Facultad de Ingeniería

Química

Tema: Esfuerzo Cortante En La Ing. De Alimentos

Curso: Fenómeno de Transporte

Alumno: Paricahua Mamani, Jorge Luis

Ciclo: V

2010

Aplicación del esfuerzo cortante en la ingeniería de alimentos

A mis padres que sin su Apoyo no estaría logrando

Nada En esta vida.

INTRODUCCIÓN

Muchos alimentos incluyen en su composición una matriz sólida más o menos elástica y una fase líquida que aporta un elemento viscoso a la estructura total. Estos alimentos presentan un comportamiento reológico que combina características propias de los sólidos elásticos y de los líquidos, y se denomina visco elástico [5]. El conocimiento de las propiedades visco elásticas es muy útil en el diseño y predicción de la estabilidad de muestras almacenadas.

Para un sistema disperso, como es el caso de derivados líquidos de frutas, que fluye con característica no newtoniana el cambio estructural es inmediato y no detectable.

En general los alimentos visco elásticos no exhiben un comportamiento lineal y para el estudio de la visco elasticidad deben definirse las condiciones experimentales para que se establezcan las relaciones entre las variables esfuerzo, deformación y tiempo, de manera que se mantenga la linealidad de respuesta visco elástica. A través del crecimiento del esfuerzo se puede caracterizar la visco elasticidad de los alimentos mediante el estudio de la variación del esfuerzo cortante con el tiempo a una velocidad de deformación fija hasta alcanzar un equilibrio. Esta técnica es semejante a la caracterización tixotrópica y el análisis comparativo de los reo gramas obtenidos permite una caracterización práctica de los ensayos.

También se puede caracterizar mediante la relajación del esfuerzo, donde se aplica en el alimento una deformación en cizalla simple y se observa la variación del esfuerzo con el tiempo de cizalla Otra forma de caracterizar la visco elasticidad de los fluidos alimenticios es mediante los ensayos reo lógicos dinámicos donde se aplica de forma oscilatoria una pequeña deformación o velocidad de deformación sobre un fluido y la amplitud de la respuesta del esfuerzo cortante y del ángulo de fase entre el esfuerzo cortante y la deformación se mide. Este ensayo corresponderá al estado de visco elasticidad lineal si el esfuerzo es linealmente proporcional a la deformación aplicada y si la respuesta del esfuerzo es en forma de una onda sinusoidal.

Esfuerzo cortante:

El esfuerzo cortante, de corte, de cizalla o de cortadura es el esfuerzo interno o resultante de las tensiones paralelas a la sección transversal de un prisma mecánico como por ejemplo una viga o un pilar. Este tipo de solicitación formado por tensiones paralelas está directamente asociado a la tensión cortante.

Características organolépticas

Para el consumidor, los atributos más importantes de los alimentos los constituyen susCaracterísticas organolépticas (textura, bouquet, aroma, forma y color). Son éstas las que determinan lasPreferencias individuales por determinados productos. Pequeñas diferencias entre las característicasOrganolépticas de productos semejantes de marcas distintas son a veces determinantes de su grado de aceptación.Las características organolépticas son las siguientes:

1. Textura:Es una sensación subjetiva provocada por el comportamiento mecánico y reológico del alimento durante la masticación y l deglución.En la siguiente tabla se resumen los atributos de textura de los alimentos.

La textura de los alimentos se halla principalmente determinada por el contenido en agua y grasay por los tipos y proporciones relativas de algunas proteínas y carbohidratos estructurales (celulosa, Almidones y diversas pectinas). Los cambios en la textura están producidos por la pérdida de agua o grasa,La formación o rotura de las emulsiones, la hidrólisis de los carbohidratos poliméricos y la coagulación o hidrólisis de las proteínas.

2. Sabor, bouquet y aroma:Los atributos básicos del sabor son:

• Dulzor• Amargor• Acidez

Estos atributos se hallan esencialmente determinados por la composición del alimento y no suele afectarles el proceso de elaboración. Constituyen una excepción los cambios provocados por la respiración metabólica de los alimentos frescos y los cambios en acidez y dulzor que pueden producirse durante la fermentación.La sensación básica de sabor se encuentra fuertemente matizada por la presencia deInnumerables compuestos complejos de naturaleza orgánica.Los alimentos frescos contienen mezclas complejas de componentes volátiles que impartenBouquet y aromas característicos. Durante el proceso de elaboración estos componentes pueden llegara perderse reduciéndose entonces la intensidad del bouquet o destacándose otros componentes de éste y del aroma.También se producen, por acción del calor, las radiaciones ionizantes, la oxidación, o la actividadDe los enzimas sobre las proteínas grasas o carbohidratos, componentes aromáticos volátiles diversos.Algunos ejemplos de este fenómeno son la ya comentada reacción de Maillard, que tiene lugar entreaminoácidos y azúcares reductores, o la que se produce entre los grupos carboxílicos y los productos de la degradación de los lípidos, o la hidrólisis de los lípidos a ácidos grasos y su posterior transformación en aldehídos, ásteres y alcoholes.El aroma de los alimentos se halla determinado por una compleja combinación de centenares de Compuestos, algunos de los cuales actúan de forma sinérgica.

3. Color:Muchos de los pigmentos naturales de los alimentos se destruyen durante el tratamiento térmico, por transformaciones químicas que tienen lugar como consecuencia de cambios en el pH, o por oxidaciones durante el almacenamiento (ver tabla). Como consecuencia de ello, el alimento elaborado pierde su color característico y por tanto, parte de su valor. Los pigmentos sintéticos son más estables, por lo que a menudo se agregan al alimento antes de la elaboración.El color es el atributo percibido inicialmente por el consumidor y por tanto fundamental en laElección, por lo que su preservación es objeto de mucho cuidado para que el alimento tenga el color que el consumidor espera, que no es siempre el natural. Por ejemplo, algunas mermeladas como la de fresa o ciruela adquieren un color pardo durante el tratamiento térmico, que ha de ser modificado por diversas formas. Otro ejemplo es la mi globina de la carne, que expuesta al oxígeno adquiere el característico color rojo, mientras que en atmósferas pobres en oxígeno se vuelve parda, dando un aspecto mucho menos atractivo. Para impedir los efectos favorecedores de la proliferación de microorganismos de una atmósfera rica en oxígeno, se puede envasar la carne en presencia de una pequeña cantidad de monóxido de carbono (CO) que se une a la mi globina con más fuerza que el oxígeno dando un color rojo muy vivo.

2 .Propiedades físicas:

2.1 Conductividad:

La conductividad es una propiedad esencial para determinar la cinética de penetración del calor en cuerpos sólidos, además de otros muchos problemas de transmisión del calor. Esta propiedad se en cuentra extensamente tabulada en la bibliografía para muchos alimentos. Sin embargo es conveniente a menudo poder obtenerla de la composición del alimento. A continuación se presentan algunas correlaciones:La mayoría de los alimentos tienen un contenido en agua tan elevado que las propiedades delAlimento se acercan mucho a las del agua. Las siguientes correlaciones predicen k de la gran mayoría de alimentos (de todos los listados en la tabla) dentro de un 15% de error.• Para el agua a 20ºC

kH2O = 0,597 W m-2 ºC-1

• Para frutas y vegetales con contenido en agua superior al 60%

k = 0,148 + 0,00493 xH2O

• Para carnes con contenido en agua entre el 60 al 80%

k = 0,08 + 0,0052 xH2O

• Para cualquier alimento

k = 0,25 xHC + 0,155 xP + 0,16 xGR +0,135 xCZ + 0,48 xH2O

(Todas en W m-2 ºC-1)

Donde xHC , xP , xGR , xCZ y xH2O representan las fracciones másicas de hidratos de carbono,Proteínas, grasas, cenizas y agua, respectivamente.La composición de algunos alimentos se expone en la siguiente tabla.

2.2 Capacidad calorífica:

Necesarios para calcular cambios de entalpía a temperatura constante. De nuevo, puedenObtenerse de manuales de referencia para la mayoría de los alimentos. En el caso de alimentosCompuestos, pueden usarse las siguientes correlaciones basadas en su composición• Para carnes, pescados frutas y verduras con contenido en agua superior al 50%

Cp = 1,675 + 0,025 xH2O

• Para cualquier alimento de composición conocida

Cp = 1,424 xHC + 1,549 xP + 1,675 xGR +0,847 xCZ + 4,187 xH2O

(ambas en kJ kg-1 ºC-1)

2.3 Calores latentes y cambios de fase:

Durante el procesado de los alimentos ocurren con frecuencia cambios de fase cuyosRequerimientos se han de prever en los intercambios energéticos del proceso. El cambio de fase m importante en términos energéticos es el de la congelación y vaporización del agua contenida en los alimentos, pero también tienen importancia cambios de fase en el procesado de grasas como la manteca de cacao en la fabricación del chocolate.Los datos importantes de un cambio de fase son la temperatura a la que tiene lugar (o intervalo de temperaturas) y el cambio de entalpía.

3.Reología de alimentos. Modelos reo lógicos para alimentos.

Como vd. Ya sabe, la reología puede definirse como el ámbito de la ciencia que estudia ladeformación y el flujo de materiales causadas por la aplicación de un esfuerzo. El comportamientoreológico de los alimentos es muy complejo y a la vez desempeña un papel muy importante en muchos Sistemas de proceso.Las necesidades de conocer la reología en la industria de los alimentos son múltiples. Entre otra se pueden citar:

• Diseño de tuberías y selección de bombas

• Diseño y análisis de equipos de extrusión

• Selección y operación de equipos de mezclado

• Diseño y operación de cambiadores de calor

• Procesos en los que se realizan recubrimientos

• Selección de envases

El modelo reológico, que relaciona el esfuerzo aplicado con la velocidad de corte, es la baseTeórico para resolver los problemas expuestos.

3.1 Tipos de comportamiento esfuerzo-deformación en los alimentos:

Es evidente de la experiencia común, que los alimentos reaccionan de forma muy diferente ante la aplicación de un esfuerzo. Unos son sólidos duros y se rompen bruscamente ante un esfuerzo elevado, como el turrón. Otros sólidos se deforman para acabar rompiendose, como la gelatina (en realidad la mayoría de los alimentos sólidos tienen este comportamiento). Otros, sin embargo, fluyen de diversas formas, como la leche, mayonesa, purés o masa del pan, requiriendo o no superar un nivel de esfuerzo inicial frente al que pueden o no deformarse antes de fluir.Para algunos, como la mantequilla, es incluso difícil discernir si se trata de un sólido o de unFluido. La siguiente figura da una clasificación general de los comportamientos posibles.

Sólidos elásticos:

Los alimentos sólidos son aquellos que no fluyen ante un esfuerzo, sino que se deforman y se acaban rompiendo. Los sólidos rígidos se rompen sin deformarse. Hay diferentes tipos de deformaciones.Veamos la elongación y la deformación.La elongación viene causada por la aplicación de una tensión sobre la superficie que se deforma.La siguiente figura muestra un paralelepípedo sometido a una tensión σ, frecuentemente expresada comoFuerza por unidad de sección inicial. El material, de una longitud inicial Lo, se e longa δ

Puesto que δL depende de Lo, resulta conveniente definirlo de una forma más general. Así, seSiendo L = Lo + δL, se puede definir la elongación como

La deformación cortante es causada por un esfuerzo aplicado sobre una superficie diferente de la que se deforma. Se representa en la siguiente figura.

en este caso, la fuerza es perpendicularmente aplicada sobre la superficie. La deformación puede tener lugar en cualquier sentido.La deformación concreta viene dada, en general, por el tensor de elasticidad

Esfuerzo interno

Representación gráfica de las tensiones o componentes del tensor tensión en un punto de un cuerpo.

En ingeniería estructural, los esfuerzos internos son magnitudes físicas con unidades de fuerza sobre área utilizadas en el cálculo de piezas prismáticas como vigas o pilares y también en el cálculo de placas y láminas.

Tensión cortante

La tensión cortante o tensión de corte es aquella que, fijado un plano, actúa tangente al

mismo. Se suele representar con la letra griega tau . En piezas prismáticas, las tensiones cortantes aparecen en caso de aplicación de un esfuerzo cortante o bien de un momento torsor.1 2

En piezas alargadas, como vigas y pilares, el plano de referencia suele ser un paralelo a la sección transversal (i.e., uno perpendicular al eje longitudinal). A diferencia del esfuerzo normal, es más difícil de apreciar en las vigas ya que su efecto es menos.

3.1.2 Fluidos.

Se caracterizan porque sus elementos se desplazan uno respecto a otro ante la aparición de unEsfuerzo.

El desplazamiento (concretamente, el perfil de velocidad) para un nivel de esfuerzo aplicadoPuede variar de muchas formas. El perfil de velocidad puede ser o no proporcional al esfuerzo.

Esfuerzo cortante: σ

Es la fuerza por unidad de área aplicada paralelamente al desplazamiento (cortante).Tiene unidades de fuerza dividido por superficie, en el SI se mide en N m-2. Es homogéneo con la Unidad de presión, Pa, aunque hay que recordar que a diferencia de ésta, el esfuerzo cortante es una magnitud vectorial.El esfuerzo cortante es una magnitud microscópica ya que cambia en cada punto del perfil deVelocidades.

Velocidad de corte: γ

El esfuerzo cortante provoca el desplazamiento ordenado de los elementos del fluido, que alcanzan unas velocidades relativas estacionarias que denotaremos V(x). La velocidad de corte se define como el gradiente (velocidad espacial de cambio) del perfil de velocidades dxγ = dV .Las velocidad de corte se mide en tiempo-1.Aunque a menudo sólo se representa una componente, γ es una magnitud vectorial.

Viscosidad aparente: η

Mide la facilidad que tiene una determinada sustancia para fluir ante la aplicación de un esfuerzo cortante en unas determinadas condiciones.Se define como el ratio entre esfuerzo cortante y velocidad de corte

η =

Se mide en kg m-1 s-1. La unidad clásica es el Poise y la más comúnmente usada es el cent poisecp.Los fluidos Newtonianos son los de comportamiento más sencillo al presentar una viscosidadAparente constante (a T=cte) e independiente des esfuerzo de corte y de la velocidad de corte.

3.2 Modelos reológicos para alimentos fluidos:

La descripción precisa del flujo, necesaria para el diseño de sistemas de bombeo, tuberías, requiere una ecuación que exprese la relación entre σ y γ en cualquier punto.

• Los fluidos Newtonianos muestran una relación lineal entre σ y γ. En este casoσ = μ ⋅γ , donde μ es la “viscosidad verdadera”

• Los fluidos psudoplasticos y dilatantes muestran una relación no lineal entre σ y γ queen ambos casos se representa por la “ley de la potencia”σ = K ⋅γ n .K y n son parámetros del modelo de flujo. K se denomina “índice deConsistencia” mientras que n es el “índice de flujo”. Para los fluidos pseudoplásticos seCumple que n<1 mientras que n>1 ocurre para los dilatantes.La ley de la potencia representa al fluido newtoniano cuando n=1.

• Los “plásticos de Bingham” requieren la aplicación de un esfuerzo mínimo antes deEmpezar a fluir, por lo que se representan bien porσ =σ + μ ⋅γ o

Donde σ0 es el esfuerzo de corte necesario para iniciar el flujo.

• Finalmente, los plásticos generales o de Herschel-Bulkley representan unComportamiento más general que engloba al de todos los anteriores con la ecuaciónn

o σ =σ + K ⋅γA continuación se muestran algunos alimentos con los diferentes tipos de flujo.