L’avanç tecnològic en els processos de deshidratació ha portat a l’estudi de tècniques per a l’obtenció de productes de qualitat que al mateix temps contribueixen a la reducció del consum energètic mitjançant la millora de l’eficàcia dels processos i equips. Un dels processos en què es persegueixen aquests interessos és l’assecatge per aire calent, pel fet que aquest procés, a banda d’ocupar un lloc important en la transformació de productes agroalimentaris i en els sistemes de tractament postcollita, és una de les activitats industrials que suposa més consum energètic. En aquest sentit, la tecnologia d’assecatge intermitent ha sigut utilitzada per a reduir el temps d’escalfament, preservar la qualitat i minimitzar el consum energètic en l’assecatge de materials sensibles a la calor quan la cinètica està controlada per mecanismes de transferència interns.

El terme intermitent agrupa les tecnologies d’assecatge que empren condicions d’operació que varien durant el processament. En el cas de l’assecatge per subministrament periòdic d’energia tèrmica, la intermitència s’hi inclou mitjançant períodes consecutius d’escalfament i repòs. Els avantatges que presenta aquest tipus d’assecatge intermitent respecte a l’assecatge en què el subministrament d’energia tèrmica és continu, depenen de les condicions, el nombre i la durada dels períodes de repòs. Durant els períodes de repòs augmenta la disponibilitat d’aigua prop de la superfície del producte, amb la qual cosa augmenta la velocitat d’assecatge i disminueix l’escalfament del material, quan el producte és calfat novament. L’aplicació dels períodes de repòs redueix el temps d’escalfament necessari per a assolir un contingut d’humitat desitjat, disminuint els requeriments d’energia i el temps d’exposició del producte a l’efecte de la temperatura.

L’objectiu d’aquest treball ha sigut contribuir al estudi i optimització de l’assecatge intermitent amb aplicació al mango, per millorar l’eficiència energètica del procés mitjançant el subministrament periòdic d’energia tèrmica. 

L’estudi fou realitzat en una de les varietats més comercials de mango (Mangifera indica L. var. Tommy Atkins), un producte agrícola de gran importància econòmica a escala mundial. Els productes processats a partir d’aquesta fruita tropical són una alternativa per l’aprofitament dels excedents de producció i per la diversificació de l’oferta de productes amb valor afegit. A més a més, han mostrat gran acceptabilitat en el mercat a causa de les seues propietats nutricionals i característiques exòtiques.

Prèviament a l’estudi i optimització de l’assecatge intermitent de mango, fou necessari el desenvolupament i la validació d’un model que representara adequadament els fenòmens físics que governen el procés i la formulació d’una funció objectiu per optimitzar l’eficiència energètica del procés i la qualitat del producte. 

Amb la finalitat d’especificar el model del procés, foren analitzats els fenòmens de transferència de massa i calor en un sistema amb geometria cúbica. La formulació del model va ser realitzada considerant que el material era homogeni i isòtrop, que l’efecte de la contracció sobre els processos de transferència era menyspreable, que els coeficients de transferència (difusivitat efectiva i conductivitat tèrmica) eren funcions dels valors locals d’humitat i temperatura i que les resistències externes a la transferència de matèria i calor no eren menyspreables.

Per completar la formulació del model del procés, es consideraren equacions per l’estimació de les propietats físiques del producte i de l’aire. Les equacions utilitzades per a estimar la conductivitat tèrmica, la calor específica i les isotermes de sorció foren definides a partir d’informació experimental a causa de l’absència d’informació bibliogràfica d’aquestes propietats en la varietat “Tommy Atkins” i per la limitada informació disponible per a varietats similars respecte a les condicions experimentals utilitzades en aquest estudi. 

La conductivitat tèrmica de la polpa de mango va ser determinada a temperatures entre 20 i 80 ºC i contingut d’humitat entre 1.1 i 9 kg kg-1 (b.s.), mitjançant el mètode de la cel•la. La conductivitat tèrmica de la polpa de mango presentà una major dependència del contingut d’humitat que de la temperatura. Aquest comportament és usual en aliments amb alt contingut en aigua.

La calor específica de la matèria seca del mango va ser determinada a temperatures entre 20 i 70 ºC mitjançant calorimetria diferencial d’escombratge (DSC). La calor específica de la matèria seca del mango presentà una major dependència de la temperatura entre 20 i 50 ºC.

Les isotermes de sorció de la polpa de mango foren determinades a temperatures entre 10 i 50 ºC utilitzant higròmetres elèctrics. El model de GAB es considerà com el més adequat per a representar la influència de l’activitat d’aigua i la temperatura sobre el contingut d’humitat d’equilibri de la polpa de mango (VAR = 99.6 %, RMSE = 0.057). Les isotermes i la calor isostèrica de sorció de la polpa de mango mostraren un comportament similar al dels materials agroalimentaris en general i de la polpa de mango d’altres varietats en particular.

El model del procés va ser ajustat amb cinètiques d’experiències d’assecatge continu i intermitent a temperatures d’escalfament entre 45 i 65 ºC i una velocitat d’aire de 4 m s-1, amb la finalitat d’identificar la difusivitat efectiva. Aquesta propietat fou definida com una funció de tres paràmetres en termes de la humitat i la temperatura. L’ajust es realitzà minimitzant la diferència entre les dades experimentals i estimades per al contingut d’humitat mitjà i per a la temperatura en el centre de les mostres i considerant de forma simultània la informació experimental de processos a diferents condicions. El model va ser posteriorment validat a diferents condicions d’operació mitjançant experiències d’assecatge intermitent, diferents de les emprades en l’ajust dels paràmetres, a temperatures d’escalfament entre 45 i 70 ºC, velocitats d’aire de 2, 3 i 4 m s-1 i un cicle d’intermitència.

El procediment d’identificació plantejat va suposar que els paràmetres de la difusivitat efectiva, identificats mitjançant l’ajust del model del procés a les cinètiques d’assecatge, foren independents de les condicions experimentals de les experiències utilitzades en l’ajust, després d’haver considerat que aquets paràmetres depenien únicament de les característiques del material. A continguts d’humitat entre 9 i 0.03 kg kg-1 (b.s.), el valor de la difusivitat efectiva del mango diversa entre 6.14×10-11 i 1.86×10-10 m2 s-1 a 10 ºC, i entre 1.35×10-9 i 3.37×10-9 m2 s-1 a 70 ºC, respectivament. Els valors de la difusivitat efectiva, identificat mitjançant el model considerat, estaven en el rang de valors esperats per a l’assecatge de materials alimentaris i són similars als obtinguts per altres autors en la modelització de cinètiques d’assecatge de làmines de mango de diferents varietats. En el model de la difusivitat efectiva, l’energia d’activació va ser el terme que va incloure la dependència del contingut d’humitat. Els valors d’energia d’activació van comprendre un rang entre 39 i 41.6 kJ mol-1 a continguts d’humitat entre 9 i 0.03 kg kg-1 (b.s.), respectivament, presentant major variació amb la humitat per davall de 1 kg kg-1 (b.s.).

El model del procés va correlacionar satisfactòriament els valors estimats i les dades experimentals per la humitat (VAR > 99.7 %, RMSE < 0.453) i la temperatura (VAR > 91.1 %, RMSE < 5.87) per a les dades emprades en la identificació dels paràmetres del model i també per a les dades utilitzades en la validació.

El problema d’optimització del procés d’assecatge intermitent fou definit com la cerca dels temps de durada de cada període d’escalfament i repòs, que minimitzaren una funció objectiu definida a partir del guany entàlpic del producte. El problema d’optimització va ser resolt, utilitzant el model del procés prèviament ajustat i validat, en processos d’assecatge intermitent d’un a tres cicles, a temperatures d’escalfament de 50, 60 i 70 ºC i velocitats de 2, 3 i 4 m s-1.

En el desenvolupament dels algoritmes per a l’ajust del model del procés a les dades experimentals i la resolució dels problemes d’optimització, fou emprada l’eina Matlab® R2007b juntament amb COMSOL Multiphysics® 3.4 per a resoldre les equacions en derivades parcials que defineixen el model del procés amb el mètode dels elements finits.

Segons els resultats optimitzats, l’aplicació i optimització de l’assecatge intermitent de mango va permetre una disminució, respecte al procés d’assecatge continu, entre el 13.4 % i el 20.1 % pel guany entàlpic mitjà i entre el 2.8 % i el 8.6 % pel temps d’escalfament, d’acord a les temperatures d’escalfament i el nombre de cicles considerats. L’efecte de l’assecatge intermitent fa que al guany entàlpic i el temps d’escalfament siguen equivalents a processos de l’assecatge continu desenrotllats a menors temperatures o velocitats.

L’aplicació i optimització de l’assecatge intermitent de mango, a banda d’augmentar l’eficiència energètica del procés, podria millorar la qualitat del producte mitjançant la disminució del guany entàlpic, la temperatura superficial i el temps d’exposició del producte al tractament tèrmic. Igualment, podria ser convenient per reduir a problemes de qualitat relacionats amb canvis en la superfície del producte, a causa que l’assecatge intermitent redueix la temperatura superficial i el temps d’escalfament necessari per a assolir un contingut d’humitat final desitjat.