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REOLOGIA Y FLUJO DE FLUIDOS.

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2.1 INVESTIGA EL CONCEPTO DE REOLOGÍA Y SU IMPORTANCIA EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS.

La Reología es una disciplina científica que se dedica al estudio de la deformación y flujo de la materia o, más precisamente, de los fluidos.

A pesar de que la Reología pudiera cubrir todo lo que tiene que ver con los comportamientos de flujo en aeronáutica, mecánica de fluidos e inclusive la mecánica de sólidos, el objetivo de la Reología está restringido a la observación del comportamiento de materiales sometidos a deformaciones muy sencillas. Por medio de la observación y del conocimiento del campo de deformación aplicado, el reólogo puede en muchos casos desarrollar una relación constitutiva o modelo matemático que permite obtener, en principio, las funciones materiales o propiedades que caracterizan el material.

Las funciones materiales y relaciones constitutivas tienen varios usos en la práctica, dependiendo del objetivo del estudio de cada tipo de material. En tal sentido pueden distinguirse dos objetivos principales:

1. Predecir el comportamiento macroscópico del fluido bajo condiciones de proceso para lo cual se hace uso de las relaciones constitutivas y de las funciones materiales.

2. Estudiar de manera indirecta la microestructura del fluido y evaluar el efecto de varios factores sobre dicha microestructura. Para esto se comparan las funciones materiales o propiedades reológicas.

Los fluidos que son del interés de la Reología presentan una gama de comportamientos que van desde el viscoso Newtoniano hasta el sólido elástico de Hooke, que serán definidos más adelante. Dentro de esta categoría pueden conseguirse innumerables materiales tales como el yogurt, la mayonesa, la sangre, las pinturas, las grasas y muchos más.

Los fluidos constituyen la mayor parte de los alimentos que ingiere el hombre; los adultos consumen más productos líquidos y pastosos que alimentos sólidos por la facilidad de ingestión y digestión; en los niños y recién nacidos la importancia de los alimentos fluidos y particularmente líquidos es fundamental.

Cuando un alimento se procesa, el mismo está sujeto a un movimiento constante; en la práctica es muy difícil pensar en un producto que no requiera movilización.

El conocimiento adecuado de las propiedades reológicas de los alimentos es muy importante por numerosas razones, entre las que destacan las aplicaciones que se detallan a continuación:

Evaluación sensorial: los datos reológicos pueden ser muy interesantes para modificar el proceso de elaboración o la formulación de un producto final de forma que los parámetros de textura del alimento se encuentren dentro del rango considerado deseable por los consumidores.

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Obtener información sobre la estructura del alimento: los estudios reológicos pueden aportarnos información que facilite una mejor comprensión de la estructura o de la distribución de los componentes moleculares de los alimentos, especialmente de los componentes macromoleculares, así como para predecir los cambios estructurales durante los procesos de acondicionamiento y elaboración a los que son sometidos.

Control de calidad: las medidas de la viscosidad en continuo son cada vez más importantes en muchas industrias alimentarias con objeto de controlar el buen funcionamiento del proceso productivo, así como la calidad de las materias primas, productos intermedios y acabados.

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2.2 DIFERENTES TIPOS DE FLUIDOS QUE SE MANEJAN EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS Y SUS PROPIEDADES.

En la mecánica clásica, la distinción entre líquidos y sólidos fue en un principio muy clara, y se generaron leyes físicas separadas para describir sus comportamientos; los sólidos representados por la ley de Hooke y los líquidos por la de Newton. Sin embargo, existe una variedad de productos que cuando fluyen presentan un comportamiento comprendido entre estos dos extremos. Tal es el caso de una gran cantidad de alimentos. Es justamente en estos casos en los que, para optimizar sus uso en la industria, interesa caracterizar los reológicamente. De un modo muy general puede hacerse una primera distinción entre alimentos con comportamiento newtoniano y no newtoniano, según si su comportamiento reológico puede describirse mediante la ley de Newton de la viscosidad o no. Además, existen alimentos en los que su comportamiento depende del tiempo de actuación del esfuerzo realizado sobre ellos. Los fluidos cuyo comportamiento es únicamente función del esfuerzo cortante se denominan independientes del tiempo, y su viscosidad, a una determinada temperatura, sólo depende de la velocidad de deformación. Los fluidos dependientes del tiempo son aquellos en los que su viscosidad depende, no sólo del gradiente de velocidad, sino también del tiempo que actúa dicho gradiente. Además, existen alimentos que presentan conjuntamente comportamiento de fluido viscoso y sólido elástico, es decir son viscoelásticos.

Existen 3 tipos de fluidos: Newtonianos (proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación); No Newtonianos (no hay proporcionalidad entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación); y Viscoelásticos (se comportan como líquidos y sólidos, presentando propiedades de ambos). La relación entre el esfuerzo cortante aplicado y la velocidad viene dada por la ecuación:

Fluidos newtonianos

Los fluidos que obedecen la ley de viscosidad de Newton se llaman fluidos newtonianos. En los fluidos newtonianos existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante Ƭyz y el gradiente de velocidad dvz/dy (velocidad cortante). Esto significa que la viscosidad µ es constante e independiente de la velocidad cortante.

Los newtonianos son fluidos en los que el deslizamiento relativo de los elementos de fluido al circular uno sobre otro es proporcional al esfuerzo cortante sobre el fluido, Todos los gases, agua líquida y líquidos de moléculas sencillas.

Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton, es decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación.

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Si por ejemplo se triplica el esfuerzo cortante, la velocidad de deformación se va a triplicar también. Esto es debido a que el término µ (viscosidad) es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado.

Estas características del flujo incluyen la mayoría de las bebidas tales como té, café, cerveza, vinos, y bebidas gaseosas. También están incluidas las soluciones azucaradas. Diversos investigadores has estudiado la viscosidad de las soluciones de sacarosa porque a menudo son utilizadas para calibrar los viscosímetros (Muller, 1973).La viscosidad de soluciones de mezclas de azúcar es más o menos aditiva y puede ser estimada fácilmente. La leche, que es una emulsión acuosa de glóbulos grasos de mantequilla de 0,0015-0,001mm de diámetro y contiene cerca del 87% de agua, 4% de grasa, 5& de azúcar (mayoritariamente lactosa), y 3% de proteínas (mayoritariamente caseína) es un líquido newtoniano. Fernández Martín (1972) apuntó que la viscosidad de la leche depende de la temperatura, concentración, y el estado físico de la grasa y proteínas la cual a su vez es afectada por los tratamientos térmicos y mecánicos. Fernández Martín encontró que las leches concentradas son líquidos no newtonianos, pero la leche concentrada presenta una débil dependencia de la cizalla.

La leche descremada es menos viscosa que la leche entera con nata porque su viscosidad aumenta con el contenido en grasa. La viscosidad también aumenta con el aumento de sólidos no grasos, pero ni una ni otra relación es simple. Como con la mayoría de los líquidos, la viscosidad de la leche decrece con el aumento de temperatura .Los aceites son normalmente newtonianos, pero a muy altas velocidades de de formación presentan un comportamiento diferente (este comportamiento se referirá como pseudoplasticidad).

Otros importantes tipos de alimentos que presentan este comportamiento son el conjunto de jarabes semejantes a la miel, jarabe de cereales, mezclas de sacarosa y melazas.

Fluidos no newtoneno.

Para la mayoría de los productos agrícolas, lo que incluye productos alimenticios como crema, azúcar, jarabe, miel y aderezo para ensalada, el cociente entre esfuerzo cortante y velocidad de corte no es lineal y estos fluidos se conocen como no newtonianos.

En fluidos no newtonianos, la relación entre Ƭyz y dvz/dy no es lineal, es decir, la viscosidad µ no permanece constante sino que está en función de la velocidad cortante. Algunos líquidos no obedecen esta ley simple de Newton, como pastas, lechadas, altos polímeros y emulsiones.

Los fluidos provocan y circulan sometidos a esfuerzos. Los fluidos newtonianos son los más sencillos y se caracterizan por la propiedad de que el gradiente de velocidad en un punto es proporcional al esfuerzo cortante en dicho punto. El resto de fluidos se denominan “no newtonianos”. El aire, el agua, el vapor de agua, todos los gases y la mayoría de fluidos constituidos por moléculas sencillas son newtonianos. Las suspensiones densas, lodos, emulsiones, soluciones de polímeros de cadena larga, fluidos

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biológicos, alimentos líquidos, pinturas, suspensiones de arcillas y mezclas de hormigón son, en general, no newtonianos.

La relación entre esfuerzo cortante y la velocidad de deformación para fluidos no newtonianos no es lineal. Estos fluidos a su vez se diferencian en dependientes e independientes del tiempo.

Flujo independiente del tiempo.

Aunque la mayoría de los gases y líquidos simples experimentalmente se comportan como fluidos newtonianos en la región de flujo laminar, varios sistemas, incluyendo emulsiones, suspensiones, soluciones de moléculas largas, y fluidos de masa macromolecular, se aproximan al comportamiento newtoniano sólo a muy bajos esfuerzos cortantes y velocidades de deformación. A un nivel más alto de cizalla, tales sistemas pueden desviarse del comportamiento ideal newtoniano en una o varias formas. Aquí el esfuerzo cortante se da esquemáticamente en función de la velocidad de deformación. La línea recta , que pasa por el origen y posee una pendiente constante representa un fluido newtoniano ideal. La curva que también pasa por el origen, representa un fluido pseudoplásticos, o un fluido “ shear thinning ”. Para tales materiales el coeficiente de viscosidad no es una constante en toda su extensión, pero es a su vez una función de la velocidad de deformación, toma un valor en cada instante, y esta cantidad es conocida como viscosidad aparente.

Otro importante fenómeno conectado con el flujo es la existencia de un valor umbral. Ciertos materiales realmente fluyen bajo un cizallamiento suficiente pero no fluyen si el esfuerzo de cizalla es inferior a un cierto valor, éste se llama valor umbral o umbral de fluencia (Van Wazer, 1963). Ejemplos de este tipo de comportamiento son bien conocidos, siendo mostrados como tales diversos materiales como la tarta helada, yema de huevo batida, entre otros. Una vez que se excede el valor del umbral de fluencia, la velocidad de deformación es proporcional al esfuerzo, como en el caso de fluidos newtonianos. Un fluido que exhibe este comportamiento se le denomina sustancia plástica o cuerpo de Bingham.

En general, los purés de frutas y vegetales son fluidos pseudoplásticos. La consistencia de estos productos es un parámetro importante de calidad y es medido a menudo con un solo punto, utilizando instrumentos tales como los consistómetros Adams y Bostwick, el viscosímetro Stormer, y la pipeta de flujo.

flujos dependientes del tiempo.

En otras palabras, la descripción fenomenológica de las características del flujo no puede ser completa a menos que se incluya el tiempo, de modo que, en el caso general, en las curvas de flujo debe ser añadido un eje para el tiempo. Muchos investigadores han intentado la dificultosa tarea de formular las relaciones cuantitativas entre el esfuerzo cortante, velocidad de deformación y tiempo. Cheng y Evans (1965), Petrellis y Flumerfelt

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(1973) modificaron la ecuación de HerschelBulkley con el objeto de incluir un parámetro estructural que tuviera en cuenta los efectos de dependencia con el tiempo.

2.3 PARA UN PROCESO EN LA INDUSTRIA DE ALIMENTOS QUE IMPLIQUE EL FLUJO DE FLUIDOS INVESTIGA CUAL ES EL SISTEMA ADECUADO, ASÍ COMO SUS COSTOS DE EQUIPO, INSTALACIÓN, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO.

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INTRODUCCIÓN.

La extracción líquida, llamada algunas veces extracci6n con disolventes, es la separación de los componentes de una soluci6n líquida por contacto con otro líquido insoluble. Si las sustancias que componen la solución original se distribuyen de manera distinta entre las dos fases líquidas, se puede lograr cierto grado de separación, que puede incrementarse mediante el uso de contactos múltiples o su equivalente en la forma de la absorción de gases y la destilación.

En todas las operaciones de este tipo, la solución que se va a extraer se llama alimentación y disolvente el líquido con el cual se pone en contacto la alimentación. El producto de la operación rico en disolvente se llama extracto; el líquido residual de donde se separó el soluto es el refinado.

EXTRACCIÓN.

En química, la extracción es un procedimiento de separación de una sustancia que puede disolverse en dos disolventes no miscibles entre sí, con distinto grado de solubilidad y que están en contacto a través de una interface. La relación de las concentraciones de dicha sustancia en cada uno de los disolventes, a una temperatura determinada, es constante. Esta constante se denomina coeficiente de reparto y puede expresarse como:

Donde [sustancia]1 es la concentración de la sustancia que se pretende extraer, en el primer disolvente y, análogamente [sustancia]2 la concentración de la misma sustancia en el otro disolvente.

Si tenemos una sustancia soluble en un disolvente, pero más soluble en un segundo disolvente no miscible con el anterior, puede extraerse del primero, añadiéndole el segundo, agitando la mezcla, y separando las dos fases.

A nivel de laboratorio el proceso se desarrolla en un embudo de decantación. Como es de esperar, la extracción nunca es total, pero se obtiene más eficacia cuando la cantidad del segundo disolvente se divide en varias fracciones y se hacen sucesivas extracciones que cuando se añade todo de una vez y se hace una única extracción.

El proceso tiene repercusión industrial y se emplea en extracción de aceites, grasas y pigmentos. Por ejemplo, el yodo, poco soluble en agua, se extrae de la misma con tetracloruro de carbono. Una vez efectuada la separación de las fases se trata de calcular la concentración del yodo en cada fase, valorándolo con tiosulfato.

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La extracción sólido-liquido consiste en la disolución de un componente (o grupo de componentes) que forman parte de un sólido empleando un disolvente adecuado en el que es insoluble el resto del sólido, que se denomina inerte.

La extracción siempre tiene lugar en dos etapas:

1. Contacto del disolvente con el sólido a tratar, para disolver el componente soluble, o soluto.

2. Separación de la disolución y el resto del sólido

La solución separada se denomina flujo superior o extracto; recibiendo el nombre de refinado, flujo inferior o lodos, el sólido inerte acompañado de la disolución retenida por el mismo.

AVANCES TECNOLÓGICOS.

Los métodos de extracción convencionales empleados tanto a nivel industrial como a nivel de laboratorio, utilizan costosos y tóxicos solventes orgánicos, nocivos tanto para la salud humana como para el medio ambiente. Además se acompañan de altas temperaturas que aceleran la degradación de los productos de interés y la formación de impurezas.

Actualmente se ha promovido la investigación de nuevas tecnologías más respetuosas con el medio ambiente, que no representen ningún riesgo para la salud y garanticen una calidad superior de los productos. Entre ellas emerge la llamada tecnología de fluidos supercríticos, basada en la utilización de un fluido, precisamente supercrítico, como disolvente alternativo, siendo el más utilizado el dióxido de carbono, CO2, supercrítico.

La extracción con fluidos presurizados es una tecnología que coincide con las exigencias actuales del mercado en el sentido de promover el uso de procesos de nulo impacto ambiental, cada vez más limpios en términos ecológicos, que cumplan la normativa en cuanto a las restricciones de utilización de solventes contaminantes y que respondan a la creciente demanda de productos naturales por parte del consumidor.

Son bien conocidos los tres estados típicos de la materia: el gas, el líquido y el sólido. No obstante, al someter un fluido a altas presiones y temperaturas se obtiene un estado diferente: el supercrítico.

Los fluidos supercríticos (FSC) poseen propiedades híbridas entre un líquido y un gas: capacidad para disolver solutos, miscibilidad con gases permanentes, alta difusividad y baja viscosidad, lo cual los convierte en sustancias muy adecuadas para muchos procesos.

Entre las aplicaciones industriales actuales se pueden mencionar la determinación de compuestos mediante cromatografía de FSC, mejora de parámetros de calidad y conservación de productos (desinfección, desinsectación, inactivación enzimática, otros), diseño de partículas (recristalización, micronización de principios activos, encapsulación, otros), impregnación de materiales (eliminación de aceites minerales de piezas industriales y materiales electrónicos, eliminación de sustancias tóxicas en implantes biomédicos), tratamiento de materiales (aplicación de conservantes en maderas, teñido de tejidos, impregnación de polímeros para liberación controlada de sustancias activas),

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producción de biodiesel y extracción, siendo esta última una de las más utilizadas en la industria de alimentos.

Los FSC pueden aplicarse en muchos procesos como una alternativa favorable al uso de solventes orgánicos. Ejemplo de esto son el desarrollo de la técnica de cromatografía de fluidos supercríticos; y el uso de los mismos como solventes en los procesos de extracción de aceites esenciales.

Actualmente, debido al incremento en el consumo de alimentos funcionales se han desarrollado muchas investigaciones para obtener las sustancias que los componen de una forma segura, rápida y de bajo costo. En general la extracción de dichos compuestos se realiza a través de solventes orgánicos, que resultan poco efectivos por ser tóxicos, inflamables, poco selectivos y muy laboriosos.

Por esto se encontró en los FSC una muy buena alternativa ya que adicionalmente a su seguridad, pueden obtenerse mejores resultados porque tienen la capacidad de disolver o extraer un número mayor de estos componentes con una mejor calidad y mediante un proceso más eficaz.

El proceso de extracción puede dividirse en cuatro etapas principales:

Presurización: su finalidad es alcanzar la presión necesaria del solvente para la extracción, ya sea por medio de un compresor o de una bomba.

Ajuste de temperatura: remoción o adición de energía térmica, por medio de intercambiador de calor, baños térmicos o resistencias eléctricas, para que el fluido comprimido alcance la temperatura requerida.

Extracción: se lleva a cabo en un recipiente extractor a alta presión, el cual contiene la matriz que será procesada. En esta etapa el fluido entra en contacto con la matriz y arrastra el soluto de interés.

Separación: en esta etapa se separa la sustancia extraída del solvente mediante cambios de presión y temperatura.

ESQUEMA DE UN PROCESO DE EXTRACCIÓN CON FLUIDOS SUPERCRÍTICOS.

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1. Tanque de almacenamiento. Se almacena el fluido a utilizar como solvente en condiciones de presión y temperatura normales.

2. Intercambiador de calor. El fluido se enfría hasta alcanzar una temperatura tal que pueda pasar sin problemas por la bomba, para esto se requiere el solvente en estado liquido.

3. Bomba. Se comprime el fluido hasta una presión por encima de la presión crítica.

4. Intercambiador de calor. Se calienta el fluido comprimido hasta una temperatura por encima de la crítica, alcanzándose las condiciones necesarias para la extracción.

5. Cámara extractora. El fluido supercrítico pasa a través de la materia prima disolviendo y arrastrando las componentes de interés.

6. Válvula. El fluido disminuye su presión por debajo de su presión crítica.

7. Intercambiador de calor. El fluido expandido se enfría por debajo de su temperatura crítica, de manera tal que pierde sus propiedades como solvente y los componentes extraídos pueden separarse fácilmente.

8. Separador. Se extrae el gas por la parte superior, y el extracto por la parte inferior.

COSTO DE LA TECNOLOGIA DE FLUIDOS SUPERCRITICOS.

Como se mencionó previamente, la inversión inicial para llevar adelante dichos procesos es elevada, aún para equipos en pequeña escala debido a la tecnología involucrada, a los costos de materiales y de montaje. El valor de un equipo cuya capacidad de operación es

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de 4 ó 5 litros, en algunas de las firmas americanas o europeas que se dedican a fabricarlas, ronda los US$ 150.000.

Actualmente funcionan en el mundo alrededor de 250 plantas de tecnología supercrítica, y su número continúa creciendo. La principal limitación desde el punto de vista económico es el costo energético requerido para mantener las altas presiones necesarias. Por ello es que hasta el momento esta tecnología se ha aplicado a productos que, por su alto valor agregado, permiten absorber dichos costos: aromas, pigmentos, aditivos alimentarios, compuestos bioactivos, productos farmacéuticos, otros.

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