info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Modelación computacional de fenómenos de transporte para extracción por perstracción y congelación de pulpa de mango
Computational modeling of transport phenomena for extraction by perstraction and mango pulp freezing
Autor
Tabilo Araya, Edgardo Jacob
Institución
Resumen
El aumento de la productividad y calidad en alimentos y bioprocesos requiere del conocimiento de las propiedades físicas de los materiales y de los fenómenos que gobiernan el transporte de calor y de masa en los procesos productivos empleados en su elaboración, preservación y transformación. El objetivo de esta tesis fue investigar la influencia de los parámetros que gobiernan los fenómenos de transporte en los procesos de perstracción de butanol asistido con líquido iónico y en la congelación de pulpa de mango de comportamiento reológico no Newtoniano. La metodología empleada incluyó la determinación de las propiedades físicas de los alimentos y materiales empleados: densidad, calor específico, conductividad térmica, viscosidad aparente y difusividad de compuestos; la construcción de modelos físicos y matemáticos para cada uno de los dos procesos; el empleo de simulaciones computacionales para predecir los flujos de fluidos, calor y masa; y la identificación de los parámetros físicos y operacionales de cada proceso que permitan mejorar la productividad y la eficiencia. Los resultados obtenidos de propiedades físicas se incorporaron en las ecuaciones que gobiernan la mecánica de fluidos, y la transferencia de masa y energía, para caracterizar los fenómenos de transporte mediante la variación en el tiempo de las distribuciones de la velocidad, concentración y temperatura; flujos locales de calor, expresados por el número de Nusselt; y los flujos locales de masa, en términos del número de Sherwood. El empleo de un modelo conjugado de convección-difusión transiente de masa generó un nuevo procedimiento para determinar con precisión la difusividad de butanol en procesos de perstracción que emplean membranas no porosas de polidimetilsiloxano. La descripción reológica de la pulpa de mango permitió relacionar el daño textural en la pulpa congelada con la rapidez de congelación, mediante la determinación de los módulos de almacenamiento y de pérdida, propios del comportamiento viscoelástico de la pulpa. El estudio de los procesos de perstracción de butanol y congelación de pulpa de mango permitió concluir que se han generado nuevos conocimientos sobre los fenómenos de transporte involucrados en cada proceso, que han permitido identificar los parámetros críticos y su incidencia en los flujos de calor y masa, para mejorar la eficiencia de estos procesos y la calidad de los alimentos elaborados. Increasing productivity and quality in food and bioprocesses requires knowledge of the physical properties of materials and the phenomena that govern the transport of heat and mass in the production processes used in their preparation, preservation, and transformation. The objective of this thesis was to investigate the influence of the parameters that govern the transport phenomena in the processes of butanol perstraction, assisted with ionic liquid, and in the freezing of mango pulp with non-Newtonian rheological behavior. The methodology included the determination of the physical properties of the foods and the materials: density, specific heat, thermal conductivity, apparent viscosity, and diffusivity of compounds; the construction of physical and mathematical models for the two processes; the design of numerical simulations to predict fluid, heat, and mass flows; and the identification of the physical and operational parameters of each process that allow improving productivity and efficiency. The results determined for physical properties were incorporated into the equations that govern fluid mechanics, and the transfer of mass and energy, to characterize the transport phenomena through the evolution of the velocity components, concentration and temperature distributions; local heat fluxes, expressed by the Nusselt number; and local mass flows, in terms of the Sherwood number. The use of a mass transient convection-diffusion conjugate model generated a new procedure to accurately determine the diffusivity of butanol in perstraction processes using non-porous polydimethylsiloxane membranes. The rheological description of the mango pulp allowed relating the textural damage in the frozen pulp with the freezing rate, by the storage and loss modulus, typical parameters of the viscoelastic behavior of the pulp. The results allowed us to conclude that new knowledge has been generated about the transport phenomena involved in each process, allowed us to identify the critical parameters and their impact on the heat and mass fluxes, to improve the efficiency of these processes and the quality of the frozen food.