M.C. Ma. Luisa Colina Irezabal

La mayor parte de los fluidos alimentarios tienen u n comportamiento noNewtoniano (su consistencia cambia con la velocidad de agitación) por lo que las mezcladoras utilizadas deben permitir una mezcla intensa de

los componentes sin sobrecargar el motor ya que est o reduciría la eficacia del mezclado

valor de n

Newtonianos 1

Pseudoplásticos <<<< 1

Dilatantes >>>> 1

n

dz

dx

= µτ

dz

dx

De acuerdo a la Ley de la Potencia:

(ττττ )

COMPORTAMIENTO DE LOS FLUIDOS ALIMENTARIOS

NEWTONIANOS NO NEWTONIANOS

Fluidos cuya viscosidad puede considerarse constante en el tiempo

Fluidos cuya viscosidad varía con el tiempo y la tensión cortante aplicada

Pseudoplásticos

Dilatantes

Viscoelásticos

Tixotrópicos

Ejemplo: agua, vino,

vinagre, consomé

En un fluido newtoniano la viscosidades independiente de la agitación, solo

depende de la temperatura y de la composición

µ↑µ↑µ↑µ↑ al ↑↑↑↑ vel.agit

µ↓µ↓µ↓µ↓ al ↑↑↑↑ vel.agit

µ↓µ↓µ↓µ↓ al ↑↑↑↑ tiempo agit

Prop. viscosas y elásticas

Pseudoplásticos (su consistencia disminuye a medida que aumenta la velocidad de agitación) Ejemplo salsas, catsup

Durante el mezclado de éstos, se forma alrededor del agitador, una zona de material menos viscoso (que es mas evide nte cuanto mayor es la agitación), pero la mayor parte del alimento permanece estacionario.

Para ellos se utilizan las mezcladoras de planetario, molinos de rodillos o sistemas de agitación múltiple.

Dilatantes (Su consistencia aumenta al aumentar la velocidad de agitación) Ejemplo suspensión de hari na de maíz, chocolate

Estos alimentos deben mezclarse con sumo cuidado ya que sila mezcladora no es suficientemente potente, el aumento quese produce en la consistencia, daña los mecanismos detransmisión y los ejes.

Para este tipo de alimentos resultan adecuadas las fuerzas decorte, de envoltura, como las que proporcionan lasmezcladoras de paletas

Viscoelásticos que poseen propiedades viscosas y elásticas como son la relajación de la tensión y la recuperación. Ejemplo la masa de panadería.

Para que se produzca el cizallamiento en este tipo de alimentos serequieren fuerzas de distensión y envoltura, por lo que se uti lizanmezcladoras de doble eje y de planetario de cuchillas que seentrecruzan

Al igual que con los fluidos pseudoplasticos, duran te el mezclado se forma alrededor del agitador, una zona de materia l menos viscoso (que es mas evidente cuanto mayor es el tie mpo de agitación), pero la mayor parte del alimento perman ece estacionario.

Para ellos se utilizan las mezcladoras de planetario o sistemas de agitación múltiple.

Tixotrópicos (Su consistencia disminuye al aumentar el tiempo de agitación) Ejemplo mieles, algunas salsas

En los alimentos líquidos, las propiedades físicas que mayor influencia tienen durante las operaciones de

mezclado están:

- Viscosidad o Consistencia- Solubilidad de los componentes

Para la adecuada mezcla de líquidos de baja viscosi dad, la masa del líquido debe someterse a una turbulencia ta l que en la masa del líquido que se mueve a mayor velocid ad se

engloben porciones de éste que se mueven a una velo cidad mas lenta.

El agitador fuerza al fluido a que adquiera un tipo de flujo en el interior de la mezcladora

El fondo del tanque debe ser redondeado, con el fin de eliminar los bordes rectos o regiones en las cuales no penet rarían las

corrientes del fluido

Las mezcladoras para líquidos, consisten en un recipiente o tanque (cerrado o abierto)

provisto de un agitador mecánico, montado en un eje suspendido en la parte superior del tanque y accionado por un motor eléctrico

Cuando un líquido se somete a la acción de una mezc ladora, existen 3 componentes de velocidad que dicha mezcla dora

puede impartir al líquido:

A ⇒⇒⇒⇒ velocidad longitudinal (paralela al eje de la mezcladora)

B ⇒⇒⇒⇒ velocidad rotacional (tangencial al eje de la mezcladora)

C ⇒⇒⇒⇒ velocidad radial (perpendicular al eje de la mezcladora)

Las velocidades radial y longitudinal son las que co ntribuyen principalmente a la mezcla

La velocidad rotatoria por el contrario, produce fl ujo laminar del líquido que circula alrededor del eje (formando vór tices o

remolinos) donde el líquido simplemente da vueltas pero sin llegar a mezclarse (potencia desaprovechada), ademá s de que

puede atrapar aire, lo cual es indeseable

1) Colocando el agitador desplazado del eje central del tanque .

Formas de evitar vórtices o remolinos y conseguir un mezclado mas eficaz

2) Colocando el agitador con el eje en forma inclinada

3) Instalando placas deflectoras o bafles

Las placas deflectoras (en inglés “Baffles”): son bandas planas verticales, situadas a lo largo de la pared del tanque

Las placas deflectoras o “baffles”, generan una may or turbulencia en el fluido, con la consiguiente mejor a del

proceso de mezcla

Generalmente, cuatro deflectores suelen ser suficie ntes. La anchura habitual para estos dispositivos es de 1/10 a 1/12 el

diámetro del tanque

Si el eje del agitador está desplazado del centro o inclinado, no se necesitan placas deflectoras

Trayectorias de flujo en Tanques Cilíndricos:

1) Agitador centrado sin deflectores

Formación de Vórtice

SI

2) Agitador centrado con deflectores

3) Agitador inclinado

4) Agitador descentrado

NO

NO

NO

1 32 4

Para la agitación de líquidos de viscosidad baja o media se utilizan básicamente 3 sistemas:

1)Mezcladoras de Paletas o Palas

2)Mezcladoras de Hélice

3)Mezcladoras de Turbina

1) Agitadores de Paletas o Palas

Es la forma más sencilla de agitador, consiste en u na hoja plana sujeta a un eje rotatorio que normalment e

gira a velocidades entre 20 y 150 rpm

Agitador de palas planas Agitador de palas planas inclinadas

Es común también utilizar agitadores formados por d os y tres paletas

Otras variantes de los agitadores de palas o paleta s son:

Los agitadores de paletas con forma de reja se util izan para líquidos más viscosos y tanto los agitadores de ancla, con p alas diseñadas

para limpiar las paredes del tanque, como los agita dores de múltiples palas rotando unas en sentido opuesto a las otras t ienen una amplia

utilización en la industria alimentaria

En el agitador de paletas tipo ancla las paletas ef ectúan dos movimientos circulares: uno de rotación sobre su propio eje y o tro de traslación en una

órbita circular. Además en su movimiento rascan la superficie del fondologrando mezclar bien una gran porción de alimento.

2) Agitadores de Hélice

Están hechos con elementos impulsores de hojas cortas (generalmente de menos de ¼ del diámetro del tanque) girando a gran velocidad (1150-1750 rpm los

agitadores más pequeños y 400-800 rpm los mayores)

Producen principalmente corrientes longitudinales (axiales) y rotatorias y se emplean para líquidos pocos

viscosos

Los agitadores de hélice impulsan el líquido hacia el fondo del tanque, desde donde la corriente se extiende subiendo por l as paredes y

retornando hacia la hélice.

Se emplean cuando se desean intensas corrientes ver ticales, por ejemplo para mantener en suspensión partículas sóli das pesadas, pero

únicamente en líquidos poco viscosos(µµµµ menor a 5000 centipoises)

En tanques de gran altura, pueden disponerse dos o más hélices sobre el mismo

eje, moviendo el líquido ya sea en la misma dirección o bien en sentido opuesto creando

una zona de elevada turbulencia en el espacio comprendido entre ellas.

Algunos tipos de agitadores de hélice son:

Los agitadores de hélice se utilizan para líquidos i nmiscibles, preparación de suspensiones, jarabes, salmueras, emulsiones, en tre otros

Para evitar los remolinos la hélice se monta descen trada respecto al centro del tanque o bien inclinada en relación al e je longitudinal

En tanques grandes se puede montar a través de las paredes laterales

3) Agitadores de Turbina

Están compuestos por un componente impulsor con más de cuatro hojas montadas sobre un rodete y fijas a un eje rotatorio

Algunos agitadores de turbina típicos son:

La mayor parte de ellos se asemejan a agitadores de múltiples y cortas paletas. El diámetro del rodete es menor que en el caso de agitadores de

paletas, midiendo del 30 al 50% del diámetro del ta nque

Los agitadores de turbina giran a velocidades eleva das (de 30 a 500 rpm) sobre un eje que va montado centralmente dentro del tanque

Estos agitadores impulsan al líquido radialmente co ntra las paredes laterales del tanque, desde donde la corriente se d ivide, una parte fluye hacia arriba y otra parte hacia el fondo, retornand o ambas al rodete. Por lo que producen dos corrientes de circulación separ adas

Además de las corrientes radiales, también se generan corrientes rotatorias o tangenciales.

Estas últimas, aunado a que el agitador se coloca en el centro del tanque, dan lugar a vórtices y torbellinos, que se deben evitar por medio de

placas deflectoras, con el fin de que el mezclado sea más eficaz

Los agitadores de turbina son eficaces para un ampl io intervalo de viscosidades; en líquidos poco viscosos, producen c orrientes

intensas, que se extienden por todo el tanque elimi nando las masas de líquido estancado.

Estas mezcladoras desarrollan fuertes turbulencias c erca del elemento impulsor por lo que se emplea para la prem ezcla de

emulsiones

A ⇒⇒⇒⇒ velocidad longitudinal (paralela al eje de la mezcl adora)

B ⇒⇒⇒⇒ velocidad rotacional (tangencial al eje de la mezcl adora)

C ⇒⇒⇒⇒ velocidad radial (perpendicular al eje de la mezcla dora)

Tipo de Mezcladora

Ventajas Desventajas

De Paletas Barata. Buen flujo radial y rotacional

Escaso flujo perperdicular, elevado riesgo de formación de vórtices a velocidades elevadas

De Hélice Buen flujo en las 3 direcciones

Mas cara que la de paletas

De Turbina Muy buena mezcladora Cara. Cierto riesgo de atascos

Las bombas consiguen cierto efecto de mezclado, creando flujos

turbulentos, tanto en la propia bomba, como en las tuberías

Existe una gran variedad de bombas que pueden usarse para el manejo de

diversos fluidos y suspensiones

MEZCLADO DURANTE EL BOMBEO DE LÍQUIDOS

Algunos bombas de diseño especial, utilizan el movim iento de los productos a mezclar cuando fluyen a lo largo de una tuberías sobre

elementos mezcladores estacionarios de contorno espe cial situados en el interior de la carcasa tubular

La mezcla se produce por una combinación de la divis ión del flujo, cambios en la dirección del mismo y movimientos hel icoidales

introducidos por los elementos mezcladores

Bomba mezcladora centrífuga

Estos sistemas prescinden de la necesidad de tanque s de mezcla lo que supone un ahorro de espacio, reduce el volumen de producto

retenido lo que facilita la limpieza “in situ” y simpl ifica los problemas de higienización asociados a los recipientes volumin osos

Los sistemas de mezclado a base de bombas operan con líquidos miscibles, inmiscibles y sistemas gas /liquido. Tam bién pueden trabajar

con fluidos de elevada viscosidad.

Cualquier fluido que pueda ser bombeado a través de una tubería puede mezclarse de este modo

Este mezclador para bebidas gaseosas (refrescos) mezcla el jarabe, el agua y el gas (CO 2) antes de entrar a la línea de llenado/cerrado de envases

También puede utilizarse para cerveza

La eficacia del mezclado se consigue creando y reco mbinando en el alimento superficies nuevas con la mayor frecuen cia posible.

Sin embargo, como el producto no fluye con facilida d se hace necesario que las cuchillas de la mezcladora recorr an el recipiente para impulsar al alimento a que entre en contacto c on las mismas .

En los líquidos muy viscosos como masas o pastas, e l mezclado se produce por:

1) Amasado del producto contra la pared del recipiente de la mezcladora, o en la masa de otro material.

2) Englobamiento del alimento no mezclado en la masa de componentes ya mezclados

3) Estiramiento del material

1) MEZCLADORAS DE PLANETARIOS

Operan de acuerdo al sistema planetario: los elemen tos de mezcla giran sobre un eje central en un tanque fijo, y a l a vez cada uno de

esos elementos gira simultáneamente sobre su propio eje a velocidades entre 40 y 370 rpm

(movimiento de rotación y traslación)

El doble movimiento rotativo de los elementos de me zcla cubre por completo la zona de mezcla y garantiza que se efectúe una óptim a dispersión. Las

palas rascadoras del fondo y las paredes del tanque efectúan una adecuada mezcla / amasado.

MEZCLADORAS DE PLANETARIOS

Se utilizan para la mezcla y/o el amasado de producto s tixotrópicos y de muy alta viscosidad como pastas , masas “extend ibles” (tipo

Pizza”), masas de panadería, papillas y muchos mas

2) MEZCLADORAS HORIZONTALES DE PALAS

TIPO: “Z”, “S” ó “T”

Consisten en recipientes horizontales con sistema de mezclado de doble pala (Tipo “Z”,

“S” ó “T”)

Cada una de las palas gira en sentido opuesto y a diferente velocidad de la otra (14-60 rpm)

Estas mezcladoras producen intensas fuerzas de cizalla

Mezcladora Criogénica

Requieren bastante potencia que se disipa en el producto en forma de calor

Por ello, la eficiencia del mezclado debe ser grande para reducir al mínimo el

tiempo de mezclado

En algunos casos es necesario utilizar Mezcladoras / Amasadoras Criogénicas que

incorporan CO 2 o nitrógeno líquido, manteniendo así refrigerado el producto

durante la operación

También pueden utilizarse recipientes con camisas re frigeradas para regular la temperatura del producto durante la mezcl a o amasado

Amasadora al vacío

Por ello, en algunas operaciones, se hace necesario la extracción de aire de la mezcla

mediante la utilización de Mezcladoras / Amasadoras que operan al

vacío

Algunos tipo especiales de “Mezcladoras – Ralladoras ” se equipan con palas en forma de sierra u otros dis eños.

Durante el mezclado de fluidos de alta viscosidad, e s común que se creen burbujas de aire que podrían tener efectos negativo s en el producto (por

ejemplo oxidación, rancidez de grasas o aceites, dec oloración o deterioro del aroma y el sabor) y en el caso de productos par a recubrimientos, las

burbujas pueden derivar en superficies porosas y pu nteadas. Por el contrario, los productos desaireados son normalment e químicamente más

estables y más duraderos.

3) MEZCLADORAS CONTINUAS PARA PASTA(tipo rotor-stator)

Se basan en forzar al producto a través de una serie de obstrucciones, tales como placas perforadas o cilindros ranurados

El principio básico consiste en la acción que produ ce un rotor estriado al girar a 3.000 rpm contra un estator fijo también es triado, siendo sometido

el producto a procesar a fuertes acciones de corte y cizallamiento

La escasa holgura existente entre el rotor y los discos perforados provocan fuerzas de cizalla que mezclan y amasan al producto cuando el

producto es impulsado a atravesar dichos orificios

Estos equipos son muy utilizados en la fabricación d e mantequilla y margarina y en el proceso de mezclado, amasado y ext rusión de productos

de pastelería y panadería

10-3 10-2 10-1 100 101 102 103 104

Viscosidad (Pa-s)

Hojas Z

Turbina

Cintas Helicoidales

Ancla

SELECCIÓN DE LA MEZCLADORA EN FUNCIÓN DE LA VISCOSIDAD DEL FLUIDO

Tipo de fluido

Características Ejemplos Mezcladora a utilizar

Seudo-plástico

La viscosidad disminuye a medida que aumenta la velocidad de agitación

Algunos coloides, catsup, gelatina

Mezcladoras de planetario, molinos de rodillos o sistemas de agitación múltiple

Dilatante La viscosidad aumenta al aumentar la velocidad de agitación

Jarabes concentrados, suspensiones de almidón de maíz o de arroz, mayonesa, chocolate

Se requieren fuerzas de corte y de envoltura, como en las mezcladoras de paletas

Tixotrópico La viscosidad disminuye conforme aumenta el tiempo de agitación

Algunas mieles, salsas

Mezcladoras de planetario

Visco-elástico

Posee propiedades viscosas y elásticas como son la relajación de la tensión y la recuperación

Betún, masa de panadería

Mezcladoras de doble eje y de cuchillas que se entrecruzan

FLUIDOS NO NEWTONIANOS

El rendimiento de un mezclador industrial está determinado por:

- El tiempo de mezclado requerido- La potencia empleada- Las propiedades del producto

Tanto los requisitos del aparato mezclador como la s propiedades deseadas del material mezclado varían

ampliamente de un producto a otro.

A veces se requiere un grado muy elevado de uniform idad, otras una acción de mezclado rápido; en otras ocasi ones un

gasto de energía mínimo.

Fluidos

De mediana y baja

viscosidad

De alta viscosidad

Newtonianos

No Newtonianos:- Pseudoplásticos- Dilatantes- Tixotrópicos- Viscoelásticos

- Líquido- Sólido: . Soluciones. Suspensiones

- Líquido- Líquido:. Soluciones. Emulsiones

- Líquido-gas

- Masas- Pastas

Cuando se mezclan fluidos de baja viscosidad se ob tienen productos de elevada homogeneidad, por lo que puede n utilizarse pocas muestras para el análisis del me zclado

Por el contrario, en el mezclado de pastas al igua l que con los sólidos, los componentes suelen encontrarse distri buidos de

manera menos homogénea por lo que es necesario co ntar con mayor número de muestras.

TIEMPO DE MEZCLADO

En el caso de líquidos, la velocidad de mezclado y por ende el tiempo de mezclado, son función de una constante (K) que de pende del tipo

de mezcladora y la naturaleza de los componentes a me zclar

Los parámetros que tienen influencia en el valor de la constante K son:

zD

NDK

t2

3

∝

D = diámetro del agitador (m)

N = velocidad de agitación (rps)

Dt = diámetro del recipiente (m)

z = altura del líquido (m)

�� ∝ ln ��

�

La potencia que la mezcladora deberá tener depende de:

1) Naturaleza, cantidad y consistencia del alimento (densidad, viscosidad, etc)

2) Tipo de flujo obtenido durante el mezclado

3) Posición, velocidad y tamaño del dispositivo impulsor (factores de forma, velocidad de giro)

El flujo de un fluido dentro de una mezcladora se p uede definir por una serie de números adimensionales :

m

mND

µδ2

Re =

-Número de Reynolds (Re)

-Número de Froude (Fr)

-Número de Potencia (Po)

g

DNFr

2

=

53DN

PPo

mδ=

D = diámetro del agitador (m)

N = velocidad de agitación (rps)

δδδδm = densidad mezcla (kg/m 3)

µµµµm = viscosidad mezcla (kg/ms)

P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m 2/s3)

g =aceleración de la gravedad

= 9.8 m/s 2

La relación entre estos 3 números (Reynolds (Re), F roude (Fr) y Potencia (Po), se expresa de la siguiente manera :

mn FrkPo )((Re)= Donde k, m y n son factores relacionados con la geometría del agitador

(determinados experimentalmente )

El número de Froude solo resulta importante cuando s e forman remolinos (en recipientes sin deflectores)

m

mND

µδ2

Re =-Número de Reynolds (Re)

-Número de Froude (Fr)

-Número de Potencia (Po)

g

DNFr

2

=

53DN

PPo

mδ=

D = diámetro del agitador (m)

N = velocidad de agitación (rps)

δδδδm = densidad mezcla (kg/m 3)

µµµµm = viscosidad mezcla (kg/ms)

P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m 2/s3)

g =aceleración de la gravedad (m/s 2)

Ecuación 5

D = diámetro del agitador (m)

N = velocidad de agitación (rps)

g =aceleración de la gravedad (m/s 2)

De los datos requeridos:δδδδm = densidad mezcla (kg/m 3)

µµµµm = viscosidad mezcla (kg/ms)

P = potencia transmitida por el agitador (kW) (1000 kg m 2/s3)

Se conocen o determinanDeben calcularse

δδδδm es la suma de las densidades de los componentes de la mezcla (o de las fases)

V = volumen relativo (fracción) de cada fase o componente

2211 δδδ VVm +=

La viscosidad de la mezcla ( µµµµm ) se calcula:

Mezcladoras conplacas deflectoras

Mezcladoras sinplacas deflectoras

2121VV

m µµµ +=

++=

21

22

1

1 5.11

µµµµµ V

Vm

La potencia transmitida por el agitador ( P) debe obtenerse del Número de Potencia (Po) 53DN

PPo

mδ=

La relación de Po a diferentes Números de Reynolds (Re), para diversos tipos de

agitadores se obtiene de gráficas

FACTORES DE FORMA (Si):

Factor deForma (S)

Relación Valor Típico

S1Da/Dt ⅓

S2E/Da 1

S3L/Da ¼

S4W/Da

S5J/Dt

S6H/Dt 1