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 determinada função 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.

The convective drying of food materials allows the removal of moisture through heat and mass transfer phenomena. Although drying is widely used in the food industry, the development of research in the area of modelling and simulation results in dry products with standardized quality. Additionally, the development of mathematical models provides greater understanding of the phenomena involved and the optimization of operational parameters with regard to energy savings and process yield. During drying, the main phenomena is the removal of moisture from the solid, but other transformations are also observed, such as: solid volume and shape of the initial geometry and mechanical resistance of the material. In addition to the application in fruits, vegetables and food ingredients, convective drying is also used in the dehydration of gels, biodegradable films, and production of microcapsules from natural polymers. In particular, hydrogels or foods with high moisture content suffer grid volume reduction with moisture loss. Volumetric shrinkage is also affected by the operating conditions of temperature, velocity, and moisture of the material, which provide the packaging of the solid matrix and alteration of mechanical properties of the solid. In this context, the elaboration of mathematical models via numerical methods allows describing the coupled physical phenomena, and predicting the operational conditions optimized to a given objective function. This work aimed to develop mathematical models that allow for the description of the convective drying of foods and materials with high moisture content, via the finite element method, in order to correlate solid moisture, volumetric shrinkage, and mechanical properties. In a first study, the FEM model coupled with mechanical parameters, obtained from texture tests, allowed simulating the moisture and shrinkage profiles of cylindrical starch-alginate hydrogels during convective drying at 60 °C and 0.5 m/s. The greatest shrinkage was observed for texture-fem model, in hydrogels with high initial moisture content. This phenomenon can be explained by the reduction of the modulus of elasticity of these materials in the initial moments of drying, and which provided greater deformation of the solid. On the other hand, the hydrogels with lower initial moisture content had similar predicted shrinkage, both for the FEM model and for the Texture-FEM coupled model. In a second study, pieces of potato cut into cylinder, cube, parallelepiped and prism were subjected to convective drying at 40-80 °C and 0.5 m/s. The FEM model, built as three-dimensional mesh and transient regime, allowed to describe the moisture and shrinkage profiles accurately, and then compare the drying performance in relation to the various geometries. Additionally, the linear-Fick model was used to obtain critical moisture values. Potato pieces presented similar moisture versus time profiles. The cylindrical piece showed greater predict shrinkage, followed by cubes, prisms and parallelepiped. The critical moisture of the potatoes was between 1.79 and 2.43 kg·kg^-1 db, giving the initial moisture of between 4.60 and 5.87 kg·kg^-1 db. The development of numerical models that allowed to describe the multiphysics phenomena of convective drying, such as moisture loss, volumetric shrinkage and mechanical properties.