EXTRUSIÓN

Definición

Proceso en el que un producto líquido o semilíquido es forzado a pasar a través de una apertura de una sección transversal. Se combinan efectos de transporte, mezclado, amasado, presurización, calentamiento, cocción, pasteurización, moldeado, texturización y/ disolución en una masa viscosa por la acción de uno o dos tornillos que giran dentro de un cilindro estacionario. Alimento forzado a fluir, bajo condiciones de mezclado, calentamiento y cizallamiento a través de una matriz diseñada para moldear, secar e inflar ingredientes.

Útil para producir productos alimentarios con humedad óptima y duradera, empleada para la obtención de productos como aperitivos, cereales de desayuno, golosinas y comida para animales. 

Procesado de extrusión

Trabaja a baja humedad (10-40%) 

Altas temperaturas (100 a 180°C) por cortos periodos de tiempo (30 a 120s) 

Eliminación de microorganismos debido a la temperatura, deshidratación y variación abrupta de presión 

Baja degradación de componentes nutricionales 

Sus principales aplicaciones son las siguientes

Humana: Cereales listos para comer, sopas instantáneas, confitería, pastas como fideos, snacks

Animal: Legumbres precocidas, procesamiento de subproductos de la industria alimentaria, residuos de la industria pesquera y láctea, oleaginosas. 

Industrial: Industria de papel y textil, fundiciones metalúrgicas, perforación de pozos de petróleo, adhesivos y agentes ligantes 

Extrusor: Interacciones de las propiedades del material, variables de proceso y carácterísticas del producto

Parámetros de proceso. Grupo 1: Gelatinización, desnaturalización, dextrinización, cinéticas; Grupo 2: Perfil de temperaturas, perfil de presiones, distribución del tiempo de residencia, cantidad de cizalla; Grupo 3: Configuración del tornillo, velocidad del tornillo, caudal del agua, geometría del troquel, caudal de calentamiento, caudal de enfriamiento 

Materias primas: Tipo de almidón, contenido proteico, contenido en grasa, contenido en agua, absorción en agua, tamaño de partícula, formulación 

Propiedades funcionales del producto: Velocidad de rehidratación, propiedades nutritivas, propiedades organolépticas, solubilidad, dureza, textura, densidad global, grado de cocción. 

Métodos de extrusión: Uso

Ventajas y desventajas del proceso de extrusión

Materias primas en el proceso de extrusión

Cereales, almidones, tubérculos, grasas, modificadores de pH, agua, materiales con alto contenido de proteína, hidrocoloide y azúcares. 

Clasificación de extrusores

• Según su funcionamiento:

En caliente. Alimento calentado por contacto con las paredes y con el tornillo internamente calentado con vapor 

En frío. Alimento extruido en líneas de cocción, estando sometida a una mínima fricción posible con los tornillos

• Según su construcción:

De tornillo sencillo. Extrusores de elevada fuerza de cizalla ( cereales para desayuno y snacks), extrusores de fuerza de cizalla moderada ( pasta para rebozar) y extrusores de baja fuerza de cizalla ( pasta y productos cárnicos) 

De tornillos gemelos. Pueden manejar productos aceitosos, pegajosos con elevado contenido en agua que en los de tornillo único refluirá con facilidad 

Partes del extrusor

Tolva o zona de alimentación

Fondo vivo LBM ( Live-Bin-Mixer). Consta de un alimentador con velocidad variable y cilindro con agitador mezclador para el manejo de productos harinosos y asegura alimentación continua.

Opción LB (Live-Bin). Para alimentación forzada de productos secos ( harinas, almidones, etc) 

Opción D (Directo). Manejar materiales de flujo libre y que no requieran un prehumedecido ( maíz, trigo, quinoa) 

Alimentador dosificador:

En algunos caso incluido en tolva de materias primas del extrusor y a manera de mezclador donde son adicionados ingredientes en forma de pasta o líquidos para añadir humedad.  Proporciona flujo uniforme  constante a la entrada del extrusor. En instalaciones de producto definido a velocidad constante y en las instalaciones de investigación con velocidad variable

Mezclador o pre-acondicionador

En extrusores con mezcla perfecta deseable o agregar humedad y temperatura con vapor o agua caliente 

Tornillo del extrusor o rotor:

Ejecuta operaciones de mezclado, amasado, corte, cocimiento y formado final

Cañón, barril o cilindro del extrusor

Se realizan operaciones como el mezclado, corte del material y elevación de la temperatura del producto que se está elaborando. Material impulsado por rotor se desliza a través del cilindro,  además, la regulación del deslizamiento implica la adición de obstrucciones al cañón (ranuras con bordes filosos o pernos). Al colisionar el producto en proceso contra pernos o bordes del cañón, se produce fricción elevándose temperatura hasta valor predeterminado. 

Chaquetas del cilindro

Para mantener la temperatura del producto en un límite máximo, se controla circulando agua a través de una chaqueta que lleva el cilindro. Calentar producto con vapor directo 

Tomas para inyección de agua y/o vapor

Algunos productos necesitan de adición de humedad ( forma líquida o vapor) a través de tomas especiales que atraviesan el cilindro. Volumen de agua debe dosificarse mediante controladores electrónicos o válvulas para obtener producto uniforme 

Transmisor del rotor:

Para producto predeterminado a capacidad fija, se requiere velocidad constante empleando transmisión sencilla ( juego de poleas y/o engranes). Para investigación y desarrollo, es más adecuado un transmisor de velocidad variable ( costoso), que brinde margen de velocidades con rango óptimo. 

Dado a la salida del extrusor

Maquinado de acuerdo a tamaño y forma deseada del producto final, donde cantidad de orificios en en función de producción deseada. Forma de cilindro, rosca, aros. 

Cortador del producto

Tamaño del producto obtenido con cuchillas cortadoras  que giran en eje fijo al dado y en movimiento por variador de velocidad o reductor de velocidad, que ajusta velocidad a la capacidad y tamaño del producto 

Controles de operación

Adaptable con equipos de medición manual ( tablero de control), automático o computarizado ( PLC), donde costo de acuerdo a precisión requerida. 

Zonas del proceso de extrusión

Zona de alimentación

-Recepción, transporte, compresión de material a zona de cocción 

-Incorporación de inyectores de agua por goteo o vapor 

– De extrusores de polímeros: material alimentado forma lecho sólido deslizado a lo largo del canal en forma rígida

-Zona de transición entre la zona de alimentación y la de cocción con flujo en dos fases 

-Alimentación de extrusor con alimentos sólidos presente comportamiento semejante a fusión de plásticos dentro del extrusor

-Fusión ocurre en superficie de barril y delgada película entre lecho sólido y el que fluye al pozo de fusión de la parte posterior de la hélice 

Zona de cocción

Más importante del extrusor

-Recibir material comprimido para homogeneizarlo y hacerlo pasar por la boquilla a presión constante 

-Homogeneización acompañada por mezclado intenso de fujo longitudinal y transversal

-Tratamiento matemático supone que el material actúa como un verdadero fluido, exhibe deformaciones al esfuerzo y se desliza en las superficies del tornillo y el barril 

-Se comporta como bomba centrífuga, con bombeo relacionado inversamente a la presión de bombeo 

-Mecanismo del efecto de presión se describe separando el fujo neto del extrusor en dos componentes ficticios denominados flujos de arrastre y presión 

Zona de expansión

-Presión en el extrusor alcanza máximo en extremo del tornillo y cuando el material pasa a través de la boquilla existe caída de presión atmosférica

-Velocidad de fujo a través de boquilla está en función de viscosidad, geometría de boquilla ( resistencia) y caía o gradiente de presión 

-Boquilla tiene como función principal dar forma y tamaño deseados al producto extruido 

Potencia requerida de extrusor

-Predecir la potencia del consumo del motor de un extrusor, implica también que la temperatura del extrusor ha sido especificado usualmente, donde la temperatura observada aumenta en un extrusor como resultado directo de la viscosidad de disipación de la potencia del motor.

-La energía específica de ingreso ( W*h/libra) para tornillos de extrusión es una determinación crítica de las propiedades del producto extruido

-Suministro de energía eléctrica, y transformada en energía mecánica permite rotación de tornillo del extrusor 

-A través de la disipación viscosa y fricción, la mayor parte de esta energía es convertida en calor, aprovechada por la masa para ser cocida 

Tipos de extrusores

Extrusores de tornillo simple:

-Modelos distintos, así extrusores de flujo simple como de doble tonillo, igualmente para flujo de presión, el flujo es atendido por el ingreso del extrusor

-Consta de dos mecanismo de salida, una presión baja al inicio del tramo del cilindro

-Incremento de presión de flujo al final del tramo es el resultado de la existencia de mecanismo de tolerancia de espacio entre tornillo y cilindro que provoca incremento de calor y presión 

Efecto de la extrusión en alimentos

Cocción: gelatinización almidón, desnaturalización de proteína) 

Mezclado : obtención de masa uniforme

Amasado: desarrollo de masa visco elástica

Presurizado: ayuda al moldeado y expansión 

Moldeado: dar forma 

Reacción: Maillard, formación de complejos e inactivación de enzimas

Pasteurización: destrucción de microorganismos patógenos 

Aplicaciones de la extrusión en la industria alimentaria

-Desnaturalización de proteínas

-Gelatinización de carbohidratos ( almidones) 

-Producción de sabores y colores

-Eliminación de factores anti nutricionales

-Crear textura a través de presión, flujo e intercambio de calor 

-Crear formas

-Cocer y secar el producto 

-El extrusor de pastas realiza funciones de crear formas y textura, mientras que un extrusor más versátil puede realizar mayor número de funciones mencionadas 

*Productos que se pueden producir por extrusión son: proteína vegetal texturizada y harina de cereales gelatinizadas 

*Diseño de extrusores (consultar diapositivas en one note)

Conceptos importantes a considerar de extrusor

Volumen disponible del canal del tornillo

Relación de compresión 

Relación entre la longitud del cilindro y el diámetro ( L/Ds) 

-Entrada de cono o dado

-Tornillo y cono del eje ( Cs) 

-Entrada de cono de matriz ( Cd) 

-Ensamblaje de matrices  (Da) 

Clasificación de extrusores

Termodinámicamente: Extrusores autógenos, isotérmicos y politrópicos

Por la presión que ejerce; Tipo de desplazamiento directo o positivo, tipo indirecto o de flujo viscoso 

Por la configuración del tornillo y cilindro

Según la relación D/h

Extrusores de nueva generación

Diseñados para operar a grandes velocidades del eje y pequeñas razones de longitud de diámetro con ventajas como: aumento de capacidad de un 30 a 50%, reducción de consumo de energía mayor a 25% sensibilidad reducida a los componentes de desgaste 

Efecto de la extrusión en alimentos

-Ingredientes más utilizados para extrusión son: alimentos ricos en almidón y ricos en proteína 

-Sus aplicaciones principales son: desarrollo de productos, mejora propiedades funcionales de alimentos vegetales, desnaturalización e inactivación de factores anti nutricionales 

–
Efectos en el almidón durante extrusión: Desintegración del granulo ( formación de fluido viscoelástico), gelatinización/fusión de regiones cristalina, fragmentación de la molécula ( afectan la textura: menos pegajoso), interacción almidón proteína 

–
Efectos en las proteínas durante extrusión: Reacción de Maillard por presencia de azúcares reductores, desnaturalización de proteínas, ruptura y formación de enlaces químicos intermoleculares ( peptídicos y disulfuro) y formación de complejos proteínas-carbohidrato y proteína-lípidos 

–
Efectos en lípidos durante extrusión: Emulsificación de grasas, complejo con amilosa 

Efectos en vitaminas :

–
Efectos en las fibras durante extrusión:  Fibra se solubiliza incrementando disponibilidad para fermentación. En extrusión de salvado el contenido de fibra soluble se incrementa significativamente 

-Efectos en los factores anti nutricionales  (compuestos que afectan valor nutricional de algunos alimentos, especialmente semillas, dado que inhiben asimilación de nutrientes provenientes de alimentos de origen vegetal ( proteínas y minerales)) durante la extrusión: Un ejemplo son las leguminosas que contienen inhibidores de enzimas digestivas, implicando menor disponibilidad de aminoácidos y detrimento en el valor nutricional en semillas crudas o sin procesamiento térmico adecuado 

Cómo se realiza la extrusión

En frío: Extrusión en frío el producto no aumenta su temperatura, porque solo se aplica presión. Elaboración de pasta sin cocimiento ( macarrones), salchichas para hot-dogs y pastas para pastelería y confitería 

Aplicando calor: Extrusión en caliente. Altas presiones y altas temperaturas 

Por qué se utiliza extrusión en industria de alimentos

–Gran versatilidad

-Alto rendimiento productivo

-Eficiente utilización de energía 

-Desarrollo de productos de múltiples carácterísticas texturales 

-Alta calidad nutricional del producto

-Proceso favorable al ambiente 

*Variables de proceso

Temperatura

Viscosidad 

Humedad

Tiempo de proceso

Contenido de grasa/lípidos

Geometría del proceso

Flujo de alimentación y/o flujo de producto 

Caída de presión 

Tamaño y forma del extrudido 

*Procedimiento para el diseño de un sistema de extrusión  ( VER DIAPOSITIVAS EN ONE NOTE)

*Caso de estudio extrusión   ( VER DIAPOSITIVAS EN ONE NOTE)

*Análisis de sistemas ( VER DIAPOSITIVAS EN ONE NOTE)

Existen numerosas variables de proceso independientes en proceso típico de extrusión con cocción:

Producción total, velocidad del tornillo, perfil térmico del cilindro o barril 

Contenido de humedad dentro del barril 

En un proceso común:

Contenido de humedad alrededor del 16%, velocidad de tornillo de 350 rpm, velocidad de producción dependiente del tamaño del extrusor, perfil de temperatura será de efecto secundario, debido al aumento de temperatura se deberá a la disipación viscosa