Experimental and Multiphysics Simulation Study of Electrohydrodynamic Drying of Yellow Carrots

Resumo Técnico: Estudo Experimental e de Simulação Multifísica da Secagem Eletro-hidrodinâmica de Cenouras Amarelas

Definição do Problema
As cenouras amarelas (Daucus carota subsp. sativus) são ricas em luteína e $\alpha$-caroteno, nutrientes essenciais para a saúde retinal, mas seu alto teor de umidade as torna propensas à deterioração durante o armazenamento. Os métodos de secagem convencionais apresentam compensações (trade-offs): a secagem natural é lenta e apresenta riscos de contaminação microbiana, enquanto a secagem por ar quente acelera o processo, mas frequentemente degrada nutrientes termossensíveis e a microestrutura. Embora a secagem Eletro-hidrodinâmica (EHD) seja uma alternativa promissora não térmica que utiliza o vento iônico para aumentar a transferência de massa, a relação quantitativa entre campos elétricos não uniformes, a dinâmica do vento iônico, a cinética de secagem e a qualidade do produto final permanece insuficientemente compreendida. Especificamente, há uma carência de estudos integrados que liguem as interações de emissores em nível de matriz (array), a distribuição espacial do fluxo de ar e a otimização da voltagem à retenção de compostos bioativos específicos, como os carotenoides, em cenouras amarelas.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem combinada experimental e numérica para investigar a secagem EHD de fatias de cenoura amarela (30 mm de diâmetro, 3 mm de espessura).

• Configuração Experimental: Foi utilizada uma matriz de eletrodos de agulhas múltiplas (7 $\times$ 14 agulhas, 98 no total) com um eletrodo de placa aterrada a um espaçamento de 10 cm. A secagem foi conduzida sob tensões aplicadas de 2ks, 30 e 34 kV, comparadas a um grupo de controle de secagem por ar ambiente (AD) passivo.
• Simulação Multifísica: Um modelo acoplado de eletrostática–transporte de carga espacial–fluxo laminar foi desenvolvido utilizando o COMSOL Multiphysics 5.6. O modelo resolveu simultaneamente o potencial elétrico, a densidade de carga espacial e a velocidade do fluxo de ar, contabilizando as interações entre emissores vizinhos em vez de assumir uma operação independente.
• Caracterização: As métricas principais incluíram cinética de secagem (razão de umidade, taxa de secagem), difusividade de umidade efetiva ($D_{eff}$), razão de reidratação, parâmetros de cor ($L^*, a^*, b^*, \Delta E$), conteúdo de carotenoides e estrutura secundária de proteínas via espectroscopia FTIR; a velocidade do vento iônico foi medida usando um anemômetro de fio quente para validar a simulação.

Principais Contribuições

1. Insight Mecanístico Integrado: O estudo estabelece um vínculo direto entre a intensificação do campo elétrico dependente da voltagem, o acúmulo de carga espacial e a resultante velocidade do vento iônico, demonstrando como esses fatores coletivamente aumentam a transferência de massa externa e a migração interna de umidade.
2. Simulação em Nível de Matriz (Array): Diferente de estudos anteriores focados em emissores únicos, este trabalho modela uma matriz de agulhas de 7 $\times$ 14, capturando a variação espacial periódica e a interação dos jatos de vento iônico, o que revela que emissores vizinhos influenciam a uniformidade do fluxo de ar e o desempenho da secagem.
3. Correlação Qualidade-Voltagem: A pesquisa correlaciona sistematicamente tensões específicas com a retenção de carotenoides e integridade estrutural, indo além da simples otimização da taxa de secagem para um design de processo orientado pela qualidade.

Resultados

• Desempenho de Secagem: A secagem EHD superou significativamente a secagem por ar ambiente. A 34 kV, a taxa média de secagem aumentou 2,39 vezes e o tempo de secagem foi reduzido em 55,6% (concluído em ~8 horas). A difusividade de umidade efetiva ($D_{eff}$) a 34 kV atingiu $1,05 \times 10^{-5}$ m²/s, um aumento de 2,01 vezes sobre o controle.
• Validação da Simulação: O modelo multifísico reproduziu com sucesso o aumento dependente da voltagem e a variação espacial periódica da velocidade do vento iônico. Embora o modelo tenha ligeiramente superestimado as velocidades absolutas, ele capturou com precisão as tendências, com Erros Médios Absolutos (MAE) geralmente abaixo de 0,033 m/s.
• Qualidade do Produto:
  • Reidratação: O tratamento a 34 kV apresentou a maior razão de reidratação (3,7), indicando uma preservação superior da microestrutura porosa em comparação ao grupo AD (3,0).
  • Cor: A secagem EHD preservou melhor a cor amarela natural. O grupo de 34 kV apresentou o menor valor de $a^*$ (tom esverdeado mais fraco) e a maior luminosidade ($L^*$), enquanto o grupo AD exibiu tons avermelhados associados ao escurecimento oxidativo.
  • Carotenoides: A retenção de carotenoides foi dependente da voltagem. Enquanto 26 kV resultou em menor retenção do que o controle (provavelmente devido à degradação oxidativa sem redução de tempo suficiente), 34 kV alcançou o maior conteúdo (0,14 mg/g), superando significativamente o grupo AD (0,03 mg/g).
  • Estrutura Molecular: A análise FTIR indicou que a secagem EHD não alterou a espinha dorsal química primária, mas induziu rearranjos dependentes da voltagem nas ligações de hidrogênio e estruturas secundárias de proteínas (mudando de $\alpha$-hélice para $\beta$-folha em voltagens mais altas), sugerindo um tratamento suave e não destrutivo.
• Modelagem de Cinética: O modelo de "dois termos" (Two-term) forneceu o melhor ajuste para os dados de secagem EHD, sugerindo um mecanismo que envolve a remoção rápida da umidade superficial inicial seguida por uma difusão interna mais lenta.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que este estudo fornece uma base confiável para a seleção de voltagem e otimização da matriz de eletrodos em sistemas EHD. Os achados apoiam a conclusão de que 34 kV oferece o equilíbrio ideal entre eficiência de secagem e qualidade do produto sob as condições testadas. A pesquisa enfatiza que a voltagem deve ser otimizada em vez de simplesmente maximizada, pois a intensidade elétrica excessiva ou a insuficiência de redução de tempo (como visto em 26 kV) podem impactar negativamente a retenção de nutrientes. Ao revelar o papel dominante do vento iônico e os efeitos de acoplamento de matrizes de múltiplos emissores, o estudo avança a secagem EHD da mera verificação de viabilidade básica em direção à otimização de sistemas e ao pré-escalonamento para aplicações de processamento de pequena e média escala. O trabalho ressalta o potencial da EHD como uma tecnologia de preservação não térmica orientada pela qualidade para produtos agrícolas termossensíveis.