Simulação dinâmica do comportamento da transferência de oxigênio em filme ativo multicamada de polietileno tereftalato (PET) para embalagem alimentícia
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Joel Camilo Souza Carneiro
Érika Cristina Cren
Érika Cristina Cren
Resumo
A demanda por alimentos de maior qualidade e a necessidade de proteção e preservação dos alimentos sensíveis ao oxigênio, levaram ao desenvolvimento de novas tecnologias de embalagem, como as embalagens ativas. A embalagem pode ser chamada ativa quando desempenha alguma função desejada na preservação de alimentos, além de fornecer uma barreira inerte às condições externas. Os plásticos são usados na embalagem alimentícia por oferecerem uma ampla gama de propriedades. O presente trabalho usa como ponto de partida o estudo de Di Maio et al., (2017), que desenvolveram um modelo de transferência de massa de difusão transitória unidimensional (1D) para prever e otimizar o desempenho da barreira ao oxigênio e as configurações físicas dos filmes ativos de multicamadas co-extrusados de PET (Polietileno Tereftalato). A configuração do filme foi uma estrutura de três camadas tipo “ABA” onde “A” é a camada inerte de PET puro e “B” a camada interna ativa de PET com 10% de sequestrante de oxigênio (Amosorb DFC 4020E 880-4020-2). O sistema de equações diferenciais parciais que compõem o modelo do sistema estudado, não apresenta solução analítica devido à não linearidade na equação cinética, então foi empregado uma estratégia de solução baseada no Método das Linhas em que as equações diferenciais parciais (EDPs) são convertidas em um sistema de equações diferenciais ordinárias (EDOs) a ser integrado no tempo. Os parâmetros operacionais utilizados no modelo, bem como, suas correlações com as variáveis do sistema, foram obtidos das literaturas estudadas e de estimativas, objetivando determinar os que melhor se adequam ao problema proposto. Resultados preliminares foram comparados com dados experimentais da literatura e sua avaliação mostra similaridades, com o somatório de erro ao quadrado 1,7424x10−4. Com os parâmetros otimizados, o algoritmo numérico em desenvolvimento foi implementado para o filme monocamada ativo. E com base nos modelos existentes na literatura para a simulação de embalagens ativas, o presente trabalho emprega duas estratégias para modelar a cinética de absorção de oxigênio com o objetivo de validar o modelo matemático para o filme somente com camada ativa. Em ambas as estratégias, os parâmetros do modelo cinético são estimados pela minimização dos quadrados dos desvios dos dados experimentais, considerando a variação temporal e espacial da concentração de oxigênio e
sequestrante na camada ativa. O método de linha é empregado para resolver o modelo e a direção espacial é discretizada por diferenças finitas. O objetivo de validar o modelo matemático para o filme somente com camada ativa foi alcançado. A taxa de reação é bem descrita pela segunda estratégia proposta no trabalho que apresentou uma diferença mínima de 15,69 entre os valores experimentais e preditos pelos autores de Di Maio et al (2018). Essa estratégia é confirmada como o modelo que melhor se ajusta aos dados experimentais com uma redução significativa de 76%. quando comparada ao valor obtido pela primeira estratégia adotada que obteve desvio de 65,2.
Abstract
The demand for higher quality foods and the need to protect and preserve oxygen-
sensitive foods have led to the development of new packaging technologies, such as
active packaging. Packaging can be called active when it performs some desired
function in food preservation, in addition to providing an inert barrier to external
conditions. Plastics are used in food packaging because they offer a wide range of
properties. The present work uses as a starting point the study by Di Maio et al.,
(2017), who developed a one-dimensional (1D) transient diffusion mass transfer
model to predict and optimize oxygen barrier performance and physical
configurations. of PET (Polyethylene Terephthalate) co-extruded multilayer active
films. The film configuration was a three-layer “ABA” type structure where “A” is the
inert layer of pure PET and “B” the active inner layer of PET with 10% oxygen
scavenger (Amosorb DFC 4020E 880-4020- two). The system of partial differential
equations that make up the model of the studied system does not present an
analytical solution due to the non-linearity in the kinetic equation, so a solution
strategy was used based on the Line Method in which the partial differential
equations (PDEs) are converted into a system of ordinary differential equations
(ODEs) to be integrated over time. The operational parameters used in the model, as
well as their correlations with the system variables, were obtained from the studied
literature and estimates, aiming to determine those that best suit the proposed
problem. Preliminary results were compared with experimental data from the
literature and their evaluation shows similarities, with the sum of squared error
1,7424x10−4. With the optimized parameters, the numerical algorithm under
development was implemented for the active monolayer film. And based on the
existing models in the literature for the simulation of active packaging, the present
work employs two strategies to model the oxygen absorption kinetics with the
objective of validating the mathematical model for the film with only an active layer. In
both strategies, the parameters of the kinetic model are estimated by minimizing the
squares of the deviations of the experimental data, considering the temporal and
spatial variation of the oxygen and scavenger concentration in the active layer. The
line method is employed to solve the model and the spatial direction is discretized by
finite differences. O objetivo de validar o modelo matemático para o filme somente
com camada ativa foi alcançado. A taxa de reação é bem descrita pela segunda
estratégia proposta no trabalho que apresentou uma diferença mínima de 15,69
entre os valores experimentais e preditos pelos autores de Di Maio et al (2018). Essa
estratégia é confirmada como o modelo que melhor se ajusta aos dados
experimentais com uma redução significativa de 76% quando comparada ao valor
obtido pela primeira estratégia adotada que obteve desvio de 65,2.
Assunto
Engenharia quimica, Polietileno, Cinética de reações químicas, Polímeros, Embalagens - Indústria, Oxigênio, Alimentos - Conservação, Alimentos - Embalagens
Palavras-chave
Sequestrador de oxigênio, Embalagem ativa, Polímero, Cinética de reação, Modelagem