Estudo e modelagem do processamento térmico contínuo convencional e assistido por micro-ondas de sucos e polpas de frutas. - Russo, Guilherme (2024)
Para o tratamento térmico de sucos e polpas de frutas, o processamento contínuo comumente emprega trocadores de calor convencionais, sendo que aplicadores de micro-ondas em fluxo contínuo oferecem vantagens em relação ao convencional. Neste trabalho foi desenvolvida a modelagem do processamento térmico contínuo de sucos e polpas em equipamento tubular com aquecimento convencional e por micro-ondas, considerando escoamento, transferência de calor e inativação. A modelagem 1D considera a variação axial da temperatura, enquanto a modelagem 2D leva em conta variações radiais do tubo, para obtenção da distribuição de temperatura e cálculo da letalidade. Para a aplicação e validação dos modelos, foram usados dados experimentais de processamento em uma unidade piloto de suco de laranja, néctar de manga e polpa de manga, com temperaturas entre 70 e 100 °C e vazões entre 0,2 e 1,2 L/min, tendo como alvo a enzima pectinametilesterase (PME). Foram calculados coeficientes globais de transferência de calor para aquecedor e resfriador, que foram correlacionados com Reynolds e Prandlt. Coeficientes foram obtidos também para a perda de calor nos tubos de retenção e aplicador de micro-ondas desligado. A simulação numérica do modelo 1D forneceu o histórico de tempo-temperatura e a distribuição da inativação da PME. É notável como o aquecimento por micro-ondas eleva rapidamente a temperatura do produto, ao contrário do trocador de calor convencional. De forma geral as diferenças de predição de temperaturas após cada seção foram inferiores a 1 °C. A previsão de atividade residual da PME após o processo teve boa correlação com os dados experimentais, considerando uma incerteza de 0,1. Para algumas condições do suco de laranja, o modelo forneceu uma inativação maior do que a experimental. Perfil de inativação indicou que mais de 60% ocorre no aquecimento convencional, enquanto no processo por micro-ondas a maior responsável é a etapa de retenção. Para o modelo 2D, os tubos helicoidais dos trocadores de calor foram modelados como tubos retos com um fator de aumento da troca de calor e correção no perfil de velocidade, obtidos experimentalmente, para levar em conta efeitos do escoamento secundário. O modelo forneceu a variação radial da temperatura do produto ao longo do processo, mas com pouca variação na diferença de predição de temperaturas e da inativação final da PME, em relação ao modelo 1D. Um modelo multifísico acoplando escoamento laminar, transferência de calor e eletromagnetismo foi desenvolvido, simulado e validado para analisar com maior detalhe o complexo padrão de aquecimento do produto dentro da cavidade, como a uniformidade de temperatura na saída, parâmetro importante para a inocuidade. As posições dos tocos no sintonizador do guia de onda foram otimizadas para mínimo retorno de potência na cavidade. Variações no formato da seção transversal da cavidade e na posição do tubo foram simuladas e ajustadas para minimizar o retorno, fornecendo configurações até melhores do que a original com relação a esta variável, entretanto, há ainda baixa uniformidade de temperatura na saída.