Multiphysics modeling and numerical simulation of pork loin (M. longissimus dorsi) roasting in electric oven

Abstract

O principal objetivo deste estudo foi avaliar a capacidade de um modelo computacional tridimensional para capturar os fenômenos físicos e químicos que ocorrem durante o assado do lombo de porco (M. longissimus dorsi) em cavidades de forno elétrico, aplicando os princípios de conservação de massa, quantidade de movimento e energia através de equações de transporte e constitutivas para os diversos componentes e fases envolvidas. A simulação também integrou modelos cinéticos de desnaturação proteica, deformação estrutural tridimensional e mudança de cor em função de variáveis-chave do processo. Todos os estudos foram resolvidos utilizando o método dos elementos finitos no software COMSOL Multiphysics®, garantindo uma análise precisa e detalhada dos fenômenos envolvidos. O primeiro estudo centrou-se em um modelo multifásico que tratou o lombo suíno como um meio poroso, contabilizando a desnaturação proteica, que libera água intracelular e direciona o transporte de líquido sob influência de forças capilares e gradientes de pressão oriundos da evaporação e da swelling pressure. Por meio de equações diferenciais parciais, foram calculados balanços de massa para as fases gasosa, líquida e vapor, com previsões precisas de temperatura, umidade e cor em diferentes temperaturas de assamento. A análise de sensibilidade destacou os papéis críticos da permeabilidade intrínseca e difusividade capilar, evidenciando como a otimização de parâmetros pode descrever melhor os dados experimentais. Com base nesses resultados, o segundo estudo introduziu um modelo de meio poroso deformável, capturando os efeitos do encolhimento assimétrico e da evaporação superficial. Validado por meio de dados experimentais sobre temperatura, umidade e cor, o modelo revelou insights detalhados sobre a formação da crosta e as mudanças estruturais durante o assamento. Este modelo também identificou o papel da frente de evaporação na formação da crosta, demonstrando como o ressecamento local da superfície altera as propriedades físicas e a cor da carne. As previsões precisas de perda de umidade, encolhimento e evolução da cor interna permitiram correlacionar esses resultados aos pontos de cocção. No terceiro estudo, a fotogrametria foi integrada para melhorar a precisão geométrica, capturando o formato irregular do lombo suíno para um domínio computacional realista. Esse modelo refletiu os padrões de aquecimento cíclico dos fornos comerciais, permitindo previsões precisas da distribuição de temperatura e umidade. A validação mostrou alta precisão nos perfis de temperatura e umidade, e a fotogrametria revelou-se essencial para alcançar um domínio computacional fiel, que simula com precisão as condições de cocção voltadas para o consumidor. Esses estudos, em conjunto, avançam a compreensão das dinâmicas de assamento do lombo suíno ao unir modelos complexos de transferência de calor e massa, deformação estrutural e evolução da cor, fornecendo uma estrutura robusta e detalhada para a otimização dos parâmetros de processamento de carnes e para o aprimoramento do design de equipamentos, apoiando esforços para melhorar a qualidade do produto e a eficiência energética em contextos comerciais e industriais.

Abstract: The main objective of this study was to assess the capability of a three-dimensional computational model to capture the physical and chemical phenomena that occur during the roasting of pork loin (M. longissimus dorsi) in electric oven cavities, applying principles of mass, momentum, and energy conservation through transport and constitutive equations for the various components and phases involved. The simulation also integrated kinetic models for protein denaturation, three-dimensional structural deformation, and color change as functions of key process variables. All studies were solved using the finite element method in COMSOL Multiphysics®, ensuring precise and detailed analysis of the phenomena involved. The first study focused on a multiphase model treating pork loin as a porous medium, accounting for protein denaturation that releases intracellular water, which drives liquid transport through capillary forces and pressure gradients from evaporation and swelling pressure. Using partial differential equations, mass balances were calculated for gas, liquid, and vapor phases, resulting in accurate predictions of temperature, moisture, and color at different roasting temperatures. Sensitivity analysis highlighted the critical roles of intrinsic permeability and capillary diffusivity and, importance of parameter estimation through the Nelder-Mead optimization method for describe experimental data. Building on these findings, the second study introduced a deformable porous medium model that captured asymmetrical shrinkage and surface evaporation effects. Validated through experimental data on temperature, moisture, and color, the model provided detailed insights into crust formation and structural changes during roasting. This model also identified the evaporation front?s role in crust formation, demonstrating how local surface drying alters the meat?s physical properties and color. Accurate predictions of moisture loss, shrinkage, and internal color evolution allowed these results to be correlated with doneness levels. In the third study, photogrammetry was integrated to enhance geometric accuracy, capturing the irregular shape of pork loin for a realistic computational domain. This model reflected the cyclic heating patterns of commercial ovens, allowing for precise predictions of temperature and moisture distribution. Validation showed high accuracy in temperature and moisture profiles, and photogrammetry proved essential for achieving a high-fidelity computational domain that accurately simulates consumer-oriented cooking conditions. Together, these studies advance the understanding of pork loin roasting dynamics by uniting complex models of heat and mass transfer, structural deformation, and color evolution, providing a robust and detailed framework for optimizing meat processing parameters and improving equipment design, supporting efforts to enhance product quality and energy efficiency in commercial and industrial settings.