Técnicas de Separación y Mezclado en la Industria Alimentaria: Equipos y Procesos

Reducción o Aumento de Tamaño de Sólidos

Las separaciones mecánicas que comprenden filtración, sedimentación y tamizado (análisis granulométrico) se aplican a mezclas heterogéneas y se basan en las diferencias físicas de tamaño, forma y densidad.

La reducción de tamaño es la operación unitaria en la que el tamaño medio de los alimentos sólidos es reducido por la aplicación de fuerzas de impacto, compresión, cizalla (abrasión) y/o cortado. La compresión se usa para reducir sólidos duros a tamaños más o menos grandes. El impacto produce tamaños gruesos, medianos y finos, la frotación o cizalla produce partículas finas y el cortado se usa para obtener tamaños prefijados.

Los fines de la reducción de tamaño son muy importantes en la industria por las siguientes razones:

• Facilita la extracción de un constituyente y tamaño deseado.
• Aumenta la relación superficie-volumen, incrementando la velocidad de calentamiento o enfriamiento.
• Facilita el mezclado.

Caracterización de las Partículas Sólidas

Densidad: las partículas de sólidos, al romperse, presentan diferentes densidades entre sí y con el sólido de origen.

Forma de las partículas: la forma de las partículas irregulares se define en función de un factor de forma ë (esfericidad), el cual es independiente del tamaño de la partícula.

Maquinaria Utilizada en la Reducción de Tamaño

Entre los equipos de reducción de tamaño se tienen los:

• Molino de bolas o cilindros: cilindro de acero lleno hasta la mitad con bolas o cilindros de acero. Para ejercer su efecto reductor, se le aplica un lento movimiento rotacional. A velocidades bajas, cizalla; y a altas, impacto.
• Molino de martillos: cámara cilíndrica cubierta con una plancha perforada de acero que en su interior tiene un rotor con una serie de vástagos pegados a su eje (martillos) que giran a gran velocidad (impacto).
• Molino de rodillo: dos o más rodillos de acero paralelos entre sí y girando concéntricos, impulsando al alimento a pasar por el espacio entre ellos (compresión).
• Triturador de mandíbula: dos placas de acero, donde una es móvil y la otra fija. Se utiliza para la trituración de partículas de gran tamaño (compresión y frotación).
• Tamiz: malla metálica constituida por barras tejidas y que dejan un espacio entre sí por donde se hace pasar el alimento previamente triturado.

Transporte de Materiales

Factores para seleccionar el transportador adecuado: capacidad, longitud de desplazamiento, elevación, características de materiales, requisitos del proceso, tiempo de vida del equipo.

Transporte Horizontal de Materiales

• De banda articulada
• De banda normal
• De flujo continuo
• De arrastre de tablillas
• Vibratorio
• De cangilones
• De cangilones de volteo
• De aire

Transporte de Materiales Hacia Arriba o Hacia Debajo de una Pendiente

• De banda articulada
• De banda
• De flujo continuo
• De paletas
• De tornillo sin fin

Manejo de Materiales Sobre una Combinación de Trayectorias Horizontales y Verticales

• Flujo continuo
• De cangilones de descarga por gravedad
• De cangilones de volteo
• De aire

Métodos Modernos de Separación

Filtración de membrana: trabaja sin la adición de productos químicos, con membranas semipermeables.

El principio es bastante simple: la membrana (alta presión, gradiente de concentración en ambos lados, potencial eléctrico) actúa como un filtro muy específico que dejará pasar el agua, mientras que retiene los sólidos suspendidos y otras sustancias. Hay dos factores que determinan la efectividad: selectividad (factor de retención o de separación) y productividad (parámetro llamado flujo, expresado en l/m² h).

La filtración de membrana se puede dividir en microfiltración y ultrafiltración (partículas grandes) por una parte, y en nanofiltración y ósmosis inversa (RO o hiperfiltración) (desalinizar agua) por la otra.

Ventajas: ocurre a baja temperatura, bajo coste energético, ampliado fácilmente.

Mantenimiento de los Procesos de los Sistemas de Filtración de Membrana

• Filtración frontal: toda el agua que entra en la superficie de la membrana es presionada a través de la membrana.
• Presión transmembranal (PTM): se define como el gradiente de presión de la membrana, o la presión media de entrada menos la presión de permeado.
• Filtración tangencial: el agua entrante es reciclada.
• Filtración transversal.

Ultrafiltración

Operación unitaria con peso molecular de 1000-80000 u.m.a. Son porosas y generalmente tienen una estructura rígida y muy permeada.

Para la eliminación completa de los virus, se requiere la ultrafiltración. Los poros de las membranas de ultrafiltración pueden retirar de los fluidos partículas de 0.001 - 0.1 µm.

La limpieza de los filtros puede tener lugar en tres sentidos diferentes:

• Mecánicos, que limpian con las bolas de la esponja.
• Limpieza de la vuelta de los elementos de la membrana.
• Compuestos de limpieza.

Microfiltración

Este tipo de filtración trabaja a baja presión para separar partículas de alto peso molecular, coloides en suspensión o bien sólidos disueltos. Las membranas usadas para la microfiltración tienen un tamaño de poro de 0.1 - 10 µm.

Aplicaciones de la Ultrafiltración y Microfiltración

• Ultrafiltración: industria de productos lácteos, alimentaria, del metal, azucarera.
• Microfiltración: separación de bacterias del agua, tratamiento de efluentes, separación de catalizadores, de enzimas y de levaduras.

Mezclado

La finalidad fundamental de una mezcla teóricamente perfecta es siempre la misma: dos o más materiales separados o mal mezclados, al mezclarse bien, deben alcanzar un estado tal que cada partícula de uno de los materiales debe quedar lo más próxima posible a una partícula de cada uno de los demás materiales.

El resultado de la mezcla puede ser una mixtura, una dispersión (suspensión o emulsión), una solución o una reacción química.

En una mezcla, la fase continua es la fase externa, mientras la fase discontinua (o dispersa) es la fase interna. Si la fase interna es líquida, la dispersión es una emulsión; si es sólida, es una suspensión; y si es gaseosa, es una espuma.

Descripción de Equipos Mezcladores

Los mezcladores se agrupan en cinco clasificaciones primarias:

• Mezcladores de flujos o corrientes: se introducen los materiales por medio de una bomba y la mezcla se produce por interferencia de sus flujos o corrientes.
• Mezcladores de paletas o brazos: una o varias paletas horizontales, verticales o inclinadas unidas a un eje horizontal, vertical o inclinado que gira axialmente dentro del recipiente (aunque no siempre está centrado con éste).
• Mezcladores de hélices o helicoidales: aletas helicoidales que, al girar, empujan constantemente hacia delante un cilindro continuo de material.
• Mezcladores de turbina o de impulsores centrífugos: funcionan como una bomba centrífuga trabajando en un recipiente casi sin contrapresión. Todo el contenido del recipiente se mantiene en movimiento vigoroso y perfectamente dirigido.
• Tipos diversos: entre estos se encuentran el molino coloidal, el homogenizador, el lavador de gas Feld y los rodillos mezcladores.

Transmisión de Calor en los Mezcladores: Medios de Calentamiento y Enfriamiento

El calentamiento o enfriamiento en un mezclador se emplea para:

1. Controlar la velocidad y la amplitud de una reacción química, como en la sulfonación de un aceite, la nitración, una reacción catalítica, etc.
2. Realizar un cambio físico, como la evaporación, el amasado, la cristalización, la disolución o la fusión, para cambiar la consistencia o facilitar la mezcla.
3. Facilitar la dispersión de un material en otro.
4. Controlar la temperatura del contenido del recipiente.

Los medios más frecuentemente empleados para calentar son:

1. Calentamiento a fuego directo.
2. Agua caliente o vapor.
3. Aceite caliente.
4. Dowtherm (difenilo u óxido de difenilo o una mezcla de ambos).
5. Vapor de mercurio.
6. Calentadores eléctricos de inmersión, de contacto o radiación.

Para enfriar, los medios más utilizados son:

1. Aire.
2. Un evaporante (amoníaco líquido).
3. Agua o salmuera.
4. Aceite.
5. Dowtherm.
6. Vacío.
7. Adición directa de hielo.

Absorción de Gases

El proceso de absorción se conoce también como lavado, debido a que los contaminantes gaseosos son lavados por líquidos.

Este proceso se efectúa cuando el gas contaminado se pone en contacto con un líquido limpiador, el cual absorbe el contaminante del gas, quedando así el gas limpio y el líquido contaminado.

El funcionamiento de este equipo se basa en la atracción entre las partículas con una carga eléctrica y un electrodo colector con polaridad opuesta.

Los electrodos son alambres suspendidos axialmente dentro de un tubo. Se aplica un voltaje muy alto de corriente directa entre el alambre y el tubo, y el gas sucio fluye hacia abajo por el tubo y a través del campo eléctrico establecido entre los electrodos.

Debido a la fuerza electrostática existente, los iones negativos del flujo gaseoso emigran hacia las placas exteriores conectadas a tierra, mientras que los iones positivos regresan al alambre central (que es negativo en relación con las placas conectadas a tierra). Esta primera etapa es una ionización del gas.

La segunda etapa es la carga de las partículas de polvo que se encuentran en la corriente del gas. Esto se realiza con la colisión de las partículas y los iones cargados negativamente. Posteriormente, se realiza la fase de colección, que consiste en la migración de las partículas cargadas a los electrodos, donde tiene lugar la colección del polvo.

Colectores o Limpiadores

Limpieza por Frotamiento

El tipo más sencillo de depurador de gases que limpia por fricción es la torre de rocío.

Las torres empaquetadas, las cuales se describieron para la absorción de gas, también se pueden utilizar para la limpieza de partículas por frotamiento.

En los depuradores dinámicos de gas, se rocía una película de agua sobre una superficie en movimiento, como las aspas de un ventilador.

Lavador de Gases Húmedo para Eliminar Gotas

Este sistema consiste de un filtro altamente comprimido y denso de fibra de vidrio, y el gas contaminado debe fluir a una velocidad muy baja.

El resultado de esto es la remoción de partículas por debajo de 1 micra de diámetro.

El flujo del gas contaminado a una baja velocidad garantiza un mayor rendimiento.

El gas que va a ser limpiado entra por la parte inferior del tanque y viaja hacia arriba pasando a través de los filtros especiales.

El rocío, los compuestos industriales u otros líquidos capturados en la superficie del filtro son drenados fácilmente debido a las bajas velocidades usadas en este sistema.

Torre de Absorción Empacada

El gas con impurezas entra por la parte inferior y el gas limpio sale por la parte superior de la torre, descargándose directamente a la atmósfera. El líquido limpiador entra por la parte superior de la torre y se extrae por la parte inferior contaminado, por lo cual es necesario someterlo a algún tipo de tratamiento o reciclarlo a proceso.