Mathematical modeling and computational simulation of multiphase transport and structural deformation in porous food during microwave vacuum drying

Abstract

Existem diversos métodos para preparar alimentos utilizando calor, como fritura, cocção, secagem solar, fornos com diferentes fontes de energia (gás, lenha, elétrico), secagem com convecção forçada e micro-ondas. A escolha do método mais adequado depende dos produtos desejados, além de considerações de viabilidade. Neste trabalho, nos concentramos em um método discutido na literatura há mais de 50 anos e que tem sido aplicado nos setores industriais de alimentos e farmacêuticos há mais de 20 anos: o processo de secagem por micro-ondas a vácuo (MWVD). O método oferece vantagens se comparado a métodos convencionais. Devido à aplicação do vácuo, a temperatura de secagem é reduzida, e, o tempo de aquecimento é menor em razão das características das ondas eletromagnéticas. As temperaturas mais baixas e o tempo de exposição ao calor reduzido ajudam a preservar o sabor, as cores e até mesmo certas vitaminas nos alimentos. Após selecionar o método a ser estudado, definiu-se que o mesmo seria investigado por meio de simulações computacionais. Portanto, o objetivo deste trabalho foi prever a evolução do estado de uma matriz alimentícia porosa durante MWVD, por meio de simulação numérica, validada experimentalmente, e embasada em um modelo matemático composto por distribuição de ondas eletromagnéticas em uma cavidade e as transferência de calor e massa com mudança de fase acoplada a mecânica dos sólidos. Apesar das várias tentativas de investigar a deformação de diferentes produtos alimentícios sob diversos processos e condições de secagem, ainda faltam estudos que analisem os efeitos combinados do Eletromagnetismo, Transporte Multifísico com mudança de fase e Mecânica dos Sólidos em um meio poroso durante MWVD. Com o intuito de preencher essa lacuna, foram realizados experimentos em bancada de laboratório e simulações computacionais. Os experimentos foram realizados em triplicata, utilizando a batata como matriz porosa e um micro-ondas doméstico adaptado com uma câmara de vácuo. A partir destes experimentos, foram coletados dados de potência absorvida na cavidade, temperatura e deformação inicial e final do alimento, e variação da umidade do alimento ao longo do tempo. As simulações foram realizadas utilizando o software comercial COMSOL Multiphysics. Os dados obtidos foram comparados com os resultados dos experimentos. O modelo e a simulação numérica demonstraram que os gradientes de pressão são responsáveis pelas deformações de expansão na estrutura do alimento. Enquanto os gradientes de concentração formados durante a perda de água, tiveram o maior efeito na deformação, causando o encolhimento inelástico da amostra. O estudo ressalta a influência das condições de contorno, propriedades físicas e mecânicas, bem como seus efeitos subsequentes na dinâmica da secagem, proporcionando uma melhor compreensão dos mecanismos envolvidos no processo. Essas descobertas fornecem informações valiosas sobre o comportamento do teor de umidade, temperatura, pressão e deformação durante o processo MWVD e podem ser úteis na otimização do processo, no desenvolvimento e melhoramento de produtos e no design de novos equipamentos.

Abstract: There are several methods for food preparation involving heat, including frying, cooking, solar drying, ovens with different energy sources (gas, wood, electric), forced convection drying, and microwave drying. The choice of the most suitable method depends on the desired food products and feasibility considerations. In this study, we focus on a method that has been discussed in the literature for over 50 years and has been applied in the food and pharmaceutical industries for more than 20 years: the microwave vacuum drying (MWVD) process. This method offers advantages compared to conventional methods. By applying a vacuum, the drying temperature is reduced, and the heating time is shortened due to the properties of electromagnetic waves. Lower temperatures and reduced heat exposure time help preserve the flavor, color, and even certain vitamins in the food. After selecting the method for investigation, it was decided to study it through computer simulations. Therefore, the objective of this work was to predict the evolution of a porous food matrix during MWVD through numerical simulation, based on a mathematical model that combines electromagnetic wave distribution in a cavity, heat and mass transfer with phase change, and solid mechanics. Despite several attempts to investigate the deformation of different food products under various drying processes and conditions, there is still a lack of studies that analyze the combined effects of Electromagnetism, Multiphysics Transport with phase change, and Solid Mechanics in a porous medium during MWVD. To address this gap, experiments were conducted on a laboratory bench and computer simulations were performed. The experiments, which involved using potatoes as the porous matrix and a domestic microwave adapted with a vacuum chamber, were carried out in triplicate. From these experiments, data were collected on the absorbed power in the cavity, temperature, initial and final deformation of the food, and variation of food moisture over time. The simulations were conducted using the commercial software COMSOL Multiphysics, and the obtained data were compared with the experimental results. The model and numerical simulation demonstrated that pressure gradients are responsible for expansion deformations in the food structure, while water loss, which had the greatest impact on deformation, caused shrinkage of the sample. The study highlights the influence of boundary conditions, physical and mechanical properties, as well as their subsequent effects on drying dynamics, providing a better understanding of the mechanisms involved in the process. These findings offer valuable insights into the behavior of moisture content, temperature, pressure, and strain during the MWVD process, which can be useful for process optimization, product development, and the design of new equipment.