REOLOGÍA Y VISCOSIDAD

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INGENIERÍA DE ALIMENTOS

REOLOGÍA DE PRODUCTOS REOLOGÍA DE PRODUCTOS ALIMENTARIOSALIMENTARIOS

“La reología es la ciencia que estudia el flujo y las deformaciones de los sólidos y fluidos, bajo la influencia de fuerzas mecánicas”

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Necesidades de conocer la reología de los alimentos

Diseño de tuberías y selección de bombas Diseño y análisis de equipos de extrusión Selección y operación de equipos de

mezclado Diseño y operación de cambiadores de calor Procesos en los que se realizan

recubrimientos Selección de envases

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IntroducciónIntroducción

En la mecánica clásica, la distinción entre líquidos y sólidos fue en un principio muy clara, y generaron leyes físicas para describir sus comportamientos, los sólidos representados por la ley de HOOKE y los líquidos por la Ley de NEWTON.

Existe una variedad de productos que cuando fluyen presentan un comportamiento comprendido entre estos dos extremos.

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Sólidos elásticos

Los alimentos sólidos son aquellos que no fluyen ante un esfuerzo, sino que se deforman y se acaban rompiendo. Los sólidos rígidos se rompen sin deformarse. Hay diferentes tipos de deformaciones.

Ejemplos: la elongación y la deformación.

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La elongación

causada por la aplicación de una tensión sobre la superficie que se deforma.

La siguiente figura muestra un paralelepípedo sometido a una tensión σ, frecuentemente expresada como fuerza por unidad de sección inicial. El material, de una longitud inicial Lo, se elonga δL.

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La deformación cortante

Es causada por un esfuerzo aplicado sobre una superficie diferente de la que se deforma.

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Reología de fluidos

A

yF

v

A

F

Esfuerzo cortante

y

v

Velocidad de cizalla y

v

A

F

LEY DE NEWTON

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De modo general se pueden distinguir alimentos con comportamiento: Newtoniano: siguen la

ley de Newton No newtoniano: no

siguen la ley de Newton

LEY DE NEWTON

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Además existen alimentos cuyo 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 dependen de la velocidad de deformación.

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En el caso de los fluidos no newtonianos ya no se puede hablar de viscosidad; la relación entre el esfuerzo aplicado y la velocidad de deformación no es constante, la función viscosidad = Viscosidad Aparente y esta en función de la velocidad de deformación.

Existen alimentos que presentan conjuntamente comportamiento de fluido viscoso y sólido elástico; viscoelásticos.

τ

γ

η1

η2

η3

η4

Viscosidades aparentes

τ1

γ1

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Clasificación de fluidos No NewtonianosClasificación de fluidos No Newtonianos

1.1. FLUIDOS VISCOELÁSTICOFLUIDOS VISCOELÁSTICO

2.2. FLUIDOS INELÁSTICOSFLUIDOS INELÁSTICOS INDEPENDIENTE DEL TIEMPOINDEPENDIENTE DEL TIEMPO

Ley de PotenciaLey de Potencia PseudoplásticoPseudoplástico DilatanteDilatante

Plástico de BinghamPlástico de Bingham Herschel BulkleyHerschel Bulkley

DEPENDIENTE DEL TIEMPODEPENDIENTE DEL TIEMPO Fluidos tixotrópicosFluidos tixotrópicos Fluidos reopécticos o antitixotrópicosFluidos reopécticos o antitixotrópicos

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Flujo NEWTONIANO

El flujo viscoso de un fluido Newtoniano El flujo viscoso de un fluido Newtoniano implica una deformación no recuperable.implica una deformación no recuperable.

Para este tipo de fluidos el esfuerzo de cizalla Para este tipo de fluidos el esfuerzo de cizalla es directamente proporcional a la velocidad es directamente proporcional a la velocidad de cambio de la velocidad con la distancia de cambio de la velocidad con la distancia (gradiente de velocidad).(gradiente de velocidad).

La velocidad de cizalla o de deformación es el La velocidad de cizalla o de deformación es el gradiente de velocidad (o velocidad de gradiente de velocidad (o velocidad de tiempo de cambio de la deformación de tiempo de cambio de la deformación de cizalla).cizalla).

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Comportamiento ideal newtoniano

Se le atribuye a los líquidos simples, soluciones verdaderas, disolventes de bajo peso molecular, dispersiones macromoleculares diluidas, soluciones de polímeros que no interaccionan y pastas con bajo contenido de sólidos.

Newtoniano

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Flujo NO NEWTONIANO: Independientes del tiempo

Herschel-Bulkley

Dilatante

Pseudoplástico

Plástico de Bingham

Newtoniano (REFERENCIA)

ESPESAMIENTO DE CIZALLA

ADELGAZAMIENTO DE CIZALLA (ley

exponencial)

τ0

Umbral de fluencia = τ0

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Ecuaciones de fluidos No Newtonianos inelásticos

0 nK Modelo Herschel-Bulkley

nK Ley de la Potencia

0 KPlástico de Bingham

21

021

21

KPlástico Casson

K: Índice de consistencia

n: Índice de comportamiento del flujo

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U

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Ejemplos

Pseudoplásticos: soluciones de goma, adhesivos, soluciones de polímeros, algunas grasas, suspensiones de almidón, acetato de celulosa, mayonesas, algunas sopas y suspensiones de detergentes, pulpas de papel, pinturas, etc.

Dilatantes: soluciones de harina de maíz y azúcar, almidón, etc.

Plásticos de Bingham: fundidos de plásticos, margarina, grasas de cocina, pastas de dientes, etc.

Plásticos Casson: sangre, salsa de tomate, zumo de naranja, chocolate cocido, etc.

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Flujo NO NEWTONIANO: Dependientes del tiempo

Tixotrópico Reopéctico

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Materiales viscoelásticos

Ante la aplicación de un esfuerzo, un material viscoelástico responde deformándose instantáneamente con algún comportamiento elástico, la tensión aplicada produce una deformación.

A partir del instante cero, el material fluye de acuerdo a un modelo reológico de forma que la tensión se relaja al aproximarse el material a una nueva posición de equilibrio.

A tiempo infinito, la tensión puede haberse relajado totalmente, si el material fluye de acuerdo al modelo newtoniano o de la potencia, o conservar un valor si el flujo es de plástico general o de Bingham.

Si el esfuerzo cesa en cualquier momento antes de la relajación, el material se retrotrae recuperando algo de su forma inicial.

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Comportamiento viscoelástico

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Tiempos de relajación

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VISCOELASTICIDAD

A. Si un fluido newtoniano se hace salir en chorro por una tubería, se produce una contracción en el diámetro del chorro, mientras que para un viscoelástico se produce un ensanchamiento en el diámetro del chorro (efecto Barus o Merrington).

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VISCOELASTICIDAD

B. Efecto Weissenberg: es el comportamiento contrario al vórtice formado durante la agitación de fluidos newtonianos, el viscoelástico tiende a ascender por la varilla de agitación.

U

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AB

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U

N

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U

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Efecto de la Temperatura En el caso de fluidos NEWTONIANOS, la

expresión que correlaciona la viscosidad con la temperatura es una ecuación tipo Arrhenius.

Para fluidos NO NEWTONIANOS suele relacionarse la viscosidad aparente con una velocidad de deformación fijada, en lugar de viscosidad

abs

a

TR

E

a

1

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Efecto de la Temperatura La viscosidad e índice de consistencia (K)

disminuyen cuando aumenta la temperatura. El índice de comportamiento al flujo (n) no

suele verse afectado por la variación de la temperatura.

El umbral de fluencia también puede variar con la temperatura, de tal modo que al aumentar la temperatura disminuye su valor.

TR

Ea

eKK.

0.

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Efecto de la Concentración

El efecto que la concentración ejerce sobre un sistema homogéneo es el de aumentar la viscosidad o índice de consistencia.

Pueden encontrarse dos tipos de correlaciones: un modelo exponencial y otro potencial

CaK .11 2.2

aCK

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Efecto de la Concentración De las ecuaciones anteriores el modelo

potencial suele dar buenos resultados en alimentos tipo purés, mientras que la exponencial se aplica con éxito en zumos concentrados de frutas y pastas.

Además de la viscosidad (η) e índice de consistencia (K), la concentración puede afectar a otros parámetros. Así el umbral de fluencia aumenta cuando lo hace la concentración.

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Efecto de la Concentración

El caso del índice del comportamiento al flujo (n), existen trabajos en los que la concentración no lo afecta, mientras que en otros se observa que un aumento de la concentración disminuye el valor del índice de comportamientos al flujo.

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Efecto Combinado Temperatura-Concentración

Las ecuaciones que generalmente se utilizan son:

RTEa

CK1

)(1

RTEC a

K2

2

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