Modelagem multifísica de electro-tecnologias no processamento de alimentos: processamento térmico por micro-ondas de fluxo contínuo e secagem eletrohidrodinâmica. - Oishi, Tamires Kawahara (2023)
O aumento da utilização de energias renováveis e o desenvolvimento de electro-tecnologias inovadoras no processamento de alimentos têm o potencial de reduzir as emissões e o consumo de recursos naturais e aumentar a eficiência energética. Tratamentos assistidos por campo elétrico (micro-ondas e eletrohidrodinâmica (EHD)) têm sido utilizados como alternativa aos processos de aquecimento e secagem de alimentos devido ao menor tempo de processamento e melhor preservação da qualidade dos alimentos. A interação entre o campo elétrico, escoamento de fluidos e temperatura é complicada de avaliar apenas através de ensaios experimentais. Um modelo multifísico é uma ferramenta útil para melhor avaliar ou otimizar um processamento de alimentos. Este trabalho tem como objetivo a modelagem multifísica do processamento térmico assistido por micro-ondas em fluxo contínuo e de um sistema de secagem por eletrohidrodinâmica na configuração fio-placa com fluxo de ar cruzado. Uma cavidade de micro-ondas e um tubo de retenção projetados para processamento térmico de fluxo contínuo de alimentos líquidos foram avaliados para o tratamento de suco de maçã fresco e água de coco. Foi construído um modelo tridimensional baseado em uma unidade de processamento térmico assistida por micro-ondas (MicroThermics, 2,45 GHz, 6 kW). As simulações foram implementadas usando o Método de Elementos Finitos no COMSOL Multiphysics (v.6.1). As físicas de ondas eletromagnéticas, escoamento laminar e transferência de calor foram combinadas iterativamente para resolver e predizer a intensidade do campo elétrico, o perfil de velocidade e a distribuição de temperatura dentro do domínio do fluido. A inativação térmica das enzimas polifenol oxidase (PPO) e peroxidase (POD) foi predita adicionando a física de transporte de espécies diluídas ao modelo. Para validação do modelo, o suco de maçã não clarificado foi anteriormente processado na unidade com vazões de 0,4 e 0,8 L/min e temperaturas de pasteurização de 70, 80 e 90 °C. Os resultados da distribuição de temperatura foram úteis para determinar regiões quentes e frias dentro do tubo e mostraram um gradiente de temperatura da seção transversal na saída do tubo. A água de coco fresca foi processada em diferentes vazões (0,5, 0,7, 0,9 e 1,1 L/min) e temperaturas (80,90, 100 e 110 °C). A comparação entre os resultados numéricos e experimentais mostraram que o modelo tem uma boa capacidade de predição da temperatura de saída do aquecedor, com erro absoluto médio de 3, °C. Também foram fornecidas predições confiáveis para as atividades residuais de PPO e POD após o tubo de retenção, com a maioria dos desvios abaixo de 10%. A secagem convectiva EHD é uma tecnologia não térmica para preservar alimentos por desidratação de materiais sensíveis ao calor. Um sistema EHD (fio-placa) foi modelado usando COMSOL Multiphysics (v.6.1). As físicas de eletrostática, escoamento turbulento, transferência de calor em fluidos e transporte de umidade e energia foram totalmente acopladas para prever a intensidade do campo elétrico, escoamento do ar, coeficiente convectivo de transferência de calor e remoção de umidade. Foi possível simular o fluxo de ar induzido por EHD do fio para a placa combinado com um fluxo de ar cruzado. O coeficiente convectivo de transferência de calor resultante, a velocidade do ar na superfície do alimento, o teor de umidade e o tempo crítico de secagem foram apresentados para cada uma das 11 condições de secagem. A combinação do potencial elétrico (0, 10, 15 e 20 kV) com a velocidade de fluxo de ar cruzado (0, 1 e 2 m/s) impactou o coeficiente convectivo de transferência de calor e a remoção de umidade; entretanto, o aumento individual de potencial elétrico e/ou velocidade do ar pouco reduziu o tempo crítico de secagem. Os principais resultados mostram que o modelo proposto pode simular adequadamente os fenômenos de fluxo de ar EHD e o processo de secagem e pode ser utilizado para melhoria da qualidade do produto, análise de eficiência energética e estudos de otimização.