Aplicación de Los Fluidos Newtonianos y No Newtonianos en La Industria Alimentaria

Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química

Facultad de Ingeniería Química y Petroquímica

 Atúncar 

Yataco, Jackeline Sthephanie

Salvatierra Flores, Azucena Lizbeth

Fenómenos de Transporte

Ing. Rosalio Cusi Palomino :

V “A”

2015


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Fluidos Newtonianos y No Newtonianos


Desde hace mucho tiempo las operaciones y procesos de los alimentos han ido evolucionando de acuerdo a las necesidades de la sociedad, siendo así los fluidos un tema tema de gran gran interés y de estudio, por lo que en actualidad los los fluidos constituyen una gran parte de los alimentos que ingerimos, si bien es cierto muchas veces nuestra acciones diarias cumplen con diferentes teorías de la materia que simplemente no nos damos cuenta, y es así que dentro de ella la reología también se encuentra encuentra presente, un ejemplo claro es cuando cuando los alimentos ingresan a la boca y por acción de la saliva y la masticación se hace una pasta más fluida que luego se ingiere y conjuntamente por estar en movimiento genera la deformación y el flujo de materia, la cual a este tipo de de reología se le denomina reología natural. Generalmente los adultos y los niños requieren alimentos líquidos y pastosos debido a la facilidad de ingestión, por tanto las industrias buscan maneras de satisfacer dichas necesidades, pues sabemos que cuando se procesa un alimento éste se encuentra sujeto a movimientos constantes y presenta diversos parámetros de acuerdo a las condiciones que se somete. Y es justamente aquí en donde la aplicación de la reología desarrolla un papel muy importante en la industria alimentaria puesto que esta ciencia se encarga del estudio de la deformación y flujo de la materia, así como también de diseñar procesos y operaciones a partir del comportamiento del flujo, asimismo los fluidos newtonianos y no newtonianos son los que mayor aplicación tienen debido a las propiedades de la materia conjuntamente influenciado por la viscosidad y el esfuerzo cortante.


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2. 

Identificar y definir definir el comportamiento comportamiento de los fluidos que forman parte del del proceso o como productos de la industria alimentaria, dando a conocer las diferentes aplicaciones de los fluidos newtonianos y no newtonianos.



Dar a conocer los cambios y los los productos que se producen al aplicar diferentes propiedades y parámetros de los fluidos.



Comprender la información información brindada a través de una redacción clara y precisa del trabajo en estudio.



Demostrar mediante relaciones gráficas gráficas y tablas los parámetros basados en la reología.



Dar a conocer la relación de la teoría basada en formula, con la aplicación industrial.

3. La viscosidad es la medida de la resistencia de los fluidos cuando estos atraviesan por placas paralelas o tuberías separadas por una distancia y producidas por tensiones cortantes movidas con una unidad de velocidad, dentro del cual existe una resistencia a su paso, como lo que comúnmente podemos denominar “espesor”. Por ejemplo: cuando ejemplo: cuando se dice que la mayonesa es más espesa que el agua, dando referencia a la viscosidad como sinónimo de fricción interna. La viscosidad viscosidad

llamada también también viscosidad viscosidad absoluto absoluto o viscosidad dinámica,

definida por Mayen-Poisse-Wille y repr esentada esentada por la letra griega “Mu “Mu”

,

cuyas unidades en Sistema Internacional (S.I.) es pascal-segundo (Pa·s); en tanto, en el Sistema Cegesimal es en poise (P), y experimentalmente se mide con viscosímetros y reómetros:


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1 poise = 1 = 1 [P] = 10- [Pa·s] = [10- kg·s- ·m- ] 1 [Pa·s] = N·s·m = N·s·m-2 = kg·m−1·s−1

La viscosidad se presenta en lo fluidos como una propiedad física ya que su composición química no varía, siendo resultado de las colisiones entre todas las partículas de los fluidos movidas a diferentes velocidades originando dicha resistencia. Sin embargo, existen también fluidos que tienen una viscosidad nula (viscosidad próxima a cero) a los cuales se les denominan como “fluidos ideales”, ideales”, estando expuestos a temperaturas muy bajas cerca del cero absoluto, límite en el que cesa toda actividad. Se tiene también un segundo tipo de viscosidad conocida como viscosidad cinemática (), basada en el cociente de la viscosidad dinámica entre la densidad del fluido, diferenciándose de la primera en sus unidades de medición en el Sistema Internacional, en metros cuadrados por segundo (m 2·s-1) y en el Sistema Cegesimal en stokes (St).

10 000 stoke = 1 = 1 m /s

NOTA: Debemos de tener en cuenta que las viscosidades de los líquidos disminuyen exponencialmente con la temperatura, por lo tanto la influencia de la temperatura es muy grande con respecto a la viscosidad, además aumenta exponencialmente a la presión. Por otra parte, para los gases de baja densidad la viscosidad aumenta con el incremento de temperatura.


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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química No todos los fluidos mantienen una viscosidad constante, siendo denominados como Fluidos NO Newtonianos con viscosidad aparente ( η ), a diferencia de los Fluidos Newtonianos que sí las tienen.

También llamado esfuerzo de cizalla, esfuerzo de corte o de cortadura representada por la letra griega “Tau”



. Siendo el esfuerzo interno o

resultantes de las tensiones transversales dadas cuando un fluido se mueve forzado por un tubo de donde las partículas que componen el fluido se mueven más rápido cerca del eje longitudinal del tubo, y más lentas cerca de las paredes. Al esfuerzo cortante se le puede interpretar también como la densidad del flujo f lujo viscoso de cantidad de movimiento siguiendo la dirección de velocidad decreciente (x en la dirección y), es decir que sigue la dirección del gradiente negativo de velocidad, entendiéndose éste como la fuerza impulsadora del transporte de cantidad de movimiento que se da capa tras capa continua del flujo y por el cual existe un pase de cierta cantidad mínima de movimiento. Por lo tanto, es necesario que exista una tensión cortante ( como una diferencia de presión) es decir el denominado esfuerzo Cortante, puesto que al iniciarse el movimiento de un fluido su velocidad va disminuyendo con respecto a la distancia que existe entre las placas llegando a su velocidad máxima y equilibrando el movimiento movimiento del fluido. Para Para que dicho movimiento no cese, se debe de aplicar el esfuerzo cortante sobrepasando la resistencia de fricción entre las capas capas del líquido, y así así el fluido se siga moviendo por el tubo. El esfuerzo de cizalla está dado por:


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

: Gradiente de velocidad

 = 



 

De donde se deduce que la fuerza de cizalla por unidad de área es proporcional al gradiente negativo de la velocidad local. Esta es la Ley de Newton de los fluidos de viscosidad, y los fluidos que la cumplen son los denominados fluidos newtonianos.

La reología es la ciencia del flujo que estudia la deformación de un cuerpo sometido a esfuerzos externos, asimismo también se considera parte de la mecánica que estudia la elasticidad, plasticidad y viscosidad de la materia, siendo su estudio muy esencial en las industrias de impresión, detergentes, aceites, alimentos y farmacéuticos. Si bien es cierto el que que habló por por primera vez vez en 1678 de de la reología reología fue Robert Hooke en su libro “Verdadera teoría de elasticidad”, pero el que introdujo la palabra “Reología” fue Bingham Bingham en 1929, la cual mencionó que la reología estudia los principales fenómenos que regulan el movimiento de los fluidos. La reología considera en su estudio los fluidos, que se definen como una sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de esfuerzos cortantes, estos fenómenos suelen ocurrir en la industria alimentaria ya que es el área en donde la reología adquiere mayor aplicación puesto que el estudio reológico de fluidos es primordial para la producción de alimentos.


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Los fluidos se pueden clasificar de acuerdo a la relación entre el esfuerzo cortante y la deformación, la cual dentro de ellos tenemos los fluidos newtonianos y no newtonianos

Cuando hablamos de fluidos newtonianos, inmediatamente nos imaginamos la ley de newton, y es cierto, un fluido newtoniano es la relación lineal que existe entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación, que se puede expresar mediante la siguiente ecuación:

 = 

 

Un claro ejemplo de esta definición es que si triplicamos el esfuerzo cortante de una materia, la velocidad de deformación se va a triplicar también, ya que la viscosidad es constante en este tipo de fluidos y por tanto no es alterado por el esfuerzo cortante, asimismo cuando trabajamos con la viscosidad de un fluido newtoniano, éste no depende del tiempo de la aplicación del esfuerzo pero si puede depender depender en algunos casos de la temperatura y presión. presión.


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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química El comportamiento del fluido newtoniano se puede observar mediante las siguientes graficas:

Gráfica N°1: Modelo Lineal entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación Asimismo el siguiente grafico representa el comportamiento de la viscosidad en relación a la velocidad de deformación del fluido, en donde se observa que la viscosidad es constante.

Gráfica N°2: Viscosidad constante con respecto a la velocidad de deformación


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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química Dentro de la industria de alimentos, muchos materiales tales como la leche, jugo de manzana, jugo de naranja, vino y cerveza tienen un comportamiento newtoniano, es decir que su viscosidad es determinada aplicando una sola velocidad de corte y midiendo el esfuerzo cortante correspondiente.

Los fluidos no newtonianos a comparación de los newtonianos, son aquellos que su relación del esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Es decir son aquellos fluidos en donde la viscosidad cambia con respecto al tiempo de aplicación del esfuerzo cortante, por tanto aquí no se aplica la ley de newton. En la industria alimentaria los productos alimenticios tales como la crema, azúcar, jarabe, miel y aderezos presentan un comportamiento no newtoniano, de las cuales se desligan fluidos dependientes del tiempo (Tixotrópicos y Reopécticos) e independientes del tiempo (Sin esfuerzo umbral y con esfuerzo umbral).

Newtoniano

Gráfica N°2: Comportamiento de tipos de fluidos


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Dentro de los fluidos no newtonianos independiente del tiempo se tiene dos grupos con umbral y sin umbral. Cabe precisar que dicho umbral hace referencia a la necesidad mínima de valor de esfuerzo cortante que tienen estos fluidos para poner en movimiento, por lo tanto tiene una viscosidad que a cualquier tensión de corte no varía con el tiempo.

A. Fluidos no newtonianos sin esfuerzo umbral 

Pseudoplásticos

Estos fluidos presentan presentan una una viscosidad aparente que que disminuye con con el aumento en relación a su velocidad de deformación, por tanto su esfuerzo cortante también se verá disminuida. Al ser graficado el esfuerzo cortante contra el gradiente de velocidad de dichos fluidos, se presenta una curva que inicia abruptamente, encontrándose por encima de la línea recta de los fluidos newtonianos con pendiente constante; dicha curva indica una alta viscosidad aparente de donde la pendiente disminuye al incrementarse la velocidad. m:

   =  ( ) 

n:

Índice de consistencia

Índice de comportamiento del flujo n<1


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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química La viscosidad aparente para los fluidos Pseudoplásticos es:

 =  (

 

)−1

Casi todos los fluidos no newtonianos se encuentran en este grupo: algunos tipos de kétchup o mostaza, grasas, el plasma sanguíneo y las suspensiones arcillosas. 

Fluidos Dilatantes

Son fluidos Dilatantes aquellas suspensiones del cual su viscosidad aparente aumenta con el incremento de la su velocidad de deformación, por tanto su esfuerzo cortante también aumenta. Estos fluidos son mucho menos comunes que los fluidos f luidos Pseudoplásticos. Cuando el comportamiento de dichos fluidos son graficados, el esfuerzo cortante contra el gradiente de velocidad, estos presentan una curva iniciada por debajo de la línea recta con pendiente constante que presentan los fluidos newtonianos, newtonianos, indicándose como como una baja viscosidad viscosidad aparente a la curva inicial, puesto que la pendiente aumenta al aumentar el gradiente de velocidad. Algunos de estos tipos de fluidos tenemos: harina de maíz, disoluciones de almidón concentrado, arena movedizas.

 =  (

 

)

n>1

La viscosidad para los fluidos dilatantes es:

 =  (


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

)−1 



B. Fluidos no newtonianos con esfuerzo umbral Estos fluidos son también llamados viscoplásticos. 

Plásticos ideales

Denominadas también plástico de Bingham o fluidos de tapón de flujos, dichos fluidos se caracterizan principalmente en permanecer rígida o sólida hasta que excede un esfuerzo de deformación, es decir, requerir de un esfuerzo cortante mínimo para que a partir de dicho valor se comporte como un líquido, y del cual se presenta una pendiente de la curva esencialmente lineal, lo que indica tener una viscosidad aparente constante. Dichos fluidos los podemos encontramos en alimentos como: el chocolate, kétchup, mostaza, pasta de dientes, jaleas, etc. Para dichos fluidos existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la relación de la deformación.

 = 0 + 0 (

 

)

 > 

5.2.2. Fluido no newtonianos dependientes del tiempo A. Fluidos Tixotrópicos Son aquellos fluidos en los que su viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de aplicación del esfuerzo cortante recuperando su estado inicial después de un reposo prolongado. En el caso de los alimentos tixotrópicos, la estructura material se rompe conforme continúa la acción cortante. Este tipo de material alimenticio incluye gelatina, crema, manteca vegetal y aderezos para ensaladas, etc.


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B. Fluidos Reopécticos Son aquellos fluidos en los cuales su viscosidad aumenta con el tiempo de aplicación de la fuerza y regresan a su estado anterior después de un tiempo. En el caso de los alimentos, la estructura material se fortalece conforme a la continua fuerza cortante. Este tipo de comportamiento no es común en el sistema de alimentos pero se presenta en una solución de almidón muy concentrada por periodos largos.

Gráfica N°4: Comportamiento de fluidos tixotrópicos y fluidos reopécticos

Dentro de la industria alimentaria se presentan en la mayoría de los casos fluidos Newtonianos, por los cuales se verán como ejemplos en su aplicación los siguientes:


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6.1. Productos Lácteos Según las investigaciones investigaciones reológicas de la leche, se tiene en cuenta la relación entre la viscosidad, composición, tratamiento térmico, homogenización y las características no newtonianas, pero se tiene en cuenta que la medición de viscosidad en algunos casos es más compleja puesto que la crema tiende a separarse de la leche cuando se está efectuando la medición y en este caso podríamos decir que la leche se aproxima a un comportamiento newtoniano, pero cabe resaltar que cuando el extracto seco de la leche aumenta, tanto en la leche descremada como en la leche evaporada el comportamiento puede desviarse del fluido newtoniano a un no newtoniano, debido a que la viscosidad muestra un ligero descenso a medida que se eleva el esfuerzo cortante.

6.1.1. Relación entre la Viscosidad y la Composición de la Leche Se sabe que la leche descremada es menos viscosa que la leche entera, por tanto la viscosidad aumenta con el contenido en grasa, pues cuando se

le

agrega

caseína

a

la

leche

descremada

este

aumenta

considerablemente su viscosidad; sin embargo cuando se le adiciona lactosa de hasta 5% no hay incremento de la viscosidad. Podemos apreciar en el siguiente cuadro la dilución acuosa y el coeficiente de viscosidad de la leche.

Dilución acuosa y coeficiente de la viscosidad de la leche fresca % Dilución en volumen

n (P/) 25°C

0% agua 100% de leche

0.001457

10% agua 90% de leche

0.001381

20% de agua 80% de leche

0.001319


0.001258


0.001143


0.000993

100 de agua 0% de leche

0.000894


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6.1.2. Relación de Viscosidad y Temperatura La viscosidad de la leche al igual que todos los líquidos disminuye a medida que aumenta la temperatura, como se muestra en la siguiente gráfica:

0.005 0.004 ) I P ( n

0.003 0.002 0.001 0 0

20

40

60

80

100

Temperatura (°C)

Gráfica N°5: Relación entre la viscosidad de la leche y la temperatura

6.1.3. Relación entre Viscosidad y Homogenización El objetivo de realizar la homogenización en la leche es de disminuir el tamaño del glóbulo graso, es decir cuando el tamaño de los glóbulos grasos son muy grandes estos empiezan a coalescer y forman crema, por tanto aumenta el número de ellos, la superficie específica y la viscosidad de la leche. La

siguiente

tabla

muestra

la

relación

entre

la

presión

de

homogenización y la viscosidad de la leche.

Relación entre la presión de la homogenización y la viscosidad de la leche Presión en Lbs/pulg 2

Incremento Viscosidad en %

1 1.5 2 3 3.5


7.1 9.2 11.9 13.7 15.0

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la


6.1.4.

Relación entre la Viscosidad y el Tiempo de Almacenamiento

La viscosidad de la leche descremada, leche homogenizada o no, leche pasterizada aumenta con el tiempo. En ese sentido; Muller et al. (1978) manifiesta que se desconoce la causa aunque se sabe que se producen cambios enzimáticos y en la flora bacteriana que provocan cambios en el pH. En ese sentido se tiene que la viscosidad de la leche se incremente cuando se da un ligero incremento en el valor del pH. Se puede observar en la siguiente tabla:

Comportamiento del PH y la viscosidad de la leche descremada con relación al tiempo de almacenamiento Días de almacenamiento

N (P/) 25°C

PH

Acidez titulable, expresada en % de ácido láctico

1 3

0.001433 0.001467

6.78 6.80

0.14 0.13

6 9 15 21

0.001521 0.001525 0.001551 0.001555

6.81 6.83 6.84 6.84

0.13 0.12 0.11 0.11

6.2. Mermeladas Las mermeladas son un alimento de consistencia pastosa o gelatinosa, obtenida por cocción y concentración de frutas, pues las sustancias necesarias para la fabricación de mermeladas son la fruta, pectina, agua y azúcar. Según estudios, estudios, un investigador realizó una evaluación de comportamiento reológico a tres tipos de mermeladas mermeladas de centros comerciales con diferentes porcentajes de azucares, de las cuales sus propiedades reológicas las obtuvo en función de la temperatura.


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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química Se concluyó que generalmente las mermeladas presentan un comportamiento tixotrópico debido a la recuperación estructural interna, con comportamiento Pseudoplásticos.

6.3. Salsas o Pastas Las salsas son una mezcla liquida de ingredientes (fríos o calientes), de la cual el investigador Lozada en 2012 analizo las propiedades reologicas de las salsas de tomate, en donde el comportamiento reologico de las salsas lo determinó en función de la modificación de las velocidades de corte a temperatura constante. Después de ciertas operaciones, se determinó que la salsa de tomate muestra u comportamiento reologico tixotrópico ya que la viscosidad aparente disminuye al transcurrir el tiempo.

RECUERDA En la industria alimentaria es necesario conocer las condiciones a las cuales se debe procesar un alimento, y la ciencia de la reología juega un papel muy importante, ya que participa en la obtención de parámetros reológicos como la viscosidad, plasticidad, esfuerzo, velocidad de corte, asimismo permite identificar el tipo de fluido y la forma de comportamiento que tendrá durante el proceso.

Cada alimento tiene características reológicas, basado en un un estud estudio io ex eri erime menta ntal. l.

6.4. Mieles La viscosidad, como una de las propiedades físicas muy importantes y característicos de la miel, se les denomina cuerpo de la miel a su consistencia o lentitud con la que fluye la miel sobre un recipiente; de donde se habla de una miel espesa de buen cuerpo cuando este tiene una viscosidad elevada, y por el contrario cuando tiene su viscosidad baja se hace referencia a una miel delgada que fluye tan fácilmente como el agua.


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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química Hay que tener en cuenta que la viscosidad de la miel es afectada por la temperatura, y que la miel se mezcla fácilmente cuando su viscosidad se ve disminuida, de manera que si la miel es calentada bajará su viscosidad y será más fácil de mezclar. Se tiene que tener en claro que cuando se calienta la miel la mayor disminución en la viscosidad tiene lugar en los 38 ºC y a más de 49 ºC, la disminución de la viscosidad es muy pequeña con relación al aumento de la temperatura, de modo que no se logra ninguna ventaja calentando. Por tal razón, se puede determinar que la miel es un fluido newtoniano ya que su viscosidad no es constante pues varia con respecto a la variación de su temperatura. La viscosidad de la miel disminuye rápidamente a medida que aumenta su temperatura. El 1% de humedad es equivalente a aproximadamente 3,5 °C en su efecto sobre la viscosidad provocando la notable baja en su viscosidad, con ello se puede afirmar que la composición de la miel influye claramente sobre su viscosidad, siendo la humedad su mayor influyente. La viscosidad se puede ajustar para adaptarse a cualquier sistema de suministro de fabricación. En la miel se pueden encontrar un cierto porcentaje de cuerpos denominados dextrinas que cuando su cantidad es elevada la viscosidad de la miel se ve afectada siendo está más viscosa. Para la comercialización o consumo de las mieles se deben de tener conocimiento de la consistencia de dicho fluido, viscosidad o cristalización parcial o total, observándose un color pardo oscuro, con aromas y sabores característicos de la miel.

7. Conclusiones Como conclusión del presente trabajo sobre la aplicación de fluidos newtonianos y no newtonianos en la industria alimentaria, podemos decir que todos nuestros alimentos que ingerimos están basados mediante aplicación de diferentes teorías, desde los más pequeños hasta los más complejos, es así que los fluidos también forman parte de ellos, siendo estos los más utilizados


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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química ya que en la producción producción son ellos los que que

son acondicionados acondicionados mediante mediante

aplicación de diversos parámetros para dejar fluir sus propiedades físicas y químicas. Este estudio nos permite reconocer en los productos alimenticios de uso cotidiano el comportamiento que presenta y que a simple vista lo podemos observar, cuestionándonos el “porqué de su espesor”, esto es to nos va a posibilitar el cálculo de fuerzas del cual se ha de someter influyendo parámetros como la temperatura, presión, velocidad, viscosidad, etc. El conocimiento de dicha fuerza cizalla nos permitirá en un futuro determina los tipos de bombas a utilizar, el material a recubrir las tuberías, si es el caso de una industria alimentaria y su respectivo proceso. Por tanto muchos muchos productos productos lácteos, lácteos, jugos, pastas, miel, etc,

cumplen con con

estos fluidos y son estudiados a lo largo de su proceso para poder identificar de manera concreta su comportamiento relacionándolos con el tema tratado, teniendo la reología como el estudio de dichos fluidos que hasta la actualidad se viene realizando.

8. Bibliografía 

Sharma, Mulvaney, Rizvi. 2003. Ingeniería de Alimentos. Operaciones Alimentos. Operaciones unitarias y prácticas de laboratorio. Ithaca, Nueva York. Editorial limusa Wiley.



Robert L. Mott.1996. Mecánica de Fluidos Aplicada. Aplicada. Universidad de Dayton. Editorial Pearson.

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Francisco de Miranda. Reología. Universidad Reología. Universidad Nacional Experimental.



Importancia de la Reología del chocolate fundido. Huancayo, Perú.


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Aplicación de Los Fluidos Newtonianos y No Newtonianos en La Industria Alimentaria

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