M.C. Ma. Luisa Colina Irezabal
La mayor parte de los fluidos alimentarios tienen u n comportamiento noNewtoniano (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 est o reduciría la eficacia del mezclado
valor de n
Newtonianos 1
Pseudoplásticos <<<< 1
Dilatantes >>>> 1
n
dz
dx
= µτ
dz
dx
De acuerdo a la Ley de la Potencia:
(ττττ )
COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS ALIMENTARIOS
NEWTONIANOS NO NEWTONIANOS
Fluidos cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo
Fluidos cuya viscosidad varía con el tiempo y la tensión cortante aplicada
Pseudoplásticos
Dilatantes
Viscoelásticos
Tixotrópicos
Ejemplo: agua, vino,
vinagre, consomé
En un fluido newtoniano la viscosidades independiente de la agitación, solo
depende de la temperatura y de la composición
µ↑µ↑µ↑µ↑ al ↑↑↑↑ vel.agit
µ↓µ↓µ↓µ↓ al ↑↑↑↑ vel.agit
µ↓µ↓µ↓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 evide nte 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 hari na de maíz, chocolate
Estos alimentos deben mezclarse con sumo cuidado ya que sila mezcladora no es suficientemente potente, el aumento quese produce en la consistencia, daña los mecanismos detransmisión y los ejes.
Para este tipo de alimentos resultan adecuadas las fuerzas decorte, de envoltura, como las que proporcionan lasmezcladoras de paletas
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 serequieren fuerzas de distensión y envoltura, por lo que se uti lizanmezcladoras de doble eje y de planetario de cuchillas que seentrecruzan
Al igual que con los fluidos pseudoplasticos, duran te el mezclado se forma alrededor del agitador, una zona de materia l menos viscoso (que es mas evidente cuanto mayor es el tie mpo de agitación), pero la mayor parte del alimento perman ece estacionario.
Para ellos se utilizan las mezcladoras de planetario o sistemas de agitación múltiple.
Tixotrópicos (Su consistencia disminuye al aumentar el tiempo de agitación) Ejemplo mieles, algunas salsas
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 viscosi dad, la masa del líquido debe someterse a una turbulencia ta l que en la masa del líquido que se mueve a mayor velocid ad se
engloben porciones de éste que se mueven a una velo cidad mas lenta.
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 penet rarían las
corrientes del fluido
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
Cuando un líquido se somete a la acción de una mezc ladora, existen 3 componentes de velocidad que dicha mezcla dora
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 co ntribuyen principalmente a la mezcla
La velocidad rotatoria por el contrario, produce fl ujo laminar del líquido que circula alrededor del eje (formando vór tices o
remolinos) donde el líquido simplemente da vueltas pero sin llegar a mezclarse (potencia desaprovechada), ademá s de que
puede atrapar aire, lo cual es indeseable
1) Colocando el agitador desplazado del eje central del tanque .
Formas de evitar vórtices o remolinos y conseguir un mezclado mas eficaz
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 may or turbulencia en el fluido, con la consiguiente mejor a del
proceso de mezcla
Generalmente, cuatro deflectores suelen ser suficie ntes. 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:
1) Agitador centrado sin deflectores
Formación de Vórtice
SI
2) Agitador centrado con deflectores
3) Agitador inclinado
4) Agitador descentrado
NO
NO
NO
1 32 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 u na hoja plana sujeta a un eje rotatorio que normalment e
gira a velocidades entre 20 y 150 rpm
Agitador de palas planas Agitador de palas planas inclinadas
Es común también utilizar agitadores formados por d os y tres paletas
Otras variantes de los agitadores de palas o paleta s son:
Los agitadores de paletas con forma de reja se util izan para líquidos más viscosos y tanto los agitadores de ancla, con p alas diseñadas
para limpiar las paredes del tanque, como los agita dores de múltiples palas rotando unas en sentido opuesto a las otras t ienen una amplia
utilización en la industria alimentaria
En el agitador de paletas tipo ancla las paletas ef ectúan dos movimientos circulares: uno de rotación sobre su propio eje y o tro de traslación en una
órbita circular. Además en su movimiento rascan la superficie del fondologrando 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 l as paredes y
retornando hacia la hélice.
Se emplean cuando se desean intensas corrientes ver ticales, por ejemplo para mantener en suspensión partículas sóli das pesadas, pero
únicamente en líquidos poco viscosos(µµµµ menor a 5000 centipoises)
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.
Algunos tipos de agitadores de hélice son:
Los agitadores de hélice se utilizan para líquidos i nmiscibles, preparación de suspensiones, jarabes, salmueras, emulsiones, en tre otros
Para evitar los remolinos la hélice se monta descen trada respecto al centro del tanque o bien inclinada en relación al e je longitudinal
En tanques grandes se puede montar a través de las paredes laterales
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
Algunos agitadores de turbina típicos son:
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 ta nque
Los agitadores de turbina giran a velocidades eleva das (de 30 a 500 rpm) sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque
Estos agitadores impulsan al líquido radialmente co ntra las paredes laterales del tanque, desde donde la corriente se d ivide, una parte fluye hacia arriba y otra parte hacia el fondo, retornand o ambas al rodete. Por lo que producen dos corrientes de circulación separ adas
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 ampl io intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen c orrientes
intensas, que se extienden por todo el tanque elimi nando las masas de líquido estancado.
Estas mezcladoras desarrollan fuertes turbulencias c erca del elemento impulsor por lo que se emplea para la prem ezcla de
emulsiones
A ⇒⇒⇒⇒ velocidad longitudinal (paralela al eje de la mezcl adora)
B ⇒⇒⇒⇒ velocidad rotacional (tangencial al eje de la mezcl adora)
C ⇒⇒⇒⇒ velocidad radial (perpendicular al eje de la mezcla dora)
Tipo de Mezcladora
Ventajas Desventajas
De Paletas Barata. Buen flujo radial y rotacional
Escaso flujo perperdicular, elevado riesgo de formación de vórtices a velocidades elevadas
De Hélice Buen flujo en las 3 direcciones
Mas cara que la de paletas
De Turbina Muy buena mezcladora Cara. Cierto riesgo de atascos
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
MEZCLADO DURANTE EL BOMBEO DE LÍQUIDOS
Algunos bombas de diseño especial, utilizan el movim iento de los productos a mezclar cuando fluyen a lo largo de una tuberías sobre
elementos mezcladores estacionarios de contorno espe cial situados en el interior de la carcasa tubular
La mezcla se produce por una combinación de la divis ión del flujo, cambios en la dirección del mismo y movimientos hel icoidales
introducidos por los elementos mezcladores
Bomba mezcladora centrífuga
Estos sistemas prescinden de la necesidad de tanque s de mezcla lo que supone un ahorro de espacio, reduce el volumen de producto
retenido lo que facilita la limpieza “in situ” y simpl ifica los problemas de higienización asociados a los recipientes volumin osos
Los sistemas de mezclado a base de bombas operan con líquidos miscibles, inmiscibles y sistemas gas /liquido. Tam bién 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 (CO 2) antes de entrar a la línea de llenado/cerrado de envases
También puede utilizarse para cerveza
La eficacia del mezclado se consigue creando y reco mbinando en el alimento superficies nuevas con la mayor frecuen cia posible.
Sin embargo, como el producto no fluye con facilida d se hace necesario que las cuchillas de la mezcladora recorr an el recipiente para impulsar al alimento a que entre en contacto c on las mismas .
En los líquidos muy viscosos como masas o pastas, e l 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
1) MEZCLADORAS DE PLANETARIOS
Operan de acuerdo al sistema planetario: los elemen tos de mezcla giran sobre un eje central en un tanque fijo, y a l a 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 me zcla cubre por completo la zona de mezcla y garantiza que se efectúe una óptim a 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 producto s tixotrópicos y de muy alta viscosidad como pastas , masas “extend ibles” (tipo
Pizza”), masas de panadería, papillas y muchos mas
2) MEZCLADORAS HORIZONTALES DE PALAS
TIPO: “Z”, “S” ó “T”
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)
Estas mezcladoras producen intensas fuerzas de cizalla
Mezcladora Criogénica
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
En algunos casos es necesario utilizar Mezcladoras / Amasadoras Criogénicas que
incorporan CO 2 o nitrógeno líquido, manteniendo así refrigerado el producto
durante la operación
También pueden utilizarse recipientes con camisas re frigeradas para regular la temperatura del producto durante la mezcl a o amasado
Amasadora al vacío
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
Algunos tipo especiales de “Mezcladoras – Ralladoras ” se equipan con palas en forma de sierra u otros dis eños.
Durante el mezclado de fluidos de alta viscosidad, e s común que se creen burbujas de aire que podrían tener efectos negativo s en el producto (por
ejemplo oxidación, rancidez de grasas o aceites, dec oloración o deterioro del aroma y el sabor) y en el caso de productos par a recubrimientos, las
burbujas pueden derivar en superficies porosas y pu nteadas. Por el contrario, los productos desaireados son normalment e químicamente más
estables y más duraderos.
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 produ ce un rotor estriado al girar a 3.000 rpm contra un estator fijo también es triado, 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 d e mantequilla y margarina y en el proceso de mezclado, amasado y ext rusión de productos
de pastelería y panadería
10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104
Viscosidad (Pa-s)
Hojas Z
Turbina
Cintas Helicoidales
Ancla
SELECCIÓN DE LA MEZCLADORA EN FUNCIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO
Tipo de fluido
Características Ejemplos Mezcladora a utilizar
Seudo-plástico
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
Visco-elástico
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
FLUIDOS NO NEWTONIANOS
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 la s propiedades deseadas del material mezclado varían
ampliamente de un producto a otro.
A veces se requiere un grado muy elevado de uniform idad, otras una acción de mezclado rápido; en otras ocasi ones un
gasto de energía mínimo.
Fluidos
De mediana y baja
viscosidad
De alta viscosidad
Newtonianos
No Newtonianos:- Pseudoplásticos- Dilatantes- Tixotrópicos- Viscoelásticos
- Líquido- Sólido: . Soluciones. Suspensiones
- Líquido- Líquido:. Soluciones. Emulsiones
- Líquido-gas
- Masas- Pastas
Cuando se mezclan fluidos de baja viscosidad se ob tienen productos de elevada homogeneidad, por lo que puede n utilizarse pocas muestras para el análisis del me zclado
Por el contrario, en el mezclado de pastas al igua l que con los sólidos, los componentes suelen encontrarse distri buidos de
manera menos homogénea por lo que es necesario co ntar 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 de pende del tipo
de mezcladora y la naturaleza de los componentes a me zclar
Los parámetros que tienen influencia en el valor de la constante K son:
zD
NDK
t2
3
∝
D = diámetro del agitador (m)
N = velocidad de agitación (rps)
Dt = diámetro del recipiente (m)
z = altura del líquido (m)
�� ∝ ln ��
�
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 p uede definir por una serie de números adimensionales :
m
mND
µδ2
Re =
-Número de Reynolds (Re)
-Número de Froude (Fr)
-Número de Potencia (Po)
g
DNFr
2
=
53DN
PPo
mδ=
D = diámetro del agitador (m)
N = velocidad de agitación (rps)
δδδδm = densidad mezcla (kg/m 3)
µµµµm = viscosidad mezcla (kg/ms)
P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m 2/s3)
g =aceleración de la gravedad
= 9.8 m/s 2
La relación entre estos 3 números (Reynolds (Re), F roude (Fr) y Potencia (Po), se expresa de la siguiente manera :
mn FrkPo )((Re)= Donde k, m y n son factores relacionados con la geometría del agitador
(determinados experimentalmente )
El número de Froude solo resulta importante cuando s e forman remolinos (en recipientes sin deflectores)
m
mND
µδ2
Re =-Número de Reynolds (Re)
-Número de Froude (Fr)
-Número de Potencia (Po)
g
DNFr
2
=
53DN
PPo
mδ=
D = diámetro del agitador (m)
N = velocidad de agitación (rps)
δδδδm = densidad mezcla (kg/m 3)
µµµµm = viscosidad mezcla (kg/ms)
P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m 2/s3)
g =aceleración de la gravedad (m/s 2)
Ecuación 5
D = diámetro del agitador (m)
N = velocidad de agitación (rps)
g =aceleración de la gravedad (m/s 2)
De los datos requeridos:δδδδm = densidad mezcla (kg/m 3)
µµµµm = viscosidad mezcla (kg/ms)
P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m 2/s3)
Se conocen o determinanDeben calcularse
δδδδm es la suma de las densidades de los componentes de la mezcla (o de las fases)
V = volumen relativo (fracción) de cada fase o componente
2211 δδδ VVm +=
La viscosidad de la mezcla ( µµµµm ) se calcula:
Mezcladoras conplacas deflectoras
Mezcladoras sinplacas deflectoras
2121VV
m µµµ +=
++=
21
22
1
1 5.11
µµµµµ V
Vm
La potencia transmitida por el agitador ( P) debe obtenerse del Número de Potencia (Po) 53DN
PPo
mδ=
La relación de Po a diferentes Números de Reynolds (Re), para diversos tipos de
agitadores se obtiene de gráficas
FACTORES DE FORMA (Si):
Factor deForma (S)
Relación Valor Típico
S1Da/Dt ⅓
S2E/Da 1
S3L/Da ¼
S4W/Da
S5J/Dt
S6H/Dt 1