Study of polyphenols recovery from orange juice production waste by forward osmosis

The agro-food sector generates in Europe around 90 million tons of residues per year, being orange one of the most cultivated fruits. The orange juice industrial production process generates a solid waste known as Orange Peel Waste (OPW), which is generally used as animal feed or to generate energy. OPW has great potential for utilisation, being rich in bioactive compounds, such as polyphenols, which are recognized having a powerful antioxidant activity, helping to prevent cancer, neurodegenerative and cardiovascular disease. Despite their potential, developing an efficient method for polyphenol recovery from OPW is challenging due to the sensitivity of polyphenols to temperature gradients, involved in some traditional concentration methods. This Master Thesis aims to overcome these challenges using Forward Osmosis, an emerging membrane technology which has the great advantage of being a non-thermal and non-pressurised process. Three inorganic salts (NaCl, MgCl2, CaCl2) were tested as draw solutions and two types of feed solutions were analysed: raw orange extract and ultrafiltered orange extract. For each experiment three tests were conducted: membrane characterization test, concentration test, and samples characterization tests for both the feed and draw solutions, including total phenolic content, chemical oxygen demand, sugar content, pectin content, chloride content, pH, conductivity and colour measurement. After the concentration process, a cleaning protocol was followed to restore membrane initial conditions Results indicated the necessity of a pre-ultrafiltration step for the feed, as high organic content in the raw orange extract caused excessive membrane fouling, reducing water flux and process efficiency. This was evidenced also by lower polyphenol concentration in non-ultrafiltered experiments. Among the salts tested, NaCl emerged as the best draw solution due to its higher volume reduction factor and greater polyphenol concentration. Once the experimental values were obtained, a modelling was performed employing MATLAB R2021b as software for the model simulation. The model, originally performed only with a synthetic wastewater, not yet been tested with orange wastewater was used to compare the simulated values with the experimental results of membrane characterization and concentration tests for the best experiment: sodium chloride as draw solution and ultrafiltered feed.

Il settore agroalimentare in Europa genera circa 90 milioni di tonnellate di residui all'anno, con l'arancia che rappresenta uno dei frutti più coltivati. Il processo industriale di produzione del succo d'arancia genera un rifiuto solido noto come Orange Peel Waste (OPW), generalmente utilizzato come mangime per animali o per la produzione di energia. Tuttavia, l'OPW ha un grande potenziale di utilizzo, essendo ricco di composti bioattivi come i polifenoli, noti per la loro potente attività antiossidante e per la loro capacità di prevenire il cancro, le malattie neurodegenerative e cardiovascolari. Nonostante questo potenziale, sviluppare un metodo efficiente per il recupero dei polifenoli dall'OPW è una sfida, a causa della sensibilità di queste molecole ai gradienti di temperatura coinvolti in alcuni metodi di concentrazione tradizionali. Questa Tesi Magistrale mira a superare tali sfide utilizzando l’emergente tecnologia a membrana Forward Osmosis la quale presenta il grande vantaggio di essere un processo non termico e non pressurizzato. Sono stati testati tre sali inorganici (NaCl, MgCl2, CaCl2) come soluzioni saline e due tipi di soluzioni di alimentazione: estratto di arancia grezzo ed estratto di arancia ultrafiltrato. Per ogni esperimento sono stati condotti tre tipi di test: test di caratterizzazione della membrana, test di concentrazione e test di caratterizzazione dei campioni sia per le soluzioni di alimentazione che di richiamo. Le analisi hanno incluso il contenuto fenolico totale, la domanda chimica di ossigeno, il contenuto di zuccheri, il contenuto di pectina, il contenuto di cloruri, il pH, la conducibilità e la misurazione del colore. Dopo il processo di concentrazione, è stato seguito un protocollo di pulizia per ripristinare le condizioni iniziali della membrana. I risultati hanno evidenziato la necessità di un passaggio preliminare di ultrafiltrazione per la soluzione di alimentazione. Senza questo step, l'elevato contenuto organico nell'estratto di arancia grezzo provoca una formazione eccessiva di fouling sulla superficie della membrana, riducendo il flusso d'acqua e l'efficienza del processo. Tra i sali testati, NaCl è emerso come la migliore soluzione salina grazie alla maggiore concentrazione di volume ottenuta nel processo, come anche maggiore concentrazione di polifenoli. Ricavati i valori sperimentali, è stata effettuata un’analisi di modellazione utilizzando MATLAB R2021b come software per la simulazione. Il modello, originariamente testato solo con acque reflue sintetiche, è stato impiegato per confrontare i valori simulati con i risultati sperimentali dei test di caratterizzazione della membrana e il test di concentrazione relativi a quello che è risultato il migliore esperimento: cloruro di sodio come soluzione salina e alimentazione ultrafiltrata.