Trabajo Práctico: Reología de Alimentos 1 - ¿Qué es un flujo newtoniano? 2 - ¿Qué es un flujo no newtoniano? 3 - Clasifique los fluidos no newtonianos en base a su comportamiento. 4 – realice un cuadro comparativo en el que establezca las ecuaciones que rigen el

comportamiento de los distintos tipos de fluidos con sus respectivos gráficos. Ejemplifique.

5 - ¿Cómo es la variación de la viscosidad con la temperatura y la presión para gases y

líquidos? Explique este comportamiento. 6 - ¿Por qué los aceites tienen alta viscosidad? 7 - ¿A qué se debe el comportamiento pseudoplástico y dilatante? 8 - ¿Qué son productos viscoelásticos? De ejemplos de alimentos. 9 - ¿Cómo pueden clasificarse los métodos para medir propiedades reológica en

alimentos? Explique el funcionamiento de cada uno de ellos.

1 – FLUIDOS NEWTONIANOS

El flujo viscoso de un fluido newtoniano implica una deformación no recuperable El fluido se comporta como una serie de capas paralelas o láminas, cuyas

velocidades son proporcionales a su distancia al plato inferior. Así para un fluido newtoniano, el esfuerzo cizallante es directamente proporcional

a la velocidad de cambio de la velocidad con la distancia:

• Fluido contenido entre dos platos paralelos. • El fluido se comporta como una serie de capas

paralelas o láminas, cuyas velocidades son proporcionales a su distancia al plato inferior.

• El plato superior es obligado a moverse con una velocidad v, relativa al plato inferior.(Velocidad debida a la aplicación de una fuerza cortante F por unidad de área)

• Las capas de fluido en contacto con los platos se considera que se mueven a la misma velocidad que la sup con la que están en contacto.( No hay deslizamiento en las paredes).

F,v

PARA UN FLUIDO NEWTONIANO EL ESFUERZO CORTANTE ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL A LA VELOCIDAD DE CAMBIO DE LA VELOCIDAD CON LA DISTACIA, ES DECIR AL GRADIENTE DE

VELOCIDAD:

dy

dv

A

F

dt

dv

dt

dy

Luego, se puede decir que para tales fluidos el gradiente de velocidad es igual a la velocidad de tiempo de cambio de la deformación de cizalla:

µ

Sustancias y alimentos que presentan comportamiento ideal newtoniano:

Líquidos simples

Soluciones verdaderas

Disolventes de bajo peso molecular

Dispersiones macromoleculares diluidas

Soluciones de polímeros que no interaccionan

Pastas con bajos contenido en sólidos

Bebidas (Té, café,cerveza,vinos y bebidas gaseosas)

Soluciones azucaradas

Leche no concentrada ( la leche concentrada presenta una debil dependencia a la cizalla

Aceites(excepto a muy altas velocidades de deformación)

Zumos de fruta

Jarabes semejantes a la miel, jarabes de cereales, mezcla de sacarosa y melazas

2 – FUIDOS NO NEWTONIANOS

Fluido cuya viscosidad varía con la temperatura y la tensión cortante que se le aplica. Como resultado, un fluido no-newtoniano no tiene un valor de viscosidad definido y constante, a diferencia de un fluido newtoniano.

La relación entre esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Estos

fluidos a su vez se diferencian en dependientes e independientes del tiempo. Ejemplo: almidón de maíz en una taza de agua. Se añade el almidón en pequeñas

proporciones y se revuelve lentamente. Cuando la suspensión se acerca a la concentración crítica es cuando las propiedades de este fluido no newtoniano se hacen evidentes. La aplicación de una fuerza con la cucharilla hace que el fluido se comporte de forma más parecida a un sólido que a un líquido. Si se deja en reposo recupera su comportamiento como líquido. Se investiga con este tipo de fluidos para la fabricación de chalecos antibalas, debido a su capacidad para absorber la energía del impacto de un proyectil a alta velocidad, pero permaneciendo flexibles si el impacto se produce a baja velocidad. Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedades reológicas, propiedades que tienen que ver con la relación entre el esfuerzo y los tensores de tensiones bajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones de esfuerzo cortante oscilatorio.

Independientes del tiempo

Dependientes

del tiempo

Fluidos No Newtonianos

Fluidos Newtonianos

Tipos de Fluidos

Pseudoplásticos

Dilatante

Fluido de Bingham o plástico

Tixotrópicos

Reopécticos

3 - CLASIFICACION DE LOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS EN BASE A SU COMPORTAMIENTO

Excedido el umbral de

fluencia

Exhiben flujo no lineal

Fluidos Pseudoplástico con umbral de

fluencia.

Fluidos dilatantes

con umbral de fluencia.

• Algunos materiales fluyen solo bajo un determinado valor de esfuerzo de cizalla.

Umbral de fluencia

SI se excede…

• La velocidad de deformación es proporcional al

esfuerzo.

Sustancia plástica

Los fluidos no newtonianos se pueden clasificar en :

Flujo independiente del tiempo:

Pseudoplástico: no presenta un valor umbral de fluencia, este comportamiento indica reorganización de la estructura dando como resultado una disminución de la resistencia al flujo. Ej.: Ketchup, clara de huevo, etc.

Dilatante: no presenta un valor umbral, pero muestra la elaboración de estructura que dan como resultado un aumento de la resistencia al aplicar una fuerza.

Fluido de Bingham (plástico): es aquel que una vez que se excede el valor umbral, la velocidad de deformación es proporcional al esfuerzo. Ej. :puré de papas, chocolate fundido, etc.

Pseudoplástico con umbral de fluencia: son los que exhiben un flujo no lineal una vez excedido el umbral de fluencia.

Dilatante con umbral de fluencia: son los que exhiben un flujo no lineal una vez excedido el umbral de fluencia.

Flujo dependiente

del tiempo.

Reopécticos: aumenta su viscosidad y

resistencia al flujo

Tixotrópicos: disminuye su viscosidad y

resistencia al flujo

Cambian su viscosidad al aumentar el tiempo de flujo bajo condiciones

constantes.

• Flujo dependiente del tiempo:

1. Reopéxia: es el efecto que al aumentar el tiempo de flujo bajo condiciones constante, estos fluidos desarrollan un aumento del a viscosidad. . Ej. Zumo de tomate, mayonesa, miel, etc.

2. Tixotropía: cuando al aumentar el tiempo de flujo bajo condiciones constante los fluidos desarrollan una disminución de la viscosidad. Ej. Mieles de eucalipto.

Nota : Para resaltar la diferencia entre estos comportamientos el grafico se simplifico eliminando el eje correspondiente a la velocidad de deformación

tiempo

A-NEWTONIANO (Ej.: aire o agua)

B- PSEUDOPLASTICO Ej.: suspensiones, emulsiones, polímeros fundidos o dispersiones)

C- DILATANTE (Ej.: suspensiones de almidón en agua y de pvc)

E- PLASTOCO O DE BINGHAM (Ej.: pasta dentífrica, mayonesa)

E- PSEUDOPLASTICO CON UMBRAL DE FLUENCIA (ej.: pasta de pescado, pasta de uva)

F- DILATANTE CON UMBRAL DE FLUENCIA (ej. : miel)

A- Newtoniano B- Pseudoplástico C- Dilatante D- Fluido Plástico E- Pseudoplástico, umbral de fluencia F- Dilatante con umbral de fluencia

Esfu

erzo

co

rtan

te

Velocidad de deformación

Fluidos dependientes del tiempo

Ecuación que los estudia Grafico

1- Reopexicos (Ej.: la elaboración de yogurt o el espesamiento del almidón en pastas para niños)

2- Tixotrópicos (Ej.: leche condensada azucarada)

Velocidad de deformación

Esfu

erzo

co

rtan

te

Tixotrópico

Reopéctico

Temperatura μ vs T Observaciones

Líquidos

Disminuye T. dilatación térmica

Gases Aumenta Agitación de las moléculas

5 – VARIACIÓN DE LA VISCOSIDAD CON LA TEMPERATURA Y LA PRESIÓN.

ln μ= ln A + [B/RT]

B: energía de activación del sistema.

c: concentración.

f: fuerza de cizalla.

z:longitud media de molécula.

Presión μ(P ≅ Patm) μ (P>>Patm) Observaciones

Líquidos Sin influencia Aumenta

exponencialmente

μagua [10.000 atm] =

2 x (μagua [1 atm])

Gases Baja influencia

(aumenta poco) Aumenta

• Todos los aceites tienen una viscosidad

claramente alta debido a su estructura

molecular de largas cadenas.

6 - VISCOSIDAD DE ACEITES

Aumento de la

viscosidad

Mayor longitud de la cadena de ác.

grasos

Polimerización de aceites

Saturación de los enlaces dobles de carbono

A mayor interacción molecular , mayor viscosidad.

Ejemplo :

Acido ricinoleico

Los grupos –OH forman enlaces H y por esta razón la viscosidad del aceite de castor es mas alta que la de los aceites similares.

7- COMPORTAMIENTO PSEUDOPLÁSTICO

se debe a la presencia de:

Compuestos de elevado peso molecular o partículas alargadas a concentración baja.

Alta interacción entre partículas.

Relación axial elevada y asimetría de las partículas requiriendo su orientación a lo largo de las líneas de corriente.

Variación de la forma y tamaño de las partículas, permitiendo su apilamiento.

Partículas no rígidas o flexibles, que pueden sufrir un cambio en su geometría o conformación.

COMPORTAMIENTO DILATANTE

La dilatancia puede explicarse por la presencia de partículas de formas y tamaños variados, ceñidas y estrechamente empaquetadas, con lo que el flujo se torna mas dificultoso con el aumento de la presión. Con el aumento de la velocidad de formación, las partículas largas y flexibles pueden estirarse, aumentando la relación axial de las partículas.

8 - PRODUCTOS VISCOELÁSTICOS Los productos semi-líquidos que presentan conjuntamente propiedades de flujo viscoso y sólido elástico, se denominan viscoelásticos. El material viscoelastico se comporta de la siguiente forma: -Ante la aplicación de un esfuerzo , un material viscoelastico responde deformándose instantáneamente con algún comportamiento elástico, la tensión aplicada produce una deformación. -A del instante cero , el material fluye de acuerdo a un modelo reologico de forma que la tensión se relaja al aproximarse el material a la nueva posición de equilibrio -A tiempo infinito, la tensión puede haberse relajado totalmente, si el material fluye de acuerdo al modelo newtoniano o de la potencia , o conservar un valor si el flujo es de plástico general o de Bingham. -Si el esfuerzo cesa en cualquier momento antes de la relajación, el material se retrotrae recuperando algo de su forma inicial

-Ejemplos alimentos como el queso fundido, purés vegetales y prácticamente todas las masas para la fabricación de galletas, dulces, bollería y todo tipo de productos horneados o fritos. Especialmente las asas de trigo, como las del pan y los churros.

Modelo de Maxwell

Newton (viscosidad)

Modelos matemáticos para descripción de comportamiento viscoelástico

Modelos de Bird - Carreau

Teoría Constitutiva de Carreau

Experimentos de Cizallamiento y experimentos oscilatorios

Hooke (elasticidad)

Métodos de medición de propiedades

reológicas

Métodos Fundamentales: Miden propiedades físicas definidas. Métodos Empíricos: Miden parámetros no bien definidos pero

que han sido probados empíricamente. Métodos Imitativos: Miden los ensayos bajo condiciones

similares a las que se dan en la práctica.

9 -

Métodos Fundamentales

Viscosímetros Rotacionales

Cilindros Concentricos

Comportamiento de Cizalla

Fluidos no newtonianos

Viscosímetro p-p, p-c

Mide v de deformacion

dependiente de la viscosidad aparente

Flujo oscilatorio

Estudian la viscoelasticidad utilizando MAS

Viscosímetro de flujo por

compresión

Caracterización reológica de fluidos con

problemas de fluidez

Flujo Capilar

Un fluido fluye por un tubo produciendo

un gradiente de velocidad y un cizallamiento

Viscosímetro de retro

extrusión

Se produce una retro extrusión en una

varilla que penetra en el fluido

Métodos Empíricos

Consistómetro de Adams

Control de calidad de productos

Mide la consistencia por el flujo de producto en todas las

direcciones

Consistometro de Bostwick

Mide la Consistencia de materiales viscosos por la medida

de distancias recorridas por el fluido

Viscosímetro de Flujo de tubo

Mide el tiempo en el que el fluido atraviesa un tubo capilar

Métodos Imitativos Visco Amilógrafo

Brabender

Evaluación de consistencias midiendo el par de torsión ejercido sobre una pala rotante.

Plastometro Puente de flujo con conductos ideados para producir una presión diferencial entre dos puntos. Es función de la consistencia