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

Resumo Técnico: Secagem por Convecção Assistida por Ultrassom de Bagaço de Uva

Definição do Problema
A indústria vinícola global gera aproximadamente 8,49 milhões de toneladas métricas de bagaço de uva anualmente, um subproduto composto por cascas, sementes e talos. Este material é altamente perecível devido ao seu alto teor inicial de umidade (60–87% em base úmida) e açúcares residuais, o que leva à rápida deterioração microbiana. Historicamente, o manejo dependeu de métodos de descarte lineares (aterros sanitários, incineração), que resultam em emissões de gases de efeito estufa e na perda de biomassa valiosa. Além disso, a secagem por convecção de ar quente oferece um método viável para estabilizar o bagaço para uso em alimentos funcionais e nutracêuticos, porém o processo é demorado. Ademais, há uma falta de pesquisa sistemática sobre o impacto do pré-tratamento por ultrassom na cinética de secagem de bagaço de uva tinta, nem modelos matemáticos de camada fina foram previamente avaliados para esta aplicação específica.

Metodologia
O estudo utilizou bagaço de uva Merlot proveniente de uma fábrica de processamento de vinho russa. O delineamento experimental envolveu as seguintes etapas:

• Pré-tratamento: Amostras de bagaço de uva inteiro foram submetidas a pré-tratamento por ultrassom em um banho ultrassônico de 40 kHz, 150 W, por durações de 0 (controle), 5, 10 e 15 minutos.
• Processo de Secagem: As amostras tratadas foram secas em um forno de convecção de ar quente a 45°C até que a umidade de equilíbrio fosse atingida. A perda de peso foi registrada a cada 15 minutos.
• Cálculo de Difusividade: O coeficiente de difusividade de umidade efetiva ($D_{eff}$) foi calculado utilizando a Segunda Lei de Fick para difusão, assumindo geometria de partícula esférica e ausência de resistência externa.
• Modelagem Cinética: Seis modelos matemáticos (Newton, Page, Page Modificado, Henderson & Pabis, Logarítmico e de Dois Termos) foram ajustados aos dados experimentais da razão de umidade usando regressão não linear. O desempenho dos modelos foi avaliado por meio de indicadores estatísticos: coeficiente de determinação ($R^2$), erro quadrático médio (RMSE), qui-quadrado ($\chi^2$) e eficiência de modelagem (EF).
• Reidratação: A razão de reidratação (RR) foi determinada pela imersão das amostras secas em água destilada a 45°C por 30 minutos.

Principais Resultados

• Redução do Tempo de Secagem: O pré-tratamento por ultrassom reduziu significativamente o tempo total de secagem. O aumento do tempo de sonicação de 0 para 15 minutos diminuiu a duração da secagem de 465 minutos para 340 minutos, representando uma redução de 27%.
• Difusividade de Umidade Efetiva: O coeficiente de difusividade de umidade efetiva aumentou significamente ($p < 0,05$) com tempos de sonicação mais longos. O coeficiente subiu de $3,26 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (0 min) para $4,52 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (15 min), um aumento médio de 37%.
• Modelagem Matemática: Entre os seis modelos testados, o modelo de Page apresentou o melhor ajuste para a cinética de secagem do bagaço de uva tratado por ultrassom. Ele demonstrou os coeficientes de correlação mais altos ($R^2$ variando de 0,9984 a 0,9986) e os menores valores de erro (RMSE entre 0,0096 e 0,0156) em todos os tratamentos.
• Características de Reidratação: Embora o pré-tratamento por ultrassom tenha acelerado a secagem, seu efeito na reidratação foi mínimo. O aumento do tempo de pré-tratamento de 5 para 15 minutos resultou em apenas um aumento de 6% na razão de reidratação, sem que fosse observada diferença estatisticamente significativa entre os tempos de aplicação variados.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo preenche lacunas críticas de conhecimento ao quantificar sistematicamente os efeitos do pré-tratamento por ultrassom no comportamento de secagem do bagaço de uva tinta e identificar o modelo matemático mais preciso para este processo. A pesquisa demonstra que um pré-tratamento de 15 minutos por ultrassom é um método eficaz e ecológico para aumentar as capacidades de transferência de massa e diminuir significativamente a duração total da secagem sem comprometer a capacidade de reidratação do material. Ao validar o modelo de Page para esta aplicação específica, o estudo fornece uma base objetiva para a valorização industrial do bagaço de uva, apoiando sua transformação em produtos estáveis e de longa vida útil para a economia circular. O estudo conclui que o método proposto reduz o tempo de secagem em 27% e aumenta o coeficiente de difusão de umidade em 37%, oferecendo uma otimização prática para processos de secagem por convecção.