Tese de Doutorado

Para o tratamento térmico de sucos e polpas de frutas, o processamento contínuo comumente emprega trocadores de calor convencionais, sendo que aplicadores de micro-ondas em fluxo contínuo oferecem vantagens em relação ao convencional. Neste trabalho foi desenvolvida a modelagem do processamento térmico contínuo de sucos e polpas em equipamento tubular com aquecimento convencional e por micro-ondas, considerando escoamento, transferência de calor e inativação. A modelagem 1D considera a variação axial da temperatura, enquanto a modelagem 2D leva em conta variações radiais do tubo, para obtenção da distribuição de temperatura e cálculo da letalidade. Para a aplicação e validação dos modelos, foram usados dados experimentais de processamento em uma unidade piloto de suco de laranja, néctar de manga e polpa de manga, com temperaturas entre 70 e 100 °C e vazões entre 0,2 e 1,2 L/min, tendo como alvo a enzima pectinametilesterase (PME). Foram calculados coeficientes globais de transferência de calor para aquecedor e resfriador, que foram correlacionados com Reynolds e Prandlt. Coeficientes foram obtidos também para a perda de calor nos tubos de retenção e aplicador de micro-ondas desligado. A simulação numérica do modelo 1D forneceu o histórico de tempo-temperatura e a distribuição da inativação da PME. É notável como o aquecimento por micro-ondas eleva rapidamente a temperatura do produto, ao contrário do trocador de calor convencional. De forma geral as diferenças de predição de temperaturas após cada seção foram inferiores a 1 °C. A previsão de atividade residual da PME após o processo teve boa correlação com os dados experimentais, considerando uma incerteza de 0,1. Para algumas condições do suco de laranja, o modelo forneceu uma inativação maior do que a experimental. Perfil de inativação indicou que mais de 60% ocorre no aquecimento convencional, enquanto no processo por micro-ondas a maior responsável é a etapa de retenção. Para o modelo 2D, os tubos helicoidais dos trocadores de calor foram modelados como tubos retos com um fator de aumento da troca de calor e correção no perfil de velocidade, obtidos experimentalmente, para levar em conta efeitos do escoamento secundário. O modelo forneceu a variação radial da temperatura do produto ao longo do processo, mas com pouca variação na diferença de predição de temperaturas e da inativação final da PME, em relação ao modelo 1D. Um modelo multifísico acoplando escoamento laminar, transferência de calor e eletromagnetismo foi desenvolvido, simulado e validado para analisar com maior detalhe o complexo padrão de aquecimento do produto dentro da cavidade, como a uniformidade de temperatura na saída, parâmetro importante para a inocuidade. As posições dos tocos no sintonizador do guia de onda foram otimizadas para mínimo retorno de potência na cavidade. Variações no formato da seção transversal da cavidade e na posição do tubo foram simuladas e ajustadas para minimizar o retorno, fornecendo configurações até melhores do que a original com relação a esta variável, entretanto, há ainda baixa uniformidade de temperatura na saída.

For the thermal treatment of fruit juices and pulps, continuous processing commonly employs conventional heat exchangers, while continuous flow microwave applicators offer advantages over conventional heat exchangers. In this work, a model of continuous thermal processing of juices and pulps in tubular equipment with conventional and microwave heating was developed, considering flow, heat transfer and inactivation. The 1D modeling considers the axial temperature variation, while the 2D modeling takes into account radial variations of the tube, to obtain the temperature distribution and calculate the lethality. For the application and validation of the models, experimental data from processing in a pilot unit of orange juice, mango nectar and mango pulp, with temperatures between 70 and 100 °C and flow rates between 0.2 and 1.2 L/min were used, targeting the enzyme pectinmethylesterase (PME). Overall heat transfer coefficients for heater and cooler were calculated and correlated with Reynolds and Prandt. Coefficients were also obtained for heat loss in the retention tubes and microwave applicator when turned off. The numerical simulation of the 1D model provided the time-temperature history and the PME inactivation distribution. It is remarkable how microwave heating rapidly increases the temperature of the product, unlike the conventional heat exchanger. In general, the temperature prediction errors after each section were less than 1 °C. The prediction of residual PME activity after processing showed a good correlation with the experimental data, considering an uncertainty of 0.1. Under certain orange juice process conditions, the model provided a higher inactivation than the experimental one. The inactivation profile indicated that more than 60% occurs in conventional heating, while in the microwave process, the retention stage is the main responsible. For the 2D model, the helical tubes of the heat exchangers were modeled as straight tubes with a heat exchange increase factor and corrected velocity profile, obtained experimentally, to take into account the effects of secondary flow. The model provided the radial variation of the product temperature throughout the process, but with little variation in the prediction error of temperatures and final inactivation of the PME, compared to the 1D model. A multiphysics model coupling laminar flow, heat transfer and electromagnetics was developed, simulated and validated to analyze in greater detail the complex heating pattern of the product inside the cavity, such as the temperature uniformity at the outlet, an important parameter for food safety. The positions of the stubs in the waveguide tuner were optimized for minimum power feedback in the cavity. Variations in the cavity cross-sectional shape and tube position were simulated and adjusted to minimize the feedback, providing configurations even better than the original with respect to this variable; however, there is still low temperature uniformity at the outlet.