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