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• Joel Paucar Sinche

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II. MARCO TEORICO: REOLOGIA La reología es una disciplina científica que se dedica al estudio de la deformación y flujo de la materia (Bird et al., 2002). Su objetivo está restringido a la observación del comportamiento de materiales sometidos a deformaciones muy sencillas, desarrollando posteriormente un modelo matemático que permita obtener las propiedades reologicas del material, ejemplos cotidianos de interés para la reología se encuentran la mayonesa, yogurt, pinturas, asfaltos y muchos más (Chhabra, 2007). Según Barnes (2000), un fluido es capaz de fluir debido a las fuerzas de cohesión en sus moléculas y suele deformarse continuamente cuando se somete a un esfuerzo cortante. La viscosidad µ es una propiedad de transporte, ya que cuantifica la conductividad de cantidad de movimiento a través de un medio conductivo o fluido. Se interpreta como la resistencia que ofrecen los fluidos a ser deformados cuando son sometidos a un esfuerzo. La medición de la viscosidad es a menudo muy importante para el control de la calidad, sobre todo de productos que se supone deben tener una cierta consistencia en relación a su aspecto. Durante algunas operaciones la viscosidad puede cambiar considerablemente, esto ocurre en particular en aquellos procesos que implican calentamiento, enfriamiento, homogenización y concentración, estos cambios en la viscosidad necesitan ser tenidos en cuenta cuando se diseñan los procesos (Muller, 1973).

2.1 CLASIFICACIÓN DE LOS FLUIDOS Un fluido se define como una sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de esfuerzos cortantes. Las características reológicas de un fluido son uno de los criterios esenciales en el desarrollo de productos en el ámbito industrial. Frecuentemente, estas determinan las propiedades funcionales de algunas sustancias e intervienen durante el control de calidad, los tratamientos (comportamiento mecánico), el

diseño de operaciones básicas como bombeo, mezclado y envasado, almacenamiento y estabilidad física, e incluso en el momento del consumo (textura) (Ramírez, 2006). Las propiedades reológicas se definen a partir de la relación existente entre fuerza o sistema de fuerzas externas y su respuesta, ya sea como deformación o flujo. Todo fluido se va deformar en mayor o menor medida al someterse a un sistema de fuerzas externas. Dicho sistema de fuerzas se representa matemáticamente mediante el esfuerzo cortante mientras que la respuesta dinámica del fluido se cuantifica mediante la velocidad de deformación (Ramírez, 2006).

2.2 TIPOS DE FLUIDOS SEGÚN SU COMPORTAMIENTO REOLOGICO 2.2.1 FLUIDOS NEWTONIANO Este es un fluido, con verdadera viscosidad. La velocidad de corte (ẙ) es directamente proporcional al esfuerzo (ϭ) y la viscosidad es independiente de la velocidad de corte, dentro del rango de flujo laminar. La viscosidad está dada por la pendiente de la curva del esfuerzo cortante v/s velocidad de corte. Los típicos fluidos newtonianos son el agua, y las bebidas líquidas tales como té, café, cerveza, gaseosas, jarabes de azúcar, la mayoría de las mieles, aceites comestibles, zumos filtrados, y la leche (Bourne, 2002).

2.2.2 FLUIDOS NO NEWTONIANOS La mayoría de los alimentos líquidos y semilíquidos pertenecen a esta clase de fluidos no newtonianos. 2.2.2.1 Plástico de Bingham Este tipo de flujo se encuentra a menudo en los alimentos. Típicos ejemplos de este tipo de flujo son la salsa de tomate, mayonesa, crema batida, clara de huevo batida, y la margarina. Este tipo de flujo recibe el nombre de Bingham (1922), quien estudió las propiedades de flujo de tintas de impresión y descubrió el importante principio de que no hay flujo se produce a baja tensión (Bourne, 2002). La viscosidad aparente se define como la viscosidad de un fluido no newtoniano. Puesto que, en un fluido newtoniano, el caudal es directamente proporcional a la

velocidad de corte y al esfuerzo, la curva comienza en el origen, basta un solo punto de medición para establecer la viscosidad. Cuando esta prueba se utiliza (como se hace comúnmente) en un fluido plástico, la viscosidad aparente va a cambiar, dependiendo de la velocidad de cizallamiento. (Bourne, 2002).

2.2.2.2 Pseudoplásticos En este tipo de flujo, cuando se le aplica una fuerza de cizallamiento creciente, da un aumento más que proporcional en la velocidad de cizallamiento, pero la curva comienza en el origen. 'Seudo' fue el término, que propuso Williamson (1929), ya que no se refiere a los plásticos sintéticos. Los aderezos para ensaladas son un buen ejemplo de este tipo de flujo. Muchos líquidos pseudoplásticas exhiben un comportamiento casi lineal a bajas velocidades de corte, a esto se conoce como el "régimen newtoniano” (Bourne, 2002).

2.2.2.3 Fluidos dilatantes La velocidad de corte y el esfuezo, de este tipo de flujo comienzan en el origen, estos fluids se caracterizan por el incremento igual entre el esfuerzo, dando menos el incremento en la velocidad de corte. Los alimentos, que se pueden comportar como este tipo de fluidos son aquellos que contienen elevado contenido de sólidos, como Algunas suspensiones de almidón, y algunos jarabes de chocolate. Este tipo de flujo se encuentra solamente en líquidos que contienen una alta proporción de partículas insolubles en suspensión. El flujo dilatante es bastante raro en la industria alimentaria (Bourne, 2002).

Figura 01: (a y b) Velocidad de corte v/s esfuerzo para los diferentes tipos de fluidos. Fuente: Bourne (2002)

2.3 VISCOSIDAD La viscosidad puede definirse como el rozamiento interno que actúa dentro de un flujo, esto es su resistencia a fluir. Un fluido situado en un vaso al que se convierte está sujeto a las fuerzas gravitatorias, algunos fluidos no lo harán en absoluto (Muller, 1973).

   ·D Donde: : Esfuerzo cortante (mPa) : Viscosidad (mPa.s) : Velocidad de deformación (s-1) Las unidades de viscosidad más utilizadas son los milipascales por segundo (mPa.s). Ademas, el sistema cegesimal aún se sigue utilizando, siendo la unidad de medida el centiPoise (cP) (Steffe, 1992).

Existen tres tipos de viscosidad: la viscosidad dinámica, la viscosidad cinemática y la viscosidad aparente. La viscosidad aparente µa se define como el cociente entre el esfuerzo de corte y la velocidad de deformación, en otras palabras, es la pendiente en un punto cualquiera de la curva. Este término es utilizado al hablar de “viscosidad” para fluidos no newtonianos. En el caso de que el fluido fuera Newtoniano la viscosidad aparente será igual a la viscosidad absoluta, y si se tratase de un fluido No Newtoniano la viscosidad aparente va cambiando conforme cambia la velocidad angular de deformación (Steffe, 1992).

2.3.1. VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA VISCOSIDAD La viscosidad puede ser afectada por variables como la temperatura, la presión, la velocidad de corte, entre otros (Barboza-Canovas et al., 1993). Variación de la viscosidad con la temperatura La viscosidad aparente disminuye cuando se incrementa la temperatura. La relacion entre la temperatura y la viscosidad de liquidos puros fue sugerida por Arrehenius en 1993 en la siguiente ecuación: µ a =A. e B/T

Siendo: µa = viscosidad aparente (m.Pa*s) A y B = constantes

dependientes del líquido.

T = temperatura absoluta en 0C

De acuerdo a esta ecuación el comportamiento de la viscosidad aparente con respecto a la temperatura sigue una ecuación matemática del tipo exponencial, la viscosidad disminuye con la temperatura. Esto es debido al hecho de que conforme aumenta la temperatura, las fuerzas viscosas son superadas por la energía cinética, dando lugar a una disminución de la viscosidad. Por este hecho se deben extremar las precauciones a la hora

de medir la viscosidad, teniendo en cuenta que la temperatura debe permanecer prácticamente constante.

Variación de la viscosidad con la presión La viscosidad (en líquidos) aumenta exponencialmente con la presión. El agua a menos de 30 0C es el único caso en que disminuye. Los cambios de viscosidad con la presión son bastante pequeños para presiones distintas de la atmosférica. Para la mayoría de los casos prácticos, el efecto de la presión se ignora a la hora de hacer mediciones con el viscosímetro.

Variación de la viscosidad con la velocidad de corte. La viscosidad disminuye conforme aumenta la velocidad de corte. 2.4 CARACTERISTICAS DE LOS ALIMENTOS ESTUDIADOS Bourne (1982), manifiesta que algunos ejemplos de fluidos alimentarios presentan comportamiento plástico de Bingham, entre algunos ejemplos, tenemos: salsa de tomate, mayonesa, crema batida, clara de huevo batida y margarina. Cheftel et al., (1983), también menciona, que los condimentos tipo mostaza, mantequilla, salsa de chocolate y puré de patatas, presentan este comportamiento reológico. Steffe (1996), señala que el yogurt, es un fluido tixotrópico, ya que, al aplicar un esfuerzo, se produce un cambio de su estructura interna. Esto produce la rotura de las largas cadenas que forman sus moléculas. Después de la fabricación del yogurt, se coloca en un recipiente, este alimento lentamente desarrollar una red tridimensional que puede ser descrito como geles. Cuando se somete a esfuerzos de cizallamiento (por medio de pruebas reológico estándar o por mezcla con una cuchara), la estructura se descompone.

Tabla 1. Viscosidad y otros parámetros reologicos de algunos productos seleccionados.

Fuente: Steffe (1992).

2.5 VISCOSIMETROS El estudio del comportamiento del flujo newtoniano y no newtoniano de los alimentos requiere de sumo cuidado y la instrumentación adecuada. Instrumentos mal diseñados pueden proporcionar datos que puedan inducir a error y de poco valor (Rao, 2007). Según Rao (2007), un viscosímetro debe ser capaz de proporcionar lecturas que pueden ser convertidos a la tasa de corte (ẙ) y esfuerzo de corte (ϭ) en las unidades adecuadas de s-1 y Pa, respectivamente. Además, un instrumento bien diseñado debe la grabación de las lecturas de modo que comportamiento del flujo dependiente del tiempo pueda ser estudiado.

Para los alimentos que exhiben un comportamiento newtoniano, son aceptables los viscosímetros que operan a una velocidad de cizallamiento simple (por ejemplo, los de capilar de vidrio). Para los alimentos que presentan un comportamiento no newtoniano, los datos deben ser obtenidos en varias velocidades de corte y las geometrías de uso común en los estudios de flujo reológicas viscométricas de los alimentos incluyen: cilindros concéntricos, la placa y el cono, disco en paralelo (también llamado de placas paralelas), capilar / tubo / tubo, y el flujo de hendidura (Rao, 1995). Los viscosímetros Brookfield son utilizados frecuentemente para realizar mediciones de viscosidad de una variedad de materiales con comportamiento Newtoniano y noNewtoniano. Debido a la importancia de tales mediciones en muchos campos de la industria, existe la necesidad de incluir las mediciones con viscosímetros Brookfield en los sistemas de aseguramiento de calidad (Rao, 1995).

2.6 VISCOSIMETRO DE BROOKFIELD Es un viscosímetro rotacional, provisto de dos tipos de rotores, cilíndricos y en forma de disco. El rotor que se sumerge en el fluido en estudio esta acoplado por medio de un resorte calibrado a un motor de velocidad variable. Cuando el rotor gira la deformación del resorte es proporcional al torque necesario para vencer la fuerza de resistencia viscosa, indicándose en un visor digital el valor de la deformación que es proporcional a la viscosidad del fluido. Cuando el rotor es cilíndrico es posible deducir que el esfuerzo de corte  es proporcional al torque leído M por medio de la siguiente expresión:

Donde Rb y L dependen del rotor. Para los rotores en forma de disco la deducción no es sencilla pero es válido considerar que  es proporcional a M y que la velocidad de deformación (-díx/dy) es proporcional a la velocidad angular ù.

Las medidas hechas con igual rotor a distintas velocidades permitirán obtener el comportamiento reológico del sistema.

III.

BIBLIOGRAFÍA

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Muller, H. (1973) “Introducción a la Reología de los Alimentos”. Editorial Acribia, S.A. Zaragoza – España.

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Ramírez, J. (2006) “Introducción a la reología de los alimentos”. Universidad del valle. Cali – Colombia

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Barboza-Canovas,G.; Irbaz, A. y Peleg,M. 1993. “Propiedades reologicas de alimentos fluidos”. En revista Alimentaria. Madrid. España.

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Bourne, M.C. 1982. Food texture and viscosity: concept and measurement. New York: Academic Press. 325 p.

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Cheftel, J. C., Cheftel, H. y Besacon, P. (1983). Introducción a la bioquímica y tecnología de los alimentos. Zaragoza: Acribia. 47-80.

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Regalado, A. and Noriega, O .(2008). Comportamiento reologico de un fluido. Ciencia y Mar, 2008, XII: 35-42.

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Steffe, F. (1992). Rheological Methods in Food Process Engineering Freeman PressEast Lansing USA.