CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DE EMULSIONES INVERSAS OBTENIDAS

MEDIANTE PROCESOS BATCH, SEMIBATCH E INVERSION DE FASES

JUAN PABLO CHOTZEN HERNÁNDEZ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARATAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C.

2009

  

2  

CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA DE EMULSIONES INVERSAS OBTENIDAS MEDIANTE PROCESOS BATCH, SEMIBATCH E INVERSIÓN DE FASES

JUAN PABLO CHOTZEN HERNÁNDEZ

Proyecto de Grado para optar por el título de Ingeniero Quím ico

Asesor

Dr. OSCAR ALBERTO ÁLVAREZ SOLANO

Jurado

Dra. JOHANNA MARÍA GALINDO ÁLVAREZ  

 

 

 

 

 

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARATAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C.

2009

 

  

3  

CONTENIDO

LISTA DE FIGURAS 5 LISTA DE TABLAS 8

AGRADECIMIENTOS 9 INTRODUCCIÓN 10

1. OBJETIVOS 11 1.1 OBJETIVO GENERAL 11

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11 2. ESTADO DEL ARTE 12

2.1 GENERALIDADES 12 2.2 ELEM ENTOS CONSTITUTIVOS DE LAS EM ULSIONES 14

2.2.1 SURFACTANTES (AGENTES TENSOACTIVOS) 14 2.2.2 SELECCIÓN DEL AGENTE TENSOACTIVO 16

2.3 PROPIEDADES DE LAS EMULSIONES 20 2.3.1 PROPIEDADES FÍSICAS 20 2.3.1.1 Distribución y tamaño de la gota 20

2.3.1.2 Variación de la distribución en función de la velocidad de agitación 21 2.3.2 PROCESOS DE PREPARACIÓN 24

2.3.3 REOLOGÍA 30 2.3.3.1 Viscosidad de las em ulsiones 30

2.4 CONCENTRACIÓN 31 2.5 EMULSIFICACIÓN 31

2.5.1 EMULSIFICACIÓN DE LAS EMULSIONES INVERSAS 32 2.6 INFLUENCIA DE LOS DIFERENTES PROCESOS DE PREPARACIÓN 32

2.6.1 CARACTERÍSTICAS DE LOS AGITADORES 33 3. MATERIALES Y MÉTODOS 34

3.1 MATERIALES 34 3.2 MÉTODOS 34

3.2.1 PREPARACIÓN DE LAS EMULSIONES 34 3.2.1.1 Formulación y procesos de emulsificación 34

3.2.2 EVALUACIÓN DE LAS DIFERENTES VELOCIDADES DE AGITACIÓN 38

  

4  

3.2.3 CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA 38

3.2.3.1 EQUIPAMIENTO DEL REÓMETRO 39 3.2.3.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL REÓM ETRO 40

4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN 41 4.1 CONSUMO ENERGÉTICO 41

4.2 VISCOSIDAD 45 4.3 FENÓMENO DE SEDIMENTACIÓN 50

CONCLUSIONES 51 REFERENCIAS 53

ANEXOS 56

  

5  

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Tipos de emulsiones 12

Figura 2. Emulsión Múltiple del tipo W1/O/W2 13

Figura 3. Estructura de una Molécula de Agente Tensoactivo. 14 

Figura 4. Interacciones intermoleculares cerca de la interfase de acuerdo a Winsor. 18

Figura 5. Diagramas de Winsor. 19

Figura 6. Distribución de tamaño de gotas en función de la velocidad de agitación 21

Figura 7. Mecanismos de Inestabilidad de las Emulsiones 24

Figura 8. Crecimiento experimental promedio de partícula a diferentes tasas de

alimentación de monómero 26

Figura 9. Micrografías en diferentes etapas: (a) partículas obtenidas al final del periodo

batch; (b) Fm=4.5x10-4 mol/s y (c) Fm=2x10-4 mol/s 26

Figura 10. Formación de nanoemulsiones obtenidas mediante el cruce de la región de

formulación óptima 28

Figura 11. Inversión desde una morfología anormal a una normal 29

Figura 12. Agitador LIGHTNIN® BK 223116 36

Figura 13. (a)Turbina Rusthon R-100; (b) Agitador de tres palas A-100; (c) Agitador

Superflujo A-310 36

Figura 14. Reómetro AR-G2 39

Figura 15 . Consumo de Energía para un sistema de agitación A-100 a 500-1000-1500 rpm con una fracción de fase dispersa del 30% W/O en un sistema Batch. 41

Figura 16. Consumo de Energía para un sistema de agitación A-100 a 500-1000-1500

rpm con una fracción de fase dispersa del 30% W/O en un sistema Semibatch. 42

Figura 17. Consumo de Energía para un sistema de agitación A-100 a 500-1000-1500

rpm con una fracción de fase dispersa del 30% W/O en Inversión de Fases. 43

Figura 18. Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. Sistema

Batch 45

Figura 19. Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. Sistema

Semibatch. 46

Figura 20. Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O.

Inversión de Fases. 47

  

6  

Figura 21. Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. N=500

rpm. 48

Figura 22. Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. N=1000

rpm. 48

Figura 23. Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. N=1500

rpm 49

Figura 24. Sedimentación en Emulsión Inversa diluida (φ =30%) 50

Figura 25. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(500 rpm).Réplica 1                                                                                                                       56

Figura 26. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(500 rpm).Réplica 2                                                                                                                                56  

Figura 27. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1000 rpm).Réplica 1 57

Figura 28. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1000 rpm).Réplica 2 57

Figura 29. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1500 rpm). Réplica 1 58

Figura 30. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1500 rpm). Réplica 2 58 Figura 31. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(500 rpm).Réplica 1 59 Figura 32. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(500 rpm).Réplica 2 59

Figura 33. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1000 rpm).Réplica 1 60

Figura 34. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1000 rpm).Réplica 2 60

Figura 35. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1500 rpm).Réplica 1 61

Figura 36. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1500 rpm).Réplica 2 61

Figura 37. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(500 rpm).Réplica 1 62

  

7  

Figura 38. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(500 rpm).Réplica 2 62

Figura 39. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1000 rpm).réplica 1 63

Figura 40. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1000 rpm).Réplica 2 63

Figura 41. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1500 rpm). Réplica 1 64

Figura 42. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O

(1500 rpm).Réplica 2 64

Figura 43. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Batch (500 rpm) 65

Figura 44. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Batch (1000 rpm) 65

Figura 45. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Batch (1500 rpm) 66

Figura 46. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Semibatch (500 rpm) 66

Figura 47. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Semibatch (1000 rpm) 67

Figura 48. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Semibatch (1500 rpm) 67

Figura 49. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Inversión de Fases (500 rpm) 68

Figura 50. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Inversión de Fases(1000 rpm) 68

Figura 51. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Inversión de Fases(1500 rpm) 69

  

8  

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Cantidades de agua y aceite para cada uno de los procesos de preparación

trabajados 35

Tabla 2. Características del sistema de agitación. 36

Tabla 3. Dimensiones de los agitadores. 37

Tabla 4. Velocidades Periféricas a diferentes valores de N 37

Tabla 5. Resumen Consumo de Energía 44

  

9  

Le agradezco primero a Dios, en segundo lugar a mi

mamá y a mi papá por todo su amor y dedicación, a mi

hermanita por su compañía y a mi asesor Oscar Álvarez por su

colaboración.

  

10  

INTRODUCCIÓN

El procesamiento de emulsiones t iene un rango variado de posibilidades en cuanto a

metodología se ref iere. La obtención de las mis mas puede ser llevada a cabo mediante

procesos de tipo batch, semibatch, continuos o de inversión de fases, entre otros.

Las emulsiones son dispersiones de gotas de un líquido (la fase interna o discontinua) en

un segundo líquido inmiscible (la fase externa continua). Dichas emulsiones presentan

una cierta estabilidad que depende esencialmente de las aplicaciones. La estabilidad,

está asegurada por la presencia de una pequeña cantidad de una tercera sustancia llamada emulsionante, que es en general un surfactante [1].

Un aspecto de gran importancia en la preparación de las emulsiones inversas es el tipo de

proceso de emulsif icación utilizado y la velocidad de agitación en la consecución de la

dispersión. Una forma efectiva de evaluar la ef iciencia en la elaboración de emulsiones,

es analizando el consumo energético durante la emulsif icación en cada t ipo de proceso

(batch, semibatch y por inversión de fases) y su relación con las propiedades f inales de la

emulsión.

La forma más adecuada para estudiar la relación existente entre el consumo energético y

la variación de la velocidad de agitación en el procesamiento de emulsiones en los

diferentes procesos de preparación, es analizando su comportamiento reológico. Si se

puede establecer una relación entre el t ipo de proceso de preparación, el consumo

energético y las propiedades reológicas, se tendrá una referencia de suma importancia

para llevar a cabo el procesamiento adecuado de este tipo de productos para las distintas

aplicaciones que la industria las requiere.

De esta forma se propone en este estudio analizar los efectos de los diferentes tipos de

procesos de preparación (batch, semibatch y por inversión de fases) a diferentes

velocidades de agitación en el comportamiento reológico de emulsiones inversas al 30%

W/O, manteniendo constante la fracción másica de la fase dispersa.

  

11  

1. OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL Estudiar los efectos de los diferentes procesos de preparación (batch, semibatch e

inversión de fases) y de la velocidad de agitación sobre las propiedades reológicas de las

emulsiones inversas W/O.

1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Evaluar el efecto de la velocidad de agitación en el consumo energético durante la

emulsif icación obtenida por los diferentes procesos de preparación y el análisis

posterior de la viscosidad de las emulsiones obtenidas.

• Estudiar el efecto de la velocidad de agitación sobre las propiedades reológicas de

las emulsiones inversas, manteniendo constantes el tipo de geometr ía en el

procesamiento y la fracción másica de la fase dispersa (30%), para los tres

procesos de preparación.

  

12  

2. ESTADO DEL ARTE

2.1 GENERALIDADES

Una emulsión es un sistema que contiene dos fases líquidas inmiscibles, una de las

cuales está dispersada en la otra, y cuya estructura es estabilizada por un agente

surfactante llamado emulsionante [2].

Entrando más en detalle, cuando se tienen dos líquidos inmiscibles, como aceite y agua, y

estos se agitan, se forman gotas de un líquido en otro. Estas gotas de un líquido en otro

es lo que se conoce como una emulsión. Las emulsiones pueden ser entonces de dos

tipos: una en la cual las gotas (fase dispersa) son de aceite y la fase en donde están

inmersas las gotas es agua (fase continua). El otro tipo de emulsión es la inversa: gotas

de agua en una fase continua aceite. Las primeras se denotan como emulsiones O/W

aceite en agua (Water, agua; O= oil, aceite) y las segundas W/O, agua en aceite [3]. La

siguiente f igura muestra los 2 tipos de emulsiones más comunes y simples:

 

 

Figura 1: Tipos de Emulsiones [3] 

 Además de las emulsiones sencillas anteriormente descritas existe otro tipo de

emulsiones conocidas como emulsiones múltip les. Estas se caracterizan porque las gotas

de la fase dispersa, contienen a su vez gotas que son inmiscibles con la gota que las

Emulsión O/W  Emulsión W/O 

  

13  

contiene y que son miscibles con la fase continua. En la f igura 2, se muestra este tipo de

emulsiones [3].

 Figura 2: Emulsión Múltiple del tipo W1/O/W2 [3] 

También existen emulsiones múlt iples, inversas a las mostradas en la f igura 2. Este t ipo

de emulsiones son las de aceite/agua/aceite, denotadas como O1/W/O2.

Las principales propiedades de las emulsiones son el tipo (O/W, W/O o múltiple), el

tamaño de gota o mejor su distribución estadística, la estabilidad, es decir la forma en que

evoluciona cuando está sometida a condiciones particulares de almacenamiento,

transporte o manipulación, y la viscosidad o mejor su comportamiento reológico ya que en

muchos casos la emulsiones no son f luidos newtonianos.

El tipo de emulsión que se tiende a formar depende del balance entre las propiedades

hidróf ilas e hidrófobas del agente emulsif icante, cumpliéndose la regla de Bancroft: la fase

continua es aquella la cual solubiliza al agente emulsif icante. La naturaleza anfótera de

los agente tensoactivos puede ser expresado en términos de una escala empírica que

comúnmente se denomina el balance HLB (balance hidróf ilo-lipóf ilo).

Se han establecido varias ecuaciones para calcular los valores de HLB y a los agentes

tensoactivos menos hidróf ilos se les ha asignado los valores de HLB más bajos. Sin

embargo, el número de HLB es asignado al agente tensoactivo puro y generalmente sin

coincidir con el comportamiento del mismo en disolución. El valor HLB puede variar en

  

14  

función del tipo de electrolito, temperatura y t ipo de aceite debido a que modif ican la

geometría de la capa de agentes tensoactivos en la interface y por lo tanto varían su

curvatura preferida. [9]

2.2 ELEM ENTOS CONSTITUTIVOS DE LAS EM ULSIONES

Los elementos constitutivos de las emulsiones dependen de la cantidad de fases que se

presentan en las mis mas, es decir de la fase dispersa o discontinua y de la fase continua.

En consecuencia a la inestabilidad de la combinación de estos dos componentes, es

necesario incorporar un agente tensoactivo o emulsificador, que aumenta el tiempo de

vida de la emulsión y proporciona una estabilidad relat iva en un tiempo determinado.

Dicho tensoactivo tiene que ser seleccionado con ciertos parámetros, según el tipo de

emulsión que se vaya a elaborar (W/O, O/W o emulsiones múlt iples) y las variables del

proceso (temperatura, presión, velocidad de agitación, etc.).

2.2.1 SURFACTANTES (AGENTES TENSOACTIVOS) Los agentes tensoactivos son compuestos químicos constituidos por moléculas que

contienen grupos hidrofílicos (parte polar de la molécula) y oleofílicos (parte apolar de la

molécula o hidrófoba). Los agentes tensoactivos con un carácter predominante oleofílico

tienden a estabilizar las emulsiones de agua en hidrocarburos, mientras que los de

carácter principalmente hidrofílico estabilizan las emulsiones de hidrocarburos en agua.

La parte apolar o hidrófoba de la molécula generalmente suele ser una cadena

longitudinal de hidrocarburos. La f igura 3 muestra un esquema general de una molécula

de agente tensoactivo [10]:

 

Figura 3: Estructura de  una Molécula de  Agente  Tensoactivo [10]

  

15  

La función principal de los tensoactivos es estabilizar las emulsiones haciendo que sus

propiedades reológicas se conserven por más tiempo conservando de igual manera su

calidad. Los agentes tensoactivos comunes se dividen en cuatro grupos (aniónicos,

catiónicos, no-iónicos y anfóteros) [4]:

• Tensoactivos aniónicos: se disocian en un anión anfíf ilo y un catión, el cual es

en general un metal alcalino o un amonio cuaternario. A este tipo pertenecen los

detergentes sintéticos como los alquil benceno sulfonatos, los jabones (sales de

sodio de ácidos grasos), los agentes espumantes como el lauril sulfato, los

humectantes del tipo sulfosuccinato, los dispersantes del tipo lignosulfonatos, etc.

La producción de los surfactantes aniónicos representa alrededor del 55% de los

surfactantes producidos anualmente en el mundo [5].

• Tensoactivos catiónicos: se disocian en solución acuosa en un catión orgánico

anfíf ilo y un anión generalmente del t ipo halogenuro. La gran mayoría de estos

surfactantes son compuestos nitrogenados del t ipo sal de amina grasa o de

amonio cuaternario. La fabricación de estos surfactantes es mucho más cara que

la de los anteriores y es por esta razón que no se les utilizan salvo en caso de

aplicación particular, como cuando se hace uso de sus propiedades bactericidas o

de su facilidad de adsorción sobre sustratos biológicos o inertes que poseen una

carga negativa. Esta última propiedad hace que sean excelentes agentes

antiestáticos, hidrofobantes, así como inhibidores de corrosión, y puedan ser

utilizados tanto en productos industriales como para uso doméstico [5].

• Tensoactivos no-iónicos: están en el segundo rango por orden de importancia

con un poco menos del 40% del total de la producción mundial anual. En solución

acuosa no se ionizan, puesto que ellos poseen grupos hidrófilos del t ipo alcohol,

fenol, éter o amida. Una alta proporción de estos surfactantes pueden tornarse

relativamente hidrofílicos gracias a la presencia de una cadena poliéter del t ipo

polióxido de et ileno. El grupo hidrófobo es generalmente un radical alquilo o alquil

benceno y a veces una estructura de origen natural como un ácido graso, sobre

todo cuando se requiere una baja toxicidad [5].

  

16  

• Tensoactivo anfótero: La combinación dentro de una misma molécula de dos

caracteres: aniónico y catiónico producen un surfactante llamado anfótero, como

por ejemplo los aminoácidos, las betaínas o los fosfolípidos; ciertos anfóteros son

insensibles al pH, otros son de tipo catiónico a pH ácido y de t ipo aniónico a pH

alto. Los anfóteros son en general tan caros como los catiónicos y por esta razón

su utilización se reduce a aplicaciones particulares [5].

2.2.2. SELECCIÓN DEL AGENTE TENSOACTIVO

Para seleccionar el agente tensoactivo más adecuado para cada emulsión es necesario

conocer la naturaleza de cada una de las sustancias que componen las fases, el tipo de

emulsión a preparar, la concentración de la fase dispersa y la af inidad del tensoactivo por

cada una de las fases. Existen varios métodos cuantitativos para la selección del

surfactante según la af inidad del mismo con cada una de las fases. Principalmente estos

métodos son: la regla de Bancroft, el balance hidrofílico - lipofílico (HLB), la temperatura

de inversión de fases (PIT), la relación de Winsor y la diferencia hidrofílica – lipofílica

(HLD).

• La regla de Bancroft (1913) está relacionada directamente con la formulación en

el proceso de emulsif icación. Esta regla propone que para formar una emulsión, el

tensoactivo debe tener una mayor af inidad por la fase continua o dicho de otra

manera que la fase continua va a ser aquella en donde el tensoactivo sea más soluble.

• Balance Hidrofílico-Lipofílico (HLB): Griff in (1949) propuso el balance hidrofílico-

lipofílico (HLB) como una medida de la af inidad relativa del surfactante para las

fases agua y aceite. El HLB depende esencialmente del surfactante aunque el

método original de Grif f in, ahora abandonado por su complejidad e imprecisión,

tomaba en cuenta la naturaleza del aceite. Hoy el HLB mide en escala de 0 a 20 la

importancia relat iva del grupo hidrofílico y del grupo lipofílico en la molécula de

surfactante. Para surfactantes no-iónicos se toma la relación [1]:

  

17  

total

lipofílica

MM

HLB *5

100=

Donde lipofílicaM representa el peso molecular de la cadena polióxido de etileno y

totalM el peso molecular total. Este dato es una relación entre la capacidad

absorbente de la cabeza polar con respecto a la propiedad lipofílica de la cadena

alifática del tensoactivo.

Griff in realizó una clasif icación numérica de los tensoactivos según el valor del

HLB. Debido a que el valor del HLB puede estar entre 0 a 20, clasif icó a las

sustancias que se encontraban entre 0 a 9 formar ían una emulsión inversa de

Agua en Aceite (W/O), mientras que las sustancias que se encontrarán entre 9 a

20 tenderían a formar emulsiones directas de Aceite en Agua (O/W). Otra

interpretación que se le puede dar a este número es que las sustancias con un

valor cercano a 1 serán af ines al aceite, mientras que las sustancias con un valor

cercano a 20 serán af ines al agua. Entre estos dos extremos se encuentra un

punto en el que la sustancia es neutra, y este punto se toma a un valor de HLB

igual a 10.

• Temperatura de Inversión de Fases (PIT= “Phase Inversion Temperature"): La

temperatura de inversión de fases es la temperatura en la cual cambia la afinidad

del tensoactivo no-iónico, del agua al aceite o viceversa. Con exactitud, la PIT es

la temperatura a la cual la af inidad predominante de un surfactante no-iónico se

cambiaba del agua al aceite por la deshidratación de la cadena poli-óxido de

etileno al aumentar la temperatura [11].

• Relación de Winsor: En 1954 Winsor propuso una relación que involucra las interacciones entre el tensoactivo y el aceite y las interacciones entre el

tensoactivo y el agua [1].

La Relación de Winsor se def ine como: CW

CO

AAR =

  

18  

Donde A se define como las interacciones por unidad de área interfacial, C es la

capa de la interfase, O es la fase orgánica y W es la fase acuosa. Teniendo en

cuenta las interacciones netas, la relación de Winsor queda modif icada a la

siguiente expresión [1]:

Las interacciones que plantea la formula anterior se presentan en la siguiente

ilustración [1]:

 Figura 4:  Interacciones Intermoleculares cerca de  la Interfase  de  acuerdo a Winsor [1]

La relación de Winsor (R o Rw), puede tomar valores mayores a 1, menores a 1 o

iguales a 1. Si R=1, se tiene que el sistema es inestable y existe la presencia de un

punto en el que se presentan tres fases (Emulsiones Winsor Tipo 3). Si R<1, existe una

predominancia a formar emulsiones de tipo directas y si R>1, se forman emulsiones

inversas. [1] Los tres tipos de emulsiones que se presentan según Winsor se muestran

en la siguiente f igura:

HHWWCW

LLOOCO

AAAAAA

R−−−−

=

  

19  

 Figura 5: Diagramas de  Winsor 

 

• Diferencia Hidrofílica – Lipofílica (HLD): También es denotada por las siglas

SAD (“Surfactant Aff inity Dif ference”), esta diferencia es muy similar a la HLB, pero

tienen en cuenta más parámetros relacionados con el procesamiento de

emulsiones, lo que ha su vez la hace más precisa. El HLD t iene en cuenta las

interacciones con cada uno de los componentes y la estructura del tensoactivo.

También t iene en cuenta el número de carbonos del aceite, la temperatura de

preparación de la emulsión y las interacciones electrostáticas que se generan por

la presencia de electrolitos o sustancias iónicas. El HLD se def ine como:

aATkACNbsEONHLD d +++−+−= ϕα (11)

En donde EON es el número de grupos de óxidos de et ileno, s es el porcentaje

másico de sal presente en la fase acuosa, ACN es el número de átomos de

carbono presentes en la molécula n-alcano, Td es la diferencia de temperaturas

con respecto a la referencia de 25°C, A es el porcentaje de alcohol en la

composición. ϕα ,, k son parámetros del tensoactivo que deben ser encontrados

Diagrama  Winsor  Tipo I 

Diagrama  Winsor  Tipo II 

Diagrama  Winsor Tipo III 

Agua 

Micela  S2 Micela  S1 

Aceite Cristal Líquido  Micelas S1 & S2= Microemulsión 

Agua 

Agua 

Aceite 

Aceite 

Aceite 

  

20  

experimentalmente, b es la constante de la sal mientras que a es una constante

con respecto al alcohol. [1]

Si el HLD toma un valor de cero, este es neutro y tiene af inidad por cualquiera de

las dos fases, si es negativo el tensoactivo tiene af inidad por la fase acuosa,

mientras si es posit ivo existe af inidad por la fase orgánica. El HLD es el más

completo de todos los métodos que existen para seleccionar el tensoactivo, pero

debido a su complejidad es el menos utilizado de todos ellos.

2.3 PROPIEDADES DE LAS EMULSIONES

2.3.1 PROPIEDADES FÍSICAS

2.3.1.1 Distribución y tamaño de gota Tanto el tamaño de gotas como la distribución de tamaño de gotas tienen una inf luencia

sobre la viscosidad de las emulsiones. Sin embargo es prácticamente imposible estudiar

estos factores independientemente, ya que para variar el tamaño o distribución se deben

variar otros factores como la tensión interfacial o el tipo y la concentración de surfactante.

La medición de esta propiedad se hace por medio de distribuciones normales a partir de

métodos experimentales. Según lo anterior se puede tener un diámetro característico de

la distribución, con esto se pueden determinar tendencias como que a menor tamaño de

gota, mayor la viscosidad, y cuando más amplia la distribución de tamaño de gota, menor

la viscosidad. [2]

El diámetro característico se determina por medio de una distribución de clases discretas llamada “diámetro de Sauter” de la forma [20]:

∑=i ii

ii

dndnd

2

3

32 [20]

  

21  

2.3.1.2 Variación de la distribución en función de la velocidad de agitación

A partir de la experimentación se puede derivar que si la emulsión ha sido producida por

un proceso de agitación único, si su distribución de tamaño de gota se aproxima a una ley

normal o log-normal.

En la f igura 6 se observa que cuando la agitación aumenta, o la viscosidad de la fase

dispersa disminuye puede ocurrir lo siguiente [2]:

1) La distribución se desplaza hacia más pequeños diámetros: los diámetros medios

disminuyen.

2) La distribución se torna más angosta. Se dice que su polidispersidad disminuye, y que

tiende a ser más monodispersa.

3) La distribución se torna más asimétrica, pasando típicamente del caso de una ley

normal a una ley log-normal.

Figura 6. Distribución de tamaño de gotas en función de la velocidad de agitación [4]

• Estabilidad de las em ulsiones La estabilidad de una emulsión puede verse afectada debido a factores externos como el

pH, la contaminación, microorganis mos y la temperatura. Pero debe entenderse que las

emulsiones tienden a ser sustancias inestables que se separan en el tiempo, por lo cual

deben utilizarse métodos para estabilizarlas. Existen principalmente dos métodos para

estabilizar las emulsiones, el primero es estabilización electroestática, que se da cuando

  

22  

se utilizan surfactantes aniónicos que son absorbidos por las gotas de aceite, logrando

que exista la formación de una capa de carga negat iva rodeada por una segunda de capa

contraria. Por otro lado se tiene la estabilización estérica, que se da cuando se utilizan

emulsif icantes de tipo polimérico o no iónico, donde los resultados de los efectos

estéricos se ven representados en forma de repulsiones de Van der. Waals [12].

El proceso de ruptura de las emulsiones puede ocurrir mediante cuatro mecanis mos de

inestabilidad diferentes [13]:

i) “Creaming”/sedimentación: Se trata de un proceso causado por la acción de

la gravedad y produce un gradiente vertical de concentración de las gotas sin

variar la distribución del tamaño de las mismas. Para las emulsiones o/w , las

gotas de aceite son menos densas que la fase continua y acuosa y por lo tanto

principalmente ocurre el “creaming”. Para una gota de emulsión aislada, la

velocidad de “creaming”/sedimentación (v) es def inida por:

2 9  

Donde es el radio de la gota, ρ0 y ρ las densidades de las fases continuas y

dispersas respectivamente, g la aceleración debido a la gravedad y la

viscosidad absoluta de la fase continua [13].

ii) La floculación: es el mecanismo mediante el cual las gotas se adicionan sin

fusionarse y como en el anterior mecanismo no hay variación en la distribución

de tamaño de gotas. El proceso de la floculación está controlado por un

equilibrio global entre las fuerzas de atracción electrostáticas de Van der

Waals, y repulsivas de tipo estéricas y de hidratación [13].

iii) Coalescencia: en este proceso las gotas se fusionan para crear gotas más

grandes, eliminándose la interface liquido-liquido. Este cambio irreversible

  

23  

requeriría un aporte extra de energía para restablecer la distribución de tamaño

de partícula orig inal. A pesar de que este mecanis mo de inestabilidad debido a

la coalescencia no se comprende en su totalidad, se cree que está relacionado

con la curvatura preferida y con la rigidez de la capa de tensoactivo que

estabiliza la emulsión [13].

iv) Crecimiento de gotas (Ostwald ripening): Este mecanismo esta dado por el

crecimiento de las gotas más grandes sacrif icando las gotas más pequeñas,

hasta que estas se desvanecen. Este proceso ocurre a una velocidad que es

función de la solubilidad de la fase dispersa en la fase continua y se debe a

que la presión interna de las gotas (presión de Laplace) es mayor en las gotas

más pequeñas. Lifshitz, Slezov y Wagner determinaron la siguiente ecuación

que def ine la velocidad de engrosamiento de las gotas dispersas de la

siguiente manera:

       8 ∞

9  

Siendo t el t iempo, ac el radio crítico de gota, para el cual las gotas ni crecen ni se

encogen y aproximadamente al valor medio del radio de las gotas, D es el coef iciente de las especies disueltas en la fase acosa, γ es la tensión superf icial de la interfase agua-

aceite, Vm es el volumen molar del aceite, c(∞) es la solubilidad molecular de la fase

dispersa en la fase continua y f(φ) es el factor de corrección que tiene en cuenta que la

velocidad de engrosamiento es función de la fracción de volumen φ, e igual a 1 en el

límite φ → 0, R es la constante de gases y T la temperatura absoluta. Experimentalmente

ω se determina a partir de la pendiente de la recta que se obtiene al representar

f rente al tiempo [13].

En general, el complejo proceso de la inestabilidad de las emulsiones suele ocurrir

mediante la combinación de los cuatro posibles procesos de inestabilidad que pueden

suceder simultáneamente a diferentes velocidades. De hecho, la mayoría de las veces,

dos de los procesos anteriormente citados se suelen acoplar. Por ejemplo, las

  

24  

velocidades de flotación en las emulsiones diluidas son más rápidas en sistemas

f loculados que en los no-f loculados debido al aumento del tamaño de part ícula f lotante en

el primer caso [13].

La siguiente f igura muestra los diferentes mecanismos de inestabilidad de las emulsiones:

 Figura 7: Mecanismos de  Inestabilidad de  las Emulsiones [13]

2.3.2 PROCESOS DE PREPARACIÓN Los procesos mediante los cuales son concebidas las diferentes emulsiones juegan un

papel de suma importancia por la inf luencia que estos acarrean en las características y

estabilidad de las emulsiones terminadas. En este caso en particular se van a tratar tres

tipos de procesos de preparación: batch, semibatch e inversión de fases. El proceso batch

es el medio de obtención más sencillo de todos y consiste en la adición de los

componentes de la emulsión a un mis mo instante de tiempo. Todos los componentes de

la emulsión son mezclados al mis mo tiempo. Por otra parte, en el proceso semibatch,

ocurre una incorporación paulatina de la fase dispersa en la fase continua. Por último, la

  

25  

emulsiones por inversión ocurren cuando se presenta un cambio en la condiciones.

Existen dos tipos de inversiones: (i) La inversión catastróf ica, inducida por un incremento

en la fracción volumétrica de la fase dispersa y la de (ii) inversión por transición, producida

por un cambio en la temperatura de preparación y/o por la adición de un electrolito (puede

ser NaCl) [16].

Profundizando más en estos 3 procesos, J. Zeaiter et al. [17] af irma que las diferencias en

la cinét ica de emulsif icación en polimerización que ocurre en procesos batch y semibatch,

ha sido inexplorada en la literatura. Se ha aceptado que las part ículas de polímero

obtenidas mediante un proceso batch tengan el mismo tamaño que aquellas que fueron

realizadas mediante procesos semibatch.

El autor también af irma que, independiente del modo de preparación, bien sea batch o

semibatch, la formación y crecimiento de partícula (gota) obedece la misma cinética de

crecimiento en ambos casos. Es importante resaltar que las af irmaciones anter iores

hacen alusión a la polimerización en emulsión de estireno y que la polimer ización en

emulsif icación acarrea interacciones diferentes a las que ocurren en una simple emulsión;

se mencionan con la f inalidad de ilustrar los diferentes tipos de preparación en otras

aéreas de aplicación.

Por ejemplo, no se han observado diferencias signif icativas en el tamaño promedio de partícula a la hora de cambiar los f lujos de alimentación de monómero en casos de

emulsif icación semibatch (polimerización). Por otra parte existen estudios recientes [18]

que af irman un incremento en el número de partículas con la dis minución del f lujo de

alimentación de monómero en la polimer ización de emulsiones mediante el proceso

semibatch. En la figura 8 se observa claramente la tasa de crecimiento de las partículas

de polímero a diferentes flujos de alimentación de monómero en el proceso semibatch:

  

26  

 

Figura 8: Crecimiento experimental promedio de  partícula a diferentes tasas de  alimentación de  monómero [17]

En las siguientes imágenes se puede ver el comportamiento bajo el microscopio de

diferentes etapas del proceso de polimerización en emulsión, congruentes con la gráf ica

anterior, es decir a diferentes tasas de alimentación de monómero [17]:

  

 Como se menciono anteriormente, además de los procesos de preparación batch y

semibatch, existe en la industria diferentes procesos de inversión. Según J.-L. Salager et

al. existen algunos ejemplos de procesos de inversión en la industria, unos más

importantes y utilizados que otros [19]:

Figura 9: Micrografías en diferentes etapas: (a) partículas obtenidas al final  del periodo batch; (b) Fm=4.5x10‐4 

mol/s y (c) Fm=2x10‐4 mol/s [17]

  

27  

1. Preparación de emulsiones finas por inversión de fase térmica (Método PIT)

Es probablemente el proceso que mejor se conoce sobre inversión de fases en la

industria. Se le conoce también por el método PIT (“Phase Inversion

Temperature”).El método trabaja con un sistema de surfactante sensible a la

temperatura, generalmente no- iónico y que se convierte en menos hidrofílico a

medida que la temperatura aumenta y viceversa. En este método de

emulsif icación, que es de tipo inversión transicional, se hace un barrido de

temperatura en un sistema agitado SOW (Surfactant-Oil-Water), para que la

temperatura pase por la temperatura HLB, temperatura a la cual el HLD=0. Esta

temperatura no es estrictamente la temperatura en la cual la emulsión se invierte,

pues depende también del parámetro WOR (Water/Oil ratio) propuesto por

Ostw ald y de la concentración de surfactante. Claro está que la temperatura HLD

es una aproximación bastante certera en la mayoría de los casos a la temperatura

de inversión de fases. Cuando el sistema se encuentra cercano a un HLD=0

exhibe una única fase del tipo microemulsión o cristal liquido, proponiendo que la

concentración del surfactante es lo suf icientemente alta del orden del 10% en

peso.

Cuando la temperatura se aparta de HLD=0 la microemulsión bicont inua se

convierte en un sistema de dos fases, de acuerdo al proceso de descomposición spinodal en la cual pequeñas gotas de un exceso de la fase de agua o de la fase

aceite se manif iestan. Si no se tiene especial cuidado, esas pequeñas gotas sufren

de coalescencia para formar una macroemulsión con tamaño de gota del rango de

1-10 µm. Si existe una gran cantidad de surfactante y/o se forma una estructura de

cristal liquido cerca al HLD=0, entonces la nanoemulsión no va a sufrir

coalescencia inmediatamente y el tamaño de gota se va a mover en un rango de

50-100 nm mientras el HLD se aleje de la región inestable. El fenómeno anterior se

ilustra en la siguiente f igura:

  

28  

 

Figura 10: Formación de  nanoemulsiones obtenidas mediante el cruce  de  la región de  formulación óptima [19] 

   

A una cierta distancia del HLD=0, por ejemplo a 25°C por encima o por debajo, la

emulsión entra a una de las regiones estables A+ o A- y la nanoemulsión se

convierte en estable def initivamente como lo muestra la ilustración anterior.

También se puede apreciar que el método funciona sin importar si es enfriando o

calentando. En algunos casos el método es realizado con dos cruces

consecutivos de la región HLD estable, es decir empezando en una dirección de

cambio y regresando a la formación de la nanoemulsión. El método PIT ha sido

usado durante años para producir nanoemulsiones para diferentes propósitos,

como formulas cosméticas, emulsiones en fermentación de nutrientes,

alimentación intravenosa, entre otros.

2. Emulsificación por inversión inducida de formulación.

Este método sigue el mismo principio que el método anterior, pero en este caso la

formulación es la que cambia cuando se añade una sustancia capaz de modif icar

el HLD del sistema. Por ejemplo la adición de un electrolito, un alcohol, un

surfactante o un aceite.

3. Emulsificación por inversión catastrófica.

El método de inversión catastróf ica es usado en muchos procesos industriales,

particularmente cuando la fase aceite es un f luido extremadamente viscoso

(también si se trata de resinas alquílicas o epóxicas o aceites siliconados), en

  

29  

donde t iene que ser dispersado en agua, como en la manufactura de pinturas o

tratamiento hidrofóbico en operaciones de construcción. Por causa de la alta

viscosidad de la fase aceite, un sistema de agitado común es inef iciente para

producir gotas pequeñas. La técnica de inversión consiste en añadir agua poco a

poco a la fase aceite, durante una acción de mezclado lenta. En la mayoría de los

casos el surfactante es hidrofílico y además es inicialmente disuelto o dispersado

en la fase aceite. Si el surfactante posee un HLD negat ivo, es posible que ocurra

una inversión desde el estado de inversión anormal W/O hacia el estado de una

inversión normal O/W, como se muestra a continuación:

 Figura 11: Inversión desde  una morfología anormal a una normal

Es de notar que en este caso existen muchos factores importantes que favorecen la

formación de una morfología O/W. En primera medida, la formulación favorece la

morfología O/W en la curvatura de la interfase. Segundo, el hecho de agitar

lentamente la mezcla sumada a la alta viscosidad de la fase aceite hace que la

inversión tienda a pasar de la región B-/A- de la izquierda a la derecha, reduciendo

posteriormente la extensión de la región B-. Finalmente la alta viscosidad del aceite

favorece la dispersión del aceite en el agua.

4. Inversión Combinada

Cuando el surfactante es una mezcla, pueden ocurrir una serie de fenómenos

asociados a un cambio en la formulación interfacial, es decir en las cantidades de

los surfactantes en la interfase. Este fenómeno tiene como consecuencia

variaciones del parámetro WOR y de la concentración del surfactante al mis mo

tiempo. Lo anterior signif ica un cambio en la composición. Por ejemplo, un

  

30  

movimiento en el d iagrama ternario, puede producir indirectamente un cambio en

la formulación.

Otra forma de producir inversiones combinadas es alterando ambos conceptos,

formulación (o temperatura) y el parámetro WOR.

2.3.3 REOLOGÍA

La Reología estudia el flujo y la deformación de los materiales, además esta def inida

como la ciencia que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos o el

comportamiento de los f luidos sometidos a una fuerza de cizallamiento o esfuerzos

cortantes. Los reómetros son instrumentos que ayudan a caracterizar reológicamente los

f luidos, teniendo la versatilidad de llevar a cabo ensayos en estado estacionario para la

obtención de viscosidades, ensayos de relajación-esfuerzo (stress-relaxation), ensayos de

creep-recovery y ensayos oscilatorios entre otros. Con los resultados obtenidos en las

pruebas en estado estacionario para obtener viscosidades se pueden graf icar las

relaciones entre la viscosidad y la velocidad de cizallamiento. Llevando a cabo

regresiones lineales simples del anterior comportamiento se puede determinar el tipo de

f luido que se esta analizando. New toniano, los cuales son en su mayoría f luidos simples

y Pseudoplastico el cual tiene un comportamiento característico de disminución de viscosidad a medida que el cizallamiento aumenta. Para las emulsiones el

comportamiento que más se adapta a su naturaleza son los f luidos Pseudoplastico.

2.3.3.1. Viscosidad de las emulsiones

El factor de viscosidad se debe tener en cuenta en tres casos; el primero es cuando la

emulsión es preparada a partir de un aceite viscoso en agua, el segundo es cuando la

emulsión es viscosa debido a la presencia de sub-productos, o adición de un

emulsif icador o tensoactivo y el tercer caso es cuando la emulsión es previamente

preparada como resultados de otros cambios ocurridos en la mezcla, variando variables

de proceso como la temperatura. [21]

  

31  

La viscosidad de una emulsión depende de principalmente de los siguientes factores

enumerados en orden de importancia con excepción del último [2]:

1) Viscosidad de la fase externa (ηo)

2) Proporción volumétrica de la fase interna (ø)

3) Tamaño de las gotas de la fase interna

4) Viscosidad de la fase interna

5) Efectos electro-viscosos

6) Efecto del emulsionante, (formulación)

2.4 CONCENTRACIÓN

Esta propiedad hace referencia a la cantidad de las dos fases que constituyen la emulsión

y se determina por medio de una fracción volumétrica de una de las fases (la fase

dispersa). También se tiene que determinar la cantidad de emulsif icador o tensoactivo, la

cual puede expresarse en términos de la emulsión total. La cantidad de emulsif icador está

en un rango de 0.2-5% ya que valores menores de este rango no son suf icientes para

estabilizar la emulsión por un t iempo relevante, lo cual no ser ía un factor que inf luya en la

optimización de la preparación de la emulsión. [10]

2.5 EMULSIFICACIÓN

La emulsificación se restringe a los límites de la relación entre las variables de proceso y

el tipo de emulsión. Teniendo en cuenta los siguientes factores se pueden determinar

estas relaciones y así un buen proceso de emulsif icación: 1) emulsif icación de aceite, 2) la

velocidad a la que una emulsión cuando se desarrollará cuando se agita; 3) el tratamiento

mecánico en función de la fase en la que se va a dispersar (agitación, mezcla) así como

otros medios de formar una emulsión, 4) componentes del sistema de añadidos o

presentes en el sistema, para emulsionar, y 5) las condiciones f ísicas en función de las

variables del proceso.

  

32  

Hay muchos métodos para producir emulsiones, el método de emulsif icación depende en

gran parte de la naturaleza y las propiedades de los componentes que conforman el

sistema. Es evidente que la emulsión, incluso de los mismos componentes en diversas

condiciones, dará lugar a emulsiones de diferentes propiedades, y que la estabilidad se

verá afectada más que cualquier otra propiedad. El control de los factores en el proceso

de emulsificación en un estado estable: temperatura, mecánica, agitación, t iempo, la

relación de la concentración de los componentes de la emulsión, homogeneización, la

presencia o ausencia de sustancias extrañas, el grado de dispersión de la fase interna, y

los cambios en el equilibrio dinámico. [21]

2.5.1. EMULSIFICACIÓN DE LAS EM ULSIONES INVERSAS

La preparación de las emulsiones se pueden realizar en un estado semibatch o batch, en

el primer proceso se agrega gota a gota bajo movimiento cont inuo a la fase continua la

fase interna, y el segundo se agrega la toda la fase dispersa en un solo paso (en el caso

de una emulsión inversa, agua). La concentración del emulsif icante para emulsiones

inversas no debe exceder el 5%. Las emulsiones inversas también pueden ser

preparadas por la agitación de un tubo de ensayo cerrado que contiene todos los

componentes juntos (agua, aceite y emulsif icante) en las proporciones necesarias con

pequeñas bolas de cristal que ayudan a la formación de las emulsiones, o por medio del

método del PIT desde el aumento de las soluciones micelares: las emulsiones del tipo

agua en aceite son obtenidas espontáneamente por el aumento de soluciones micelares

(aceite en agua) por un rápido incremento en la temperatura mientras que las emulsiones

aceite en agua son obtenidas por una disminución en la temperatura. [12]

2.6. INFLUENCIA DE LOS DIFERENTES PROCESOS DE PREPARACIÓN

La forma en que una emulsión se procesa afecta a sus características f inales. Así, las

variables de proceso influyen sobre la reología de la fase continua, los parámetros

estructurales, es decir, distribución de tamaños de gota (DTG), interacciones entre

partículas, etc., dando lugar a diferencias importantes en el comportamiento reológico y

  

33  

en la estabilidad de las emulsiones. La optimización del proceso de emulsif icación

requiere la selección de un emulsionante adecuado y establecer las condiciones de

procesado óptimas tales como tiempo de emulsif icación, velocidad de agitación,

temperatura, tipo de geometr ía del sistema impulsor, etc.

Las diferencias geométricas existentes entre los agitadores usados para la obtención de

emulsiones proporcionan patrones de f lujo diferentes que, implican no sólo diferencias en

el mezclado sino en la distribución de velocidades de cizalla. Todo ello puede afectar a la

cinética de emulsificación, a la DTG y a las propiedades reológicas. [14]

2.6.1. CARACTERÍSTICAS DE LOS AGITADORES

Para realizar el diseño de agitadores es necesario que se suplan dos factores como lo

son: el grado de homogeneidad que se desea (depende de la calidad del producto f inal

que se desea) y el tiempo de agitación. La potencia que se requiere en la agitación

depende de los dos factores anteriormente nombrados sumados con el rendimiento.

Normalmente el tanque de agitación se presenta como un depósito de forma circular, en

las esquina se mantiene una forma esferoidal para evitar zonas de bajas velocidades. La

parte superior del tanque puede estar cerrada o abierta. Con el f in de ampliar la ef iciencia de mezclado, seria recomendable ubicar en la pared del tanque def lectores que permitan

que se aumente la vorticidad. Las hélices o rodetes suelen estar conectados a un eje

vertical, que de su grado de inclinación depende el rendimiento.

  

34  

3. MATERIALES Y MÉTODOS

3.1 MATERIALES

Los materiales requeridos para la preparación de las emulsiones fueron:

• Agua desionizada y microf iltrada.

• Aceite Mineral grado USP, comprado a la empresa CRODA (Bogotá, Colombia).

• Span 80 (Monooleato de Sorbitan HLB=4.3) comprado a CRODA, ejerce como

emulsif icante y estabilizante.

3.2 MÉTODOS

3.2.1. PREPARACIÓN DE LAS EMULSIONES

3.2.1.1 Formulación y procesos de emulsificación

Para la preparación de las emulsiones se utilizará como sistema Span 80

(tensoactivo), aceite mineral (fase continua) y agua desionizada (fase dispersa). La

cantidad total de emulsión preparada por prueba es de alrededor de 600 ml, con una

concentración de la fase dispersa de 30% y una concentración total de tensoactivo

equivalente al 5% en peso del total de la emulsión.

Los procesos de emulsif icación que se van a llevar a cabo son primero de tipo batch,

el cual consiste en mezclar al mismo t iempo la fase continua con la fase dispersa

mediante agitación. La fase continua será una mezcla de tensoactivo (Span 80) y

aceite. Esta fase será preparada con anterioridad. Para el sistema semibatch, se va a

adicionar paulat inamente la fase dispersa en la continua. Es decir, se va a adicionar

el agua gradualmente hasta llegar a la emulsif icación deseada (φ=30%). La fase

aceite (continua) debe estar homogénea con el tensoactivo para garant izar una mejor

emulsif icación.

  

35  

El proceso de preparación por inversión de fase catastróf ica será un sistema

semibatch, el cual consiste en empezar con una fase continua de agua con el 5% en

peso de Span 80 y añadir paulatinamente (gota a gota) la fase aceite con la mis ma

concentración del tensoactivo hidrófobo. Todo esto con la f inalidad de conseguir la

inversión de fases en el momento en que la fase agua se vuelva la fase dispersa y la

fase aceite que se va añadiendo termine siendo la fase continua.

El procesamiento va a estar agitado a velocidad constante de 500 rpm en primera

medida (posteriormente se va a realizar con 1000 y 1500 rpm). Se debe garant izar

que ambas fases estén homogéneas y sin burbujas de aire. Para el caso de la fase

acuosa, la homogeneidad se garantiza haciendo pasar la fase acuosa (agua + Span

80) por un dispersor a alta velocidad (12000 rpm). El tanque de agitación tendrá un

volumen de 1000 ml.

En la tabla 1, se presentan las cantidades de agua, aceite y tensoactivo para cada

uno de los procesos de preparación trabajados.

Tabla 1. Cantidades de agua y aceite para cada uno de los procesos de preparación trabajados

PROCESO

CANTIDADES (g)

AGUA ACEITE TENSOACTIVO

Batch 60 130 10

Semibatch 60 130 10

Inv ersión de Fases 60 130 10

La f igura 12 muestra el agitador utilizado. Las especif icaciones del sistema de agitación

se presentan en la tabla siguiente:

  

36  

Sistema de agitación:

Figura 12. Agitador LIGHTNIN® BK 223116

Tabla 2. Características del sistema de agitación.

Equipo Modelo

Volumen

(L)

Velocidad

(rpm)

Potencia

(W) Agitador L1U10F 200 50-1800 115

El tanque de agitación correspondía a un volumen de 1000 ml. El material del tanque era

plástico.

Las geometr ías de agitadores que se utilizaron en la fase de experimentación previa

fueron: A-100 (tipo propela), A-310 (agitador superf lujo) y R-100 (Roushton).

Figura 13. (a)Turbina Rusthon R-100; (b) Agitador de tres palas A-100; (c) Agitador Superflujo A-

310

a)  b)  c) 

  

37  

La fase de experimentación previa propuso utilizar el agitador de tres palas A-100 (b) para

el desarrollo posterior del proyecto, debido a que proporcionaba la mejor circulación de las

gotas en el proceso de inversión de fases. Por esta razón el desarrollo del proyecto se

llevo a cabo con dicho agitador y los otros dos se descartaron, pues la variación en el t ipo

de agitador y su inf luencia en el comportamiento reológico de las emulsiones preparadas

no era objetivo pr incipal de análisis en este estudio. El agitador A-100 benef iciaba la

circulación en vez del cizallamiento, por esta razón se obtenía una mejor homogenización.

En la tabla 3 se presentan las dimensiones de los agitadores:

Tabla 3. Dimensiones de los agitadores.

Agitador D (cm)

A-100 6.51

A-310 7.67

R-100 5.095

Las velocidades periféricas (Vp) se calcularon a partir de las velocidades de agitación en

rpm mediante la siguiente ecuación:

NrVp ***2 π= (1)

Donde r es el radio del agitador y N es la velocidad angular del agitador en rpm. De lo

anterior se obtuvo para el agitador A-100:

Tabla 4: Velocidades Periféricas a diferentes valores de N

Agitador Velocidad Periférica (m/s)

N 500 rpm 1000 rpm 1500 rpm

A-100 1,704 3,408 5,112

Las velocidades periféricas son las velocidades tangenciales en las puntas de las palas

de la propela, y son las que verdaderamente se encargan de la dispersión y circulación de

las gotas en la formación de las emulsiones agua/aceite. Por esta razón es importante

  

38  

conocerlas y mantenerlas constantes. Todo esto con el f in de tener a disposición dicha

información a la hora de querer replicar el procesamiento de las emulsiones con un

agitador similar pero con dimensiones diferentes. En otros términos, si se quiere replicar

el estudio es necesario que las velocidades periféricas permanezcan constantes si se

quieren obtener resultados proyectados en este escrito.

3.2.2. EVALUACION DE LAS DIFERENTES VELOCIDADES DE AGITACIÓN

Se evaluará la influencia de las diferentes velocidades de agitación (500-1000-1500 rpm)

en los 3 tipos de procesos y su relación en el consumo energét ico y en las propiedades

reológicas de una emulsión con una formulación constante (30% fase dispersa). Mediante

la medición del torque ( en N·m) a través del tiempo y teniendo en cuenta la velocidad angular (ω en rad/s), se podrá hallar la potencia (Watts) requerida en cada proceso

mediante la siguiente ecuación:

      (2)

Con los distintos valores de potencia en relación del tiempo, se obtendrá una curva, en

donde el área bajo la curva corresponderá al consumo energético.

3.2.3. CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA

Se realizaron pruebas en estado estacionario para medir el comportamiento de la

viscosidad en función de la velocidad de cizallamiento utilizando un reómetro de esfuerzo

controlado AR-G2 de TA Instruments. Las velocidades de cizallamiento se van a variar

desde 0,01 hasta 500 (1/s).

La geometr ía a ut ilizar va a ser la de discos paralelos para las pruebas en estado

estacionario mencionadas anteriormente. Se va a manejar un gap de 1000 micrómetros.

  

39  

Todas las mediciones de viscosidad se llevaron a cabo a una temperatura de 25°C. El

reómetro en cuestión se presenta en la figura 14.

Figura 14. Reómetro AR-G2

3.2.3.1. EQUIPAMIENTO DEL REÓMETRO

El reómetro cuenta con diferentes accesorios que le permiten caracterizar un rango muy

amplio de materiales y viscosidades entre los que se destacan:

• Geometría plato-plato y cono-plato. Esta geometría es ideal para muestras

líquidas de viscosidad media alta y para materiales semisólidos. Para evitar

fenómenos indeseables como el de deslizamiento entre plato y la muestra, los

platos utilizados son cerrados. Además el dispositivo cuenta con solvent-trap

(atrapador de solvente) para eliminar la pérdida de agua durante los ensayos.

• Geometría de cilindros concéntricos. Esta geometría es ideal para muestras

liquidas de baja o muy alta viscosidad. En el caso de la industria, esta geometr ía

es extremadamente útil cuando se requiere una viscosidad normalizada. También

se puede ut ilizar con el solvent-trap (atrapador de solvente) para eliminar la

pérdida de agua durante los ensayos.

  

40  

• Geometr ía ETC con platos desechables. En el caso de materiales que presenten

procesos químicos que involucren cambios drásticos de viscosidad o que el

mater ial quede pegado al plato.

3.2.3.2. CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL REÓM ETRO

• Fuerza de torsión de 0.0003 mNm.

• Rango de velocidad en flujo CS de 0 a 300 rad/s CR de 1.4 E-9 a 300 rad/s y

rango de frecuencia (7.53 E-7 a 628 rad/s) en oscilación.

• Resolución de giro de 25 nrad.

• Cojinetes MAGNÉTICOS en bloqueo axial y de presión de aire a través de carbón

poroso en bloqueo radial.

• Medición y control de fuerza Normal de 0.0005 a 50 N

• Plato Pelt ier con control de temperatura entre -20 y 200ºC

• Cámara para cocción de almidones y cilindros concéntricos

• Softw are con todos los modelos matemáticos y reológicos existentes

• Posibilidad de realizar todos tipo de ensayos (oscilatorios tanto en esfuerzo como

en deformación, ensayos de f lujo y ensayos transitorios)

• El rango de temperaturas del horno va desde -150ºC hasta 600ºC

  

41  

4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN

4.1 CONSUMO ENERGÉTICO

En el proceso de emulsif icación es importante cuantif icar el consumo de energía

requerido para preparar la emulsión. Para este f in se construyen gráf icas de Potencia vs

Tiempo para los diferentes sistemas de preparación. El área baja la curva representa el

consumo energét ico en la preparación de cada emulsión. A continuación se presentan los

resultados obtenidos en el consumo de energía a través del t iempo para el sistema de

agitación A-100 a 500, 1000 y 1500 rpm en un sistema Batch.

 

Figura 15: Consumo de Energía para un sistema de agitación A-100 a 500-1000-1500 rpm con una fracción de fase dispersa del 30% W/O en un sistema Batch.

En la f igura 15 se aprecia un aumento en el torque, elevación que corresponde a la formación de la emulsión, es decir cuando el agua se dispersa en la fase continua

‐2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 122 243 364 485 606 727 848

Potencia (Watts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema BatchPotencia vs Tiempo

500 rpm 1000 rpm 1500 rpm

  

42  

(aceite). Adicionalmente se observa valores de torque constantes después de la elevación

alrededor de los 300 segundos para la emulsión elaborada a 500 rpm, alrededor de los

122 segundos para la de 1000 rpm y sobre los 450 segundos para la de 1500 rpm. Esta

etapa se le denomina tiempo de homogenización de la emulsión, el cual es propio de

cada una de la emulsiones preparadas.

El consumo de energía correspondiente al proceso graf icado en la f igura 15 fue de

1240,92 J para 500 rpm, 5533,92 J para 1000 rpm y 13373,76 J para 1500 rpm.

Correspondientes al área bajo la curva. El tiempo de formación de cada emulsión fue de

15 minutos.

A continuación se muestran los resultados obtenidos en el consumo de energía a través

del tiempo para el sistema de agitación A-100 a 500, 1000 y 1500 rpm en un sistema

Semibatch.

Figura 16: Consumo de Energía para un sistema de agitación A-100 a 500-1000-1500 rpm con una fracción de fase dispersa del 30% W/O en un sistema Semibatch.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 121 242 363 484 605 727 848 970 1091

Potencia (Watts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema SemibatchPotencia vs Tiempo

500 rpm 1000 rpm 1500 rpm

  

43  

La f igura 16 muestra también un aumento en el torque a los 700 segundos para 500 rpm.

Para 1000 y 1500 rpm ocurren dos aumentos en el torque. En este punto la emulsión

pasa a la etapa de homogenización. El consumo de energía en este caso fue de 4404,51

J para 500 rpm, 6309,36 para 1000 rpm y de 13764,88 J para 1500 rpm. Estos valores de

consumo de energía son considerablemente superiores a los consumos de energía

requeridos en el sistema Batch.

Es evidente que al incrementar la velocidad de agitación, la energía requerida aumenta,

pues la potencia esta ligada con la velocidad angular. Además, con el incremento de la

velocidad de agitación se logra una mejor dispersión de las gotas de agua en la fase

continua (aceite), razón por la cual el torque, y por ende la potencia, se incrementan en

repetidas ocasiones.

En la siguiente f igura se muestran los resultados obtenidos en el consumo de energía a

través del tiempo para el sistema de agitación A-100 a diferentes velocidades de

agitación, en este caso para el sistema de Inversión de Fases.

Figura 17: Consumo de Energía para un sistema de agitación A-100 a 500-1000-1500 rpm con una fracción de fase dispersa del 30% W/O en un proceso de Inversión de Fases.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 363 726 1090 1453 1816 2180

Potencia (Watts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Inversión de Fases Poencia vs Tiempo

500 rpm 1000 rpm 1500 rpm

  

44  

En la f igura 17 se observa nuevamente incrementos en la potencia ocasionados por

cambios en el torque, debidos a su vez al progreso en la inversión. Al tener una velocidad

de agitación de 500 rpm, la emulsión se invierte al experimentarse un único cambio en el

torque sobre los 726 segundos. En el caso de 1000 rpm, la emulsión se invierte

completamente cuando el torque toma un valor de 7,33 Watts, para este punto el torque

había sufrido 3 incrementos anteriores. En el caso de tener una velocidad de agitación de

1500 rpm, la emulsión se invierte cuando se alcanza una potencia de 14,13 Watts. Para

este caso, el torque se había incrementado en 4 ocasiones anter iores. El consumo

energético fue de 8649,32 J para 500 rpm, 10930,64 J para 1000 rpm y 32745,77 J para

1500 rpm.

De lo anter ior se puede concluir que una velocidad de agitación superior, asegura una

mejor dispersión de las gotas de agua en el aceite y por ende una inversión de fases más

rápida. Esto se evidencia en los incrementos paulatinos que sufren las emulsiones

preparadas a 1000 y 1500 rpm, en comparación con el leve incremento que sufre la

emulsión preparada a 500 rpm.

La siguiente tabla resume los resultados de los consumos energéticos requeridos en la

preparación de las diferentes emulsiones al 30% W/O por réplica.

Tabla 5: Resumen Consumo de Energía

Proceso Vel. Agitación Consumo de Energía (J)

Réplica 1 Réplica 2

Batch

500 rpm 1240,92916 1278,23683

1000 rpm 5522,92014 5536,53371

1500 rpm 14112,0453 13373,7605

Semibatch

500 rpm 1160,29494 1157,67695

1000 rpm 6231,87292 6309,36554

1500 rpm 13651,7915 13764,8889

Inversión de Fases

500 rpm 9062,97163 8649,32858

1000 rpm 15274,4242 10930,6485

1500 rpm 29510,3572 32745,7758

  

45  

En la tabla anterior se puede observar que el consumo energético en cada proceso,

aumenta en función de la velocidad de agitación. Esta situación es normal asociado a la

mayor potencia necesaria para mover el agitador a una velocidad mayor.

Adicionalmente, se puede establecer que un mayor consumo energético para cada

velocidad de agitación se traduce en la formación de gotas más pequeñas. Esto se puede

evaluar indirectamente del comportamiento de la viscosidad en función de la velocidad de

cizalla. En las f iguras 18, 19 y 20 se observa que si mayor es la velocidad de agitación,

más alta es la viscosidad, asociado a la posible formación de gotas más pequeñas.

Los resultados completos de los consumos energeticos de las emulsiones preparadas se

presentan en los anexos de este trabajo.

4.2 VISCOSIDAD

El estudio del comportamiento reológico de cada una de las emulsiones para los

diferentes procesos de preparación, se realizó a partir de la construcción de gráf icas de

Viscosidad (Pa·s) vs Velocidad de Cizallamiento (1/s). Los resultados que se muestran a

continuación fueron obtenidos de las pruebas realizadas en estado estacionario con el

reómetro especif icado anteriormente.

Figura 18: Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. Sistema Batch.

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000

shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

visco

sity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel.Cizallamiento Sistema Batch

500 rpm1000 rpm1500 rpm

  

46  

En la f igura 18 se puede observar que a 1500 rpm la viscosidad es ligeramente mayor que

para 1000 rpm en todo el rango de velocidades de cizallamiento. De igual manera, la

viscosidad a 1000 rpm es ligeramente mayor que la viscosidad que posee la emulsión a

500 rpm, exceptuando el últ imo tramo (después de 10 s-1), donde se invierten las curvas.

Cabe resaltar que en este punto la diferencia de viscosidades no es signif icativa pues se

habla un orden inferior a 0,1 Pa·s. Es importante mencionar que la tendencia de

viscosidades es muy parecida para las 3 velocidades de agitación del sistema Batch.

Figura 19: Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. Sistema Semibatch.

La f igura 19 ilustra el comportamiento de la viscosidad para un sistema Semibatch. De

nuevo la curva para 1500 rpm se sitúa por encima de la de 1000 rpm y a su vez esta por

encima de la de 500 rpm. A pequeñas velocidades de cizallamiento, las viscosidades

dif ieren signif icativamente. Por ejemplo a 0,01 s-1, la viscosidad para la emulsión

preparada a 500 rpm es de alrededor de 2 Pa·s, mientras que para la emulsión preparada

a 1000 rpm, la viscosidad es de alrededor de 25 Pa·s y a 1500 rpm es de 80 Pa·s. A

grandes velocidades de cizallamiento, estas diferencias en viscosidades no son tan

signif icativas.

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento Siste ma Semibatch

500 rpm1000 rpm1500 rpm

  

47  

Cabe resaltar que para las emulsiones preparadas en un sistema Batch, las viscosidades

a velocidades de cizallamiento moderadas no variaban de manera tan signif icativa como

las mostradas en la f igura 19.

Figura 20: Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. Inversión de Fases.

La f igura 20 muestra un comportamiento irregular a lo largo de todo el rango de velocidad

de cizallamiento. En este caso se ilustra la viscosidad de las emulsiones preparadas por

inversión de fases. La tendencia para las tres velocidades de de agitación (500, 1000 y

1500 rpm) es la misma. A partir de 1 s-1 la viscosidad tiende a regularse para las 3

velocidades, posicionándose la curva de 1500 rpm sobre las otras dos, como en las

gráf icas 18 y 19.

Para ilustrar mejor la inf luencia del tipo de proceso en las propiedades reológicas de las

emulsiones, se presentan a continuación gráficas a una misma velocidad de agitación

para los tres diferentes procesos de preparación.

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

1000

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Ve l. Cizallamiento Inversión de Fase s

500 rpm1000 rpm1500 rpm

  

48  

Figura 21: Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. N=500 rpm.

En la f igura 21 se puede apreciar que la mayor viscosidad a pequeñas velocidades de

cizallamiento se alcanza con la emulsión obtenida mediante inversión de fases, seguido

de la emulsión preparada mediante proceso Batch y por último esta la emulsión preparada

mediante el proceso Semibatch. A grandes velocidades de cizallamiento (100 s-1), ésta

diferencia de viscosidades se reduce y es casi la misma para los tres procesos.

Figura 22: Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. N=1000 rpm.

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Ve l. Cizallamiento N=500 rpm

BatchSemibatchInve rsión de Fases

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

1000

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento N=1000 rpm

BatchSemibatchInversión de Fases

  

49  

En la f igura 22 se presenta un comportamiento similar al de la f igura 21 en el sentido de

que a bajas velocidades de cizallamiento, las emulsiones preparadas por inversión de

fases son las que presentan una mayor viscosidad, seguidas de las preparadas en un

sistema Batch y por último las preparadas en un sistema Semibatch. Después de superar

el 1 s-1, el comportamiento reológico de los tres procesos es casi idéntico.

Figura 23: Viscosidad vs Vel. Cizallamiento; Propela A-100 Emulsión 30 % W/O. N=1500 rpm

Para una velocidad de agitación de 1500 rpm, la viscosidad no varia signif icativamente a

pequeñas velocidades de agitación (0,01s-1 – 0,1s-1) en los tres diferentes procesos de

preparación. Después de este punto se presenta nuevamente la tendencia que se

presentaba a 500 rpm y a 1000 rpm, en donde el procesamiento por inversión de fases

presentaba una viscosidad mayor a lo largo del tiempo, seguido de las emulsiones

preparadas en sistema Batch y por últ imo las obtenidas mediante proceso Semibatch.

Los resultados restantes (gráf icas) de los análisis de viscosidades de las diferentes

emulsiones se presentan en los anexos de este trabajo.

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000she ar rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

visc

osi

ty (P

a.s)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento N=1500 rpm

BatchSemibatchInversión de Fases

  

50  

4.3 FENOMENO DE SEDIMENTACIÓN

Las emulsiones obtenidas por medio de los tres procesos sufrieron del fenómeno de

sedimentación. Este fenómeno es independiente del t ipo de proceso de preparación y

solo se ve determinado por la fracción de la fase dispersa que se tenga y las

características del tensoactivo. En este caso en particular, al tratarse de emulsiones

dilu idas (fracción fase dispersa = 30%), el fenómeno de sedimentación se presenta debido

a que el agua es más densa que el aceite y como la emulsión obtenida es inversa (W/O)

entonces las gotas de agua se sedimentan yéndose al fondo por el simple hecho de la

diferencia de densidades.

La siguiente f igura corrobora el fenómeno de sedimentación:

Figura 24: Sedimentación en Emulsión Inversa diluida (φ =30%)

Este fenómeno de inestabilidad es causado por la acción de la gravedad y produce un

gradiente vertical de concentración de las gotas sin variar la distribución del tamaño de las

mismas [5].

Fenómeno  de Sedimentación  

Fase Oleosa 

  

51  

CONCLUSIONES

• A medida que se aumenta la velocidad de agitación, el consumo energético es

mayor independientemente del tipo de proceso de preparación que se use, bien

sea Batch, Semibatch o por Inversión de Fases.

• Para una misma velocidad de agitación, el consumo de energía es mayor en el proceso de inversión de fases, contradiciendo la af irmación que los procesos de

inversión de fases son de bajo consumo energético.

• Para los tres tipos de preparación, los valores más altos de viscosidad se

obtuvieron a 1500 rpm. Razón por la cual se puede concluir que a una mayor

velocidad de agitación en la preparación, se va a obtener una mayor viscosidad en

todo el rango de velocidades de cizallamiento propuestas por este estudio. Esto

puede deberse a la mejor dispersión de las gotas de agua en el aceite, que se

logra con dicha velocidad y a la formación de gotas más pequeñas.

• A una misma velocidad de agitación, los valores más altos de viscosidad los

obtuvieron las emulsiones preparadas por inversión de fases.

• Las emulsiones con mejor comportamiento reológico en cuanto a viscosidad se

ref iere (mayores valores de viscosidad en el tiempo) fueron las emulsiones

preparadas por inversión de fases a 1500 rpm.

• El fenómeno de sedimentación es natural, no depende del tipo de proceso ni de la

velocidad de agitación en la preparación, únicamente de la naturaleza del

tensoactivo, de la naturaleza de las fases y de la concentración de la emulsión

(diluida).

• Se implementó el método de fabricación de emulsiones inversas por inversión de

fases, en los laboratorios de Ingeniería Química de la Universidad de los Andes.

  

52  

• Es necesario continuar el desarrollo de estudios comparativos, para evaluar en

zonas donde se obtenga el mismo valor de viscosidad para los tres diferentes

procesos, y comparar el consumo energét ico.

• Queda el interrogante de si se justif ica un consumo energético tan grande para

tener una variación pequeña de la viscosidad utilizando procesos de inversión de

fases.

                     

       

 

  

53  

REFERENCIAS

[1] Salager J.L (1999): Cuaderno FIRP S747-A: Formulación, composición y fabricación

de emulsiones para obtener las propiedades deseadas. Estado del arte. Parte A.

Introducción y conceptos de formulación f isicoquímica.

http: //www.f irp.ula.ve/archivos/cuadernos/S747A.pdf. Citado Octubre 2008.

[2] Salager J.L (1999): Cuaderno FIRP S747-B: Formulación, composición y fabricación

de emulsiones para obtener las propiedades deseadas. Estado del arte. Parte B.

Propiedades de las emulsiones y su medición.

http: //www.f irp.ula.ve/archivos/cuadernos/S747B.pdf. Citado Octubre 2008.

[3] Cárdenas A (2003): Cuaderno FIRP S277-A: Emulsiones Múlt iples.

http://www.f irp.ula.ve/archivos/cuadernos/S277A.pdf. Citado Octubre de 2008.

[4] Directrices OMI/PNUMA sobre aplicación de los dispersantes de derrames de

hidrocarburos y consideraciones ambientales. Autor: Organización Mar ítima Internacional,

Publicado por International Marit ime Organization (IMO), 1995. Apéndice 1. Pág. 39.

[5] Salager J.L (2002): Cuaderno FIRP S300-A: SURFACTANTES. Tipos y Usos.

http://www.f irp.ula.ve/archivos/cuadernos/S300A.pdf. Citado Octubre de 2008.

[6] Química y Bioquímica de los alimentos II. Josep Boatella Riera, Rafael Codony

Salcedo, Pedro Lopez Alegret. Publicado por Edicions Universitat Barcelona. Pág.144.

[7] Química y Bioquímica de los alimentos II. Josep Boatella Riera, Rafael Codony

Salcedo, Pedro Lopez Alegret. Publicado por Edicions Universitat Barcelona, 2004.

Pág.148.

[8] C. Bengoechea, A. Romero, F. Cordobés y A. Guerrero (2008) Estudio reológico y

microestructural de emulsiones concentradas de aceite de girasol en agua estab ilizadas

con proteínas agroalimentarias. Departamento de Ingenier ía Química, Universidad de

Sevilla, C/Prof. García González, 1, 41012, Sevilla (SPAIN), pp. 62-68.

  

54  

[9] Becher P (1957): Emulsions: theory and practice . Ed. Reinhold Publishing Corporation.

Chapter 1, 7.

[10] Aranberri I, Binks B.P, Clint J.H, Fletcher P.D.I: Elaboración y caracterización de

emulsiones estabilizadas por polímeros y agentes tensoactivos, Revista Iberoamericana

de Polímeros, Vol. 7(3), Agosto de 2006, pp. 211-231.

[11] Shinoda K., y AraiI H., The correlation betw een PIT in emulsion and cloud point in

solution of nonionic emulsif ier, J. Phys. Chem., 68, 3485 (1964).

[12] Y P Zhao, R Turay, L Hundley. Monitor ing and Predicting Emulsion Stability of Metal

Working Fluids by Salt Titration and Turbiscan. Finishing Technologies Group, Nalco

Company, Naperville.

[13] I. Aranberri, B.P. Binks, J.H. Clint, P.D.I. Fletcher (2006): Elaboración y

caracterización de emulsiones estabilizadas por polímeros y agentes tensoactivos.

Revista Iberoamericana de Polímeros. pp. 212-214.

[14] C. Solans, R. Pons, H. Kunieda, In Modern Aspects of Emulsion Science; B. P. Binks,

Ed.; The Royal Society of Chemistry: Cambridge, UK, 1998; pp 367-394.

[15] J. Esquena, H. Kunieda, C. Solans. HIGHLY CONCENTRATED EMULSIONS AS

TEMPLATES FOR THE PREPA RATION OF HIERARCHICALLY ORDERED

MATERIALS. Institut d ’Investigacions Químiques; Ambientals de Barcelona (IIQAB).

Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) Jordi Girona, 18-26, 08034

Barcelona.

[16] Tadros T. (2004). Application of rheology for assessment and prediction of the long-

term physical stability of emulsions. Advances in Colloid and Interface Science. El Seiver.

[17] J. Zeaiter, J. A. Romagnoli, G.W. Barton, V. G. Gomes, B. S. Haw kett, R. G. Gilbert

(2002). Operation of semi-batch emulsion polymerisation reactors: Modelling, validation

  

55  

and effect of operating conditions. Laboratory for Process Systems Engineering,

Department of Chemical Engineering, The University of Sydney, Sydney NSW 2006,

Australia.

[18] Sajjadi, S. (2001). Particle formation under monomer-starved conditions in the

semibatch emulsion poly merization ofstyrene. I. Experimental. Journal of Poly mer

Science: Part A: Polymer Chemistry, 39, 3940–3952.

[19] Jean-Louis Salager*, Ana Forgiarini, Laura Márquez, Alejandro Peña, Aldo Pizzino,

María P. Rodr íguez, Marianna Rondón-González (2004). Using emulsion inversion in

industrial processes. Universidad de Los Andes, Laboratorio of FIRP Ingenier ía Química,

Mérida 5101, Venezuela. Advances in Colloid and Interface Science 108 –109 (2004) 259–

272.

[20] Berkman S, Egloff G (1941): Emulsions and foams. Reinhold Publishing Corporat ion.

Cap. 1,2.

[21] A.S. Kabalnov “Coalescence in Emulsions in Modern Aspects of Emulsions Science”,

B.P. Binks (Editor), Cambridge, 1998, RSC

  

56  

ANEXOS

• Consum o de Energía para el proceso Batch a diferentes velocidades de

agitación.

Figura 25. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (500 rpm).

Figura 26. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (500 rpm).

0

0,5

1

1,5

2

0 122 243 364 485 606 727 848

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema Batch Potencia vs Tiempo (Réplica 1)

500 rpm Batch

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 122 243 364 485 606 727 848

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema BatchPotencia vs Tiempo (Réplica 2)

500rpm Batch

  

57  

  Figura 27. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1000 rpm).

 

 

 Figura 28. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1000 rpm)

0

1

2

3

4

5

6

7

0 121 243 364 485 606 727 848

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema Batch Potencia vs Tiempo (Réplica 1)

1000rpm Batch

0

1

2

3

4

5

6

7

0 121 242 363 484 605 726 847

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema Batch Potencia vs Tiempo (Réplica 2)

1000rpm Batch

  

58  

Figura 29. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1500 rpm)

Figura 30. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1500 rpm)

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 121 242 363 484 605 726 847

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema BatchPotencia vs Tiempo (Réplica 1)

1500rpm Batch

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 61 122 182 243 303 364 424 485 545 606 666 727 788 848

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema Batch Potencia vs Tiempo (Réplica 2)

1500rpm Batch

  

59  

• Consum o de Energía para el proceso Sem ibatch a diferentes velocidades de

agitación.

Figura 31. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (500 rpm).

Figura 32. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (500 rpm).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 121 242 364 485 606 727

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema SemibatchPotencia vs Tiempo (Réplica 1)

500 rpm Semibatch

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

0 121 242 363 485 606 727

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema SemibatchPotencia vs Tiempo (Réplica 2)

500 rpm Semibatch

  

60  

Figura 33. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1000 rpm).

Figura 34. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1000 rpm).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 121 242 363 484 606 727 848 969

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo Energético Sistema SemibatchPotencia vs Tiempo (Réplica 1)

1000 rpm Semibatch

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 121 242 363 485 606 727 848 969

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema Semibatch Potencia vs Tiempo (Réplica 2)

1000 rpm Semibatch

  

61  

Figura 35. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1500 rpm).

Figura 36. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1500 rpm).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 60 121 182 242 303 363 424 484 545 605 666 727 787 848 908 969 1029

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema Semibatch Potencia vs Tiempo (Réplica 1)

1500rpm Semibatch

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 60 121 181 242 303 363 424 484 545 605 666 727 787 848 909 970 10311091

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Sistema Semibatch Potencia vs Tiempo (Réplica 2)

1500rpm Semibatch

  

62  

• Consum o de Energía para el proceso de Inversión de Fases a diferentes

velocidades de agitación.

Figura 37. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (500 rpm).

Figura 38. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (500 rpm).

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 364 728 1091 1464 1827 2191 2554 2918 3281 3645 4008 4372 4735 5099

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Inversión de FasesPotencia vs Tiempo (Réplica 1)

500rpm  Inversión de Fases

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 570 933 1297 1660 2024 2387 2751 3114 3477 3841 4204 4568 4931

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Inversión de Fases Poencia vs Tiempo (Réplica 2)

500rpm Inversión de Fases

  

63  

Figura 39. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1000 rpm).

Figura 40. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1000 rpm).

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 242 485 727 970 1212 1454 1696 1939 2389 2632

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Inversión de FasesPotencia vs Tiempo (Réplica 1)

1000rpm  Inversión de Fases

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 242 484 727 969 1212 1464 1707 1950 2193

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Inversión de Fases Potencia vs Tiempo (Réplica 2)

1000rpm Inversión de Fases

  

64  

Figura 41. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1500 rpm).

Figura 42. Consumo de energía para A-100 con fracción de fase dispersa de 0.3 W/O (1500 rpm).

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 243 485 727 970 1212 1454 1697 1939 2181 2424 2666

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Inversión de FasesPotencia vs Tiempo (Réplica 1)

1500rpm  Inversión de Fases

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 181 363 545 726 908 1090 1271 1453 1635 1816 1998 2180 2361 2543 2725

Potencia (W

atts)

Tiempo (s)

Consumo de Energía Inversión de FasesPotencia vs Tiempo (Réplica 2)

1500rpm Inversión de Fases

  

65  

Viscosidades de las Em ulsiones obtenidas por los diferentes métodos de

preparación a 500, 1000 y 1500 rpm . (Propela A-100).

• Sistem a Batch

Figura 43. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Batch (500 rpm)

Figura 44. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Batch (1000 rpm)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

vis

cos

ity (P

a.s)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento Sistema Batch

500 rpm (Réplica 1)500 rpm (Réplica 2)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

1000

visc

osi

ty (P

a.s

)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento Sistema Batch

1000 rpm (Répl ica 1)1000 rpm (Répl ica 2)

  

66  

Figura 45. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Batch (1500 rpm)

• Sistem a Sem ibatch

Figura 46. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Semibatch (500 rpm)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

1000

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento Sistema Batch

1500 rpm (Répl ica 1)1500 rpm (Répl ica 2)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento Sistema Semibatch

500 rpm (Réplica 1)500 rpm (Réplica 2)

  

67  

Figura 47. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Semibatch (1000 rpm)

Figura 48. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Sistema Semibatch (1500 rpm)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

visc

osity

(Pa.

s)Viscosidad vs Vel. Cizallamiento Sistema Semibatch

1000 rpm (Réplica 1)1000 rpm (Réplica 2)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizallamiento Sistema Semibatch

1500 rpm (Répl ica 1)1500 rpm (Répl ica 2)

  

68  

• Inversión de Fases

Figura 49. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Inversión de Fases (500 rpm)

Figura 50. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Inversión de Fases (1000 rpm)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

1000

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizal lamiento Inversión de Fases

500 rpm (Réplica 1)500 rpm (Réplica 2)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

1000

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizal lamiento Inversión de Fases

1000 rpm (Réplica 1)1000 rpm (Réplica 2)

  

69  

Figura 51. Viscocidad vs velocidad de cizallamiento Inversión de Fases (1500 rpm)

0,01000 0,1000 1,000 10,00 100,0 1000shear rate (1/s)

0,1000

1,000

10,00

100,0

visc

osity

(Pa.

s)

Viscosidad vs Vel. Cizal lamiento Inversión de Fases

1500 rpm (Réplica 1)1500 rpm (Réplica 2)