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M.C. Ma. Luisa Colina Irezabal
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La mayor parte de los fluidos alimentarios tienen un comportamiento noNewtoniano (su consistencia cambia con la velocidad de agitacin) por lo que las mezcladoras utilizadas deben permitir una mezcla intensa de
los componentes sin sobrecargar el motor ya que esto reducira la eficacia del mezclado
valor de n
Newtonianos 1Pseudoplsticos > 1
n
dzdx
=
dzdx
De acuerdo a la Ley de la Potencia:
( )
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COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS ALIMENTARIOS
NEWTONIANOS NO NEWTONIANOSFluidos cuya viscosidad puede
considerarse constante en el tiempo Fluidos cuya viscosidad vara con el tiempo y la tensin cortante aplicada
Pseudoplsticos
Dilatantes
Viscoelsticos
Tixotrpicos
Ejemplo: agua, vino,vinagre, consom
En un fluido newtoniano la viscosidades independiente de la agitacin, solo
depende de la temperatura y de la composicin
al vel.agit al vel.agit
al tiempo agitProp. viscosas y elsticas
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Pseudoplsticos (su consistencia disminuye a medida que aumenta la velocidad de agitacin) Ejemplo salsas, catsupDurante el mezclado de stos, se forma alrededor del agitador, una zona de material menos viscoso (que es mas evidente cuanto mayor es la agitacin), pero la mayor parte del alimento permanece estacionario.Para ellos se utilizan las mezcladoras de planetario, molinos de rodillos o sistemas de agitacin mltiple.
Dilatantes (Su consistencia aumenta al aumentar la velocidad de agitacin) Ejemplo suspensin de harina de maz, chocolateEstos alimentos deben mezclarse con sumo cuidado ya que sila mezcladora no es suficientemente potente, el aumento quese produce en la consistencia, daa los mecanismos detransmisin y los ejes.Para este tipo de alimentos resultan adecuadas las fuerzas decorte, de envoltura, como las que proporcionan lasmezcladoras de paletas
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Viscoelsticos que poseen propiedades viscosas y elsticas como son la relajacin de la tensin y la recuperacin. Ejemplo la masa de panadera.Para que se produzca el cizallamiento en este tipo de alimentos serequieren fuerzas de distensin y envoltura, por lo que se utilizanmezcladoras de doble eje y de planetario de cuchillas que seentrecruzan
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 agitacin), pero la mayor parte del alimento permanece estacionario.Para ellos se utilizan las mezcladoras de planetario o sistemas de agitacin mltiple.
Tixotrpicos (Su consistencia disminuye al aumentar el tiempo de agitacin) Ejemplo mieles, algunas salsas
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En los alimentos lquidos, las propiedades fsicas que mayor influencia tienen durante las operaciones de
mezclado estn:
- Viscosidad o Consistencia- Solubilidad de los componentes
Para la adecuada mezcla de lquidos de baja viscosidad, la masa del lquido debe someterse a una turbulencia tal que en la masa del lquido que se mueve a mayor velocidad se
engloben porciones de ste que se mueven a una velocidad mas lenta.
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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 penetraran las
corrientes del fluido
Las mezcladoras para lquidos, consisten en un recipiente o tanque (cerrado o abierto)
provisto de un agitador mecnico, montado en un eje suspendido en la parte superior del tanque y accionado por un motor elctrico
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Cuando un lquido se somete a la accin de una mezcladora, existen 3 componentes de velocidad que dicha mezcladora
puede impartir al lquido:
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 lquido que circula alrededor del eje (formando vrtices o
remolinos) donde el lquido simplemente da vueltas pero sin llegar a mezclarse (potencia desaprovechada), adems de que
puede atrapar aire, lo cual es indeseable
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1) Colocando el agitador desplazado del eje central del tanque.
Formas de evitar vrtices o remolinos y conseguir un mezclado mas eficaz
2) Colocando el agitador con el eje en forma inclinada
3) Instalando placas deflectoras o baflesLas placas deflectoras (en ingls Baffles): son bandas planas
verticales, situadas a lo largo de la pared del tanque
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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
dimetro del tanque
Si el eje del agitador est desplazado del centro o inclinado, no se necesitan placas deflectoras
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Trayectorias de flujo en Tanques Cilndricos:
1) Agitador centrado sin deflectoresFormacin de Vrtice
SI
2) Agitador centrado con deflectores
3) Agitador inclinado
4) Agitador descentrado
NO
NO
NO
1 32 4
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Para la agitacin de lquidos de viscosidad baja o media se utilizan bsicamente 3 sistemas:
1)Mezcladoras de Paletas o Palas2)Mezcladoras de Hlice3)Mezcladoras de Turbina
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1) Agitadores de Paletas o PalasEs la forma ms 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 comn tambin utilizar agitadores formados por dos y tres paletas
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Otras variantes de los agitadores de palas o paletas son:
Los agitadores de paletas con forma de reja se utilizan para lquidos ms viscosos y tanto los agitadores de ancla, con palas diseadas
para limpiar las paredes del tanque, como los agitadores de mltiples palas rotando unas en sentido opuesto a las otras tienen una amplia
utilizacin en la industria alimentaria
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En el agitador de paletas tipo ancla las paletas efectan dos movimientos circulares: uno de rotacin sobre su propio eje y otro de traslacin en una
rbita circular. Adems en su movimiento rascan la superficie del fondologrando mezclar bien una gran porcin de alimento.
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2) Agitadores de HliceEstn hechos con elementos impulsores de hojas
cortas (generalmente de menos de del dimetro del tanque) girando a gran velocidad (1150-1750 rpm los
agitadores ms pequeos y 400-800 rpm los mayores)
Producen principalmente corrientes longitudinales (axiales) y rotatorias y se emplean para lquidos pocos
viscosos
Los agitadores de hlice impulsan el lquido hacia el fondo del tanque, desde donde la corriente se extiende subiendo por las paredes y
retornando hacia la hlice.
Se emplean cuando se desean intensas corrientes verticales, por ejemplo para mantener en suspensin partculas slidas pesadas, pero
nicamente en lquidos poco viscosos( menor a 5000 centipoises)
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En tanques de gran altura, pueden disponerse dos o ms hlices sobre el mismo
eje, moviendo el lquido ya sea en la misma direccin o bien en sentido opuesto creando
una zona de elevada turbulencia en el espacio comprendido entre ellas.
Algunos tipos de agitadores de hlice son:
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Los agitadores de hlice se utilizan para lquidos inmiscibles, preparacin de suspensiones, jarabes, salmueras, emulsiones, entre otros
Para evitar los remolinos la hlice se monta descentrada respecto al centro del tanque o bien inclinada en relacin al eje longitudinal
En tanques grandes se puede montar a travs de las paredes laterales
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3) Agitadores de TurbinaEstn compuestos por un componente impulsor con ms de cuatro hojas
montadas sobre un rodete y fijas a un eje rotatorio
Algunos agitadores de turbina tpicos son:
La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de mltiples y cortas paletas. El dimetro del rodete es menor que en el caso de agitadores de
paletas, midiendo del 30 al 50% del dimetro del tanque
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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 lquido 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 circulacin separadas
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Adems de las corrientes radiales, tambin se generan corrientes rotatorias o tangenciales.
Estas ltimas, aunado a que el agitador se coloca en el centro del tanque, dan lugar a vrtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de
placas deflectoras, con el fin de que el mezclado sea ms eficaz
Los agitadores de turbina son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades; en lquidos poco viscosos, producen corrientes
intensas, que se extienden por todo el tanque eliminando las masas de lquido estancado.
Estas mezcladoras desarrollan fuertes turbulencias cerca del elemento impulsor por lo que se emplea para la premezcla de
emulsiones
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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)
Tipo de Mezcladora
Ventajas Desventajas
De Paletas Barata. Buen flujo radial y rotacional
Escaso flujo perperdicular, elevado riesgo de formacin de vrtices a velocidades elevadas
De Hlice Buen flujo en las 3 direcciones
Mas cara que la de paletas
De Turbina Muy buena mezcladora Cara. Cierto riesgo de atascos
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Las bombas consiguen cierto efecto de mezclado, creando flujos
turbulentos, tanto en la propia bomba, como en las tuberas
Existe una gran variedad de bombas que pueden usarse para el manejo de
diversos fluidos y suspensiones
MEZCLADO DURANTE EL BOMBEO DE LQUIDOS
Algunos bombas de diseo especial, utilizan el movimiento de los productos a mezclar cuando fluyen a lo largo de una tuberas sobre
elementos mezcladores estacionarios de contorno especial situados en el interior de la carcasa tubular
La mezcla se produce por una combinacin de la divisin del flujo, cambios en la direccin del mismo y movimientos helicoidales
introducidos por los elementos mezcladores
Bomba mezcladora centrfuga
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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 higienizacin asociados a los recipientes voluminosos
Los sistemas de mezclado a base de bombas operan con lquidos miscibles, inmiscibles y sistemas gas /liquido. Tambin pueden trabajar
con fluidos de elevada viscosidad.
Cualquier fluido que pueda ser bombeado a travs de una tubera 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 lnea de llenado/cerrado de envases
Tambin puede utilizarse para cerveza
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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.
En los lquidos 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
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1) MEZCLADORAS DE PLANETARIOSOperan 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 simultneamente sobre su propio eje a velocidades entre 40 y 370 rpm
(movimiento de rotacin y traslacin)
El doble movimiento rotativo de los elementos de mezcla cubre por completo la zona de mezcla y garantiza que se efecte una ptima dispersin. Las
palas rascadoras del fondo y las paredes del tanque efectan una adecuada mezcla / amasado.
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MEZCLADORAS DE PLANETARIOS
Se utilizan para la mezcla y/o el amasado de productos tixotrpicos y de muy alta viscosidad como pastas , masas extendibles (tipo
Pizza), masas de panadera, papillas y muchos mas
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2) MEZCLADORAS HORIZONTALES DE PALASTIPO: Z, S T
Consisten en recipientes horizontales con sistema de mezclado de doble pala (Tipo Z,
S T)
Cada una de las palas gira en sentido opuesto y a diferente velocidad de la otra (14-60 rpm)
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Estas mezcladoras producen intensas fuerzas de cizalla
Mezcladora Criognica
Requieren bastante potencia que se disipa en el producto en forma de calorPor ello, la eficiencia del mezclado debe
ser grande para reducir al mnimo el tiempo de mezclado
En algunos casos es necesario utilizar Mezcladoras / Amasadoras Criognicas que
incorporan CO2 o nitrgeno lquido, manteniendo as refrigerado el producto
durante la operacin
Tambin pueden utilizarse recipientes con camisas refrigeradas para regular la temperatura del producto durante la mezcla o amasado
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Amasadora al vaco
Por ello, en algunas operaciones, se hace necesario la extraccin de aire de la mezcla
mediante la utilizacin de Mezcladoras / Amasadoras que operan al
vaco
Algunos tipo especiales de Mezcladoras Ralladoras se equipan con palas en forma de sierra u otros diseos.
Durante el mezclado de fluidos de alta viscosidad, es comn que se creen burbujas de aire que podran tener efectos negativos en el producto (por
ejemplo oxidacin, rancidez de grasas o aceites, decoloracin 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 qumicamente ms
estables y ms duraderos.
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3) MEZCLADORAS CONTINUAS PARA PASTA(tipo rotor-stator)
Se basan en forzar al producto a travs de una serie de obstrucciones, tales como placas perforadas o cilindros ranurados
El principio bsico consiste en la accin que produce un rotor estriado al girar a 3.000 rpm contra un estator fijo tambin estriado, siendo sometido
el producto a procesar a fuertes acciones de corte y cizallamiento
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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 fabricacin de mantequilla y margarina y en el proceso de mezclado, amasado y extrusin de productos
de pastelera y panadera
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10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104
Viscosidad (Pa-s)
Hojas Z
Turbina
Cintas Helicoidales
Ancla
SELECCIN DE LA MEZCLADORA EN FUNCIN DE LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO
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Tipo de fluido
Caractersticas Ejemplos Mezcladora a utilizar
Seudo-plstico
La viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de agitacin
Algunos coloides, catsup, gelatina
Mezcladoras de planetario, molinos de rodillos o sistemas de agitacin mltiple
Dilatante La viscosidad aumenta al aumentar la velocidad de agitacin
Jarabes concentrados, suspensiones de almidn de maz o de arroz, mayonesa, chocolate
Se requieren fuerzas de corte y de envoltura, como en las mezcladoras de paletas
Tixotrpico La viscosidad disminuye conforme aumenta el tiempo de agitacin
Algunas mieles, salsas
Mezcladoras de planetario
Visco-elstico
Posee propiedades viscosas y elsticas como son la relajacin de la tensin y la recuperacin
Betn, masa de panadera
Mezcladoras de doble eje y de cuchillas que se entrecruzan
FLUIDOS NO NEWTONIANOS
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El rendimiento de un mezclador industrial est 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 varan
ampliamente de un producto a otro.
A veces se requiere un grado muy elevado de uniformidad, otras una accin de mezclado rpido; en otras ocasiones un
gasto de energa mnimo.
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Fluidos
De mediana y baja
viscosidad
De alta viscosidad
Newtonianos
No Newtonianos:- Pseudoplsticos- Dilatantes- Tixotrpicos- Viscoelsticos
- Lquido- Slido: . Soluciones. Suspensiones
- Lquido- Lquido:. Soluciones. Emulsiones
- Lquido-gas
- Masas- Pastas
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Cuando se mezclan fluidos de baja viscosidad se obtienen productos de elevada homogeneidad, por lo que pueden utilizarse pocas muestras para el anlisis del mezclado
Por el contrario, en el mezclado de pastas al igual que con los slidos, los componentes suelen encontrarse distribuidos de
manera menos homognea por lo que es necesario contar con mayor nmero de muestras.
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TIEMPO DE MEZCLADO
En el caso de lquidos, la velocidad de mezclado y por ende el tiempo de mezclado, son funcin de una constante (K) que depende del tipo
de mezcladora y la naturaleza de los componentes a mezclar
Los parmetros que tienen influencia en el valor de la constante K son:
zDNDK
t2
3
D = dimetro del agitador (m)N = velocidad de agitacin (rps)Dt = dimetro del recipiente (m)z = altura del lquido (m)
ln
-
La potencia que la mezcladora deber tener depende de:
1) Naturaleza, cantidad y consistencia del alimento (densidad, viscosidad, etc)
2) Tipo de flujo obtenido durante el mezclado3) Posicin, velocidad y tamao del dispositivo
impulsor (factores de forma, velocidad de giro)
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El flujo de un fluido dentro de una mezcladora se puede definir por una serie de nmeros adimensionales:
m
mND
2Re =
-Nmero de Reynolds (Re)
-Nmero de Froude (Fr)
-Nmero de Potencia (Po)
gDNFr
2
=
53DNPPo
m=
D = dimetro del agitador (m)N = velocidad de agitacin (rps)m = densidad mezcla (kg/m3)m = viscosidad mezcla (kg/ms)P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m2/s3)g =aceleracin de la gravedad
= 9.8 m/s2
-
La relacin entre estos 3 nmeros (Reynolds (Re), Froude (Fr) y Potencia (Po), se expresa de la siguiente manera:
mn FrkPo )((Re)= Donde k, m y n son factores relacionados con la geometra del agitador
(determinados experimentalmente)El nmero de Froude solo resulta importante cuando se forman
remolinos (en recipientes sin deflectores)
m
mND
2Re =-Nmero de Reynolds (Re)
-Nmero de Froude (Fr)
-Nmero de Potencia (Po)
gDNFr
2
=
53DNPPo
m=
D = dimetro del agitador (m)N = velocidad de agitacin (rps)m = densidad mezcla (kg/m3)m = viscosidad mezcla (kg/ms)P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m2/s3)g =aceleracin de la gravedad (m/s2)
Ecuacin 5
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D = dimetro del agitador (m) N = velocidad de agitacin (rps)g =aceleracin de la gravedad (m/s2)
De los datos requeridos:m = densidad mezcla (kg/m3)m = viscosidad mezcla (kg/ms)P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m2/s3)
Se conocen o determinan Deben calcularse
m es la suma de las densidades de los componentes de la mezcla (o de las fases)V = volumen relativo (fraccin) de cada fase o componente
2211 VVm +=
La viscosidad de la mezcla (m ) se calcula:
Mezcladoras conplacas deflectoras
Mezcladoras sinplacas deflectoras
2121VV
m +=
+
+=
21
22
1
1 5.11 V
Vm
-
La potencia transmitida por el agitador ( P) debe obtenerse del Nmero de Potencia (Po) 53DN
PPom
=
La relacin de Po a diferentes Nmeros de Reynolds (Re), para diversos tipos de
agitadores se obtiene de grficas
-
FACTORES DE FORMA (Si):
Factor deForma (S)
Relacin Valor Tpico
S1 Da/Dt S2 E/Da 1S3 L/Da S4 W/DaS5 J/Dt
S6 H/Dt 1
