Modelagem e simulação da secagem convectiva de materiais alimentícios via método de elementos finitos

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Silva Júnior, Marco Antônio Vasiliev da
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Analise de textura; Drying; Encolhimento; Finite element method; Método de elementos finitos; Modelagem e simulação; Modeling and simulation; Secagem; Shrinkage; Texture analysis
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/74/74133/tde-02022024-101632/

A secagem convectiva de materiais alimentícios permite a remoção de umidade por meio de fenômenos de transferência de calor e massa. Embora a secagem seja amplamente utilizada na indústria alimentícia, o desenvolvimento de pesquisas na área de modelagem e simulação resulta em produtos secos com qualidade padronizada. Adicionalmente, a elaboração de modelos matemáticos proporciona maior entendimento dos fenômenos físicos envolvidos e otimização das dos parâmetros operacionais quanto a economia de energia e rendimento de processo. Durante a secagem, o principal fenômeno é a remoção da umidade do sólido, mas outras transformações também são observadas, tais como: volume e forma da geometria inicial, e resistência mecânica do material. Além da aplicação em frutas, vegetais e ingredientes alimentícios, a secagem convectiva também é utilizada na desidratação de géis, filmes biodegradáveis, e produção de microcápsulas a partir de polímeros naturais. Em especial, os hidrogéis ou alimentos com elevado teor de umidade, sofrem grade redução de volume com a perda de umidade. O encolhimento volumétrico também é afetado pelas condições operacionais de temperatura, velocidade e umidade do material, as quais propiciam o empacotamento da matriz solida e alteração de propriedades mecânicas do sólido. Neste contexto, a elaboração de modelos matemáticos via métodos numéricos, permite descrever os fenômenos físicos acoplados, e predizer as condições operacionais otimizadas a uma determinada função objetivo. Este trabalho teve como objetivo a elaboração de modelos matemáticos que permitem descrever a secagem convectiva de alimentos e materiais com elevado conteúdo de umidade, via método de elementos finitos (FEM), a fim de correlacionar a umidade do sólido, encolhimento volumétrico e propriedades mecânicas. Em um primeiro estudo, o modelo FEM acoplado a parâmetros mecânicos, obtidos a partir de ensaios de textura, permitiu simular os perfis de umidade e encolhimento de hidrogéis cilíndricos de amido-alginato, durante a secagem convectiva a 60 °C e 0,5 m/s. O maior encolhimento foi observado para modelo Textura-FEM, em hidrogéis com elevado conteúdo de umidade inicial. Este fenômeno pode ser explicado pela redução do modulo de elasticidade destes materiais nos instantes iniciais da secagem, e que proporcionou maior deformação do sólido. Em contrapartida, os hidrogéis com menor conteúdo de umidade inicial tiveram similares encolhimentos preditos, tanto para o modelo FEM, como para o modelo acoplado Textura-FEM. Em um segundo estudo, fatias de batata cortadas em cilindro, cubo, paralelepípedo e prisma foram submetidas a secagem convectiva, a 40-80 °C e 0,5 m/s. O modelo FEM, gerado em malha tridimensional e regime transiente, permitiu descrever os perfis de umidade e encolhimento com precisão, e então comparar o desempenho da secagem em relação às diversas geometrias. Adicionalmente, o modelo linear-Fick foi utilizado para obtenção dos valores de umidade critica. As fatias de batata apresentaram perfis de umidade versus tempo similares entre as geometrias iniciais. As fatias cilíndricas apresentaram maior encolhimento predito, seguido pelos cubos, prismas e paralelepípedos. A umidade critica das batatas esteve entre 1,79 e 2,43 kg·kg-1 db, sendo a umidade inicial esteve entre 4,60 e 5,87 kg·kg-1 db. A elaboração de modelos numéricos que permitiu descrever adequadamente os fenômenos multifísicos existentes na secagem convectiva, tais como a perda de umidade, encolhimento volumétrico e propriedades mecânicas.