Modelagem da transferência de massa unidimensional na desidratação osmótica de frutas considerando o encolhimento

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Universidade Federal de Minas Gerais

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Dissertação de mestrado

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Membros da banca

Andrea Oliveira Souza da Costa
Viviane Santos Birchal

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Desidratação osmótica é uma operação usada para remoção parcial de água de alimentos como frutas e legumes. Nesse processo, os alimentos são colocados em solução hipertônica e por osmose ocorre a perda de água do alimento para a solução. Vários fatores influenciam o processo, tais como o tipo de agente osmótico, concentração de soluto, temperatura da solução, tempo de exposição, agitação, tamanho, forma, área superficial e compactação do material. Uma ferramenta amplamente empregada para avaliar o processo de desidratação é a modelagem matemática. Neste trabalho foram desenvolvidas ferramentas numéricas e computacionais para descrever o processo de transferência de massa unidimensional na desidratação osmótica de frutas. A cinética característica desse processo foi descrita por meio de dois tipos de modelos matemáticos que usam soluções numéricas da equação de difusão. No primeiro, consideraram-se os parâmetros de processo e as dimensões do produto constantes; no segundo, admitiu-se que essas grandezas são variáveis. Para isto a equação de difusão foi discretizada via método das diferenças finitas. As soluções desenvolvidas foram validadas pela comparação com resultados fornecidos por soluções analíticas e com dados experimentais disponíveis na literatura. Além disso, para estimar a difusividade efetiva de transferência de massa, foi resolvido um problema de otimização cuja função objetivo é a Soma do Quadrado dos Resíduos (SQR) entre os valores simulados e os dados experimentais. A estratégia de estimação dos parâmetros desenvolvida mostrou uma capacidade satisfatória para obter os parâmetros necessários ao estudo deste trabalho, conseguindo chegar à região que contém os valores ótimos para os parâmetros. A partir dos dados obtidos da literatura, foram realizadas otimizações a fim de obter expressões para descrição da difusividade efetiva de água. Os resultados obtidos para as difusividades de água estão de acordo com a literatura. Os resultados obtidos através dos modelos matemáticos que consideraram a difusividade variável e o encolhimento tiveram uma maior adequação aos dados experimentais.

Abstract

Osmotic dehydration is an operation used to partially remove water from foods such as fruits and vegetables. Several factors influence the process, such as the type of osmotic agent, solute concentration, solution temperature, exposure time, suspension, size, shape and compacting of the material. A tool widely used to evaluate the dehydration process is mathematical modeling. In this work, numerical and computational tools were developed to describe unidimensional mass transfer process in osmotic dehydration of fruits. The characteristic kinetics of the process was performed using two types of mathematical models that use numerical solutions of the diffusion equation. In the first, the process parameters and product dimensions were considered constant; in the second, it was admitted that these quantities are variable. For this, a diffusion equation was discretized using the finite difference method. The developed solutions were validated by comparison with results provided by analytical solutions and with experimental data available in the literature. In addition, to estimate the physical parameters of the mass transfer processes, was solved an optimization problem whose objective function is the Sum of the Square of Residues (SQR) between the simulated values and the experimental data. The tests indicated that the optimizer is able to obtain the parameters necessary for the study of this work, reaching the region containing the optimal values for the parameters. From the data obtained from the literature, optimizations were performed in order to obtain expressions to describe the effective water diffusivity. The results obtained for the diffusivities of water are in agreement with the literature. The results obtained through mathematical models, considering variable mass diffusivities and shrinkage proved to be a better match to the experimental data.

Assunto

Engenharia química, Calor - Transmissão, Frutas - Conservação, Massa - Transferência, Modelagem matemática

Palavras-chave

Desidratação osmótica, Conservação de frutas, Transferência de calor e massa, Lei de Fick, Simulação numérica

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