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Recibido 16/10/2014, Aceptado 23/10/2014, Disponible online 31/12/2014
EVALUACIÓN DE PROTOTIPO DE MEZCLADOR EN “V” PARA
SÓLIDOS SECOS LIGEROS, MEDIANTE LA TECNICA ÍNDICE DE
MEZCLA
Julio Cesar Luna Ramírez1*, Mariela Buriticá Cabrera2, y Juan Carlos Barrera
Perdomo3
1 Universidad
del Quindío, Ingeniería de Alimentos, Armenia Quindío.
de la Amazonia, Ingeniería de Alimentos, Florencia
Caquetá.
[email protected]
2, 3 Universidad
RESUMEN
Al realizar la evaluación de la eficiencia del prototipo mezclador en V (tambores
gemelos), permitió conocer el comportamiento de la mezcla de colorantes, en
azúcar, por medio del método índice de mezcla en función del tiempo, se
determinó la longitud de onda de cada colorante, azul, rojo y rojo escarlata, 625
nm, 507 nm, 540 nm respectivamente, posteriormente se tomó como base la
curva de calibración para determinar las lecturas en diferentes concentraciones.
Se realizaron ensayos para cada color, tomando muestras de un (1) gramo de
producto mezclado en diferentes intervalos de tiempo, a cada lado del mezclador.
De acuerdo a los resultados se encontró que para una mezcla azúcar-colorante el
tiempo promedio de mezcla es de tres minutos.
Palabras claves: Mezclado de polvos, índice de mezcla, mezclador en V,
colorantes, tiempo de mezcla.
ABSTRACT
By measuring the efficiency of the mixer prototype V (twin shell drums), it was
possible to know the behavior of the behavior of the dye mix in sugar, using the
index mixing method versus time. The wavelength of each dye, blue, red and
scarlet red, 625 nm, 507 nm, 540 nm respectively was measured and it was used
as a calibration curve to determine the readings at different concentrations. Trials
were done for each color, taking samples of one (1) gram in different time
intervals, two at each side of the mixer. It was found that the average mixing time
for a sugar-dye mixture is three minutes.
Keywords: Mixed powder, mix index, mixer in V, coloring, mixing time.
Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 40
I. INTRODUCCIÓN
El mezclado consiste en la
dispersión de unos componentes
entre otros. Se presenta en
innumerables casos en la industria
alimentaria (Earle, 1998). En la
práctica industrial la prueba de un
mezclador reside en las propiedades
finales del material mezclado. Este
proceso es uno de los más
relevantes y fundamentales ya que
implican la interposición de dos o
más componentes separados para
formar un producto más o menos
uniforme (McCabe, et al., 1991).
Conocer los fundamentos del
proceso de mezclado y los tipos
básicos de mezcladoras permite
optimizar la fabricación y la
formulación de producto tales como
refrescos, gelatinas, sopas, así como
en la industria farmacéutica para la
elaboración de medicamentos que
requieran mezclar ingredientes en
polvo. De allí la importancia de
generar conocimientos básicos de
este
proceso
mediante
la
construcción y fabricación.
Un tipo de equipo utilizado es el
mezclador de sólidos en “V” el cual
se caracteriza por la efectividad en su
mezcla de 1 a 100.000 partes y su
facilidad de limpieza. Se destaca por
su rapidez, su amplia utilidad y gran
precisión para mezclas de sólidos en
polvo o granulado y con posibilidad
de adición de líquidos hasta un
máximo del 10%.
Conocer los fundamentos del
proceso de mezclado y los tipos
básicos de mezcladoras permite
optimizar la fabricación y la
formulación de producto tales como
refrescos, gelatinas, sopas, así como
en la industria farmacéutica para la
elaboración de medicamentos que
requieran mezclar ingredientes en
polvo. De allí la importancia de
generar conocimientos básicos de
este
proceso
mediante
la
construcción y fabricación.
A nivel global, el mezclado de
polvos se puede clasificar en dos
grupos. Uno involucra polvos de flujo
libre y se caracteriza por el
movimiento
individual
e
independiente de las partículas que
componen el lecho. El otro grupo
incluye el mezclado de polvos de tipo
cohesivo se distingue por fuerzas de
interacción que le confieren al un
comportamiento
asociado
a
conglomeración de partícula y no a la
presencia de entidades individuales
(Cabrera et al., 2012) y el modelo
difusivo se basan en el transporte de
especies a lo largo del lecho gracias
a la existencia de gradientes de
concentración,
siguiendo
el
comportamiento de la segunda ley de
Fick (Treybal, 1988).
Wightman y Muzzio (1998),
emplearon técnicas de solidificación y
procesamiento de imágenes con las
que caracterizaron y evaluaron el
mezclado de polvos de tamaño
uniforme en un cilindro, bajo el efecto
de rotación y vaivén. Resultado una
tendencias de mezclado muy lento
para el efecto de rotación (descrito
como
un
proceso
dispersivo),
mientras que, el efecto de vaivén
(descrito como un proceso de
fluctuación de la frontera libre del
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polvo) mejoró notablemente
dinámica del proceso.
la
Chia-Yi
&
Xi-Yong
(2004),
establecieron un método para el
etiquetado de materiales, que en
conjunto
con
la
tomografía
computarizada de rayos x (XRCT, por
sus siglas en inglés), mejoró y creó el
apropiado
contraste
entre
los
componentes.
Esta
metodología
permitió la caracterización del
mezclado de micro-células en un
mezclador en V.
A partir de los análisis los
investigadores concluyeron que el
tamaño
de
partícula
y
la
configuración de carga inicial, alteran
la eficiencia del mezclado, en
especial las partículas de tamaño
mayor y de configuración inicial de
carga en capas, exhibieron una mejor
eficiencia del mezclado que aquellas,
de tamaño menor y de configuración
inicial en columna.
La calidad de la mezcla es un
parámetro característico a la hora de
evaluar el proceso. Para determinar
el tiempo de homogenización óptimo,
es necesario medir la eficiencia de la
mezcla en función del tiempo de
mezclado. Tal eficiencia puede
calcularse mediante el análisis de
muestras recogidas durante el
transcurso de la operación (Cabrera
& López, 2012).
Wightman y Muzzio (1998),
también analizaron el efecto de
segregación en el mezclado de
polvos. La configuración de tambor
horizontal reveló, la evolución de
complejos patrones de segregación.
El movimiento rotacional produjo
mezclas segregativas y a velocidades
mayores a 500 rpm, se observó la
formación de un núcleo, de forma
irregular constituido por componentes
finos. El vaivén acelero el mezclado
axial, creando una estructura bien
dispersa para combinaciones de
velocidad y frecuencia de vaivén,
bien seleccionadas.
Análisis de muestras
La obtención de un pequeño
volumen de una mezcla homogénea
que pueda utilizarse para medida,
requiere que la mezcla se produzca
en toda su extensión. La composición
de la mezcla cambia del estado inicial
al final, y las medidas que se hagan
deben reflejar este hecho.
El problema que se presenta es la
elección del tamaño de muestra a
tomar. Eligiendo caso extremos, si la
muestra es tan grande equivale a
toda la mezcla, la composición de la
muestra
es
directamente
la
composición media y por tanto no
queda mezcla que hacer, mientras
que si fuera posible tomar muestras
de tamaño molecular, entonces cada
muestra contendría solo uno u otros
de los componentes en estado puro,
y cualquiera que sea el grado de
mezcla que se haga, no tendrá
ningún efecto. (Earle, 1998).
La manera más satisfactoria de
medir la homogeneidad de la mezcla
es utilizando el termino estadístico
conocido por desviación estándar,
que es la media de la suma de los
cuadrados de
las desviaciones
respecto a
la media; las
desviaciones positivas o negativas
son iguales y van creciendo
progresivamente al aumentar el peso
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de las desviaciones mayores, puesto
que están elevadas al cuadrado.
Viene dada por:
(Earle, 1998).
Criterios de eficacia de
mezclador: índice de mezcla
un
El funcionamiento de un mezclador
se caracteriza de acuerdo con el
tiempo que se requiere, la carga de
energía y las propiedades del
producto final. La relación entre el
dispositivo de mezclado y las
propiedades deseadas para el
material mezclado varía ampliamente
de un caso a otro. A veces se
requiere un muy alto grado de
uniformidad, otras una rápida acción
de mezclado o, incluso, un consumo
mínimo de energía (McCabe, et al.,
1991).
El grado de uniformidad de un
producto mezclado, medido por el
análisis de un número de muestras
puntuales, es una medida válida de la
eficacia
del
mezclado.
Los
mezcladores actúan sobre dos o más
materiales
separados
para
interponerlos, casi siempre, en una
distribución al azar. Una vez que uno
de los materiales está distribuido al
azar en el otro, se puede considerar
que la mezcla es completa (McCabe,
et al., 1991).
La eficacia de un mezclador de
sólidos se mide por un procedimiento
estadístico muy parecido al utilizado
para pastas. Se toma al azar
muestras puntuales de la mezcla y se
analizan. La desviación estándar en
los análisis s con respecto a su valor
medio x se estima, como en el caso
de las pastas, a partir de la ecuación
En los casos de sólidos granulares
el índice de mezcla se basa, no en
las condiciones para mezclado cero,
sino sobre la desviación estándar que
se observaría con una mezcla
perfecta al azar. (McCabe, et al.,
1991). Para cualquier tamaño dado
de la muestra puntual existe una
desviación estándar respecto a la
mezcla de origen. Esta desviación
estándar σe viene dada por:
Para sólidos granulares el índice de
mezcla Is se define como σe/s. a
partir de las ecuaciones (2 y 3) Is
resulta ser:
Sólidos granulares antes de que
comience el mezclado, y el índice de
mezcla para mezclado cero se
transforma en:
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En el caso de los sólidos
granulares el índice de mezcla se
basa sobre la desviación estándar
que se observaría con una mezcla
perfecta al azar.
En la Figura 1, se muestran los
resultados típicos de la mezcla de
cristales de sal (NaCl) con arena de
Ottawa en un pequeño mezclador de
volteo. Durante los 40 primeros
minutos el índice de mezcla Is,
aumenta desde un valor muy bajo
hasta aproximadamente 0,7, fluctúa
durante algún tiempo entre 0,55 y 0,7
y después, para tiempos de
mezclado muy largos, comienza a
decaer
estacionariamente.
El
mezclado es inicialmente rápido, pero
en este tipo de mezclador nunca es
perfecto.
Los
ingredientes
del
mezclador nunca se mezclan en una
forma completamente al azar.
Siempre
existen
fuerzas,
generalmente electrostáticas, que se
oponen a la acción de mezclado de
sólidos secos, y sus efectos son
especialmente apreciables en este
caso. Estas fuerzas evitan con
frecuencia que se alcance un
mezclado perfecto y, cuando el
tiempo de mezclado es grande,
pueden, tal como se muestra en la
Figura 2, oponerse a la mezcla dando
lugar a una segregación.
Figura 1. Mezclado sal y arena en un tambor de volteo (Según Weidenbaum y
Bonilla lo.) tomado de (McCabe, et al., 1991)
Para garantizar un eficiente
mezclado de las partículas sólidas,
es necesario evitar la tendencia que
presentan las partículas a segregar.
Esto ocurre cuando en un sistema
existen polvos con diferencias en sus
propiedades físicas (tamaño de
partícula, densidad, etc.); una vez
inicia el proceso de mezclado, el
movimiento
inducido
ocasiona
acumulación de las partículas más
finas en la parte inferior de la mezcla
Por el contrario, en el movimiento de
gases y líquidos miscibles se alcanza
la homogenización a gran escala,
producto del flujo (convección) que
facilita la difusión molecular. En el
mezclado de partículas sólidas no es
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posible alcanzar un grado superior al
de la mezcla de fluido, ya que estos
últimos tienden a mezclarse, mientras
los polvos a segregarse (Kukova et
al., 2009).
Universidad de la Amazonia, con la
asesoría de los docentes, Julio Cesar
Luna Ramírez, Claudia Jiménez,
Betselene Murcia y Emilio Méndez.
Localización
Este trabajo tuvo como objetivo
principal, evaluar la eficiencia del
prototipo de mezclador en V,
construido
por
estudiantes
de
Ingeniería de alimentos de la
Universidad de la Amazonia, con la
asesoría de los docentes, Julio Cesar
Luna Ramírez, Claudia Jiménez,
Betselene Murcia y Emilio Méndez.
La evaluación del equipo se realizó
mediante la determinación del índice
de mezcla y la capacidad de
mezclado en función del tiempo; para
establecer la homogeneidad de la
mezcla se realizó un análisis
estadístico de la dispersión del color
en el azúcar.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
Materiales
Como material para los ensayos
se
utilizó
azúcar
Manuelita
dispensante y como material a
dispersar los colorantes comerciales,
azul, rojo, rojo escarlata, comprados
en Produquímicos en Florencia
(Caquetá, Colombia). Como equipos
para los ensayo se utilizaron o
espectrofotómetro Genesys 5 para
análisis de concentración y para la
realización de las mezclas mezclador
en V de conos gemelos; los conos
gemelos son construido en acrílico y
soporte en acero inoxidable 316 y
motor de ¼ hp de 20 rpm
(revoluciones por minuto). Este
equipo fue construido por estudiantes
de Ingeniería de alimentos de la
El proyecto se llevó a cabo en el
laboratorio de análisis de alimentos
en la sede principal de la Universidad
de la Amazonia, Florencia - Caquetá.
(Altitud
242
msnm;
presión
atmosférica de 14.1 psi.).
Procedimiento experimental
Determinación de longitud de onda
Se utilizaron los colorantes, azul,
rojo, rojo escarlata, a los cuales se
les hizo una dilución al 10% con agua
destilada y posteriormente se leyó la
absorbancia en el espectrofotómetro
Genesys 5.0 donde se realizó la
curva característica para cada
colorante leyendo la absorbancia
desde 250 nm hasta 700 nm, cada 10
nm y se determinó la longitud de
onda a la cual se realizaron los
diferentes ensayos,
Realización
Calibración
de
la
Curva
de
Con los resultados obtenidos en la
determinación de la longitud de onda
se realizó la curva de calibración para
cada colorante y se hizo el ajuste por
mínimos cuadrados.
Análisis de Índice de Mezcla
En el mezclador en V se adicionó
el azúcar en el lado 1 y el colorante
(azul y rojo y rojo escarlata) en el
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lado 2 como se muestra en la figura
2, se realizó la mezcla durante diez
(10) minutos a 20 rpm, se tomaron 2
muestras en cada punto, se repitió el
procedimiento cada 20 segundos los
primeros (2) dos minutos, y los
siguientes minutos cada (2) dos
minutos, posteriormente se analizó
cada una de las muestras en el
espectrofotómetro. Para determinar
la concentración de colorante
Figura 2. Mezclador en V a. con sus respectivos lados (1 y 2) McCabe, et al.,
1991 y b. Mezclador en V construido
2
1
Se
realizaron
diez
(10)
repeticiones de cada mezcla de
azúcar y colorante (azul, rojo y rojo
escarlata) y una repetición con
colorante rojo escarlata, se hicieron
las respectivas gráficas X
y R,
utilizando la metodología cartas de
control estadístico de procesos SPC
para gráfica con tendencia.
Preparación
muestras
y
evaluación
efectuó
la
lectura
en
el
espectrofotómetro en la longitud de
onda correspondiente a cada color,
se determinó la concentración de
color según las curvas de calibración
elaboradas y se determinó la
composición de azúcar/color de cada
punto de muestreo.
Determinación de la Capacidad de
Mezclado
de
Para la toma de la muestra en un
Mezclador en V, después de mezclar
durante el tiempo determinado de
cada ensayo azúcar se tomaron dos
(2) muestras de un (1) gramo del
producto mezclado en cada uno de
los lados del mezclador en V,
posteriormente
se
realizaron
diluciones con agua al 10%, se
El proceso se realizó con
cantidades diferentes de producto el
cual permitió determinar la capacidad
de mezclado del equipo, se
estableció la concentración del color
en los diferentes tiempos de mezcla.
III. RESULTADOS Y ANÁLISIS
Determinación de longitud de onda
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La longitud de onda para el color
azul fue 625 nm, para el color rojo
escarlata, 540 nm y para el color rojo,
507 nm.
Figura 3. Longitud de onda de los colorantes a. color azul, b. color rojo, c color
rojo escarlata
Curva de calibración
Luego de determinar la longitud de
onda de los colores se realizó la
curva
de
calibración
de
la
concentración de la dilución de agua,
color y azúcar.
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Figura 4. Curva de calibración para los colorantes a. color azul, b. color rojo, c
color rojo escarlata
Al realizar la curva de calibración de la absorbania con respecto a la
concentracion de la dilución de agua, color y azúcar, se determinó la ecuación de
comportamiento por regresión lineal y el coeficiente de correlación, el cual para
los tres colores fue cercano a 1, lo que quiere decir que el comportamiento de la
concentracion es directamente proporcional a la absorvancia y tiene un
comportamiento lineal para los ensayos realizados
Índice de mezcla y variación para cada mezcla Azúcar-Colorante
Figura 1. Índice de mezcla a. color Azul-Azúcar b. color Rojo-Azúcar
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Según la gráfica 5, se puede
observar que durante los dos
primeros minutos, la mezcla presenta
un
comportamiento
ascendente,
después la mezcla presenta un
proporción similar visualmente el
colorante tiende a segregrase, ésto
se debe a que los colorantes
utilizados son particulas más finas,
con respecto al otro material de la
mezcla (azúcar) y tienden a
acumularse en la parte inferior de la
mezcla (Kukova et al., 2009), hecho
que se demuestra porque en los
primeros 20 y 30 segundos, la
concentracion del colorante es menor
a las proporciones con las que se
cargó el equipo. Después de los dos
minutos, el indice de mezcla del
colorante
mantiene
la
proporcionalidad.
Variacion del índice de mezcla
Azúcar-colorante
Figura 6. Variación de índice de mezcla a. Azúcar-color Azul b. Azúcar-color Rojo
En general, se presenta una alta
difusion en la primera fase del
proceso de mezcla (primeros 3
minutos), presenta unos picos,
Despues de iniciar la mezcla, hay
una una dispersion
En general, en la fase inicial
(primeros 3 minutos) se observa un
cambio muy pronunciado de la
variación del indice de mezcla de
azúcar-color,
esto
se
debió
posiblemente a que el colorante tiene
una rápida difusión para pasar de un
lado a otro. Después de los tres
minutos, la variacion del índice de
mezcla del azúcar-color presenta
unos picos, luego se mantiene la
homogeneidad y por último, una
reducción.
Las gráficas de la figura 6,
halladas
experimentalmente,
presentan un comportamiento similar
a lo presentado por McCabe (1991),
en las mezclas para tambores de
volteo.
Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 49
Variación de la concentración Azúcar-Colorante
Figura 2. Variación de la concentración de la mezcla a. Azúcar-Color Azul b.
Azúcar-Color rojo
En la figuras a y b, en los primeros 3 minutos, se puede observar como el
colorante migra hacia el azúcar, a partir de ahí, la mezcla conserva la
concentracion, tanto en el lado izquierdo como en el derecho. Según las gráficas,
en promedio, después del tercer minuto ambos lados presentan la misma
concentración, para despues mantener la homogeneidad en ambos lados.
IV. CONCLUSIONES
 Para una mezcla azúcar-colorante,
en el prototipo de mezclador en V,
(tambores gemelos)
en una
proporción
de
0,99:
0,01
respectivamente, el tiempo de
mezcla óptimo para alcanzar un
alto grado de homogeneidad en
ambos lados del mezclador es de
tres minutos.
 De los colorantes utilizados en
este trabajo (azul, rojo y rojo
escarlata), el que tiene mayor
difusión es el colorante rojo. Todas
las gráficas de datos de la curva
de calibración, mostraron un
coeficiente de correlación alta, lo
que quiere decir, que tienen un
comportamiento lineal.
 De acuerdo a los resultados, se
evidencia que el mezclador en V
(tambores gemelos), presenta un
buen comportamiento en el
proceso de
colorante
mezclado
azúcar-
V. BIBLIOGRAFIA
 Arango, S; Pérez, A. (2012).
Montaje y estandarización de
un
método
para
la
determinación
de
hidrocarburos
totales
en
matrices de agua por medio de
las técnicas de infrarrojo y
ultravioleta. Trabajo de grado.
Facultad
de
tecnología.
Universidad tecnológica de
Pereira. 135 p.
 Besterfield, Dale H. (2009).
Control de Calidad. octava
Edición,
Prentice
Hall.
Naucalpan de Juárez, Estado
de México. P. 156 – 157.
Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 50
 Cabrera, L; Maza, Yilmar;
López,
Vladimir.
(2012).
Evaluación del mezclado de
polvos en régimen rodante:
efecto de la velocidad angular.
Trabajo de grado. Programa
de
ingeniería
química.
Universidad de Cartagena. 91
p.
 Chia-Yi Y, Xi-Yong F. (2004).
Development and validation of
a material-labeling method for
powder
process
characterization using X-ray
computed
tomography
‖.
Powder technology 146: 10 –
19 p.
 Cubero, N; Monferrer, A;
Villalta, J. (2002). Tecnología
de
alimentos.
Aditivos
alimentarios. Ediciones mundiprensa. Barcelona, España.
431 p.
 Day, R; Underwood, A. (1989).
Química analítica cuantitativa.
Quinta edición. Prentice-Hall.
Naucalpan de Juárez, Estado
de México. 871 p.
 Earle, R. L. (1998). ingeniería
de
los
alimentos
(las
operaciones
básicas
del
procesado de los alimentos).
Segunda edición. Editorial
Acribia. Zaragoza, España.
203 p.
 Hart, F. Leslie., Fisher, Harry
Johnstone. (1971). Análisis
Moderno de los Alimentos.
Editorial Acribia. ZaragozaEspaña., P. 532.
 Kukova, A; Aubin, J; Kresta S.
(2009). A new definition of
mixing and segregation: three
dimensions of a key process
variable. Chemical engineering





research and design. 87 (4):
633 – 647.
McCabe, W; Smith, J. Harriott,
P.
(1991).
Operaciones
Unitarias
en
Ingeniería
Química. McGraw Hill. 4tª
Edición. Madrid-España. p.
968-985.
Perry, R; Green, D; Maloney,
J.(1999). Manuel del ingeniero
Químico.
Sexta
edición.
McGraw Hill. Estados Unidos
de America. 2582 p.
Romero, E. (2007). Métodos
numéricos.
Unisangil.
Santander.
20
p.
<http://www.geocities.ws/datos
_universidad/MNumericos/Ajus
teDeCurvas.pdf>. Acceso: 15
de octubre de 2013.
Skoog, D; West, D; Holler, J;
Crouch,
S.
(2005).
Fundamentos
de
química
analítica.
Octava
edición.
Editorial Thomson. Madrid,
España. 1026 p.
Treybal,
R.
(1988).
Operaciones de transferencia
de
masa.
Mcgraw-Hill,
Wightman, C; Muzzio, F.
(1998). Mixing of granular
material in a drum mixer
undergoing
rotational
and
rocking motions I. Uniform
particles. Powder tecnology. p.
113-124
Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 51
Agradecimientos
Un agradecimiento muy especial a
los ingeniero de alimentos Emilio
Méndez y julio cesar luna quienes
diseñaron los prototipos, a la
Ingeniera Claudia Jiménez Arena,
a la Bióloga Betselene Murcia,
quienes lideraron el proyecto de
construcción de equipos de
laboratorio. Al licenciado en
matemáticas y física Manuel
Agudelo director del laboratorio de
mecánica fina de la Universidad
de la Amazonia donde se han
construido los prototipos.
Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 52