MEZCLA DE SOLIDOS I.
RESUMEN
En el presente proyecto se determinó el tiempo óptimo de mezclado de polvos en base al número de volteos en una probeta como son el almidón, azúcar impalpable y azúcar rubia trabajando a una concentración del 50% con una proporción del 150g: 150g. Posteriormente se midió en el refractómetro los ºBrix de la parte baja, media y alta para graficar curvas del coeficiente de varianza y desviación estándar contra el numero de volteos. Los resultados indicaron que la mayor cantidad de solidos solubles se encontraba en la parte baja de la probeta, en donde la que se disolvió mas rápidamente fue la azúcar impalpable en comparación del azúcar morena en donde influyeron factores tales como la homogeneidad de las muestras, densidad y proporción. II.
INTRODUCCION
1. El Mezclado
La operación unitaria de mezclado en la Industria sirve para conseguir una distribución lo más homogénea posible de dos o más sustancias (principios activos y coadyuvantes). El mezclado es un proceso que implica la interposición de dos o más componentes separados para formar un producto homogéneo, donde cada partícula de cualquiera de los ingredientes esté lo más cerca posible de otra partícula de un ingrediente diferente. Mezcla es una distribución al azar de dos dos o más fases inicialmente separadas. separadas. El término mezcla o mezclado se aplica a una gran variedad de operaciones que difieren ampliamente en el grado de homogeneidad del material mezclado Los mezcladores para polvos secos comprenden máquinas que se utilizan también t ambién para pastas duras y otras que están restringidas restringidas para polvos polvos que fluyen libremente. Para que que puedan mezclarse mezclarse polvos sus sus partículas han han de moverse unas con respecto respecto a otras y lo hacen por tres mecanismos principales: convección, deslizamiento y difusión. Las mezcladoras más eficientes inducen el mezclado por convección, corte y difusión, por consiguiente consiguiente el mezclado se considera una operación operación aleatoria de desplazamiento, desplazamiento, en la que intervienen grupos de partículas grandes y pequeñas y hasta partículas individuales. En los polvos hay que que tener en cuenta la adhesividad adhesividad o la tendencia a deslizarse de las partículas, entre otros factores La segregación que tiene lugar en los sólidos que fluyen libremente suele producirse por diferencias en el tamaño de las partículas, densidad densidad y forma. Uno de los principales problemas que se presenta en el mezclado de polvos es la segregación. Ésta es la tendencia a la separación de los componentes de la mezcla y las causas principales son: diferencias en el tamaño, densidad y forma de las partículas.
Cuando hay que mezclar dos sólidos, hay que vencer estas tendencias separadoras naturales y esto se realiza invariablemente por algún medio que levante el material desde el fondo hasta la parte superior de la masa, llenándose por gravedad, desde arriba, los huecos resultantes. Al mismo tiempo, el elemento mezclador tiene que producir también un transporte horizontal por lo menos en dos sentidos opuestos. Los equipos más comunes para mezclar sólidos son: El mezclador con cinta helicoidal, el mezclador planetario, el mezclador de doble cono, etc. 2. El mezclado en los alimentos
El mezclado es una operación unitaria ampliamente utilizada en el procesamiento de alimentos. Es la operación mediante la cual se obtiene una distribución uniforme de dos o más componentes y es lograda por medios mecánicos. Además de la mezcla de componentes, el mezclado puede ser empleado con otros fines: - Realización de trabajo mecánico (amasado de masas de panadería). - Promoción de la transferencia de calor (congelación de helados). - Promoción de la transferencia de masa (lixiviación de componentes). - Promoción de reacciones químicas y biológicas (fermentación). El mezclado ejerce un importante efecto sobre las propiedades funcionales y las características sensoriales de los alimentos Por ejemplo, en las masas de panadería, durante el mezclado y amasado se facilita la formación de enlaces de hidrógeno y disulfuro responsables de la estructura y consistencia del gluten, a la que se debe la característica textura del pan. El mezclado es sumamente importante cuando se trata de la elaboración de algunos alimentos en los que la concentración de sus diversos componentes debe cumplir con normas o legislación Por ejemplo, en mezclas de vegetales; en salchichas, jamones y otros productos cárnicos; en productos fortificados con vitaminas y/o minerales, etc.
3. Mezclado de alimentos secos
Cada ingrediente, posee propiedades físicas que afectan su capacidad para ser mezclado con otros ingredientes. Entre las propiedades que más importancia tienen durante el mezclado de alimentos secos se pueden mencionar: Tamaño de partícula. - Densidad. - Forma y características de superficie. - Higroscopicidad. - Adhesividad. - Susceptibilidad a cargas electrostáticas.
El tamaño de partícula es el factor que más influye sobre el mezclado uniforme de los alimentos secos. Teóricamente si todos los ingredientes tuvieran el mismo tamaño de partícula, sería muy fácil mezclarlos y no ocurriría segregación. En diversos estudios se ha demostrado que conforme se incrementa el tamaño de las partículas, se requiere más tiempo para obtener un mezclado uniforme (con menos de un 10 % de coeficiente de variación entre muestras); sin embargo, en la práctica es necesario mezclar partículas con un amplio rango de tamaños.
Por lo general se consiguen mezclas más uniformes con aquellos productos cuyo tamaño, forma y densidad son semejantes Diferencias excesivamente grandes en estas características pueden incluso impedir su mezcla. La homogeneidad en el mezclado es tanto más difícil de conseguir cuanto más diferentes son las cantidades de cada componente. El componente que se encuentra en menor proporción, es el más difícil de homogeneizar.
La uniformidad del producto final depende principalmente de: -Tipo de mezcladora empleada -Condiciones del mezclado (velocidad, temperatura, tiempo) -Composición del alimento. Con algunas mezclas, después de que inicialmente se consigue una uniformidad en el mezclado, ésta se rompe y los productos comienzan a separarse (segregación). En estos casos es de suma importancia controlar con exactitud el tiempo de mezclado. 4. Segregación de los ingredientes de una mezcla
Segregación: Tendencia a la separación de los componentes de una mezcla. Las principales causas principales de la segregación son: - Diferencias en el tamaño de los componentes. - Diferencias en la densidad de los componentes. - Forma de las partículas. - Realizar un Sobre-Mezclado. 5. Tiempo de mezclado
La homogeneidad de una mezcla depende del tiempo de mezclado. La homogeneidad no aumenta indefinidamente con el tiempo, sino que existe un tiempo de mezclado óptimo. Esto se debe a que durante el proceso de mezcla compiten mecanismos de mezclado y desmezclado o segregación de los componentes. 6. Criterio de eficacia del mezclado
El rendimiento de un mezclador industrial se juzga por el tiempo de mezclado requerido, la potencia empleada, y las propiedades del producto. Tanto los requisitos del aparato mezclador como las propiedades deseadas del material mezclado varían ampliamente de un problema a otro. A veces se requiere un grado muy elevado de uniformidad, otras una acción de mezclado rápido; en otras ocasiones un gasto de energía mínimo. El grado de uniformidad de un producto de mezclado, medido por el análisis de un cierto número de muestras puntuales, es una medida cuantitativa adecuada de la eficacia de mezclado. Las mezcladoras actúan sobre dos o más materiales separados para entremezclarlos, casi siempre al azar uno dentro del otro.
Basándose en estos conceptos se puede establecer un procedimiento estadístico para medir la eficacia del mezclado, mediante la desviación estándar. Considérese un material A al que se le adiciono otro material B. Tómese un número de pequeñas muestras al azar en varios sitios de la mezcla, y determínese la fracción del material base, Xi en cada una de ellas. Sea N el número de muestras y el valor medio de las concentraciones medidas.
Si la mezcla fuera perfecta y cada análisis fuera perfectamente exacto:
= .
Si el mezclado no es completo los valores diferentes X y su desviación típica sobre el valor medio es una medida de la calidad de la mezcla. Esta desviación estándar (S) se calcula de los resultados analíticos mediante la ecuación:
2 ̅ ∑ ( ) − = √ 1
Para determinar el índice de mezclado se relaciona la desviación estándar con el tiempo.
En esta curva se encuentra de acuerdo con la desviación estándar el tiempo de mezclado para tener un producto en sus condiciones óptimas de mezcla. En un mezclado ideal Xi = , cuando no se cumple con esta igualdad se gráfica S vs tiempo para buscar la mejor relación del mejor tiempo de mezclado.
El valor de S es una medida relativa del mezclado, válida sólo para una serie de ensayos con un material determinado en una mezcladora dada.
Existen varios métodos para encontrar la concentración de un material: a) Refractometría. En este método es necesario contar con la curva patrón de I R del material soluble. b) Otro de los métodos para encontrar la concentración es por medio del tamizado en el cual se tamiza una muestra de la mezcla y la concentración se obtiene dividiendo el peso del material trazador entre el peso de la muestra, de un mezclado se deben obtener mínimo 6 concentraciones. c) Titulaciones volumétricas. d) Espectrofotométricas, etc. Los datos característicos del mezclado son el porcentaje de un componente, el volumen total del componente, cantidad del componente en un tiempo de mezclado y velocidad de mezclado. III. MATERIALES Y METODOLODIA 1. Materiales
-
Probeta de 1000 ml. Almidón. Azúcar impalpable. Azúcar rubia. Refractómetro. Vasos de precipitación. Balanza analítica.
2. Metodología
-
-
Se toman muestras de la mezcla a diferente número de volteos durante la operación de mezclado. Las muestras se analizan para determinar la concentración de los componentes en ellas. Se define la concentración media final que se requiere en la mezcla (x), así como el coeficiente de variación Cv máximo que puede permitirse en esa mezcla, y con ellos se calcula el valor de Sx. Se calcula el valor de S 0. Se obtiene la Desviación Estándar de cada lote de muestras tomada en cada tiempo Se calculan los diferentes Índices de Mezclado de cada lote de muestras tomada en cada tiempo Se obtienen las gráficas de Cv y Sx contra el número de volteos la eficiencia del mezclado. Se calcula el tiempo óptimo de mezclado en base al número de volteos realizado.
MEZCLA DE AZUCAR IMPALPABLE Y ALMIDON °BRIX
RESULTADOS
VUELTAS
ALTA
MEDIA
BAJA
PROMEDIO
DES. STANDAR
COEF.VARIANZA
6
6
7,5
26
13,17
11,14
84,60204968
12
15
16
16,5
15,83
0,76
4,823763889
18
13,5
15
15,5
14,67
1,04
7,096588635
24
14,8
15,2
13
14,33
1,17
8,175998061
30
14,5
17
15
15,50
1,32
8,534681649
36
16
16,5
15
15,83
0,76
4,823763889
42
15
15,2
16
15,40
0,53
3,436040664
48
16
14,5
15
15,17
0,76
5,035797467
54
13,5
16
17
15,50
1,80
11,63081057
60
15
16
16,5
15,83
0,76
4,823763889
66
16
16,5
17
16,50
0,50
3,03030303
Tabla 3. Coeficiente de desviación estándar
y varianza hallados para la mezcla de azúcar impalpable y almidón.
MEZCLA DE AZUCAR MORENA Y ALMIDON VUELTAS
°BRIX
RESULTADOS
ALTA
MEDIA
BAJA
PROMEDIO
DESV STANDAR
COEF.VARIANZA
6
15,8
14,5
11,1
13,80
2,43
17,58646536
12
14
20,6
16,9
17,17
3,31
19,27031615
18
14,3
13,2
12,4
13,30
0,95
7,172475199
24
12,9
13
13,3
13,07
0,21
1,593111734
30
12,3
13,3
13,4
13,00
0,61
4,6790481
36
11,7
13,3
13,7
12,90
1,06
8,203880034
42
12
14
13
13,00
1,00
7,692307692
48
14
13,1
12,3
13,13
0,85
6,4758126
54
12,5
13,6
13,4
13,17
0,59
4,450226793
60
12,9
13,1
13,3
13,10
0,20
1,526717557
66
13,4
12,9
11,9
12,73
0,76
5,998135726
72
12,5
14,4
12,3
13,07
1,16
8,87007074
Tabla 4.
Coeficiente de desviación estándar y varianza hallados para la mezcla de azúcar morena y almidón.
Coef.Varianza y Des.Standar VS Nº volteos 90.00 80.00 70.00 r a d n a t s . v s e D y a z n a i r a v . f e o C
60.00 50.00 Series1
40.00
Series2
30.00 20.00 10.00 0.00 0
10
20
30
-10.00
40
50
60
70
Nº VOLTEOS
Grafico1. Coeficiente de varianza y
Desviación estándar contra Nº de volteos para mezcla de Azúcar impalpable y Almidón.
Coef.Varianza y Des.Standar VS Nº volteos 25.00
r 20.00 a d n a t s . v s 15.00 e D y a z n a i 10.00 r a v . f e o C
Series1 Series2
5.00
0.00 0
10
20
30
40
50
60
70
80
Nº VOLTEOS
Grafico2. Coeficiente de varianza y
Desviación estándar contra Nº de volteos para mezcla de Azúcar morena y Almidón.
V. DISCUSIONES
Para Bustamante (1999) el valor más bajo de la curva de desviación estándar representa el tiempo óptimo de mezclado, esto se debe que a partir de dicho intervalo de tiempo la mezcla tiende a disgregarse como consecuencia de las diferentes densidades que existen en la mezcla; así se puede observar en la gráfica 1 que para el caso de mezcla azúcar impalpable y almidón el tiempo de mezclado fue mucho menor a partir del volteo doce en el análisis de curva de la desviación estándar, esto es contraste con lo presentado en el grafico 2 donde se pudo observar que la mezcla azúcar morena y almidón muestran un tiempo óptimo de mezclado a partir del volteo veinte. En el caso del tiempo de mezclado según Wagner (1983) la homogeneidad de una mezcla depende del tiempo de mezclado. La homogeneidad no aumenta indefinidamente con el tiempo, sino que existe un tiempo de mezclado óptimo. Esto se debe a que durante el proceso de mezcla compiten mecanismos de mezclado y desmezclado o segregación de los componentes. Barrios (2012) menciona que lo ideal es que todas las partículas tengan un mismo tamaño, por lo tanto éstas se deben moler y tamizar antes de mezclar; sin embargo, el hecho de tener igual tamaño no implica que tengan la misma forma y se facilite el flujo. En general, los polvos con diámetro promedio menor a 100µm poseen poco flujo y dificultan el mezclado. Cuando se mezclan partículas con grandes de tamaños diferentes, se presenta el fenómeno de segregación depositándose los más pequeñas en el fondo del mezclador. Por otro lado la proporción trabajada ayudo bastante ya que las muestras de harina y azúcar se mezclaron una con otra rápidamente, es así que la proporción de cada componente influye ya que si la proporción de uno de los componentes es muy pequeña se hace difícil obtener buena homogeneidad, como ocurre en los fármacos, colorantes, aromatizantes y saborizantes. Aulton (2004). Finalmente también se pudo observar que en el caso de la mezcla azúcar morena y almidón esta precipitaba mucho más rápido en el tubo a diferencia de la trabajada con azúcar impalpable que se presentaban mayor tiempo suspendidas ya que para Santomaso (2005) cuando hay diferencias significativas entre las densidades de los componentes se produce segregación, a pesar de que todas las partículas sean del mismo tamaño, debido a que las partículas más densas se deslizan y caen en el fondo; si la diferencia de densidades ocurre entre partículas grandes, la separación se da por adhesión y fricción.
VI. CONCLUSONES
Se determinó el tiempo óptimo de mezclado en base al número de volteos, las curvas de las gráficas nos indicaron que para el caso trabajado con la mezcla almidón y azúcar impalpable resulto ser mucho más rápida que para con azúcar morena debido a factores tales como la cercanía en lo que refiere a tamaño de partícula, proporción y densidad, evitándose de esta manera el fenómeno de segregación de las muestras. Se comprobó que la mejor mezcla de producía en la parte baja de los tubos esto mediante la determinación de los ºBrix para los diversos tratamientos realizados. El coeficiente de varianza resulto ser menor al 10% a excepción de las dos primeras muestras de cada mezcla para los primeros seis volteos, dando a entender que para este lapso la mezcla no se produjo eficientemente, pasado este tiempo los coeficientes bajaron notoriamente por debajo del 10%. La calidad del concentrado está determinada por la homogeneidad de la mezcla. Cada planta determina el tiempo óptimo de mezclado dependiendo del tipo de alimento. Finalmente durante la práctica realizada lo que se buscó fue conocer el fundamento del uso del refractómetro y su aplicación en la determinación del índice de refracción (IR), como un método de análisis que permita determinar el contenido de sólidos solubles en la mezcla. Es por todas estas razones, además de otras como la facilidad de uso del refractómetro, el uso de poca muestra, la obtención de resultados al momento, etc. que el conocimiento de la Refractometría es de suma importancia al momento de analizar las mezclas en polvos de similares características.
VII. REFERENCIAS BILIOGRAFICAS
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Bustamante, M (1999) "bases fisicoquímicas de los sistemas dispersos". nacional. "iv congreso nacional de la asociación española de docentes de farmacia galénica". Santiago (1999). Wagner, J (1983) . Farmacocinética clínica. Editorial Reverte. Madrid, (1983). Aulton, Michael. Farmacia: Ciencia y diseño de formas farmacéuticas . 2a ed. Madrid: Elsevier; 2004. p. 196. Santomaso A., Olivi M., Canu P. Mixing kinetics of granular material in drums operated in rolling and cataracting regime . Powder Technology 2005 Abr 29; 152(1-3): 41- 51. Barrios, K (2012). Evaluación de la homogeneidad del mezclado de polvos en un cilindro rotatorio bajo los regímenes rodante y cascada . Universidad de Cartagena. Cartagena (2012). Ortiz, C. (2005) Desarrollo y aplicación de un protocolo de calificación de equipos mezcladores en una industria . Tesis Q.F. Universidad de Chile. Arias A. O. (2003). Cambio tecnológico en la calibración de granulados para compresión. Tesis Q.F. Valparaíso. Universidad de Valparaíso. North, M; Bell, D. 1993. Manual de producción avícola: fundamentos de la alimentación. 3 ed. Ed. El Manual Moderno, S.A. México, D. F. 554 p.
