Jornada Técnica Granulación: Sevilla 3 de Diciembre de 2014 Podemos mejorar este proceso. Ahora no podemos parar, estamos atareados! El obtener un gr á

Jornada Técnica Granulación: Sevilla 3 de Diciembre de 2014

Podemos mejorar este proceso.

Ahora no podemos parar, estamos

atareados!

El obtener un gránulo con buena calidad es cuestión de técnica y de imaginación, puede ser más caro de fabricación, pero puede ahorrar más todavía en el campo. Exige buscar el equilibro entre coste y calidad.

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GRANULACION

FISICA-QUIMICA

Método vía húmeda

Pablo Manrique Vergara.Técnico Farmacéutico MIPROMA ALIMENTACION Y ADITIVOS S.L.Col. nº [email protected]

Jornada Técnica Granulación: Sevilla 3 de Diciembre de 2014

mailto:[email protected]




Jornada Técnica Granulación: FISICA-QUIMICA





Calor

Mez

clad

ora

Acondicionad

or

Matriz

Enfriador

Caldera

de vapor

La granulación es el proceso por el cual las partículas primarias de harina se adherirán para formar estructuras mayores con múltiples partículas densas y de libre flujo, que se conocen como gránulos.

~¼ del costo total de granulación incluido la harina





Mezclado de los ingredientes para conseguir una dispersión homogénea de la harina.

Amasado húmedo para producir una masa de harina suficientemente plástica y lubricada.

Secado y enfriado para conseguir el contenido final de humedad deseado.

Tamizado (opcional) recirculación de los finos.

Rotura de las materias primas hasta conseguir la harina del tamaño deseado.

Trabajo mecánico de conseguir el granulo con las dimensiones deseadas.

Molino

Caldera

de vapor

Enfriador

Acondicionador

Granulación

Mezcladora





Granulación por vía húmeda:

Se utilizan líquidos (agua mayoritariamente) para fomentar por compactación que se forme un granulo durable en el tiempo. El agua libre facilita la granulación aportando lubricación y plasticidad. Por lo general parte de esta humedad se aporta en forma de vapor, aportando energía térmica y química la cual desintegra la estructura del almidón y provoca la gelatinización, así como da mayor plasticidad a las proteínas (desnaturalización) y reblandece las fibras. El objetivo mecánico es blandecer las partículas.

Fuerzas para mantener el granulo:

Físicas: cohesión del sólido por alta presión por rodillos contra las partículas y paso de estas por los orificios de la matriz.

Químicas: adhesión de partículas por amasado en vía húmeda en líquidos polares.

Un molécula de H2O liq puede establecer 3,6 enlaces simultáneamente.





Fuerzas de cohesión:

Fuerzas de atracción entre partículas sólidas. La presión de los rodillos sitúa a las moléculas a distancia de enlace por fuerzas electrostáticas, puentes de hidrógeno y de Van der Walls. A menor diámetro de partícula mayor cohesión.

En consecuencia, aumentará la fuerza del enlace entre las partículas, ya que las fuerzas de atracción de Van der Waals son proporcionales al diámetro de la partícula e inversa y exponencialmente proporcionales a la distancia de separación entre ellas. Menor tamaño de partícula, mayor cohesión.

P. Hidrógeno: fuerza media, importantes si la deformación plástica logra un gran acercamiento.





Fuerzas de cohesión:Las fuerzas electrostáticas son importantes para provocar la cohesión del polvo durante el mezclado y acondicionado. Pero no contribuyen significativamente a la fuerza final del gránulo.

Las fuerzas de Van der Waals son aproximadamente cuatro órdenes de magnitud mayores que las fuerzas electrostáticas y contribuyen significativamente a la fuerza de los gránulos. La magnitud de estas fuerzas aumentará medida que disminuya la distancia entre las superficies adyacentes, por tanto a mayor presión mayor cohesión.

La energía mecánica (presión) y térmica (fricción) en el orificio de la matriz hace posible las reacciones químicas para unir las partículas. A mayor valor en la relación longitud/diametro del orificio (L/d) mayor cohesión. Y a mayor relación de compresión mayor DUREZA.

California Pellet Mill Company, 1931





Fuerzas de cohesión:

La compresión fuerza a las partículas a un entrelazamiento mecánico por encaje.

Adaptado de ISBN 978-0-8247-2647-8

Por cohesión de partículas por efecto de la presión aplicada se genera un producto compacto o laminado, que tiene el tamaño del orificio de la matriz y al que se puede aplicar cuchillas para regular su longitud o pasar por rodillos para migajarlo.

Alto nivel de fibra, necesita gran cantidad de energía sencillamente para comprimir la harina a la densidad del granulo. Por el contrario, para un alimento relativamente denso como cereales y harina de soja, gasta menos cantidad de energía para la compresión y mayor cantidad para la producción.





Fuerzas de adhesión:

Puentes de hidrógeno entre las partículas por una película de líquido polar inmóvil entre ellas.

Fuerzas capilares por “gota” de agua entre las partículas.

Si hay líquido suficiente en un polvo como para formar una capa inmóvil muy fina, habrá un descenso eficaz de la distancia entre las partículas y un aumento de la superficie de contacto entre las partículas.

Habitualmente, se añade líquido en exceso con respecto al que sería necesario para una capa inmóvil y para producir una película móvil.El sobrante de agua no ligada debe eliminarse en el proceso de enfriado. La velocidad muy rápida produce agrietamiento.

Adaptado de ISBN 0-8247-9376-5 y de ISBN 0.8247-2647-2


Secado





Con niveles de humedad bajos las fuerzas capilares se conocen como estado pendular, las partículas se mantienen unidas con anillos de líquido que tienen forma de lente y provocan la adhesión como consecuencia de las fuerzas de tensión superficial de la superficie de contacto líquido-aire y de la presión hidrostática de aspirado que se produce en el puente líquido.


Mayor tiempo de homogenización y retención de la harina húmeda proporciona mayor adhesión.

Durante los procesos de mezcla y acondicionado donde media la adición de humedad, la harina se encuentra originalmente en un estado pendular, aumentará la densidad de la masa húmeda mediante el amasado constante, disminuyendo el tamaño del poro ocupado por aire y llevará, finalmente, hasta un estado funicular o capilar sin que haya que añadir más líquido.





Molienda: a menor tamaño de partícula se necesita menos líquido para alcanzar el estado pendular-funicular.


Las fuerzas capilares o puentes húmedos son sólo estructuras temporales en el proceso de granulación, porque los gránulos húmedos acabarán secándose durante el enfriado. Sin embargo, son un requisito previo para la formación de puentes sólidos: formados por los adhesivos presentes en el líquido, por los materiales que se disuelven en el líquido de granulación, o por los propios componentes aglutinantes de las materias primas.

Puentes sólidos: Endurecimiento de los aglutinantes. Cristalización de las sustancias disueltas.





Humectación:


El líquido que se añade a los polvos secos debe distribuirse por todo la masa de harina mediante agitación mecánica.

Capacidad: No obstante no se puede sobrepasar entre vapor y agua libre el nivel máximo que la propia harina admite ya que se produce deslizamiento de los rodillos y finalmente atasco.

Almidón>¿Proteína?~Fibra sol (celulosa)>Fibra no sol.

Cereales>Leguminosas>Salvados, Subproductos, Forrajes.

AGUA : tensión superficial

Disminución de la tensión superficial mediante temperatura y surfactantes.

Mojado: dispersión y homogeneidad

“Todas las propiedades físicas de los ALIMENTOS son afectadas por el AGUA”




Jornada Técnica Granulación:

Surfactantes-HLB (Balance Hidrofílico-Lipofílico): es el método más utilizado para caracterizar los surfactantes.





Puentes sólidos:

Es el mecanismo más frecuente de formación del granulo, ya que muchas materias primas empleadas tienen capacidad de aglomeración por si misma, debido a que en su composición físico-química existen sustancias capaces de ejercer como pegamentos naturales.

El almidón gelatinizado, se considera el mejor y más barato aglomerante (L. Larraga, 2002). No solo aporta fuerza de unión, también elasticidad que contribuye a mejorar la Durabilidad.

Las moléculas de almidón retienen agua y forman un gel

TEMPERATURA Y HUMEDAD

El agua forma puentes líquidos y el aglutinante se endurecerá o cristalizará cuando se seque para formar puentes sólidos que unirán las partículas. Para que la adhesión sea lo más efectiva posible el enfriamiento debe ser rápido, sin exceso ya que puede producir agrietamiento.

Endurecimiento de los aglutinantes. Cristalización de las sustancias disueltas.






Endurecimiento por aglutinantes húmedos (almidón gelatinizado) se consigue una pregelatinización a partir 60ºC y 3% de agua libre (Wiseman et al., 2001), y fibra soluble (carboximetilcelulosa). Se forman puentes líquidos que al secarse forman un puente sólido entre las partículas.

Shivus, 2005.






Cristalización por sustancias disueltas: el agua usada para amasar la harina solubiliza alcohóles y azucares, al secarse cristalizan actuando como aglutinante que se endurece, se denomina caramelización. Es el caso de la melaza, productos con lactosa, glicerina y propilenglicol. Aunque para producir la caramelización se necesita al menos 40ºC. Indeseable a partir de 154ºC. Urea: puentes de sal, migraciones indeseables.

Puentes sólidos: La temperatura y la cantidad-dispersión de la humedad suficiente juegan un papel fundamental para aumentar la adhesión de manera cualitativa y cuantitativa.

Dentro de la cantidad total de almidón de la materia prima destaca la amilosa como mejor aglutinante.





Los parámetros a tener en cuenta por su incidencia en la granulación, serán los contenidos en almidón, azúcar, grasa, fibra, proteína, ceniza, humedad e higroscopicidad.

La aptitud de las materias primas para la granulación, se define como factor de granulación, con escala normalmente de 0-10 o de 0-100).

Fuerzas de adhesión: Materias primas

Consulta completa: (incluye gato energia)MacMahon y Payne, 1991.

M.P. requerimientos especiales:Amiláceos, Proteicos, Lactosados, Fibrosos, Urea y Melazas.





En general se puede decir que los productos lácteos, el trigo, la melaza, y las pulpas tienen un factor de granulación elevado y que las grasas, la soja integral, el gluten y los minerales tienen un factor de granulación bajo e incluso negativo, estando el resto de materias primas en una situación intermedia.

Adaptado de the Pelleting Handbook, Borre Gaard Lignotech





Aditivos Aglomerantes “minerales”:

Arcillas (silicatos, hidróxido de Mg, Al, Ca) y Tierras de Diatomeas: Sólidos finamente divididos sin propiedades surfactantes que pueden actuar:

1.Como estabilizantes de la dispersión (gel) al localizarse en la interfase entre las sustancias polares (agua) y apolares (aceites, grasas, fibras no solubles), produciendo la dispersión de estas últimas.

2.Aumentan la compresión mediante su resistencia (abrasividad y hinchabilidad) al paso por la matriz.

Estructura pseudolaminar de la sepiolita.

Hinchabilidad (reología): contribuye a que se disperse en agua mediante la formación de puentes de hidrógeno y a la retención de agua entre partículas dispersas.

Al secarse se endurecen “cemento”, aumentando la dureza.

Fosfatos, aumentan la resistencia a la compresión, diferencias entre fuentes de P.

vs





Aditivos Aglomerantes “tecnológicos”:

Amplia gama de aditivos de baja dosis formados por polisacáridos solubles en agua con alta capacidad gelificante, viscosidad y dispersables en agua.

Goma de Guar. Goma arábica. Dextranos. Goma Xantana.

El mecanismo de acción es la formación de un gel viscoso que al secarse consigue adherir las partículas y dotar de flexibilidad. Pero necesitan la cantidad de humedad y temperatura adecuada para funcionar.

Otros:• Colágeno porcino.• Lignosulfato.

Cuando son humedecidos desarrollan capacidad adhesiva y poder de aglomeración gracias a su capacidad de retener y absorber agua. La lignina una vez humedecida, presenta una textura pegajosa.





La adición de grasa/aceite, antes de la granulación ,es simplemente el factor que más disminuye la cohesión y adhesión:1.Interacciona negativamente con todos los procesos en los que media el agua, puentes de hidrógeno y fuerzas de Van der Walls. Ya que crea una película hidrófoba sobre las partículas de alimento que les impide la unión.2.Lubrica en exceso el proceso de presión mecánica, y por lo tanto incide en una reducción de la presión que se aplica.

La grasa debe ser aplicado después de la granulación siempre que sea posible. Cuando se pulveriza sobre el gránulo caliente, que sale de la matriz, el efecto sobre la calidad del gránulo es generalmente neutro, pero cuesta enfriar y se puede mermar la conservación, además si los gránulos se tamizan ejercerá un efecto negativo al volver a granularse, parece entonces más interesante reengrasar después del enfriador.

Puntos adversos tecnológicos:

Exceso de procesado: reacción de Maillard (gluosilación no enzimática de proteínas), almidones retrógrados (no digestibles), caramelización PATs, perdida de actividad de vitaminas, enzimas y otros aditivos. Dependiendo de factores F-Q se puede producir hasta a TºC ambiente.





Reimer (1992) propone que los factores principales que controlan la calidad de los gránulos son :

Formulación (40%) Molienda (20%) Acondicionado (20%) Selección de dado (15%) Enfriamiento (5%).

A. FAHRENHOLZ, 2008.

Behenke, 1996.

Influencia en el PDIsin fórmula.

Influencia en el PDI.

Influencia en la PRODUCCION.

A. FAHRENHOLZ, 2008.

Ret





Reducción de la carga microbiana de los piensos.

Una de las necesidades de la industria de piensos es el control de Salmonella (se utiliza la carga de Enterobacterias totales como indicador).

Para destruir Salmonellas son necesarias temperaturas superiores a 63ºC. Sin embargo debe tenerse en cuenta factores de combinación de temperatura, humedad y tiempo alcanzados durante el proceso.

Aportes positivos tecnológicos:

Con granuladoras estándar de tiempo medio de 30” de acondicionado se consigue una reducción significativa de la carga microbiana (pero no eliminación), encontrándose optimo rendimiento, sin menoscabar la calidad del pienso, en los rangos de 75ºC y 15% de humedad.

Es necesaria la combinación con conservantes químicos durables en el tiempo.

Jornada Técnica Granulación: CONTROL DE CALIDAD

El factor de granulación de una fórmula puede ser introducido en la matriz de materias primas como un nutriente más y exigirle a la fórmula un nivel mínimo para asegurar la calidad del gránulo (PDI). La dificultad reside en establecer estos valores para las fórmulas individuales, ya que deben ser definidos específicamente para cada fábrica. La estrategia a seguir una vez introducido el factor de granulación es hacer un estudio de correlación entre los niveles de las fórmulas y la durabilidad real. Siempre controlando los niveles Dureza y Actividad de Agua.

Fórmula:

Factor de granulación

Durabilidad objetivo

DurezaAW

Factores Industriales

Servicio:

Control F-Q (Nirs)




Jornada Técnica Granulación: BIBLIOGRAFIA

EL PROCESO DE GRANULACIÓN: BASES CIENTÍFICAS Y EFECTOS NUTRICIONALES. G.G. Mateos y S. Grobas. FEDNA 1993. Sistemas dispersos: consideraciones básicas. P Walstra. Química de Alimentos. Ed. Acribia.

2000. Dispersiones alimenticias. W Powrie y M Tung. Capitulo 12. Química de Alimentos. Edición en

español. Ed Reverte. 1982. Estado de dispersión. J. G. Montejano Gaitán. Capítulo 10. Química de Alimentos. S Badui

Dergal. Pearson Education. 2006. 4º Edición. Granulación farmacéutica. M.Oliva. Límites tecnológicos en la fabricación de piensos. J Acedo-Rico. FEDNA, 2010. El factor de granulación para mejorar la calidad del gránulo en piensos para porcino. A.

Nieves, 2002. Imasde, 2002. Binding and other functional characteristics of ingredients. T. WINOWISKI. Universidad de

Kansas, www.wattagnet.com. Efecto del procesado térmico sobre el valor nutritivo de los ingredientes alimenticios. N.

Almeida y col. FEDNA, 2012. Calidad física del pienso.Ross Tech 07/045. Avigen, 2007. Uso de arcillas en la alimentación animal. J.Castaing. FEDNA. EVALUATING FACTORS AFFECTING PELLET DURABILITY AND ENERGY CONSUMPTION IN A PILOT FEED MILL AND

COMPARING METHODS FOR EVALUATING PELLET DURABILITY. A. FAHRENHOLZ. Kansas State University, 2008.



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