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• Maria Carolina Salgado Ramos

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CARACTERIZACIÓN REOLÓGICA Y DETERMINACIÓN DEL COMPORTAMIENTO TIXOTRÓPICO DE LA MIEL DE ABEJA María Bruno Lozano1, Manuel Leó n Genes1, Miguel Martínez Gonzá lez1, Bayron Pérez Ramos1 1 Estudiantes de quinto semestre, Ingeniería de Fluidos, Ingeniería de Alimentos, Facultad de Ingeniería, Universidad de Córdoba, Berástegui, Colombia. Orientador: Ing. Luis Muñoz Flórez ___________________________________________________________________________________________________ RESUMEN La prá ctica realizada para la caracterizació n reoló gica y determinació n del comportamiento tixotró pico de la miel de abeja se llevó a cabo en las instalaciones de la Universidad de Có rdoba sede Berá stegui en el laboratorio de Ingeniería aplicada; empleando de manera operacional, un viscosímetro rotacional de cilindros concéntricos Brookfield DV-II+Pro, dotado por el plantel, mediante el cual se indican diferentes velocidades angulares y torque. Los resultados fueron tabulados y graficados con diferentes modelos mediante el programa Excel; gracias a este, podemos caracterizar y determinar el comportamiento tixotró pico de la muestra en estudio. Palabras claves: Miel de abejas, reoló gica, tixotró pica, viscosímetro rotacional, cilindros concéntricos, velocidad angular.

ABSTRACT The practice made for the rheological characterization and determination of the thixotropic behavior of the honey bee was held in the premises of the University of Cordoba Berá stegui headquarters in the laboratory of applied engineering; ready for use using a concentric cylinder rotational viscometer Brookfield DV-II + Pro, provided by the campus, by which different angular speeds and torque are indicated. The results were tabulated and graphed with different models using the Excel program; Thanks to this, we can characterize and determine the thixotropic behavior of the sample under study. Keywords: honey, rheological, thixotropic, rotational viscometer, concentric cylinders, angular velocity.

INTRODUCCIÓN Generalidades de la miel de abeja La miel de abeja es un producto que las abejas producen a partir de la transformació n del néctar de las flores, y que es usado con propó sitos de alimentació n completa en la colmena. La miel de las abejas ha sido ampliamente estudiada por su gran cantidad de propiedades como antisépticas, fortificantes, calmantes, laxante, diurético y bactericida, y beneficios para el cuerpo humano. La miel, cuando se comercialice como tal o se utilice en cualquier producto destinado al consumo humano, no deberá tener ningú n sabor, aroma o color desagradable, procedentes de la absorció n de materias extrañ as durante la elaboració n, envasado y/o almacenamiento. No habrá comenzado a fermentar ni se calentará hasta el grado de que se inactiven, totalmente o en gran parte, las enzimas naturales que contiene. También está prohibida la adició n de cualquier ingrediente o aditivo alimentario, así como de sustancias destinadas al aumento de peso. Generalidades del viscosímetro Es un instrumento de medició n y control de viscosidad, indispensable en el control de calidad de innumerables productos, todos se suministran con certificado de fá brica, juego de agujas, instructivo, estuche y soporte. Utiliza el principio de la viscosimetria rotacional;

mide la viscosidad captando el par de torsió n necesario para hacer girar a velocidad constante un husillo inmerso en la muestra de fluido. El par de torsió n es proporcional a la resistencia viscosa sobre el eje sumergido, y en consecuencia, a la viscosidad del fluido.2 Características y beneficios  Visualizació n continua de: Viscosidad (cP o mPa · s), Temperatura (° C o ° F), Tasa de corte, la tensió n de cizallamiento,% del esfuerzo de torsió n, eje   Torque precisió n de la medició n: 1% del rango de escala completa   Repetitividad: 0,2% de la escala completa  54 velocidades seleccionables proporcionan un mayor alcance de la viscosidad / medidas de corte para su uso en la operació n independiente  Descargar programas personalizados con el software DV cargador (incluido)  Automatizar el control del programa de PC que funciona opcional Rheocalc ® de software, control de velocidad de 0,01 a 200 rpm   Automá tico de recogida de datos y la comparació n histó rica.

 Fá cil de usar el teclado para la selecció n simple de los pará metros de prueba  Auto-cero, la funció n de garantizar la precisió n de medició n de par  Opciones personalizables  Compatible con todos los accesorios Brookfield MATERIALES Y MÉTODOS Materiales  Miel de abejas  Viscosímetro rotacional de cilindros concéntricos marca Brookfield, y de referencia modelo DV-II+ Pro.

Métodos Se toma una pequeñ a cantidad de miel de abejas aproximadamente 200 gr, y se agrega en el viscosímetro Brookfield má s exactamente en el usillo fijo de este, de tal forma que al introducir el rotá metro (usillo rotatorio) la miel no se desborde a la parte exterior. Seguidamente ya listos para comenzar el aná lisis, se miden a diferentes velocidades angulares (de 0.5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100) propiedades como:  

Viscosidad Torque (%)

Figura A. Viscosímetro de cilindros concéntricos utilizado para la experiencia.

RESULTADOS Después de obtener los datos, estos fueron tabulados para obtener las siguientes tablas y posterior grá ficas. Viscosidad (mPa) 1150 1060 1027

% Torque 11,5 21,2 30,8

Velocidad (RPM) 10 20 30

1023 1022 1022 1020 1021

40,9 51,1 61,3 71,4 81,7

40 50 60 70 80

Tabla 1. Datos obtenidos para la caracterización reológica

Para obtener la tabla 2 fue necesario resolver las siguientes ecuaciones Torque = ϔ=

Torque(% ) 100 % Donde,

Ω 60

Rb (m) h(m) Rc (m)

Torque 0,115 0,212 0,308 0,409 0,511 0,613 0,714 0,817

ϔ (Gradiente) 0,16666667 0,33333333 0,5 0,66666667 0,83333333 1 1,16666667 1,33333333

0,02004 0,06 0,021

σ (Esfuerzo) 45,5759097 84,0181988 122,064176 162,091714 202,515564 242,939414 282,966953 323,787115

Tabla 2. Datos calculados para la caracterización reológica A continuació n se graficó a partir de la tabla 2 σ vs ϔ y se obtuvo el grafico 1

σ vs ϔ 350 300 250 Esfuerzo Linear (Esfuerzo)

200 150 100 50 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Grafico 1. Esfuerzo cortante versus gradiente de velocidad

Se determinaron los pará metros por los modelos de ley de potencia, Bingham, Casson y Herschel Bukley y se obtuvo la tabla 3 Modelo Ley de potencia Bingham Casson H-B

y

x A Ln(ϔ Ln(K)=5,48 Ln(σ) ) 8

B

n= 0,947 μp=238, σ ϔ σ0= 4,033 9 0,5 (σ0) =0,45 K=15,1 (σ)0,5 (ϔ )0,5 9 2 Ln(σ- Ln(ϔ Ln(K)=5,45 σ0) ) 9 n=1,018

r2 0,999 0,999 0,999 0,999 σ0=7,397

Tabla 3. Parámetros reológicos para cada modelo Se obtuvo la viscosidad aparente (η) a través de la siguiente ecuació n

η 273,4554 05 252,0546 22 244,1283

6 243,1374 43 243,0186 82 242,9394 1 242,5430 93 242,8403 46 Tabla 4. Viscosidad aparente Se procedió a graficas η vs ϔ y se obtuvo el grafico 2

η 280 270 η Moving average (η)

260 250 240 230 220 0

0.2 0.4 0.6 0.8

Viscosidad (mPa)

% Torque

1021

81,7

1026

71,8

1028

61,7

1032

51,6

1035

41,4

1040

31,2

1045

20,9

1

1.2 1.4

Grafico 2. Viscosidad aparente versus gradiente de velocidad Velocidad ϔ σ Torque (RPM) Gradiente Esfuerzo 1,3333333 323,7871 80 0,817 3 2 1,1666666 284,5522 70 0,718 7 0 244,5246 60 0,617 1 6 0,8333333 204,4971 50 0,516 3 3 0,6666666 164,0732 40 0,414 7 8 123,6494 30 0,312 0,5 2 0,3333333 20 0,209 3 82,82926

1050

10,5

10

0,105

0,1666666 7

41,61279

Tabla 5. Datos calculados para la determinación del comportamiento tixotrópico

ϔ 0,1666667 0,3333333 0,5 0,666667 0,8333333 1 1,1666667 1,3333333 1,166666667 1 0,833333333 0,666666667 0,5 0,333333333 0,166666667

σ 45,57591 84,01819 9 122,0641 8 162,0917 1 202,5155 6 242,9394 1 282,9669 5 323,7871 2 284,5522 0 244,5246 6 204,4971 3 164,0732 8 123,6494 2 82,82926 41,61279

Tabla 6. Datos para curva de ascenso y descenso de σ vs ϔ

σ 350 f(x) = 240.41 x + 3.15 R² = 1

300 250

σ Linear (σ)

200 150 100 50 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Grafico 3. Curva de ascenso y descenso de σ vs ϔ

ϔ 0,1666667 0,3333333 0,5 0,666667 0,8333333 1 1,1666667 1,3333333 1,166666667 1 0,833333333 0,666666667

η 273,45540 5 252,05462 2 244,12836 243,13744 3 243,01868 2 242,93941 242,54309 3 242,84034 6 243,90188 7 244,52466 3 245,39655 246,10991

3 247,29884 0,5 9 248,48778 0,333333333 6 0,166666667 249,67672 3 Tabla 7. Datos para curva de ascenso y descenso de η vs ϔ

η 280 270 260

η Moving average (η)

250 240 230 220 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Grafico 4. Curva de ascenso y descenso de η vs ϔ

ANÁLISIS DE RESULTADOS Segú n los resultados obtenidos del experimento y la tabulació n de datos, podemos observar que el comportamiento viscosímetrico de la muestra de miel tiende a presentar un comportamiento de un fluido newtoniano ya que al relacionar el gradiente con el esfuerzo, obtenemos una línea recta que no parte desde el origen debido a que los valores a los esfuerzos pequeñ os tienden a cero o no son medibles por el viscosímetro rotacional de brookfield; la teoría relacionada muestra que la miel presenta un comportamiento no newtoniano de fluido pseudoplá sticos pero esto bajo

condiciones establecidas de concentració n de só lidos y temperatura principalmente por lo que la variació n entre los resultados reales y experimentales puede surgir a partir de las condiciones de trabajo de fluido principalmente por el efecto de la temperatura en la viscosidad de este. El comportamiento newtoniano de la muestra de miel puede ser una posible explicació n al porqué del ajuste del comportamiento a los diferentes modelos de estudios (Bigham, H-B, Ley de potencia, Cassson) de fluidos no newtonianos, apreciado en la cercanía de los R2 de los modelos para esta muestra el cual fue muy cercano a 1. Las grá ficas realizadas para la determinació n de histéresis o comportamiento tixotró pico del fluido permiten afirmar que la miel no presenta un comportamiento de este tipo (tixotró pico), lo cual se ve claramente evidenciado en la grá fica de ascenso y descenso al presentarse el caso en el que la grá fica de ascenso y descenso coinciden ene los puntos es decir no se presenta un á rea bajo la curva y ademá s de eso el porcentaje de tixotropía de nuestro producto tiene tendencia a cero, lo que nos dice que lo obtenido tiene como base fundamentos teó ricos y está respaldado por datos matemá ticos, lo cual hace los resultados aú n má s precisos.3 La tixotropía se define como la propiedad, de algunos fluidos, fluidos no newtonianos y pseudoplá sticos que consiste en que estos pierden su resistencia, o disminuyen su viscosidad al someterlos a una tensió n cortante (cizalla) a medida que transcurre el tiempo. 2,4 Comportamiento que se evidenció durante la toma de datos y digitalizació n de resultado. La variante entre la muestra de miel analizada en el laboratorio de la Universidad de Có rdoba y la teoría relacionada, es debido a las condiciones de laboratorio y aná lisis de muestras, teniendo en la teoría relacionada a la miel con una temperatura de 25 grados Celsius con una pequeñ a muestra de tixotropía que en algunos casos es tan pequeñ a que se desprecia pero presentando una pequeñ a á rea bajo la curva; mientras que en el laboratorio y a las condiciones de trabajo con diferentes temperaturas presió n y concentració n de solidos, se evidencio una línea recta lo cual indica no presencia de tixotropía y ratifica que el comportamiento es de un fluido newtoniano ya que la presencia de histéresis es propia de fluidos no newtonianos principalmente pseudoplá sticos El valor de r para la grá fica tanto de descenso y ascenso es un valor cercano a 1 y 1 exactamente para el caso de la curva de descenso teniendo esfuerzo cortante vs gradiente de cizalla. La grafica obtenida es lineal por tanto la viscosidad en todos los puntos es la misma, es decir no presenta la miel una viscosidad diná mica.

CONCLUSIÓN De la anterior experiencia se puede concluir que la miel de abeja estudiada no presenta comportamiento tixotró pico, pues su viscosidad permanece constante aun cuando el esfuerzo cortante experimenta variaciones; las condiciones de trabajo son muy influyentes a la hora de obtener los resultados y el aná lisis de estos ya que la variació n en uno de los factores como temperatura o concentració n de só lidos, puede cambiar el comportamiento presente que presenta el fluido, en este caso, es notorio como el cambio en las temperaturas, puede cambiar el comportamiento de la miel. También podemos observar que las grá ficas obtenidas a partir de los datos experimentales, presentan un R2 cercano a 1 lo que indica que el proceso no presenta fluctuaciones o cambios drá sticos en los datos, dando mayor seguridad a la hora de ajustar estos a un modelo, lo cual presento en el caso particular de esta muestra, que el fluido puede ser ajustado a los modelos má s utilizados pero con las condiciones de trabajo de laboratorio en la Universidad de Có rdoba sede Berá stegui, sin obviar que el comportamiento presentado por esta muestra de miel fue de un fluido newtoniano. El comportamiento no tixotró pico de la muestra de miel nos indica que estamos frente a un fluido newtoniano, corroborando las grá ficas y alores obtenido de las demá s aná lisis. Una manera de observar el comportamiento real de la miel de abeja, seria controlando la temperatura a la cual se estudia, ademá s de implementar un sistema computarizado má s preciso para la obtenció n de datos y graficas; esto con el fin de corroborar que a diferentes condiciones la miel se comporta como un fluido no newtoniano principalmente pseudoplá sticos pero a temperaturas inferiores a 35 grados Celsius los cuales fueron la temperatura promedio del recinto de estudio.

REFERENCIAS

[1]TECNICAS REOMETRICAS. [Artículo de internet] [En línea] [Consultado: 2 de diciembre del 2014] [2]TELIS, J., L. GUIZZO y V. TELIS. 2003. Rheological Properties of Rehydrated Papaya. Braz. J. FoodTechnol.[Artículo de internet] [En línea] [Consultado: 3 de diciembre del 2014] [3]TELIS, J., L. GUIZZO y V. TELIS. 2003. Rheological Properties of Rehydrated Papaya. Braz. J. FoodTechnol. . [Artículo de internet] [En línea] [Consultado: 2 de diciembre del 2014]

[4]TELIS, J., L. GUIZZO y V. TELIS. 2003. Rheological Properties of Rehydrated Papaya. Braz. J. FoodTechnol.[Artículo de internet] [En línea] [Consultado: 4 de diciembre del 2014]