Reología y mezclado.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL[pic 1][pic 2]

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGÍA

MAESTRÍA EN CIENCIAS EN BIOPROCESOS

INGENIERÍA DE BIORREACTORES

TRABAJO FINAL

LESLIE OYUKI CISNEROS GIL

CATEDRÁTICO: DR. LUIS TORRES BUSTILLOS

México, D.F. A 14 de diciembre de 2012.

REOLOGÍA        

INTRODUCCIÓN        

Reología        

Viscosidad        

Tipos de viscosidad y variables que influyen en la viscosidad        

Tipos de fluidos        

Fluidos Newtonianos        

Fluidos no Newtonianos        

Fluidos independientes al tiempo de aplicación        

Fluidos sin esfuerzo umbral        

Fluidos con esfuerzo umbral (plásticos de Bingham)        

Fluidos dependientes del tiempo de aplicación        

Modelos para fluidos no Newtonianos        

Modelo de la Potencia o de Otswald-de Waele        

Cátedra 1 (4 de febrero de 2013)        

Tixotropía        

Viscosímetro Brookfield        

Reómetros        

Cátedra 2 (14 de mayo de 2013)        

Antibióticos        

Goma Xantana        

PRÁCTICA DE REOLOGÍA        

Objetivo        

Equipo y materiales        

Metodología y resultados        

Conclusiones        

ARTÍCULOS VISTOS EN CLASE        

Reología y mezclado de un caldo de fermentación  de micelios de Micronospora purpurea        

Control de aireación y agitación en fermentaciones de antibióticos        

Consumo de potencia de tres combinaciones de impulsores en el mezclado de caldos de fermentación de Goma Xantana        

La capacidad viscosificante, grado de acetilación, y masa molecular del alginato producido por Acetobacter vinelandii en matraces agitados es determinado por la velocidad de transferencia del oxígeno        

BIBLIOGRAFÍA        

REOLOGÍA

INTRODUCCIÓN

Los fluidos constituyen la mayor parte de los alimentos que ingiere el hombre; un adulto consume más productos líquidos y pastosos que sólidos por la facilidad de ingestión y digestión. Es por ello que el diseño y formulación de alimentos es el campo de mayor aplicación de la reología1, aunque existen otros donde también se aplican los principios básicos de esta ciencia, por ejemplo:

• Cálculos de ingeniería de procesos: involucra el diseño y operación de equipos como bombas, extrusores, mezcladores, homogenizadores, intercambiadores de calor y tuberías.
• Formulación para el desarrollo de nuevos productos alimenticios.
• Control de calidad de productos intermedios y finales: determinante para la aceptación de productos como chocolates, yogures, cremas.
• Evaluación de la textura y consistencia de alimentos mediante la correlación de datos sensoriales.
• Producción de pegamentos: estudio de la plasticidad.
• Producción de cosméticos y de higiene corporal.
• Producción de medicamentos.
• Caracterización de elastómeros.
• Estabilidad de emulsiones y suspensiones.
• Caracterización de hidrocarburos.

Una clara comprensión de las propiedades reológicas es fundamental en la investigación y desarrollo de nuevos productos, diseño de equipos, mejoramiento de procesos, control de calidad de materias primas, productos intermedios y terminados. Estas propiedades están estrechamente relacionadas con las propiedades fisicoquímicas y funcionales que constituyen un sistema, así como las variables de operación que se aplican en las diferentes etapas del proceso2.  

Reología

La reología es la ciencia que estudia la relación entre esfuerzo y deformación en los materiales que son capaces de fluir. Es una parte de la mecánica de medios continuos. Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir mediante reómetros, aparatos que permiten someter el material a diferentes deformaciones controladas  y medir los esfuerzos3. Algunas de las propiedades reológicas más importante son:

• Viscosidad aparente
• Coeficientes de esfuerzos normales
• Viscosidad compleja (respuesta a esfuerzos de corte oscilatorio)
• Módulo de almacenamiento y módulo de pérdidas (comportamiento viscoelástico lineal)2

 Viscosidad

La propiedad física que caracteriza la resistencia al flujo de los fluidos sencillos es la viscosidad. Consideremos un fluido (líquido o gas) contenido entre dos grandes placas paralelas, de área A, separadas entre sí por una distancia muy pequeña Y. Supongamos que el sistema está inicialmente en reposo, pero que al cabo de un tiempo t=0, la lámina inferior se pone en movimiento en la dirección del eje x, con una velocidad constante V. A medida que transcurre el tiempo el fluido gana cantidad de movimiento y finalmente se establece un perfil de velocidad en régimen estacionario. Una vez alcanzado dicho estado estacionario de movimiento, es preciso aplicar una fuerza constante F para conservar el movimiento de la lámina inferior (Figura 1). Esta fuerza viene dada por la expresión (suponiendo que el flujo es laminar):

                 Ecuación 1[pic 3]

Es decir, que la fuerza por unidad de área es proporcional a la disminución de la velocidad con la distancia Y. La constate de proporcionalidad μ es la viscosidad del fluido.

El esfuerzo cortante que se ejerce en la dirección x  sobre la superficie del fluido, situada a una distancia constante y, por el fluido existente en la región donde y es menos, se designa por , y el componente x  del vector de velocidad del fluido por . De acuerdo con lo anterior, la ecuación 1 puede expresarse de la siguiente forma:[pic 4][pic 5]

                 Ecuación 2[pic 6]

Es decir 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 la viscosidad, y todos los fluidos que la cumplen son denominados fluidos Newtonianos. Todos los gases y la mayor parte de líquidos sencillos se comportan de acuerdo con la ecuación 2.

[pic 7]

Figura 1. Formación de perfil de velocidad en estado estacionario para un fluido contenido entre dos láminas.

De acuerdo con la ley de la viscosidad de Newton al representar gráficamente   frente a  para un fluido determinado, debe de obtenerse una línea recta que pasa por el origen de coordenadas, y cuya pendiente es la viscosidad del fluido a una cierta temperatura y presión. En efecto, la experiencia demuestra que todos los gases y líquidos homogéneos no polimerizados  es directamente a . Sin embargo, existen algunos materiales qye no se comportan de acuerdo con las ecuaciones anteriormente descritos, a estas se les conocen como fluidos no Newtonianos3. [pic 8][pic 9][pic 10][pic 11]

Tipos de viscosidad y variables que influyen en la viscosidad

Existe tres tipos de viscosidad: viscosidad dinámica o absoluta (μ), viscosidad aparente (para fluidos no Newtonainos) y viscosidad dinámica (relaciona la viscosidad dinámica con la densidad del fluido). La viscosidad puede ser afectada por variables como el gradiente de velocidad de deformación, la temperatura y la presión.

En los líquidos la viscosidad disminuye con la temperatura. Existen varias fórmulas  para permitir evaluar  la variación de viscosidad  de un líquido al cambiar la temperatura, como lo son la Ecuación de Arrhenius, Ecuación de Poiseville. Las variaciones de viscosidad por la presión son  muy pequeñas para presiones diferentes a las atmosféricas.

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