Determinação de parâmetros, modelagem matemática e simulação numérica da secagem de polpa de tomate por cast-tape drying

Abstract

O tomate e a polpa de tomate são muito consumidos mundialmente e a desidratação é um processo que pode ser utilizado para estender a vida útil deste alimento. Entre outras técnicas, a secagem por Cast-Tape Drying (CTD) é uma alternativa para a desidratação de produtos termossensíveis, pois é um processo realizado a temperaturas menores que as secagens convencionais, com tempos de processo relativamente curtos. Este trabalho estudou a modelagem matemática e a simulação numérica do processo de secagem de polpa de tomate, comparando os resultados aos dados experimentais da secagem por CTD. Foram determinados experimentalmente os coeficientes convectivos de transferência de calor e de massa para o processo e construiu-se a isoterma de dessorção da polpa de tomate nas condições da secagem estudada. Durante a secagem foram monitoradas a temperatura e a velocidade do ar de secagem, a temperatura, umidade e espessura da polpa e a temperatura da água circulante. A solução do modelo de transferência de calor e de massa em regime transiente, proposto para o processo foi realizada com o auxílio do software COMSOL Multiphysics utilizando o Método dos Elementos Finitos para resolução numérica das equações. O modelo baseia-se na transferência de calor condutiva e na evaporação da umidade na superfície da polpa. Os fenômenos de transferência de calor e de massa estão ligados através das propriedades térmicas da polpa, as quais se baseiam na composição centesimal da amostra. O processo de desidratação estudado leva cerca de 8 min para reduzir a umidade da polpa de 9 para menos de 0,1 , tendo assim uma capacidade evaporativa de aproximadamente 14 . O modelo físico proposto para descrever o processo foi capaz de predizer as evoluções da umidade e da temperatura da polpa de tomate durante a secagem por CTD. O modelo, baseado nos fenômenos de transferência de calor e de massa presentes na secagem de polpa por CTD, é uma ferramenta útil para o estudo e otimização deste processo e para sua aplicação em outras matérias-primas.<br>

Abstract : Tomatoes and tomato pulp are extensively consumed worldwide and the dehydration process can be used to extend their shelf life. Among other techniques, the Cast-Tape Drying (CTD) is an alternative to dehydrate thermosensitive products, since CTD occurs under a relative low temperature and short time when comparing to conventional drying processes. The present work studied the mathematical modelling and numerical simulation of the tomato pulp drying process, validating the results with experimental data. Heat and mass transfer convective coefficients were experimentally determined as well as the desorption isotherm of the tomato pulp under the conditions of the studied process was constructed. During the drying process, it was measured and recorded the temperature and velocity of the air, the temperature, moisture and thickness of the pulp, and the temperature of circulating water. The Finite Element Method for numerical solution of the heat and mass transfer model was performed using COMSOL Multiphysics software. The model was based on conductive heat transfer and moisture evaporation on pulp surface. The heat and mass transfer phenomena are connected by pulp thermophysical properties, which are based on the sample centesimal composition. CTD process reduced the pulp moisture content from 9 to less than 0.1 in about 8 minutes, showing an evaporative capacity around 14 . The physical model proposed to describe the drying process was able to predict the moisture and temperature behaviour during tomato pulp drying by CTD. The model based on heat and mass transfer phenomena well represented the pulp drying by CTD, being an useful tool for the study and optimization of the process and its application in another raw materials.