Propiedades Reológicas de los Alimentos y su Comportamiento de Flujo

Introducción a la reología en la industria alimentaria

La reología es el estudio de las relaciones entre el esfuerzo y la deformación de los materiales. En muchas operaciones de la industria alimentaria, se requiere conocer las propiedades reológicas del fluido bajo tratamiento. Durante dichas operaciones, estas propiedades pueden variar considerablemente.

Esto ocurre principalmente en procesos que implican calentamiento, enfriamiento, homogeneización y concentración, así como en fermentaciones industriales. Estas variaciones de las propiedades reológicas son, a menudo, muy importantes para el control de calidad.

Definición de alimentos fluidos

Se consideran alimentos fluidos a aquellos que fluyen bajo la acción de la gravedad y no retienen su forma de manera autónoma.

Algunos de estos alimentos, tales como los helados de crema, existen como sólidos a una temperatura y como líquidos a otra. Otros alimentos, como las salsas de tomate, alimentos para bebés y algunas sopas, son suspensiones de materia sólida en un medio fluido. Cuando las gotas de líquido están dispersas en un medio fluido, se denominan emulsiones (ejemplos: leche y mezclas de helados de crema).

Los alimentos muestran comportamientos de flujo que varían desde newtonianos hasta no newtonianos, dependiendo de su origen, concentración e historia previa.

Esfuerzo de cizalla y gradiente (tasa) de deformación

Cuando se aplica una fuerza cizallante a un fluido, se origina en este una deformación. La tensión de cizalla (σ) a la que el fluido está sometido viene dada por la siguiente relación:

fuerza (F)

σ = (Pa)

área (A)

Fluidos Newtonianos

Para los fluidos newtonianos, existe una relación lineal entre el esfuerzo de cizalla (también denominado tensión de cizalla o esfuerzo de corte) y el gradiente de deformación (γ). En este caso, la viscosidad (μ) se define como:

σ

μ = (Pa·s)

γ

Fluidos No Newtonianos

En los fluidos no newtonianos, existe una relación no lineal entre la tensión de cizalla y el gradiente de la deformación. De este modo, la viscosidad (llamada viscosidad aparente η_aparente) de estos fluidos cambia a medida que el gradiente de deformación varía.

Se define la viscosidad aparente (η_aparente) como:

σ

η_aparente =

γ

Esta viscosidad depende de una serie de factores críticos:

• Naturaleza de la fase continua y dispersa.
• Interacciones partícula-partícula y partícula-solvente.
• Concentración de partículas, su forma, tamaño y composición química.

Medición del comportamiento en fluidos no newtonianos

Reómetro de cilindros coaxiales

Un reómetro de cilindros coaxiales consta de dos cilindros con un estrecho espacio entre ellos. Uno de los cilindros (interno o externo) está unido a un motor de velocidad variable. El fluido cuyas propiedades reológicas se quieren medir se coloca en el anillo formado por los dos cilindros.

Cuando este cilindro gira, se establece un gradiente de velocidad y el fluido transmite un torque (momento) al segundo cilindro. El fluido se caracteriza en términos del torque (en relación al esfuerzo de cizalla) y la velocidad angular.

Para mantener la velocidad rotacional constante, el torque externo resulta del torque ejercido por el fluido:

Torque = Fuerza × distancia (N·m)

Torque medido = Torque opuesto al movimiento

Donde M es el torque externo (N·m) medido por el instrumento, necesario para mantener la velocidad angular Ω constante:

Ω = (2π · N) / 60

En donde N = rpm.

La ecuación de Margules

Para el cálculo de la viscosidad, se utiliza la ecuación de Margules:

M / (4π · μ · h) [ (1 / R_b²) - (1 / R_c²) ]

Donde:

• M: Torque medido por el instrumento (N·m).
• μ: Viscosidad medida por el instrumento (cP).
• h: Altura del líquido en contacto con la pared del husillo (m).
• R_b: Radio del husillo (m).
• R_c: Radio interno del recipiente contenedor (m).