Modelagem e simulação da secagem convectiva de materiais alimentícios via método de elementos finitos (2023)
- Authors:
- Autor USP: SILVA JÚNIOR, MARCO ANTÔNIO VASILIEV DA - FZEA
- Unidade: FZEA
- Sigla do Departamento: ZEA
- DOI: 10.11606/T.74.2023.tde-02022024-101632
- Subjects: SECAGEM; SIMULAÇÃO; TEXTURA; MÉTODO DOS ELEMENTOS FINITOS
- Agências de fomento:
- Language: Português
- Abstract: 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 determinadafunção 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
- Imprenta:
- Publisher place: Pirassununga
- Date published: 2023
- Data da defesa: 02.03.2023
- Este periódico é de acesso aberto
- Este artigo é de acesso aberto
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- Cor do Acesso Aberto: gold
- Licença: cc-by-nc-sa
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ABNT
SILVA JÚNIOR, Marco Antônio Vasiliev da. Modelagem e simulação da secagem convectiva de materiais alimentícios via método de elementos finitos. 2023. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, Pirassununga, 2023. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/74/74133/tde-02022024-101632/. Acesso em: 21 maio 2024. -
APA
Silva Júnior, M. A. V. da. (2023). Modelagem e simulação da secagem convectiva de materiais alimentícios via método de elementos finitos (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, Pirassununga. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/74/74133/tde-02022024-101632/ -
NLM
Silva Júnior MAV da. Modelagem e simulação da secagem convectiva de materiais alimentícios via método de elementos finitos [Internet]. 2023 ;[citado 2024 maio 21 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/74/74133/tde-02022024-101632/ -
Vancouver
Silva Júnior MAV da. Modelagem e simulação da secagem convectiva de materiais alimentícios via método de elementos finitos [Internet]. 2023 ;[citado 2024 maio 21 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/74/74133/tde-02022024-101632/ - Estudo experimental e modelagem matemática da secagem convectiva de fatias de gel de amido-alginato
- Modelagem do encolhimento durante a secagem convectiva de fatias de batata
- Estudo do encolhimento de fatias de vegetais durante a secagem via modelagem 3D
- Estudo do efeito crocante durante a secagem convectiva de alimentos
- Modeling of convective drying of cornstarch-alginate gel slabs
- Estudo do encolhimento e efeito crocante durante a secagem de alimentos
Informações sobre o DOI: 10.11606/T.74.2023.tde-02022024-101632 (Fonte: oaDOI API)
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