo por sus excelentes propiedades nutricionales, sino que también se emplea para la fabricación de otros productos derivados de la transformación del fruto, tales como mermeladas, yogures y otros derivados lácteos, bebidas refrescantes sin alcohol, helados, pasteles, sustancias aromatizantes, etc. Concretamente, alrededor del 21 % de la producción total de fresa es destinada a la obtención de estos productos. Durante el procesado industrial para la obtención de este concentrado, las fresas son prensadas y extrusionadas mediante un tornillo sin fin y tamices con diferentes luces de mallas. En este proceso, la pulpa y la parte líquida, que constituyen el concentrado de fresa, se separan de la parte fibrosa y los aquenios generando una fracción residual, que se denomina extrusionado de fresa. La fracción residual extrusionada de la fresa puede alcanzar alrededor del 7 % en peso de todas las fresas manufacturadas, las cuales deben ser procesadas y tratadas adecuadamente debido a su alta carga orgánica, y en definitiva a su alto poder contaminante. Para aprovechar los principales componentes del extrusionado de fresa (celulosa, hemicelulosa y lignina) y recuperar compuestos de alto valor añadido (compuestos bioactivos) se requiere un tratamiento previo que permita romper las barreras físicas y químicas de su complejo entramado estructural. Con este tratamiento previo se debería aumentar la accesibilidad a dichos compuestos, provocando la solubilización de los compuestos de interés, como son los compuestos fenólicos y los azúcares, posibilitando así la separación de las fases (sólida y líquida), obteniéndose una fácil recuperación de compuestos de alto valor añadido. Existen diferentes métodos de extracción entre los cuales se encuentra el pretratamiento hidrotérmico, ya sea a temperaturas y presiones bajas y/o medias, o con vapor a alta presión y temperatura y con descompresión rápida, llamado “steam-explosion”. En el caso del residuo resultante del prensado y extrusionado de la fresa, en esta Tesis Doctoral se ha realizado un estudio con diferentes pretratamientos hidrotérmicos, en distintas condiciones de presión y temperatura. Tras el posterior pretratamiento hidrotérmico, se genera una fase líquida, rica en carbohidratos fácilmente degradables, y compuestos fenólicos de alto valor añadido que, por su carácter antioxidante, podrían ser de interés para la industria farmacéutica y alimentaria. Tras la realización de estos pretratamientos hidrotérmicos y una posterior separación de las fases resultantes, se propone un proceso de purificación de compuestos fenólicos haciendo uso de una resina adsorbente ya utilizada por la industria alimentaria llamada Amberlite XAD 16. Los compuestos de alto valor añadido obtenidos tras los pretratamientos hidrotérmicos en distintas condiciones de presión y temperatura, podrían utilizarse como comonómeros para un proceso llamado vulcanización inversa. Recientemente, se han reportado en bibliografía varios estudios que demuestran la posibilidad de la utilización de algún residuo agroalimentario para su uso como comonómero en el proceso de vulcanización inversa. Usándose para la fabricación de dichos polímeros azufre elemental (S8) proveniente de los procesos de refino de petróleo. El uso de copolímeros de origen natural provenientes de residuos de la industria agroalimentaria conduciría a la obtención de un material polimérico que ofrecería un alto grado de biodegradabilidad, poder antioxidante y propiedades antimicrobianas. Para cerrar el ciclo de valorización del extrusionado de fresa, la biomasa resultante tras el pretratamiento hidrotérmico y la purificación de compuestos fenólicos, debe ser tratada adecuadamente ya que aún seguiría conteniendo una gran cantidad de materia orgánica. Los procesos biológicos anaerobios son unos de los procesos más efectivos para el tratamiento y aprovechamiento de residuos de carácter orgánico. En éstos la materia orgánica del sustrato se transforma en biogás, mezcla de dióxido de carbono (CO2, 30-40 %) y metano (CH4, 60-70 %), cuyo elevado poder calorífico (5000-6000 kcal/m3) permite su utilización como biocombustible o su uso para la generación de energía eléctrica y térmica mediante cogeneración. Todas estas razones han impulsado el estudio de la influencia de pretratamientos de hidrólisis hidrotérmica para así tratar de superar las dificultades que se podrían encontrar al procesar anaeróbicamente el residuo procedente del extrusionado de fresa sin tratamientos previos con un alto contenido en compuestos fenólicos.
- English
Strawberry is used not only for direct consumption due to its excellent nutritional properties, but is also used for the manufacture of other products derived from the transformation of the fruit, such as jams, yogurts, and other dairy derivatives, soft drinks without alcohol, ice cream, cakes, flavoring substances, etc. Specifically, around 21 % of the total strawberry production is used to obtain these products. During the industrial processing to obtain the strawberry concentrate for these by-products, the strawberries are pressed and extruded using twin-screws up to several sieves with different mesh sizes. In this process, the pulp and the liquid part, which constitute the strawberry concentrate, are separated from the fibers part and the achenes, generating a residual fraction, named strawberry extrudate (SE). The strawberry extrudate fraction can reach around 7 % by weight of all manufactured strawberries, which must be managed and treated properly due to their high organic load and high polluting power. To take advantage of the main components of the strawberry extrudate (cellulose, hemicellulose, and lignin) and to recover high added value compounds (bioactive compounds), a previous treatment is required that allows breaking the physical and chemical barriers of its complex structural framework. With this previous treatment, the accessibility to the mentioned compounds should be increased, causing the solubilization of the compounds of interest, such as phenol compounds and sugars, thus allowing the separation of the phases (solid and liquid), and obtaining an easy recovery of high added value compounds. There are different extraction methods, such as hydrothermal pre-treatment, either at low and/or medium temperatures and pressures, as well as with steam at high pressure and temperature, and with rapid decompression, called “steam-explosion”. In the case of the agro-wastes resulting from the pressed and extruded of the strawberry, in this Doctoral Thesis a study has been carried out with different hydrothermal pre-treatments, under different conditions of pressure and temperature. After the subsequent hydrothermal pre-treatment, it is generated a liquid phase, rich in easily degradable carbohydrates, and phenol compounds with high added value that, due to their antioxidant nature, could be of interest to the pharmaceutical and food industry. After carrying out these hydrothermal pre-treatments, it is proposed a purification process of phenol compounds using an adsorbent resin already used by the food industry called Amberlite XAD 16. The high added value compounds obtained after hydrothermal pre-treatments, under different conditions of pressure and temperature, have been proposed for use as comonomers for a process called inverse vulcanization. Recently, several studies have been reported in the bibliography that demostrated the possibility of the use of some agro-waste, for its use as a comonomer in the inverse vulcanization process. Being used for the manufacture of the mentioned polymers elemental sulfur (S8) from petroleum refining processes. The use of copolymers of natural origin that come residues of the agro-food industry would lead to obtaining a polymeric material that would offer a high degree of biodegradability, antioxidant power, and antimicrobial properties. To close the recovery cycle of the strawberry extrudate, the remaining biomass after the hydrothermal pre-treatment and the purification of phenol compounds, must be treated adequately since it would still contain a large amount of organic matter. In these, the organic matter of the substrate is transformed into biogas, a mixture of carbon dioxide (CO2, 30-40%) and methane (CH4, 60-70%), whose high calorific value (5000-6000 kcal/m3) allows its use as biofuel or its use for the generation of electrical and thermal energy through cogeneration. All these reasons have promoted the study of the influence of hydrothermal hydrolysis pre-treatments in order to try to overcome the difficulties that could be encountered when anaerobically processing the residue from strawberry extrudate without treatments with a high content of phenol compounds.
