Ultrasound-Assisted Convective Drying of Grape Pomace: Mathematical Modeling, Effective Moisture Diffusivity, and Rehydration Characteristics

Resumen Técnico: Secado por Convección Asistido por Ultrasonido de Orujo de Uva

Planteamiento del Problema
La industria vinícola mundial genera aproximadamente 8,49 millones de toneladas métricas de orujo de uva anualmente, un subproducto que comprende pieles, semillas y tallos. Este material es altamente perecedero debido a su alto contenido inicial de humedad (60–87% en base húmeda) y azúcares residuales, lo que conduce a un rápido deterioro microbiano. Históricamente, la gestión se ha basado en métodos de eliminación lineales (vertederos, incineración), que resultan en emisiones de gases de efecto invernadero y la pérdida de biomasa valiosa. Si bien el secado por convección de aire caliente ofrece un método viable para estabilizar el orujo para su uso en alimentos funcionales y nutracéuticos, el proceso es lento. Además, existe una falta de investigación sistemática sobre el impacto del pretratamiento por ultrasonido en la cinética de secado del orujo de uva roja, ni se habían evaluado previamente modelos matemáticos de capa fina para esta aplicación específica.

Metodología
El estudio utilizó orujo de uva Merlot procedente de una fábrica de procesamiento de vino rusa. El diseño experimental consistió en los siguientes pasos:

• Pretratamiento: Las muestras de orujo de uva entero fueron sometidas a un pretratamiento por ultrasonido en un baño ultrasónico de 40 kHz y 150 W durante duraciones de 0 (control), 5, 10 y 15 minutos.
• Proceso de Secado: Las muestras tratadas se secaron en un horno de convección de aire caliente a 45 °C hasta alcanzar la humedad de equilibrio. La pérdida de peso se registró cada 15 minutos.
• Cálculo de la Difusividad: El coeficiente de la difusividad efectiva de la humedad ($D_{eff}$) se calculó utilizando la segunda ley de difusión de Fick, asumiendo una geometría de partícula esférica y sin resistencia externa.
• Modelado Cinético: Se ajustaron seis modelos matemáticos (Newton, Page, Page Modificado, Henderson & Pabis, Logarítmico y de Dos Términos) a los datos experimentales de la relación de humedad mediante regresión no lineal. El rendimiento del modelo se evaluó utilizando indicadores estadísticos: coeficiente de determinación ($R^2$), error cuadrático medio (RMSE), chi-cuadrado ($\chi^2$) y eficiencia de modelado (EF).
• Rehidratación: La relación de rehidratación (RR) se determinó sumergiendo las muestras secas en agua destilada a 45 °C durante 30 minutos.

Resultos Clave

• Reducción del Tiempo de Secado: El pretratamiento por ultrasonido redujo significativamente el tiempo total de secado. El aumento del tiempo de sonicación de 0 a 15 minutos disminuyó la duración del secado de 465 a 340 minutos, lo que representa una reducción del 27%.
• Difusividad Efectiva de la Humedad: El coeficiente de la difusividad efectiva de la humedad aumentó significativamente ($p < 0,05$) con tiempos de sonicación más largos. El coeficiente aumentó de $3,26 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (0 min) a $4,52 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (15 min), un aumento promedio del 37%.
• Modelado Matemático: Entre los seis modelos probados, el modelo de Page proporcionó el mejor ajuste para la cinética de secado del orujo de uva tratado por ultrasonido. Demostró los coeficientes de correlación más altos ($R^2$ entre 0,9984 y 0,9986) y los valores de error más bajos (RMSE entre 0,0096 y 0,0156) en todos los tratamientos.
• Características de Rehidratación: Aunque el pretratamiento por ultrasonido aceleró el secado, su efecto en la rehidratación fue mínimo. El aumento del tiempo de pretratamiento de 5 a 15 minutos resultó en solo un 6% de incremento en la relación de rehidratación, sin que se observaran diferencias estadísticamente significativas entre los distintos tiempos de aplicación.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio llena vacíos de conocimiento críticos al cuantificar sistemáticamente los efectos del pretratamiento por ultrasonido en el comportamiento de secado del orujo de uva roja e identificar el modelo matemático más preciso para este proceso. La investigación demuestra que un pretratamiento por ultrasonido de 15 minutos es un método eficaz y ecológico para mejorar las capacidades de transferencia de masa y disminuir significativamente la duración total del secado sin comprometer la capacidad de rehidratación del material. Al validar el modelo de Page para esta aplicación específica, el estudio proporciona una base objetiva para la valorización industrial del orujo de uva, apoyando su transformación en productos estables y de larga vida útil para la economía circular. El estudio concluye que el método propuesto reduce el tiempo de secado en un 27% e incrementa el coeficiente de difusión de la humedad en un 37%, ofreciendo una optimización práctica para los procesos de secado por convección.