Mezclado de Alimentos Fluidos

M.C. Ma. Luisa Colina Irezabal
La mayor parte de los fluidos alimentarios tienen un comportamiento no
Newtoniano (su consistencia cambia con la velocidad de agitación) por
lo que las mezcladoras utilizadas deben permitir una mezcla intensa de
los componentes sin sobrecargar el motor ya que esto reduciría la
eficacia del mezclado
De acuerdo a la Ley de la Potencia:
 dx 
τ = µ

 dz 
n
valor de n
(τ )
 dx 
 
 dz 
Newtonianos
1
Pseudoplásticos
<1
Dilatantes
>1
COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS ALIMENTARIOS
NEWTONIANOS
Fluidos cuya viscosidad puede
considerarse constante en el tiempo
NO NEWTONIANOS
Fluidos cuya viscosidad varía con el
tiempo y la tensión cortante aplicada
Ejemplo: agua, vino,
Pseudoplásticos
vinagre, consomé
Dilatantes
En un fluido newtoniano la viscosidad
es independiente de la agitación, solo
depende de la temperatura y de la
composición
Tixotrópicos
Viscoelásticos
µ↓ al ↑ vel.agit
µ↑ al ↑ vel.agit
µ↓ al ↑ tiempo agit
Prop. viscosas y elásticas
Pseudoplásticos
(su consistencia disminuye a medida que
aumenta la velocidad de agitación) Ejemplo salsas, catsup
Durante el mezclado de éstos, se forma alrededor del agitador,
una zona de material menos viscoso (que es mas evidente
cuanto mayor es la agitación), pero la mayor parte del alimento
permanece estacionario.
Para ellos se utilizan las mezcladoras de planetario, molinos de
rodillos o sistemas de agitación múltiple.
Dilatantes
(Su consistencia aumenta al aumentar la
velocidad de agitación) Ejemplo suspensión de harina de
maíz, chocolate
Estos alimentos deben mezclarse con sumo cuidado ya que si
la mezcladora no es suficientemente potente, el aumento que
se produce en la consistencia, daña los mecanismos de
transmisión y los ejes.
Para este tipo de alimentos resultan adecuadas las fuerzas de
corte, de envoltura, como las que proporcionan las
mezcladoras de paletas
Tixotrópicos (Su consistencia disminuye al aumentar el tiempo
de agitación) Ejemplo mieles, algunas salsas
Al igual que con los fluidos pseudoplasticos, durante el mezclado
se forma alrededor del agitador, una zona de material menos
viscoso (que es mas evidente cuanto mayor es el tiempo de
agitación), pero la mayor parte del alimento permanece
estacionario.
Para ellos se utilizan las mezcladoras de planetario o sistemas de
agitación múltiple.
Viscoelásticos que poseen propiedades viscosas y elásticas como
son la relajación de la tensión y la recuperación. Ejemplo la masa de
panadería.
Para que se produzca el cizallamiento en este tipo de alimentos se
requieren fuerzas de distensión y envoltura, por lo que se utilizan
mezcladoras de doble eje y de planetario de cuchillas que se
entrecruzan
En los alimentos líquidos, las propiedades físicas que
mayor influencia tienen durante las operaciones de
mezclado están:
- Viscosidad o Consistencia
- Solubilidad de los componentes
Para la adecuada mezcla de líquidos de baja viscosidad, la
masa del líquido debe someterse a una turbulencia tal que
en la masa del líquido que se mueve a mayor velocidad se
engloben porciones de éste que se mueven a una velocidad
mas lenta.
Las mezcladoras para líquidos, consisten en
un recipiente o tanque (cerrado o abierto)
provisto de un agitador mecánico, montado en
un eje suspendido en la parte superior del
tanque y accionado por un motor eléctrico
El agitador fuerza al fluido a que adquiera un
tipo de flujo en el interior de la mezcladora
El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin de eliminar
los bordes rectos o regiones en las cuales no penetrarían las
corrientes del fluido
Cuando un líquido se somete a la acción de una mezcladora,
existen 3 componentes de velocidad que dicha mezcladora
puede impartir al líquido:
A ⇒ velocidad longitudinal (paralela al eje de la mezcladora)
B ⇒ velocidad rotacional (tangencial al eje de la mezcladora)
C ⇒ velocidad radial (perpendicular al eje de la mezcladora)
Las velocidades radial y longitudinal son las que contribuyen
principalmente a la mezcla
La velocidad rotatoria por el contrario, produce flujo laminar del
líquido que circula alrededor del eje (formando vórtices o
remolinos) donde el líquido simplemente da vueltas pero sin
llegar a mezclarse (potencia desaprovechada), además de que
puede atrapar aire, lo cual es indeseable
Formas de evitar vórtices o remolinos y conseguir
un mezclado mas eficaz
1) Colocando el agitador desplazado
del eje central del tanque.
2) Colocando el agitador con el eje
en forma inclinada
3) Instalando placas deflectoras o bafles
Las placas deflectoras (en inglés “Baffles”): son bandas planas
verticales, situadas a lo largo de la pared del tanque
Las placas deflectoras o “baffles”, generan una mayor
turbulencia en el fluido, con la consiguiente mejora del
proceso de mezcla
Generalmente, cuatro deflectores suelen ser suficientes. La
anchura habitual para estos dispositivos es de 1/10 a 1/12 el
diámetro del tanque
Si el eje del agitador está desplazado del centro o inclinado, no
se necesitan placas deflectoras
Trayectorias de flujo en Tanques Cilíndricos:
Formación de Vórtice
1) Agitador centrado sin deflectores
SI
2) Agitador centrado con deflectores
NO
3) Agitador inclinado
NO
NO
4) Agitador descentrado
1
2
3
4
Para la agitación de líquidos de viscosidad baja o
media se utilizan básicamente 3 sistemas:
1)Mezcladoras de Paletas o Palas
2)Mezcladoras de Hélice
3)Mezcladoras de Turbina
1) Agitadores de Paletas o Palas
Es la forma más sencilla de agitador, consiste en una
hoja plana sujeta a un eje rotatorio que normalmente
gira a velocidades entre 20 y 150 rpm
Agitador de palas planas
Agitador de palas planas inclinadas
Es común también utilizar agitadores formados por dos y tres paletas
Otras variantes de los agitadores de palas o paletas son:
Los agitadores de paletas con forma de reja se utilizan para líquidos
más viscosos y tanto los agitadores de ancla, con palas diseñadas
para limpiar las paredes del tanque, como los agitadores de múltiples
palas rotando unas en sentido opuesto a las otras tienen una amplia
utilización en la industria alimentaria
En el agitador de paletas tipo ancla las paletas efectúan dos movimientos
circulares: uno de rotación sobre su propio eje y otro de traslación en una
órbita circular. Además en su movimiento rascan la superficie del fondo
logrando mezclar bien una gran porción de alimento.
2) Agitadores de Hélice
Están hechos con elementos impulsores de hojas
cortas (generalmente de menos de ¼ del diámetro del
tanque) girando a gran velocidad (1150-1750 rpm los
agitadores más pequeños y 400-800 rpm los
mayores)
Producen principalmente corrientes longitudinales
(axiales) y rotatorias y se emplean para líquidos pocos
viscosos
Los agitadores de hélice impulsan el líquido hacia el fondo del tanque,
desde donde la corriente se extiende subiendo por las paredes y
retornando hacia la hélice.
Se emplean cuando se desean intensas corrientes verticales, por
ejemplo para mantener en suspensión partículas sólidas pesadas, pero
únicamente en líquidos poco viscosos
(µ
µ menor a 5000 centipoises)
Algunos tipos de agitadores de hélice son:
En tanques de gran altura, pueden
disponerse dos o más hélices sobre el mismo
eje, moviendo el líquido ya sea en la misma
dirección o bien en sentido opuesto creando
una zona de elevada turbulencia en el
espacio comprendido entre ellas.
Para evitar los remolinos la hélice se monta descentrada respecto al
centro del tanque o bien inclinada en relación al eje longitudinal
En tanques grandes se puede montar a través de las paredes laterales
Los agitadores de hélice se utilizan para líquidos inmiscibles, preparación
de suspensiones, jarabes, salmueras, emulsiones, entre otros
3) Agitadores de Turbina
Están compuestos por un componente impulsor con más de cuatro hojas
montadas sobre un rodete y fijas a un eje rotatorio
La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas
paletas. El diámetro del rodete es menor que en el caso de agitadores de
paletas, midiendo del 30 al 50% del diámetro del tanque
Algunos agitadores de turbina típicos son:
Los agitadores de turbina giran a velocidades elevadas (de 30 a 500 rpm)
sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque
Estos agitadores impulsan al líquido radialmente contra las paredes
laterales del tanque, desde donde la corriente se divide, una parte fluye
hacia arriba y otra parte hacia el fondo, retornando ambas al rodete. Por
lo que producen dos corrientes de circulación separadas
Además de las corrientes radiales, también se
generan corrientes rotatorias o tangenciales.
Estas últimas, aunado a que el agitador se coloca
en el centro del tanque, dan lugar a vórtices y
torbellinos, que se deben evitar por medio de
placas deflectoras, con el fin de que el mezclado
sea más eficaz
Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de
viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen corrientes
intensas, que se extienden por todo el tanque eliminando las masas
de líquido estancado.
Estas mezcladoras desarrollan fuertes turbulencias cerca del
elemento impulsor por lo que se emplea para la premezcla de
emulsiones
Tipo de
Mezcladora
De Paletas
Ventajas
Barata. Buen flujo radial
y rotacional
De Hélice
Buen flujo en las 3
direcciones
De Turbina
Muy buena mezcladora
Desventajas
Escaso flujo perperdicular,
elevado riesgo de formación de
vórtices a velocidades elevadas
Mas cara que la de paletas
Cara. Cierto riesgo de atascos
A ⇒ velocidad longitudinal (paralela al eje de la mezcladora)
B ⇒ velocidad rotacional (tangencial al eje de la mezcladora)
C ⇒ velocidad radial (perpendicular al eje de la mezcladora)
MEZCLADO DURANTE EL BOMBEO DE LÍQUIDOS
Las bombas consiguen cierto efecto
de mezclado, creando flujos
turbulentos, tanto en la propia bomba,
como en las tuberías
Existe una gran variedad de bombas
que pueden usarse para el manejo de
diversos fluidos y suspensiones
Bomba mezcladora centrífuga
Algunos bombas de diseño especial, utilizan el movimiento de los
productos a mezclar cuando fluyen a lo largo de una tuberías sobre
elementos mezcladores estacionarios de contorno especial situados en
el interior de la carcasa tubular
La mezcla se produce por una combinación de la división del flujo,
cambios en la dirección del mismo y movimientos helicoidales
introducidos por los elementos mezcladores
Los sistemas de mezclado a base de bombas operan con líquidos
miscibles, inmiscibles y sistemas gas /liquido. También pueden trabajar
con fluidos de elevada viscosidad.
Cualquier fluido que pueda ser bombeado a través de una tubería puede
mezclarse de este modo
Este mezclador para bebidas
gaseosas (refrescos) mezcla el
jarabe, el agua y el gas (CO2)
antes de entrar a la línea de
llenado/cerrado de envases
También puede utilizarse para
cerveza
Estos sistemas prescinden de la necesidad de tanques de mezcla lo
que supone un ahorro de espacio, reduce el volumen de producto
retenido lo que facilita la limpieza “in situ” y simplifica los problemas
de higienización asociados a los recipientes voluminosos
En los líquidos muy viscosos como masas o pastas, el
mezclado se produce por:
1) Amasado del producto contra la pared del recipiente de la
mezcladora, o en la masa de otro material.
2) Englobamiento del alimento no mezclado en la masa de
componentes ya mezclados
3) Estiramiento del material
La eficacia del mezclado se consigue creando y recombinando en
el alimento superficies nuevas con la mayor frecuencia posible.
Sin embargo, como el producto no fluye con facilidad se hace
necesario que las cuchillas de la mezcladora recorran el recipiente
para impulsar al alimento a que entre en contacto con las mismas.
1) MEZCLADORAS DE PLANETARIOS
Operan de acuerdo al sistema planetario: los elementos de mezcla
giran sobre un eje central en un tanque fijo, y a la vez cada uno de
esos elementos gira simultáneamente sobre su propio eje a
velocidades entre 40 y 370 rpm
(movimiento de rotación y traslación)
El doble movimiento rotativo de los elementos de mezcla cubre por completo
la zona de mezcla y garantiza que se efectúe una óptima dispersión. Las
palas rascadoras del fondo y las paredes del tanque efectúan una adecuada
mezcla / amasado.
MEZCLADORAS DE PLANETARIOS
Se utilizan para la mezcla y/o el amasado de productos tixotrópicos
y de muy alta viscosidad como pastas , masas “extendibles” (tipo
Pizza”), masas de panadería, papillas y muchos mas
2) MEZCLADORAS HORIZONTALES DE PALAS
TIPO:
“Z”,
“S”
ó
Consisten en recipientes horizontales con
sistema de mezclado de doble pala (Tipo “Z”,
“S” ó “T”)
Cada una de las palas gira en sentido opuesto y
a diferente velocidad de la otra (14-60 rpm)
“T”
Estas mezcladoras producen intensas fuerzas de cizalla
Requieren bastante potencia que se
disipa en el producto en forma de calor
Por ello, la eficiencia del mezclado debe
ser grande para reducir al mínimo el
tiempo de mezclado
Mezcladora Criogénica
En algunos casos es necesario utilizar
Mezcladoras / Amasadoras Criogénicas que
incorporan CO2 o nitrógeno líquido,
manteniendo así refrigerado el producto
durante la operación
También pueden utilizarse recipientes con camisas refrigeradas para
regular la temperatura del producto durante la mezcla o amasado
Durante el mezclado de fluidos de alta viscosidad, es común que se creen
burbujas de aire que podrían tener efectos negativos en el producto (por
ejemplo oxidación, rancidez de grasas o aceites, decoloración o deterioro
del aroma y el sabor) y en el caso de productos para recubrimientos, las
burbujas pueden derivar en superficies porosas y punteadas. Por el
contrario, los productos desaireados son normalmente químicamente más
estables y más duraderos.
Por ello, en algunas operaciones, se hace
necesario la extracción de aire de la mezcla
mediante la utilización de
Mezcladoras / Amasadoras que operan al
vacío
Amasadora al vacío
Algunos tipo especiales de “Mezcladoras – Ralladoras”
se equipan con palas en forma de sierra u otros diseños.
3) MEZCLADORAS CONTINUAS PARA PASTA
(tipo rotor-stator)
Se basan en forzar al producto a través de una serie de obstrucciones,
tales como placas perforadas o cilindros ranurados
El principio básico consiste en la acción que produce un rotor estriado al
girar a 3.000 rpm contra un estator fijo también estriado, siendo sometido
el producto a procesar a fuertes acciones de corte y cizallamiento
La escasa holgura existente entre el rotor y los
discos perforados provocan fuerzas de cizalla
que mezclan y amasan al producto cuando el
producto es impulsado a atravesar dichos
orificios
Estos equipos son muy utilizados en la fabricación de mantequilla y
margarina y en el proceso de mezclado, amasado y extrusión de productos
de pastelería y panadería
SELECCIÓN DE LA MEZCLADORA EN FUNCIÓN DE LA
VISCOSIDAD DEL FLUIDO
Hojas Z
Cintas
Helicoidales
Ancla
Turbina
10-3
10-2
10-1
100
101
Viscosidad (Pa-s)
102
103
104
FLUIDOS NO NEWTONIANOS
Tipo de
fluido
Características
Ejemplos
Mezcladora a
utilizar
Seudoplástico
La viscosidad
disminuye a medida
que aumenta la
velocidad de agitación
Algunos coloides,
catsup, gelatina
Mezcladoras de
planetario, molinos
de rodillos o
sistemas de
agitación múltiple
Dilatante
La viscosidad aumenta
al aumentar la
velocidad de agitación
Jarabes
concentrados,
suspensiones de
almidón de maíz o
de arroz, mayonesa,
chocolate
Se requieren
fuerzas de corte y
de envoltura, como
en las mezcladoras
de paletas
Tixotrópico
La viscosidad
disminuye conforme
aumenta el tiempo de
agitación
Algunas mieles,
salsas
Mezcladoras de
planetario
Viscoelástico
Posee propiedades
viscosas y elásticas
como son la relajación
de la tensión y la
recuperación
Betún, masa de
panadería
Mezcladoras de
doble eje y de
cuchillas que se
entrecruzan
El rendimiento de un mezclador industrial
está determinado por:
-
El tiempo de mezclado requerido
La potencia empleada
Las propiedades del producto
Tanto los requisitos del aparato mezclador como las
propiedades deseadas del material mezclado varían
ampliamente de un producto a otro.
A veces se requiere un grado muy elevado de uniformidad,
otras una acción de mezclado rápido; en otras ocasiones un
gasto de energía mínimo.
-
De mediana
y baja
viscosidad
Líquido- Sólido:
. Soluciones
. Suspensiones
-
Líquido- Líquido:
. Soluciones
. Emulsiones
-
Líquido-gas
Newtonianos
Fluidos
No Newtonianos:
- Pseudoplásticos
- Dilatantes
- Tixotrópicos
- Viscoelásticos
De alta
viscosidad
-
Masas
Pastas
Cuando se mezclan fluidos de baja viscosidad se obtienen
productos de elevada homogeneidad, por lo que pueden
utilizarse pocas muestras para el análisis del mezclado
Por el contrario, en el mezclado de pastas al igual que con los
sólidos, los componentes suelen encontrarse distribuidos de
manera menos homogénea por lo que es necesario contar con
mayor número de muestras.
TIEMPO DE MEZCLADO
En el caso de líquidos, la velocidad de mezclado y por ende el tiempo
de mezclado, son función de una constante (K) que depende del tipo
de mezcladora y la naturaleza de los componentes a mezclar
∝ ln
Los parámetros que tienen influencia en el valor de la constante K son:
D = diámetro del agitador (m)
3
D N
K∝ 2
Dt z
N = velocidad de agitación (rps)
Dt = diámetro del recipiente (m)
z = altura del líquido (m)
La potencia que la mezcladora deberá tener
depende de:
1) Naturaleza, cantidad y consistencia del alimento
(densidad, viscosidad, etc)
2) Tipo de flujo obtenido durante el mezclado
3) Posición, velocidad y tamaño del dispositivo
impulsor (factores de forma, velocidad de giro)
El flujo de un fluido dentro de una mezcladora se puede
definir por una serie de números adimensionales:
-Número de Reynolds (Re)
Re =
D 2 Nδ m
µm
D = diámetro del agitador (m)
N = velocidad de agitación (rps)
δm = densidad mezcla (kg/m3)
-Número de Froude (Fr)
DN
Fr =
g
2
µm = viscosidad mezcla (kg/ms)
P = potencia transmitida por el
agitador (kW) (1000 kg m2/s3)
g =aceleración de la gravedad
-Número de Potencia (Po)
P
Po =
δ m N 3D5
= 9.8 m/s2
La relación entre estos 3 números (Reynolds (Re), Froude (Fr) y
Potencia (Po), se expresa de la siguiente manera:
Po = k (Re) n ( Fr ) m
Ecuación 5
Donde k, m y n son factores relacionados
con la geometría del agitador
(determinados experimentalmente)
El número de Froude solo resulta importante cuando se forman
remolinos (en recipientes sin deflectores)
-Número de Reynolds (Re)
-Número de Froude (Fr)
-Número de Potencia (Po)
Re =
D 2Nδ m
µm
DN
Fr =
g
D = diámetro del agitador (m)
N = velocidad de agitación (rps)
2
P
Po =
δ m N 3D5
δm = densidad mezcla (kg/m3)
µm = viscosidad mezcla (kg/ms)
P = potencia transmitida por el
agitador (kW) (1000 kg m2/s3)
g =aceleración de la gravedad (m/s2)
De los datos requeridos:
δm = densidad mezcla (kg/m3)
D = diámetro del agitador (m)
µm = viscosidad mezcla (kg/ms)
N = velocidad de agitación (rps)
P = potencia transmitida por el
agitador (kW) (1000 kg m2/s3)
g =aceleración de la gravedad (m/s2)
Se conocen o determinan
Deben calcularse
δm es la suma de las densidades de los
componentes de la mezcla (o de las fases)
δ m = V1δ 1 + V2δ 2
V = volumen relativo (fracción) de cada fase o
componente
La viscosidad de la mezcla (µm ) se calcula:
Mezcladoras sin
placas deflectoras
Mezcladoras con
placas deflectoras
µ m = µ1V + µ 2V
1
2
µ1  1 + 1.5µ 2V2 

µ m = 
V1  µ1 + µ 2 
La potencia transmitida por el agitador ( P)
debe obtenerse del Número de Potencia (Po)
Po =
P
δ m N 3D5
La relación de Po a diferentes Números de
Reynolds (Re), para diversos tipos de
agitadores se obtiene de gráficas
FACTORES DE FORMA (Si):
Factor de
Forma (S)
Relación
Valor
Típico
S1
Da/Dt
⅓
S2
E/Da
1
S3
L/Da
¼
S4
W/Da
S5
J/Dt
S6
H/Dt
1