SIP 20150900 Simulación numérica del encogimiento de alimentos utilizando el concepto de pérdida volumétrica de humedad.

El encogimiento puede entenderse como una deformación estructural significativa en la forma y tamaño de la muestra. Durante el secado de alimentos la humedad es removida de la superficie del tejido, luego las paredes de los poros llenos de agua experimentan una presión que arrastra toda la matriz hacia el centro. Este estrés de contracción resulta en cambios estructurales del alimento que afectan su calidad. En condiciones drásticas de secado, las muestras también pueden desarrollar agrietamientos sobre su superficie lo cual se debe a perturbaciones mecánicas dentro de la estructura de la matriz debido a un encogimiento excesivo y no uniforme.
La predicción del encogimiento es de interés para la industria de los alimentos, pues diversos modelos resultan muy complejos o difíciles de implementar en la práctica. Por lo cual es necesario conocer el efecto de los parámetros de secado y las interacciones del fluido de secado con la matriz sólida del alimento considerando un concepto macroscópico de la tasa de evaporación de humedad durante el secado.
En la presente propuesta, se busca desarrollar un modelo matemático que considere las condiciones del secador, las propiedades del material y un criterio de transporte que acople la pérdida volumétrica de humedad del material con la evolución del tamaño del material en la dirección principal de migración del vapor de agua.
Una formulación basada en ecuaciones diferenciales parciales, ecuaciones constitutivas, condiciones del secador, y un teorema de balance de pérdida de humedad volumétrica deberá ser resuelta numéricamente. Las predicciones numéricas se compararán con datos experimentales de temperatura y contenido de humedad.

En el presente trabajo se desarrolló un modelo matemático adimensional, que se obtuvo mediante la inclusión de la reducción de tamaño del alimento en una geometría 1D. Las ecuaciones de conservación de masa y calor fueron acopladas al teorema de transporte de Reynolds en la interfase del alimento para tomar en consideración la reducción del sólido. El sistema de ecuaciones diferenciales no lineales, en estado no estacionario fue resuelto numéricamente. Para validar este modelo, se realizaron experimentos de secado a tres temperaturas: 40, 50 y 60°C, con una humedad relativa constante del 25% y una velocidad del aire de 1.5 m/s. Se obtuvieron cinéticas de secado y la evolución de temperatura del producto. El modelo fue capaz de predecir: la pérdida del contenido de humedad, la evolución de la temperatura, la rapidez de secado por unidad de área variable, la distribución espacial del contenido de humedad respecto al cambio de espesor así como la distribución de temperatura en el domino.
Las simulaciones a 60°C modelan con mayor exactitud el proceso de secado (RMSD= 0.11 kg agua/kg sólido). Concluimos que cuando los fluxes de materia son mayores, el teorema de transporte de Reynolds describe mejor la física de evacuación de humedad del material. Asimismo, la aplicación de una temperatura alta (T=60°C), permite disminuir la resistencia al transporte de humedad debido al daño/rompimiento de las membranas celulares, que conduce a valores de difusividad de humedad más grandes que deberán considerarse en una futura mejora del modelo.