Análisis de modelos de difusión no tradicionales para deshidratación osmótica

Abstract

La deshidratación osmótica ha sido ampliamente estudiada como un proceso que puede ser llevado a cabo solo o en combinación con otras técnicas. Este proceso puede ser descrito por la deshidratación parcial de la fruta a través de la osmosis, lo cual involucra la inmersión de la fruta en una solución hipertónica (típicamente azúcar). La estructura celular que constituye los alimentos genera una matriz de difusión que dista ampliamente de un sistema ideal, por lo cual los fenómenos de difusión que ocurren dentro de estos se pueden catalogar como no fickeanos, en relación a las hipótesis que este modelo considera: medio isotrópico, estructura homogénea, entre otros. En el siguiente trabajo de investigación, se busca comparar cuatro modelos de difusión: Ley de Fick, difusión Anómala, difusión No Lineal y Difusión – Reacción, para un conjunto de datos experimentales de deshidratación osmótica de manzana verde inmersa en una solución de sacarosa, bajo la aplicación de campos eléctricos moderados como método para acelerar el proceso de transferencia de masa. Los experimentos fueron llevados a cabo a concentraciones de 45, 55 y 65[°Brix] y cuatro niveles de voltaje (0, 70, 100 y 130 [V]). Se comparan los cuatro modelos de difusión, ajustando los parámetros de cada uno de ellos usando los softwares COMSOL Multiphysics (para los modelos de Ley de Fick, No Lineal y Difusión - Reacción) y Matlab (para difusión Anómala), y teniendo como función objetivo la minimización de los errores al cuadrado. Al obtener los parámetros es posible comparar los datos ajustados con los reales, y se observa que un análisis estadístico no permite discernir la mejor opción al momento de modelar el sistema. Es por esto que se opta por un análisis fenomenológico de los parámetros, y se concluye que el modelo que mejor representa la fenomenología de la deshidratación osmótica y el efecto estructural del campo eléctrico aplicado es el de difusión Anómala. Los valores del orden fraccional de la derivada temporal obtenidos comprueban el comportamiento no fickeano de la transferencia del soluto dentro de la fruta, obteniéndose valores mayores que 1 para la mayoría de los casos. Este parámetro se acerca a 1 a medida que aumenta el campo eléctrico, lo cual representa el acercamiento a la idealidad estructural de la fruta en estas condiciones. Finalmente, el coeficiente de difusividad obtenido para este modelo aumenta de manera consistente en función del campo eléctrico, independiente de la concentración de la solución, con lo cual se determina que es el modelo que representa de mejor manera al sistema.