Simulation of coffee fruit drying using computational fluid dynamics

Abstract

Drying is a fundamental step in post-harvest handling of coffee because moisture content at the end of drying affects several important aspects, such as sensory quality, storability, and color of the fruit coffee. Within this context, the aim of this study is to determine water distribution within the natural coffee fruit during and at the end of the drying process. For that purpose, simulations were made through finite elements using computational fluid dynamics. Experimental data on moisture content of coffee fruit in the “cherry” stage were collected during drying, which was carried out at a temperature of 40°C and relative humidity of 25% to 0.18 decimal l(dry basis – d.b.) to compare the results of the experiment with the results of the simulations. Ten mathematical models of the drying process were developed for the collected data. The two-term exponential model best fit the data. The results of the simulations in computational fluid dynamics were compared to the results from experimental drying, and a satisfactory fit was obtained. The effective diffusivity coefficient (D eff ) was developed for the model proposed, obtaining the value of 2.87 x 10 ‐11 m 2 s -1 . At the end of drying, the model exhibited 57.1% of the projection area of the coffee fruit with moisture content below 0.18 decimal (d.b.). Thus, the model can be used for other applications.

A secagem é uma importante etapa da pós-colheita do café, visto que o teor de água ao final da secagem influencia questões importantes como qualidade sensorial, armazenabilidade e cor dos frutos de café. Mediante isso, a determinação da distribuição do teor de água no interior de um fruto de café natural durante e ao final do processo de secagem é o objetivo desse trabalho, onde foram realizadas simulações por meio de elementos finitos, utilizando a fluidodinâmica computacional. Foram coletados dados experimentais de teor de água durante a secagem de frutos cereja a qual foi realizada a uma temperatura de 40°C e umidade relativa de 25% e até que os frutos atingissem 0,18 decimal (b.s.) visando a validação do modelo. Foram ajustados aos dados coletados dez modelos matemáticos de secagem. O modelo Exponencial de Dois Termos foi o que melhor se ajustou aos dados. Os resultados das simulações em fluidodinâmica computacional foram ajustados aos resultados da secagem experimental, obtendo um ajuste satisfatório. O coeficiente de difusividade efetivo (D eff ) foi ajustado ao modelo proposto obtendo-se o valor de 2,87 x 10 -11 m 2 s -1 . Ao final da secagem, o modelo apresentou 57,1% da área de projeção do fruto de café com teor de água abaixo de 0,18 decimal (b.s.). Desta forma, o modelo pode ser utilizado para outras aplicações.