aplicación de los fluidos newtonianos y no newtonianos en la industria alimentaria

8/17/2019 Aplicación de Los Fluidos Newtonianos y No Newtonianos en La Industria Alimentaria

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Universidad San Luis Gonzaga de Ica – Facultad de Ingeniería Química

1Fenómenos de Transporte Fluidos Newtonianos y No

Newtonianos

plicación de los Fluidos Newtonianos y No

Newtonianos en la Industria limentaria

“ ño de la Consolidación del Mar de Grau”

Facultad de Ingeniería

Química y Petroquímica

Integrantes:

Atúncar Yataco, Jackeline Sthephanie

Salvatierra Flores, Azucena Lizbeth

Curso:

Fenómenos de Transporte

Docente: Ing. Rosalio Cusi Palomino

Ciclo: V “A”

2015


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Newtonianos

plicación de los Fluidos

Newtonianos y No Newtonianos

en la Industria limentaria

1 Introducción

Desde hace mucho tiempo las operaciones y procesos de los alimentos han ido

evolucionando de acuerdo a las necesidades de la sociedad, siendo así los

fluidos un tema de gran interés y de estudio, por lo que en actualidad los

fluidos constituyen una gran parte de los alimentos que ingerimos, si bien es

cierto muchas veces nuestra acciones diarias cumplen con diferentes teorías

de la materia que simplemente no nos damos cuenta, y es así que dentro de

ella la reología también se encuentra presente, un ejemplo claro es cuando los

alimentos ingresan a la boca y por acción de la saliva y la masticación se hace

una pasta más fluida que luego se ingiere y conjuntamente por estar en

movimiento genera la deformación y el flujo de materia, la cual a este tipo de

reología se le denomina reología natural.

Generalmente los adultos y los niños requieren alimentos líquidos y pastosos

debido a la facilidad de ingestión, por tanto las industrias buscan maneras de

satisfacer dichas necesidades, pues sabemos que cuando se procesa un

alimento éste se encuentra sujeto a movimientos constantes y presenta

diversos parámetros de acuerdo a las condiciones que se somete.

Y es justamente aquí en donde la aplicación de la reología desarrolla un papel

muy importante en la industria alimentaria puesto que esta ciencia se encarga

del estudio de la deformación y flujo de la materia, así como también de diseñar

procesos y operaciones a partir del comportamiento del flujo, asimismo los

fluidos newtonianos y no newtonianos son los que mayor aplicación tienen

debido a las propiedades de la materia conjuntamente influenciado por la

viscosidad y el esfuerzo cortante.


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Newtonianos

2. Objetivos

Identificar y definir el comportamiento de los fluidos que forman parte del

proceso o como productos de la industria alimentaria, dando a conocer

las diferentes aplicaciones de los fluidos newtonianos y no newtonianos.

Dar a conocer los cambios y los productos que se producen al aplicar

diferentes propiedades y parámetros de los fluidos.

Comprender la información brindada a través de una redacción clara y

precisa del trabajo en estudio.

Demostrar mediante relaciones gráficas y tablas los parámetros basados

en la reología.

Dar a conocer la relación de la teoría basada en formula, con la

aplicación industrial.

3. Viscosidad

La viscosidad es la medida de la resistencia de los fluidos cuando estos

atraviesan por placas paralelas o tuberías separadas por una distancia y

producidas por tensiones cortantes movidas con una unidad de velocidad,

dentro del cual existe una resistencia a su paso, como lo que comúnmente

podemos denominar “espesor”. Por ejemplo: cuando se dice que la mayonesa

es más espesa que el agua, dando referencia a la viscosidad como sinónimo

de fricción interna.

La viscosidad llamada también viscosidad absoluto o viscosidad dinámica,

definida por Mayen-Poisse-Wille y repr esentada por la letra griega “Mu” ,

cuyas unidades en Sistema Internacional (S.I.) es pascal-segundo (Pa·s); en

tanto, en el Sistema Cegesimal es en poise (P), y experimentalmente se mide

con viscosímetros y reómetros:


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Newtonianos

La viscosidad se presenta en lo fluidos como una propiedad física ya que su

composición química no varía, siendo resultado de las colisiones entre todas

las partículas de los fluidos movidas a diferentes velocidades originando dicha

resistencia. Sin embargo, existen también fluidos que tienen una viscosidad

nula (viscosidad próxima a cero) a los cuales se les denominan como “fluidos

ideales”, estando expuestos a temperaturas muy bajas cerca del cero absoluto,

límite en el que cesa toda actividad.

Se tiene también un segundo tipo de viscosidad conocida como viscosidad

cinemática (), basada en el cociente de la viscosidad dinámica entre la

densidad del fluido, diferenciándose de la primera en sus unidades de medición

en el Sistema Internacional, en metros cuadrados por segundo (m2·s-1) y en el

Sistema Cegesimal en stokes (St).

Debemos de tener en cuenta que las viscosidades delos líquidos disminuyen exponencialmente con la temperatura, por lo

tanto la influencia de la temperatura es muy grande con respecto a la

viscosidad, además aumenta exponencialmente a la presión. Por otra

parte, para los gases de baja densidad la viscosidad aumenta con el

incremento de temperatura.

NOTA:

1 poise = 1 [P] = 10- [Pa·s] = [10- kg·s- ·m- ]

1 [Pa·s] = N·s·m

-2

= kg·m

−1

·s

−1

10 000 stoke = 1 m /s


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Newtonianos

No todos los fluidos mantienen una viscosidad constante, siendo denominados

como Fluidos NO Newtonianos con viscosidad aparente ( η ), a diferencia de

los Fluidos Newtonianos que sí las tienen.

4 Esfuerzo Cortante

También llamado esfuerzo de cizalla, esfuerzo de corte o de cortadura

representada por la letra griega “Tau” . Siendo el esfuerzo interno o

resultantes de las tensiones transversales dadas cuando un fluido se mueve

forzado por un tubo de donde las partículas que componen el fluido se mueven

más rápido cerca del eje longitudinal del tubo, y más lentas cerca de las

paredes.

Al esfuerzo cortante se le puede interpretar también como la densidad del flujo

viscoso de cantidad de movimiento siguiendo la dirección de velocidad

decreciente (x en la dirección y), es decir que sigue la dirección del gradiente

negativo de velocidad, entendiéndose éste como la fuerza impulsadora del

transporte de cantidad de movimiento que se da capa tras capa continua del

flujo y por el cual existe un pase de cierta cantidad mínima de movimiento.

Por lo tanto, es necesario que exista una tensión cortante (como una diferencia

de presión) es decir el denominado esfuerzo Cortante, puesto que al iniciarse el

movimiento de un fluido su velocidad va disminuyendo con respecto a la

distancia que existe entre las placas llegando a su velocidad máxima y

equilibrando el movimiento del fluido. Para que dicho movimiento no cese, se

debe de aplicar el esfuerzo cortante sobrepasando la resistencia de fricción

entre las capas del líquido, y así el fluido se siga moviendo por el tubo. Elesfuerzo de cizalla está dado por:


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Newtonianos

De donde se deduce 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 los fluidos de viscosidad, y los fluidos que la cumplen son los

denominados fluidos newtonianos.

5 Reología

La reología es la ciencia del flujo que estudia la deformación de un cuerpo

sometido a esfuerzos externos, asimismo también se considera parte de la

mecánica que estudia la elasticidad, plasticidad y viscosidad de la materia,

siendo su estudio muy esencial en las industrias de impresión, detergentes,

aceites, alimentos y farmacéuticos.

Si bien es cierto el que habló por primera vez en 1678 de la reología fue

Robert Hooke en su libro “Verdadera teoría de elasticidad”, pero el que

introdujo la palabra “Reología” fue Bingham en 1929, la cual mencionó que la

reología estudia los principales fenómenos que regulan el movimiento de los

fluidos.

La reología considera en su estudio los fluidos, que se definen como una

sustancia que se deforma continuamente bajo la aplicación de esfuerzoscortantes, estos fenómenos suelen ocurrir en la industria alimentaria ya que es

el área en donde la reología adquiere mayor aplicación puesto que el estudio

reológico de fluidos es primordial para la producción de alimentos.

: Gradiente de velocidad =


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Newtonianos

Los fluidos se pueden clasificar de acuerdo a la relación entre el esfuerzocortante y la deformación, la cual dentro de ellos tenemos los fluidos

newtonianos y no newtonianos

5 1 Fluidos Newtonianos

Cuando hablamos de fluidos newtonianos, inmediatamente nos imaginamos la

ley de newton, y es cierto, un fluido newtoniano es la relación lineal que existe

entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación, que se puede

expresar mediante la siguiente ecuación:

Un claro ejemplo de esta definición es que si triplicamos el esfuerzo cortante

de una materia, la velocidad de deformación se va a triplicar también, ya que la

viscosidad es constante en este tipo de fluidos y por tanto no es alterado por el

esfuerzo cortante, asimismo cuando trabajamos con la viscosidad de un fluido

newtoniano, éste no depende del tiempo de la aplicación del esfuerzo pero si

puede depender en algunos casos de la temperatura y presión.

=


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Newtonianos

El comportamiento del fluido newtoniano se puede observar mediante las

siguientes graficas:

Asimismo el siguiente grafico representa el comportamiento de la viscosidad

en relación a la velocidad de deformación del fluido, en donde se observa que

la viscosidad es constante.

Gráfica N°1: Modelo Lineal entre el esfuerzo cortante

y la velocidad de deformación

Gráfica N°2: Viscosidad constante con respecto a la

velocidad de deformación


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Newtonianos

Dentro de la industria de alimentos, muchos materiales tales como la leche,

jugo de manzana, jugo de naranja, vino y cerveza tienen un comportamiento

newtoniano, es decir que su viscosidad es determinada aplicando una sola

velocidad de corte y midiendo el esfuerzo cortante correspondiente.

5 2 Fluidos No Newtonianos

Los fluidos no newtonianos a comparación de los newtonianos, son aquellos

que su relación del esfuerzo cortante y la velocidad de deformación no es

lineal. Es decir son aquellos fluidos en donde la viscosidad cambia con

respecto al tiempo de aplicación del esfuerzo cortante, por tanto aquí no se

aplica la ley de newton.

En la industria alimentaria los productos alimenticios tales como la crema,

azúcar, jarabe, miel y aderezos presentan un comportamiento no

newtoniano, de las cuales se desligan fluidos dependientes del tiempo

(Tixotrópicos y Reopécticos) e independientes del tiempo (Sin esfuerzo

umbral y con esfuerzo umbral).

Newtoniano

Gráfica N°2: Comportamiento de tipos de fluidos


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Newtonianos

5 2 1 Fluidos no newtonianos independientes del tiempo

Dentro de los fluidos no newtonianos independiente del tiempo se tiene dos

grupos con umbral y sin umbral. Cabe precisar que dicho umbral hacereferencia a la necesidad mínima de valor de esfuerzo cortante que tienen

estos fluidos para poner en movimiento, por lo tanto tiene una viscosidad

que a cualquier tensión de corte no varía con el tiempo.

A. Fluidos no newtonianos sin esfuerzo umbral

Pseudoplásticos

Estos fluidos presentan una viscosidad aparente que disminuye con el

aumento en relación a su velocidad de deformación, por tanto su

esfuerzo cortante también se verá disminuida. Al ser graficado el

esfuerzo cortante contra el gradiente de velocidad de dichos fluidos, se

presenta una curva que inicia abruptamente, encontrándose por encima

de la línea recta de los fluidos newtonianos con pendiente constante;

dicha curva indica una alta viscosidad aparente de donde la pendiente

disminuye al incrementarse la velocidad.

m: Índice de consistencia

n: Índice de comportamiento del flujo

n < 1

= (

)


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Newtonianos

La viscosidad aparente para los fluidos Pseudoplásticos es:

Casi todos los fluidos no newtonianos se encuentran en este grupo:

algunos tipos de kétchup o mostaza, grasas, el plasma sanguíneo y las

suspensiones arcillosas.

Fluidos Dilatantes

Son fluidos Dilatantes aquellas suspensiones del cual su viscosidad

aparente aumenta con el incremento de la su velocidad de deformación,

por tanto su esfuerzo cortante también aumenta. Estos fluidos son mucho

menos comunes que los fluidos Pseudoplásticos.

Cuando el comportamiento de dichos fluidos son graficados, el esfuerzo

cortante contra el gradiente de velocidad, estos presentan una curva

iniciada por debajo de la línea recta con pendiente constante que

presentan los fluidos newtonianos, indicándose como una baja viscosidad

aparente a la curva inicial, puesto que la pendiente aumenta al aumentar

el gradiente de velocidad.

Algunos de estos tipos de fluidos tenemos: harina de maíz, disoluciones

de almidón concentrado, arena movedizas.

La viscosidad para los fluidos dilatantes es:

n > 1

= (

)

−1

= (

)

= (

)−1


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Newtonianos

B. Fluidos no newtonianos con esfuerzo umbral

Estos fluidos son también llamados viscoplásticos.

Plásticos ideales

Denominadas también plástico de Bingham o fluidos de tapón de flujos,

dichos fluidos se caracterizan principalmente en permanecer rígida o sólida

hasta que excede un esfuerzo de deformación, es decir, requerir de un

esfuerzo cortante mínimo para que a partir de dicho valor se comporte

como un líquido, y del cual se presenta una pendiente de la curva

esencialmente lineal, lo que indica tener una viscosidad aparente

constante.

Dichos fluidos los podemos encontramos en alimentos como: el chocolate,

kétchup, mostaza, pasta de dientes, jaleas, etc. Para dichos fluidos existe

una relación lineal entre el esfuerzo cortante y la relación de la

deformación.

5.2.2. Fluido no newtonianos dependientes del tiempo

A. Fluidos Tixotrópicos

Son aquellos fluidos en los que su viscosidad disminuye al aumentar eltiempo de aplicación del esfuerzo cortante recuperando su estado inicial

después de un reposo prolongado.

En el caso de los alimentos tixotrópicos, la estructura material se rompe

conforme continúa la acción cortante. Este tipo de material alimenticio

incluye gelatina, crema, manteca vegetal y aderezos para ensaladas,

etc.

> = 0 + 0 (

)


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Newtonianos

B. Fluidos Reopécticos

Son aquellos fluidos en los cuales su viscosidad aumenta con el tiempo

de aplicación de la fuerza y regresan a su estado anterior después de un

tiempo.

En el caso de los alimentos, la estructura material se fortalece conforme

a la continua fuerza cortante. Este tipo de comportamiento no es común

en el sistema de alimentos pero se presenta en una solución de almidón

muy concentrada por periodos largos.

6 Aplicación de los Fluidos en la Industria Alimentaria

Dentro de la industria alimentaria se presentan en la mayoría de los casos

fluidos Newtonianos, por los cuales se verán como ejemplos en su aplicación

los siguientes:

Gráfica N°4: Comportamiento de fluidos tixotrópicos y

fluidos reopécticos


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Newtonianos

6.1. Productos Lácteos

Según las investigaciones reológicas de la leche, se tiene en cuenta la relación

entre la viscosidad, composición, tratamiento térmico, homogenización y las

características no newtonianas, pero se tiene en cuenta que la medición de

viscosidad en algunos casos es más compleja puesto que la crema tiende a

separarse de la leche cuando se está efectuando la medición y en este caso

podríamos decir que la leche se aproxima a un comportamiento newtoniano,

pero cabe resaltar que cuando el extracto seco de la leche aumenta, tanto en la

leche descremada como en la leche evaporada el comportamiento puede

desviarse del fluido newtoniano a un no newtoniano, debido a que la viscosidad

muestra un ligero descenso a medida que se eleva el esfuerzo cortante.

6.1.1. Relación entre la Viscosidad y la Composición de

la Leche

Se sabe que la leche descremada es menos viscosa que la leche entera,

por tanto la viscosidad aumenta con el contenido en grasa, pues cuando

se le agrega caseína a la leche descremada este aumenta

considerablemente su viscosidad; sin embargo cuando se le adiciona

lactosa de hasta 5% no hay incremento de la viscosidad.

Podemos apreciar en el siguiente cuadro la dilución acuosa y el

coeficiente de viscosidad de la leche.

Dilución acuosa y coeficiente de la viscosidad de la leche fresca

% Dilución en volumen n (P/) 25°C

0% agua 100% de leche 0.001457

10% agua 90% de leche 0.001381

20% de agua 80% de leche 0.001319

30% de agua 70% de leche 0.001258

50% de agua 50% de leche 0.001143

80% de agua 20% de leche 0.000993

100 de agua 0% de leche 0.000894


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0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0 20 40 60 80 100

n (

P I )

Temperatura (°C)

6.1.2. Relación de Viscosidad y Temperatura

La viscosidad de la leche al igual que todos los líquidos disminuye a

medida que aumenta la temperatura, como se muestra en la siguiente

gráfica:

6.1.3. Relación entre Viscosidad y Homogenización

El objetivo de realizar la homogenización en la leche es de disminuir el

tamaño del glóbulo graso, es decir cuando el tamaño de los glóbulos

grasos son muy grandes estos empiezan a coalescer y forman crema, por

tanto aumenta el número de ellos, la superficie específica y la viscosidad

de la leche.

La siguiente tabla muestra la relación entre la presión de la

homogenización y la viscosidad de la leche.

Relación entre la presión de la homogenización y la

viscosidad de la leche

Presión en Lbs/pulg2 Incremento Viscosidad en % 1 7.1

1.5 9.2

2 11.9

3 13.7

3.5 15.0

Gráfica N°5: Relación entre la viscosidad de la leche y la temperatura


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Newtonianos

6.1.4. Relación entre la Viscosidad y el Tiempo de

Almacenamiento

La viscosidad de la leche descremada, leche homogenizada o no, leche

pasterizada aumenta con el tiempo. En ese sentido; Muller et al. (1978)

manifiesta que se desconoce la causa aunque se sabe que se producen

cambios enzimáticos y en la flora bacteriana que provocan cambios en el

pH. En ese sentido se tiene que la viscosidad de la leche se incremente

cuando se da un ligero incremento en el valor del pH.

Se puede observar en la siguiente tabla:

6.2. Mermeladas

Las mermeladas son un alimento de consistencia pastosa o gelatinosa,

obtenida por cocción y concentración de frutas, pues las sustancias necesarias

para la fabricación de mermeladas son la fruta, pectina, agua y azúcar.

Según estudios, un investigador realizó una evaluación de comportamiento

reológico a tres tipos de mermeladas de centros comerciales con diferentes

porcentajes de azucares, de las cuales sus propiedades reológicas las obtuvo

en función de la temperatura.

Comportamiento del PH y la viscosidad de la leche descremada

con relación al tiempo de almacenamiento

Días de

almacenamiento N (P/) 25°C PH Acidez titulable,

expresada en %

de ácido láctico

1 0.001433 6.78 0.14

3 0.001467 6.80 0.13

6 0.001521 6.81 0.13

9 0.001525 6.83 0.12

15 0.001551 6.84 0.11

21 0.001555 6.84 0.11


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Se concluyó que generalmente las mermeladas presentan un comportamiento

tixotrópico debido a la recuperación estructural interna, con comportamiento

Pseudoplásticos.

6.3. Salsas o Pastas

Las salsas son una mezcla liquida de ingredientes (fríos o calientes), de la cual

el investigador Lozada en 2012 analizo las propiedades reologicas de las

salsas de tomate, en donde el comportamiento reologico de las salsas lo

determinó en función de la modificación de las velocidades de corte a

temperatura constante.

Después de ciertas operaciones, se determinó que la salsa de tomate muestra

u comportamiento reologico tixotrópico ya que la viscosidad aparente

disminuye al transcurrir el tiempo.

6.4. Mieles

La viscosidad, como una de las propiedades físicas muy importantes y

característicos de la miel, se les denomina cuerpo de la miel a su consistencia

o lentitud con la que fluye la miel sobre un recipiente; de donde se habla de una

miel espesa de buen cuerpo cuando este tiene una viscosidad elevada, y por el

contrario cuando tiene su viscosidad baja se hace referencia a una miel

delgada que fluye tan fácilmente como el agua.

En la industria alimentaria es necesario conocer las

condiciones a las cuales se debe procesar un alimento, y la ciencia de lareología juega un papel muy importante, ya que participa en la obtención

de parámetros reológicos como la viscosidad, plasticidad, esfuerzo,

velocidad de corte, asimismo permite identificar el tipo de fluido y la

forma de comportamiento que tendrá durante el proceso.

RECUERDA

Cada alimento tiene características reológicas, basado

en un estudio ex erimental.


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Newtonianos

Hay que tener en cuenta que la viscosidad de la miel es afectada por la

temperatura, y que la miel se mezcla fácilmente cuando su viscosidad se ve

disminuida, de manera que si la miel es calentada bajará su viscosidad y será

más fácil de mezclar.

Se tiene que tener en claro que cuando se calienta la miel la mayor disminución

en la viscosidad tiene lugar en los 38 ºC y a más de 49 ºC, la disminución de la

viscosidad es muy pequeña con relación al aumento de la temperatura, de

modo que no se logra ninguna ventaja calentando.

Por tal razón, se puede determinar que la miel es un fluido newtoniano ya que

su viscosidad no es constante pues varia con respecto a la variación de su

temperatura.

La viscosidad de la miel disminuye rápidamente a medida que aumenta su

temperatura. El 1% de humedad es equivalente a aproximadamente 3,5 °C en

su efecto sobre la viscosidad provocando la notable baja en su viscosidad, con

ello se puede afirmar que la composición de la miel influye claramente sobre su

viscosidad, siendo la humedad su mayor influyente. La viscosidad se puede

ajustar para adaptarse a cualquier sistema de suministro de fabricación.

En la miel se pueden encontrar un cierto porcentaje de cuerpos denominados

dextrinas que cuando su cantidad es elevada la viscosidad de la miel se ve

afectada siendo está más viscosa.

Para la comercialización o consumo de las mieles se deben de tener

conocimiento de la consistencia de dicho fluido, viscosidad o cristalización

parcial o total, observándose un color pardo oscuro, con aromas y sabores

característicos de la miel.

7. Conclusiones

Como conclusión del presente trabajo sobre la aplicación de fluidos

newtonianos y no newtonianos en la industria alimentaria, podemos decir que

todos nuestros alimentos que ingerimos están basados mediante aplicación de

diferentes teorías, desde los más pequeños hasta los más complejos, es así

que los fluidos también forman parte de ellos, siendo estos los más utilizados


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Fenómenos de Transporte Fluidos Newtonianos y No

ya que en la producción son ellos los que son acondicionados mediante

aplicación de diversos parámetros para dejar fluir sus propiedades físicas y

químicas.

Este estudio nos permite reconocer en los productos alimenticios de uso

cotidiano el comportamiento que presenta y que a simple vista lo podemos

observar, cuestionándonos el “porqué de su espesor”, esto nos va a posibilitar

el cálculo de fuerzas del cual se ha de someter influyendo parámetros como la

temperatura, presión, velocidad, viscosidad, etc.

El conocimiento de dicha fuerza cizalla nos permitirá en un futuro determina los

tipos de bombas a utilizar, el material a recubrir las tuberías, si es el caso de

una industria alimentaria y su respectivo proceso.

Por tanto muchos productos lácteos, jugos, pastas, miel, etc, cumplen con

estos fluidos y son estudiados a lo largo de su proceso para poder identificar de

manera concreta su comportamiento relacionándolos con el tema tratado,

teniendo la reología como el estudio de dichos fluidos que hasta la actualidad

se viene realizando.

8. Bibliografía

Sharma, Mulvaney, Rizvi. 2003. Ingeniería de Alimentos. Operaciones

unitarias y prácticas de laboratorio. Ithaca, Nueva York. Editorial limusa

Wiley.

Robert L. Mott.1996. Mecánica de Fluidos Aplicada. Universidad de

Dayton. Editorial Pearson.

Francisco de Miranda. Reología. Universidad Nacional Experimental.

Importancia de la Reología del chocolate fundido. Huancayo, Perú.

aplicación de los fluidos newtonianos y no newtonianos en la industria alimentaria

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