EVALUACIÓN DE PROTOTIPO DE MEZCLADOR EN “V” PARA SÓLIDOS SECOS LIGEROS, MEDIANTE LA TECNICA ÍNDICE DE

MEZCLA

Julio Cesar Luna Ramírez1*, Mariela Buriticá Cabrera2, y Juan Carlos Barrera

Perdomo3

1 Universidad del Quindío, Ingeniería de Alimentos, Armenia Quindío. 2, 3 Universidad de la Amazonia, Ingeniería de Alimentos, Florencia

Caquetá. jcluna@uniquindio.edu.co

RESUMEN

Al realizar la evaluación de la eficiencia del prototipo mezclador en V (tambores gemelos), permitió conocer el comportamiento de la mezcla de colorantes, en azúcar, por medio del método índice de mezcla en función del tiempo, se determinó la longitud de onda de cada colorante, azul, rojo y rojo escarlata, 625 nm, 507 nm, 540 nm respectivamente, posteriormente se tomó como base la curva de calibración para determinar las lecturas en diferentes concentraciones. Se realizaron ensayos para cada color, tomando muestras de un (1) gramo de producto mezclado en diferentes intervalos de tiempo, a cada lado del mezclador. De acuerdo a los resultados se encontró que para una mezcla azúcar-colorante el tiempo promedio de mezcla es de tres minutos. Palabras claves: Mezclado de polvos, índice de mezcla, mezclador en V, colorantes, tiempo de mezcla.

ABSTRACT

By measuring the efficiency of the mixer prototype V (twin shell drums), it was possible to know the behavior of the behavior of the dye mix in sugar, using the index mixing method versus time. The wavelength of each dye, blue, red and scarlet red, 625 nm, 507 nm, 540 nm respectively was measured and it was used as a calibration curve to determine the readings at different concentrations. Trials were done for each color, taking samples of one (1) gram in different time intervals, two at each side of the mixer. It was found that the average mixing time for a sugar-dye mixture is three minutes. Keywords: Mixed powder, mix index, mixer in V, coloring, mixing time.

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 40

I. INTRODUCCIÓN

El mezclado consiste en la dispersión de unos componentes entre otros. Se presenta en innumerables casos en la industria alimentaria (Earle, 1998). En la práctica industrial la prueba de un mezclador reside en las propiedades finales del material mezclado. Este proceso es uno de los más relevantes y fundamentales ya que implican la interposición de dos o más componentes separados para formar un producto más o menos uniforme (McCabe, et al., 1991).

Conocer los fundamentos del proceso de mezclado y los tipos básicos de mezcladoras permite optimizar la fabricación y la formulación de producto tales como refrescos, gelatinas, sopas, así como en la industria farmacéutica para la elaboración de medicamentos que requieran mezclar ingredientes en polvo. De allí la importancia de generar conocimientos básicos de este proceso mediante la construcción y fabricación.

Un tipo de equipo utilizado es el mezclador de sólidos en “V” el cual se caracteriza por la efectividad en su mezcla de 1 a 100.000 partes y su facilidad de limpieza. Se destaca por su rapidez, su amplia utilidad y gran precisión para mezclas de sólidos en polvo o granulado y con posibilidad de adición de líquidos hasta un máximo del 10%.

Conocer los fundamentos del proceso de mezclado y los tipos básicos de mezcladoras permite

optimizar la fabricación y la formulación de producto tales como refrescos, gelatinas, sopas, así como en la industria farmacéutica para la elaboración de medicamentos que requieran mezclar ingredientes en polvo. De allí la importancia de generar conocimientos básicos de este proceso mediante la construcción y fabricación.

A nivel global, el mezclado de polvos se puede clasificar en dos grupos. Uno involucra polvos de flujo libre y se caracteriza por el movimiento individual e independiente de las partículas que componen el lecho. El otro grupo incluye el mezclado de polvos de tipo cohesivo se distingue por fuerzas de interacción que le confieren al un comportamiento asociado a conglomeración de partícula y no a la presencia de entidades individuales (Cabrera et al., 2012) y el modelo difusivo se basan en el transporte de especies a lo largo del lecho gracias a la existencia de gradientes de concentración, siguiendo el comportamiento de la segunda ley de Fick (Treybal, 1988).

Wightman y Muzzio (1998), emplearon técnicas de solidificación y procesamiento de imágenes con las que caracterizaron y evaluaron el mezclado de polvos de tamaño uniforme en un cilindro, bajo el efecto de rotación y vaivén. Resultado una tendencias de mezclado muy lento para el efecto de rotación (descrito como un proceso dispersivo), mientras que, el efecto de vaivén (descrito como un proceso de fluctuación de la frontera libre del

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 41

polvo) mejoró notablemente la dinámica del proceso.

Chia-Yi & Xi-Yong (2004), establecieron un método para el etiquetado de materiales, que en conjunto con la tomografía computarizada de rayos x (XRCT, por sus siglas en inglés), mejoró y creó el apropiado contraste entre los componentes. Esta metodología permitió la caracterización del mezclado de micro-células en un mezclador en V.

A partir de los análisis los investigadores concluyeron que el tamaño de partícula y la configuración de carga inicial, alteran la eficiencia del mezclado, en especial las partículas de tamaño mayor y de configuración inicial de carga en capas, exhibieron una mejor eficiencia del mezclado que aquellas, de tamaño menor y de configuración inicial en columna.

La calidad de la mezcla es un parámetro característico a la hora de evaluar el proceso. Para determinar el tiempo de homogenización óptimo, es necesario medir la eficiencia de la mezcla en función del tiempo de mezclado. Tal eficiencia puede calcularse mediante el análisis de muestras recogidas durante el transcurso de la operación (Cabrera & López, 2012).

Wightman y Muzzio (1998), también analizaron el efecto de segregación en el mezclado de polvos. La configuración de tambor horizontal reveló, la evolución de complejos patrones de segregación. El movimiento rotacional produjo

mezclas segregativas y a velocidades mayores a 500 rpm, se observó la formación de un núcleo, de forma irregular constituido por componentes finos. El vaivén acelero el mezclado axial, creando una estructura bien dispersa para combinaciones de velocidad y frecuencia de vaivén, bien seleccionadas.

Análisis de muestras

La obtención de un pequeño volumen de una mezcla homogénea que pueda utilizarse para medida, requiere que la mezcla se produzca en toda su extensión. La composición de la mezcla cambia del estado inicial al final, y las medidas que se hagan deben reflejar este hecho.

El problema que se presenta es la

elección del tamaño de muestra a tomar. Eligiendo caso extremos, si la muestra es tan grande equivale a toda la mezcla, la composición de la muestra es directamente la composición media y por tanto no queda mezcla que hacer, mientras que si fuera posible tomar muestras de tamaño molecular, entonces cada muestra contendría solo uno u otros de los componentes en estado puro, y cualquiera que sea el grado de mezcla que se haga, no tendrá ningún efecto. (Earle, 1998).

La manera más satisfactoria de

medir la homogeneidad de la mezcla es utilizando el termino estadístico conocido por desviación estándar, que es la media de la suma de los cuadrados de las desviaciones respecto a la media; las desviaciones positivas o negativas son iguales y van creciendo progresivamente al aumentar el peso

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 42

de las desviaciones mayores, puesto que están elevadas al cuadrado.

Viene dada por:

(Earle, 1998).

Criterios de eficacia de un

mezclador: índice de mezcla

El funcionamiento de un mezclador se caracteriza de acuerdo con el tiempo que se requiere, la carga de energía y las propiedades del producto final. La relación entre el dispositivo de mezclado y las propiedades deseadas para el material mezclado varía ampliamente de un caso a otro. A veces se requiere un muy alto grado de uniformidad, otras una rápida acción de mezclado o, incluso, un consumo mínimo de energía (McCabe, et al., 1991).

El grado de uniformidad de un

producto mezclado, medido por el análisis de un número de muestras puntuales, es una medida válida de la eficacia del mezclado. Los mezcladores actúan sobre dos o más materiales separados para interponerlos, casi siempre, en una distribución al azar. Una vez que uno de los materiales está distribuido al azar en el otro, se puede considerar que la mezcla es completa (McCabe, et al., 1991).

La eficacia de un mezclador de sólidos se mide por un procedimiento estadístico muy parecido al utilizado para pastas. Se toma al azar muestras puntuales de la mezcla y se analizan. La desviación estándar en los análisis s con respecto a su valor

medio x se estima, como en el caso de las pastas, a partir de la ecuación

En los casos de sólidos granulares el índice de mezcla se basa, no en las condiciones para mezclado cero, sino sobre la desviación estándar que se observaría con una mezcla perfecta al azar. (McCabe, et al., 1991). Para cualquier tamaño dado de la muestra puntual existe una desviación estándar respecto a la mezcla de origen. Esta desviación

estándar σe viene dada por:

Para sólidos granulares el índice de

mezcla Is se define como σe/s. a partir de las ecuaciones (2 y 3) Is resulta ser:

Sólidos granulares antes de que comience el mezclado, y el índice de mezcla para mezclado cero se transforma en:

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 43

En el caso de los sólidos granulares el índice de mezcla se basa sobre la desviación estándar que se observaría con una mezcla perfecta al azar.

En la Figura 1, se muestran los resultados típicos de la mezcla de cristales de sal (NaCl) con arena de Ottawa en un pequeño mezclador de volteo. Durante los 40 primeros minutos el índice de mezcla Is, aumenta desde un valor muy bajo hasta aproximadamente 0,7, fluctúa durante algún tiempo entre 0,55 y 0,7 y después, para tiempos de mezclado muy largos, comienza a decaer estacionariamente. El

mezclado es inicialmente rápido, pero en este tipo de mezclador nunca es perfecto. Los ingredientes del mezclador nunca se mezclan en una forma completamente al azar. Siempre existen fuerzas, generalmente electrostáticas, que se oponen a la acción de mezclado de sólidos secos, y sus efectos son especialmente apreciables en este caso. Estas fuerzas evitan con frecuencia que se alcance un mezclado perfecto y, cuando el tiempo de mezclado es grande, pueden, tal como se muestra en la Figura 2, oponerse a la mezcla dando lugar a una segregación.

Figura 1. Mezclado sal y arena en un tambor de volteo (Según Weidenbaum y

Bonilla lo.) tomado de (McCabe, et al., 1991)

Para garantizar un eficiente

mezclado de las partículas sólidas, es necesario evitar la tendencia que presentan las partículas a segregar. Esto ocurre cuando en un sistema existen polvos con diferencias en sus propiedades físicas (tamaño de partícula, densidad, etc.); una vez inicia el proceso de mezclado, el

movimiento inducido ocasiona acumulación de las partículas más finas en la parte inferior de la mezcla Por el contrario, en el movimiento de gases y líquidos miscibles se alcanza la homogenización a gran escala, producto del flujo (convección) que facilita la difusión molecular. En el mezclado de partículas sólidas no es

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 44

posible alcanzar un grado superior al de la mezcla de fluido, ya que estos últimos tienden a mezclarse, mientras los polvos a segregarse (Kukova et al., 2009).

Este trabajo tuvo como objetivo principal, evaluar la eficiencia del prototipo de mezclador en V, construido por estudiantes de Ingeniería de alimentos de la Universidad de la Amazonia, con la asesoría de los docentes, Julio Cesar Luna Ramírez, Claudia Jiménez, Betselene Murcia y Emilio Méndez. La evaluación del equipo se realizó mediante la determinación del índice de mezcla y la capacidad de mezclado en función del tiempo; para establecer la homogeneidad de la mezcla se realizó un análisis estadístico de la dispersión del color en el azúcar.

II. MATERIALES Y MÉTODOS Materiales

Como material para los ensayos se utilizó azúcar Manuelita dispensante y como material a dispersar los colorantes comerciales, azul, rojo, rojo escarlata, comprados en Produquímicos en Florencia (Caquetá, Colombia). Como equipos para los ensayo se utilizaron o espectrofotómetro Genesys 5 para análisis de concentración y para la realización de las mezclas mezclador en V de conos gemelos; los conos gemelos son construido en acrílico y soporte en acero inoxidable 316 y motor de ¼ hp de 20 rpm (revoluciones por minuto). Este equipo fue construido por estudiantes de Ingeniería de alimentos de la

Universidad de la Amazonia, con la asesoría de los docentes, Julio Cesar Luna Ramírez, Claudia Jiménez, Betselene Murcia y Emilio Méndez. Localización

El proyecto se llevó a cabo en el laboratorio de análisis de alimentos en la sede principal de la Universidad de la Amazonia, Florencia - Caquetá. (Altitud 242 msnm; presión atmosférica de 14.1 psi.).

Procedimiento experimental

Determinación de longitud de onda

Se utilizaron los colorantes, azul,

rojo, rojo escarlata, a los cuales se les hizo una dilución al 10% con agua destilada y posteriormente se leyó la absorbancia en el espectrofotómetro Genesys 5.0 donde se realizó la curva característica para cada colorante leyendo la absorbancia desde 250 nm hasta 700 nm, cada 10 nm y se determinó la longitud de onda a la cual se realizaron los diferentes ensayos,

Realización de la Curva de

Calibración

Con los resultados obtenidos en la

determinación de la longitud de onda se realizó la curva de calibración para cada colorante y se hizo el ajuste por mínimos cuadrados.

Análisis de Índice de Mezcla

En el mezclador en V se adicionó

el azúcar en el lado 1 y el colorante (azul y rojo y rojo escarlata) en el

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 45

lado 2 como se muestra en la figura 2, se realizó la mezcla durante diez (10) minutos a 20 rpm, se tomaron 2 muestras en cada punto, se repitió el procedimiento cada 20 segundos los primeros (2) dos minutos, y los

siguientes minutos cada (2) dos minutos, posteriormente se analizó cada una de las muestras en el espectrofotómetro. Para determinar la concentración de colorante

Figura 2. Mezclador en V a. con sus respectivos lados (1 y 2) McCabe, et al.,

1991 y b. Mezclador en V construido

1 2

Se realizaron diez (10) repeticiones de cada mezcla de azúcar y colorante (azul, rojo y rojo escarlata) y una repetición con colorante rojo escarlata, se hicieron las respectivas gráficas X y R, utilizando la metodología cartas de control estadístico de procesos SPC para gráfica con tendencia.

Preparación y evaluación de

muestras

Para la toma de la muestra en un

Mezclador en V, después de mezclar durante el tiempo determinado de cada ensayo azúcar se tomaron dos (2) muestras de un (1) gramo del producto mezclado en cada uno de los lados del mezclador en V, posteriormente se realizaron diluciones con agua al 10%, se

efectuó la lectura en el espectrofotómetro en la longitud de onda correspondiente a cada color, se determinó la concentración de color según las curvas de calibración elaboradas y se determinó la composición de azúcar/color de cada punto de muestreo.

Determinación de la Capacidad de

Mezclado

El proceso se realizó con

cantidades diferentes de producto el cual permitió determinar la capacidad de mezclado del equipo, se estableció la concentración del color en los diferentes tiempos de mezcla.

III. RESULTADOS Y ANÁLISIS Determinación de longitud de onda

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 46

La longitud de onda para el color azul fue 625 nm, para el color rojo

escarlata, 540 nm y para el color rojo, 507 nm.

Figura 3. Longitud de onda de los colorantes a. color azul, b. color rojo, c color rojo escarlata

Curva de calibración

Luego de determinar la longitud de onda de los colores se realizó la

curva de calibración de la concentración de la dilución de agua, color y azúcar.

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 47

Figura 4. Curva de calibración para los colorantes a. color azul, b. color rojo, c color rojo escarlata

Al realizar la curva de calibración de la absorbania con respecto a la concentracion de la dilución de agua, color y azúcar, se determinó la ecuación de comportamiento por regresión lineal y el coeficiente de correlación, el cual para los tres colores fue cercano a 1, lo que quiere decir que el comportamiento de la concentracion es directamente proporcional a la absorvancia y tiene un comportamiento lineal para los ensayos realizados

Índice de mezcla y variación para cada mezcla Azúcar-Colorante Figura 1. Índice de mezcla a. color Azul-Azúcar b. color Rojo-Azúcar

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 48

Según la gráfica 5, se puede observar que durante los dos primeros minutos, la mezcla presenta un comportamiento ascendente, después la mezcla presenta un proporción similar visualmente el colorante tiende a segregrase, ésto se debe a que los colorantes utilizados son particulas más finas, con respecto al otro material de la mezcla (azúcar) y tienden a acumularse en la parte inferior de la

mezcla (Kukova et al., 2009), hecho que se demuestra porque en los primeros 20 y 30 segundos, la concentracion del colorante es menor a las proporciones con las que se cargó el equipo. Después de los dos minutos, el indice de mezcla del colorante mantiene la proporcionalidad. Variacion del índice de mezcla Azúcar-colorante

Figura 6. Variación de índice de mezcla a. Azúcar-color Azul b. Azúcar-color Rojo

En general, se presenta una alta

difusion en la primera fase del proceso de mezcla (primeros 3 minutos), presenta unos picos, Despues de iniciar la mezcla, hay una una dispersion

En general, en la fase inicial (primeros 3 minutos) se observa un cambio muy pronunciado de la variación del indice de mezcla de azúcar-color, esto se debió posiblemente a que el colorante tiene una rápida difusión para pasar de un

lado a otro. Después de los tres minutos, la variacion del índice de mezcla del azúcar-color presenta unos picos, luego se mantiene la homogeneidad y por último, una reducción.

Las gráficas de la figura 6, halladas experimentalmente, presentan un comportamiento similar a lo presentado por McCabe (1991), en las mezclas para tambores de volteo.

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 49

Variación de la concentración Azúcar-Colorante Figura 2. Variación de la concentración de la mezcla a. Azúcar-Color Azul b. Azúcar-Color rojo

En la figuras a y b, en los primeros 3 minutos, se puede observar como el

colorante migra hacia el azúcar, a partir de ahí, la mezcla conserva la concentracion, tanto en el lado izquierdo como en el derecho. Según las gráficas, en promedio, después del tercer minuto ambos lados presentan la misma concentración, para despues mantener la homogeneidad en ambos lados.

IV. CONCLUSIONES

Para una mezcla azúcar-colorante, en el prototipo de mezclador en V, (tambores gemelos) en una proporción de 0,99: 0,01 respectivamente, el tiempo de mezcla óptimo para alcanzar un alto grado de homogeneidad en ambos lados del mezclador es de tres minutos.

De los colorantes utilizados en este trabajo (azul, rojo y rojo escarlata), el que tiene mayor difusión es el colorante rojo. Todas las gráficas de datos de la curva de calibración, mostraron un coeficiente de correlación alta, lo que quiere decir, que tienen un comportamiento lineal.

De acuerdo a los resultados, se evidencia que el mezclador en V (tambores gemelos), presenta un buen comportamiento en el

proceso de mezclado azúcar-colorante V. BIBLIOGRAFIA

Arango, S; Pérez, A. (2012). Montaje y estandarización de un método para la determinación de hidrocarburos totales en matrices de agua por medio de las técnicas de infrarrojo y ultravioleta. Trabajo de grado. Facultad de tecnología. Universidad tecnológica de Pereira. 135 p.

Besterfield, Dale H. (2009). Control de Calidad. octava Edición, Prentice Hall. Naucalpan de Juárez, Estado de México. P. 156 – 157.

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 50

Cabrera, L; Maza, Yilmar; López, Vladimir. (2012). Evaluación del mezclado de polvos en régimen rodante: efecto de la velocidad angular. Trabajo de grado. Programa de ingeniería química. Universidad de Cartagena. 91 p.

Chia-Yi Y, Xi-Yong F. (2004). Development and validation of a material-labeling method for powder process characterization using X-ray computed tomography ‖. Powder technology 146: 10 –19 p.

Cubero, N; Monferrer, A; Villalta, J. (2002). Tecnología de alimentos. Aditivos alimentarios. Ediciones mundi-prensa. Barcelona, España. 431 p.

Day, R; Underwood, A. (1989). Química analítica cuantitativa. Quinta edición. Prentice-Hall. Naucalpan de Juárez, Estado de México. 871 p.

Earle, R. L. (1998). ingeniería de los alimentos (las operaciones básicas del procesado de los alimentos). Segunda edición. Editorial Acribia. Zaragoza, España. 203 p.

Hart, F. Leslie., Fisher, Harry Johnstone. (1971). Análisis Moderno de los Alimentos. Editorial Acribia. Zaragoza-España., P. 532.

Kukova, A; Aubin, J; Kresta S. (2009). A new definition of mixing and segregation: three dimensions of a key process variable. Chemical engineering

research and design. 87 (4): 633 – 647.

McCabe, W; Smith, J. Harriott, P. (1991). Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. McGraw Hill. 4tª Edición. Madrid-España. p. 968-985.

Perry, R; Green, D; Maloney, J.(1999). Manuel del ingeniero Químico. Sexta edición. McGraw Hill. Estados Unidos de America. 2582 p.

Romero, E. (2007). Métodos numéricos. Unisangil. Santander. 20 p. <http://www.geocities.ws/datos_universidad/MNumericos/AjusteDeCurvas.pdf>. Acceso: 15 de octubre de 2013.

Skoog, D; West, D; Holler, J; Crouch, S. (2005). Fundamentos de química analítica. Octava edición. Editorial Thomson. Madrid, España. 1026 p.

Treybal, R. (1988). Operaciones de transferencia de masa. Mcgraw-Hill, Wightman, C; Muzzio, F. (1998). Mixing of granular material in a drum mixer undergoing rotational and rocking motions I. Uniform particles. Powder tecnology. p. 113-124

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 51

Agradecimientos Un agradecimiento muy especial a

los ingeniero de alimentos Emilio Méndez y julio cesar luna quienes diseñaron los prototipos, a la Ingeniera Claudia Jiménez Arena, a la Bióloga Betselene Murcia, quienes lideraron el proyecto de construcción de equipos de laboratorio. Al licenciado en matemáticas y física Manuel Agudelo director del laboratorio de mecánica fina de la Universidad de la Amazonia donde se han construido los prototipos.

Vol 23, No 33 (2014), Revista Alimentos Hoy - 52