Consideraciones generales sobre los aspectos morfométricos que caracterizan a los granos de arroz
Introducción
El arroz es un cereal considerado como alimento
básico en muchas culturas culinarias (en especial la
cocina asiática), así como en algunas partes de
América Latina. Es el segundo cereal más producido
en el mundo, tras el maíz [1]. Es alimento básico
en la dieta de los cubanos. El consumo promedio en el país
es de más de 70 kg por persona al año, uno de los
más altos del mundo [2].
Desde su producción en el campo hasta quedar
listo para su cocción es necesario aplicarle una serie de
tratamientos al mismo. Este proceso que abarca una serie de
etapas que se rigen bajo parámetros y normas establecidas.
Cuba no es la excepción en ello [3].
Diversos países productores emplean diferentes
métodos para el procesamiento, en Cuba las exigencias de
calidad y eficiencia no corresponden con los avances
científicos y tecnológicos que existen en los
países de mayor producción, aunque se trabaja en
base a ello.
Como se conoce el arroz es un grano que puede tener una
gran diversidad de formas que son característicos de cada
variedad. Una categorización general de los granos de
arroz según la forma es:
Arroz de grano largo, que puede tener entre cuatro y
cinco veces la longitud de su grosor.Arroz de grano medio, que posee una longitud entre
dos y tres veces su grosor.Arroz de grano corto, de apariencia casi
esférica.Arroz silvestre, posee un grano largo que puede
llegar a casi 2 cm de longitud.
El análisis morfométrico de granos y/o
partículas incluyendo los granos de arroz tiene un amplio
espectro en la industria agroindustrial con fines comerciales. El
consumidor es cada vez más selectivo y exigente al momento
de comprar. Los paquetes comerciales actualmente presentan
ventanas transparentes para observar el tamaño, la forma,
el color, el aspecto y el tipo de grano.
Esto trae como consecuencia la necesidad de optimizar
las tareas de control de calidad para satisfacer dicha demanda.
Actualmente la valoración de la calidad de los granos,
basada en cualidades tales como tamaño, forma, color y
defectos (quebradura, falta de homogeneidad de color, daño
por enfermedad) es realizada por inspectores humanos [4]. El
inspector hace este control en forma manual grano por grano,
generalmente, en una muestra de 10 g (aproximadamente 600 granos
dependiendo de la variedad), es una tarea tediosa y que bajo un
mal manejo se llega a introducir un alto grado de
incertidumbre.
El tamaño de una partícula cúbica
se define singularmente por su longitud de borde. El
tamaño de una partícula esférica se define
singularmente por su diámetro. Otras formas regulares
tienen las dimensiones igualmente apropiadas. Con algunas
partículas regulares con más de una
dimensión, es necesario especificar la geometría de
la partícula como, por ejemplo, un cilindro que tiene un
diámetro y una longitud. Con las partículas
irregularmente formadas, se exigen muchas dimensiones hasta
especificar la forma de la partícula completamente
[5].
Cuando se requiere caracterizar morfométricamente
una población considerable de granos y/o partículas
es inconcebible pensar en el análisis completo del
material [6]. Para que esto no sea un obstáculo en el
estudio de la forma y dimensiones de los materiales granulares
existen técnicas y métodos de muestreo que permiten
extrapolar las propiedades de una gran porción o
población a una pequeña. Para cumplir esta
característica la inclusión de sujetos en la
muestra debe seguir una técnica de muestreo [7, 8]. En
tales casos, puede obtenerse una información similar a la
de un estudio exhaustivo con mayor rapidez y menor
coste.
Como objetivo general de este trabajo se
establece estudiar las generalidades del proceso de tratamiento
del arroz en cáscara, así como los fundamentos de
los aspectos morfométricos que caracterizan a los granos y
el muestreo.
Revisión
documental
Descripción del proceso de tratamiento del arroz
en cáscara
El procesamiento del arroz en cáscara constituye
un sistema con un cierto grado de complejidad y que incluye a
nivel industrial una gran cantidad y variedad de máquinas,
transportadores, elevadores, mecanismos, etc.
Etapas de procesamiento del arroz
La UEB "Tamarindos" se encuentra ubicada
geográficamente en el municipio La Sierpe, provincia
Sancti Spíritus y es una empresa destinada al tratamiento
del arroz desde que es extraído del campo de cultivo hasta
dejarlo listo para su cocción y consumo posterior. Tiene
una capacidad instalada de procesar 120 T cada 20 horas del
cereal. El proceso tecnológico que utiliza se divide en
cinco etapas fundamentales:
I. Secado, pree limpieza y reposo
II. Descascarado y separación del
granoIII. Pulido del grano
IV. Clasificación y mezclado
V. Envase y almacenamiento
Cada una de las etapas depende de la o las anteriores y
estas a su vez de las condiciones y características
físicas de la materia prima recibida.
I. Secado, pre limpieza y reposo
El secado se realiza con el objetivo de reducir la
humedad de los granos, en el caso del arroz cáscara va
desde valores entre 20 y 30 % por peso a valores entre 12,5 y
13,5 % por peso y es un requisito indispensable para un
almacenaje seguro, de forma que se inhibe el crecimiento
microbiano, además de que bajo parámetros
establecidos favorece la eficiencia y calidad del descascarado y
pulido posterior. La entidad en general cuenta con dos sistemas
de secado, una de secado continuo y otra de secado alterno, ambas
mantienen el mismo principio de utilización del calor
producido por quemadores diésel e impulsado por
bombas.
La pree limpieza del arroz da la posibilidad de eliminar
gran cantidad de impurezas provenientes del campo de cultivo como
palos, piedras, restos de plantas, granos defectuosos, etc. La
misma se realiza en varias zonas con dispositivos
diseñados para el propósito, después del
recibo de la materia prima, posterior al secado y antes del
descascarado. A mayor grado de pureza en el arroz, mayor
eficiencia y mejores resultados se obtendrán en el
descascarillado.
El reposo no es más que el período que se
establece para que los granos alcancen su homogeneidad,
temperatura y resistencia necesaria a la fisuración para
los procesos posteriores, el mismo no debe ser menos de 72 horas.
Durante este tiempo el cereal permanece almacenado en silos y
sometido a aireación diaria desde las 10:00 am hasta las
5:00 pm y preferentemente en días no nublados para impedir
una absorción de humedad por los granos.
a) Secado Continuo
El sistema de secado continuo cuenta con cinco silos de
recibo, dos quemadores diésel, dos bombas de
impulsión del calor y dos líneas de secado con
siete torres cada una. El arroz pasa de una torre a otra por
medio de elevadores que descargan en la parte superior de cada
una. Por el interior de las mismas y mediante tuberías se
expande el calor, haciendo que impacte los granos que descienden
a través de un sistema de balanceo. La temperatura de
salida del arroz debe ser lo más próxima posible a
37 ºC . Este sistema tiene la ventaja de que el secado se
realiza en un solo pase y la desventaja que no se logran
parámetros de humedad y temperatura tan cercanos a los
requeridos.
b) Secado Alterno
El sistema de secado alterno cuenta con diez silos de
recibo, un quemador diésel, una bomba de impulsión
del calor y una cámara de secado. El arroz entra en la
parte superior de la cámara mediante elevadores, en el
interior de esta existe una serie de tuberías que
descargan el calor, haciendo que impacte los granos que
descienden por un sistema de balanceo y que las impurezas menos
pesadas sean expulsadas por la acción de la velocidad del
mismo. Mediante este método el secado completo
generalmente no se logra de un solo pase, sino que hay que
aplicar más de uno, pero tiene la ventaja de que se
alcanzan valores más cercanos a los parámetros
requeridos de humedad y temperatura del grano y que se realiza
conjuntamente una pree limpieza del cereal.
II. Descascarado y separación del grano
Una vez culminado el período de reposo,
nuevamente se realiza una pree limpia del arroz para
transportarlo hasta la tolva encargada de distribuirlo por las
cuatro descascaradoras marca ZACCARIA, modelo Dapz-CF de
procedencia brasileña. Los granos de arroz son conducidos
a una cámara de descasque donde existen dos rodillos de
goma que giran en sentido contrario y rotaciones diferentes, por
entre los cuales los granos son forzados a pasar. El diferencial
de rotación aliado a una presión radial entre los
rodillos, produce un esfuerzo de patinaje sobre los granos
provocando el rompimiento de la cáscara, consecuentemente
desprendiéndola del grano [9]. Uno de los rodillos es fijo
y el otro se encuentra conectado a un sistema neumático
que permite su desplazamiento longitudinal, la presión de
aire se controla mediante un manómetro y esta depende del
flujo, de la calidad del cereal, del nivel de desgaste de los
rodillos y de la geometría de los granos. El efecto de la
rotación de los rodillos imprime una velocidad a los
granos proyectándolos en dirección al pico de
salida, donde serán conducidos a un circuito cerrado que
hará la separación de los subproductos en tres
fases distintas: arroz integral con arroz con cáscara,
recuperación (arroz mal granado, arroz partido y yesoso) y
cáscara [9]. Para entender mejor el principio de
funcionamiento de estos equipos se muestra en la Figura
1.
El arroz integral, llamado también arroz cargo,
arroz pardo o arroz moreno, es arroz descascarillado, al que
sólo se le ha quitado la cáscara exterior o gluma,
no comestible. Conserva el germen íntegro con la capa de
salvado que lo envuelve, lo que le confiere un color moreno
claro. Tiene más valor nutritivo que el arroz blanco
debido a que el salvado contiene muchos elementos como fibra,
vitaminas B1 (tiamina), vitaminas B2 (riboflavina), B3
(niacinamida), vitamina D, hierro, magnesio, calcio y potasio que
se pierden con el pulido y blanqueo del mismo, pero tiene las
desventajas de que es más propenso a las plagas, requiere
más tiempo de cocción y se vuelve rancio mayor
rapidez [10].
La primera fase de arroz integral con arroz
cáscara es llevada a la tolva encargada de la
distribución hasta las cuatro separadoras marca YANMAR
(Figura 2.) que mediante un movimiento vibratorio hace que los
granos se dividan en tres categorías, arroz integral,
mezcla de arroz integral y arroz cáscara y arroz
cáscara. La primera categoría pasa
automáticamente a la siguiente etapa de pulido, la segunda
regresa a la tolva de distribución por las separadoras y
la tercera se lleva nuevamente a la tolva que distribuye por las
descascarodoras. Todos estos mecanismos funcionan a través
de elevadores y transportadores.
Figura 2. Separadoras marca
YANMAR
III. Pulido del grano
El proceso de pulido se realiza con el objetivo de
obtener el arroz blanco. Se llama arroz blanco al arroz molido
desprovisto de la gluma (cáscara), el salvado y el germen.
Este proceso se realiza para evitar la degradación del
arroz y alargar su vida útil. Tras él, los granos
quedan pulidos, con aspecto blanco brillante. La entidad cuenta
con dos líneas de pulido de cuatro pulidores funcionando
actualmente. El arroz integral es introducido y en el interior
unas piedras abrasivas (Figura 3) que giran a altas revoluciones
hacen que se desprenda la capa de salvado que envuelve al
grano.
Figura 3. Parte interior de un pulidor
de arroz
IV. Clasificación y mezclado
La clasificación es el proceso donde se dividen
los granos en clases según su tamaño. El sistema
cuenta en general con tres clasificadores, dos de ellos marca
ZACCARIA, modelo CPRZ de procedencia brasileña (Figura 4).
El Clasificador Plano Rotativo Zaccaria, tiene como finalidad,
clasificar 4 subproductos distintos por tamaño, como por
ejemplo, separar los granos de arroz 3/4, 1/2, 1/4 y arroz
partido (cabecilla), a través del principio del cribado,
consiste en un conjunto de 8 módulos, siendo 1
módulo de distribución y 7 conjuntos de cribas de
clasificación. Inicialmente se entiende que cuando un
producto es clasificado en una criba, son generados 2
subproductos, siendo el subproducto mayor (aquél que no
pasó por la criba) y el menor (aquél que
pasó por la criba). Para lograr entender el esquema de
clasificación del CPRZ, va a ser dividido en etapas
[9].
Figura 4. Etapas de
clasificación de la clasificadora marca ZACCARIA, modelo
CPRZ.
Etapa 1 (clasificación del producto A,
salida S-1): esta etapa se inicia cuando la criba nº.1
(criba de distribución) hace la tarea de distribuir la
carga de entrada para las cribas 2 y 3. Los subproductos mayores
de las cribas 2 y 3 son repasados en la criba 4 y en este repase
el producto que no pasar genera el producto A, en la salida
S-1.
Etapa 2 (producto B, salida S-2): los
subproductos menores de las cribas 2, 3 y 4 son distribuidos para
las cribas 5 y 6. Los subproductos mayores de las cribas 5 y 6
son repasados en la criba 7, en este repase el producto que no
pasar genera el producto B, en la salida S-2.
Etapa 3 (producto C, salida S-3): el subproducto
menor de las cribas 5, 6 y 7, va para la criba 8, el producto que
no pasar, genera el producto C, en la salida S-3.
Etapa 4 (producto D, salida S-4): el subproducto
que pasar en la criba 8, genera el producto D, en la salida
S-4.
El producto B (1/2 grano), salida S-2 es nuevamente
rectificado en un clasificador marca ZACCARIA, modelo
TRIZ de procedencia brasileña (Figura 5), que tiene
por finalidad promover la clasificación de los granos de
arroz en los tamaños entero, ¾, ½, ¼
y consiste básicamente de un cilindro rotativo, teniendo
su superficie interna formada por pequeñas cavidades
denominadas alvéolos [9]
Durante el proceso de clasificación, los granos
quebrados entran en los alvéolos y quedan presos en su
interior debido a la combinación del formato de los mismos
y la rotación del cilindro, siendo forzado
acompañar el sentido de rotación, mientras que los
granos con dimensiones mayores no pudiéndose alojar en los
alvéolos, son forzados a emigrar al interior del cilindro
(Figura 5-a).
Figura 5. Componentes internos de la
clasificadora marca ZACCARIA, modelo TRIZ, a) Parte interna del
cilindro, b) Parte interna de la concha
Los granos quebrados después de algún
tiempo quedan libres del efecto provocado por los
alvéolos, siendo que en este momento, su peso propio vence
la fuerza centrífuga y éste cae para el interior de
una concha ubicada dentro del cilindro que colecta todo grano
fisurado, la cual es dotada de un transportador sin fin que evita
el acumulo de los mismos.
Todos los granos, estén o no dañados son
transportados para una de las extremidades del cilindro donde
existe una caja colectora (Figura 5-b), que los recibe y los
guía para la fase siguiente [9].
Una vez clasificado el arroz blanco en diferentes clases
según el tamaño se procede a realizar la mezcla de
los mismos según las exigencias del consumidor,
exceptuando la cabecilla, que es un subproducto para consumo
animal.
V. Envase y almacenamiento
Como momento final del proceso el arroz es envasado en
sacos de nylon en cantidades de hasta 50 kg (˜ 108 lb) y
almacenado en la propia entidad en estibas (Figura 6), para que
posteriormente sean transportados a los diferentes proveedores.
Esta etapa se realiza prácticamente manual, pero se
auxilia de elementos mecánicos como máquinas
cocedoras para sellar los sacos y transportadores que facilitan
el movimiento de los mismos, así como para la
formación de las estibas.
Figura 6. a) Estiba de arroz envasado
en sacos, b) Transportadores que facilitan el movimiento de los
sacos para formar las estibas.
Aspectos morfométricos de granos y
partículas
Los materiales granulares están compuestos de una
gran cantidad de granos o partículas, se entiende por
"grano" en sentido general a un trozo de materia sólida o
líquida, esférica o no, que se encuentre en un
fluido inmiscible [11] (Figura 7). El tamaño de las
partículas suele ir desde algunas micras hasta el orden de
metros o mayores. Como ejemplos de lo anterior se da el caso de
los polvos donde sus partículas son tan pequeñas
que apenas se distinguen a simple vista. En el caso contrario, se
pueden tener partículas tan grandes como rocas que pueden
medir varios metros, e incluso asteroides, con tamaños de
varios cientos de metros.
El tamaño de la partícula es uno de los
más importantes parámetros en la ciencia de los
materiales, así como en otras ramas de la
tecnología [12]. La granulometría, de
"gránulo" (pequeño grano), trata de los
métodos de medición del tamaño de un grano y
por extensión de una población de
granos.
Si se trata de un grano esférico, se
tomará evidentemente como dimensión de su
tamaño su radio o su diámetro. Para una
partícula fuertemente irregular, es a veces difícil
definir un tamaño equivalente que sea satisfactorio desde
el punto de vista físico.
Para calcular el tamaño de grano sobre una
superficie se puede utilizar una fórmula sencilla: A =
N??r2. En esta ecuación se considera que los granos son
circulares. Dónde (A) es el área total de la
superficie, (N) el número de granos y (r) el radio de los
granos, por lo tanto, el tamaño de grano (D), puede ser
considerado como el diámetro y se calcula como
[13]:
La expresión (1.1) se limita a granos solamente
de forma circular, para estudios recientes esta condición
no es siempre válida, la gran variedad de formas y
tamaños de partículas, así como las
dimensiones que caracterizan a cada una de ellas es casi
infinita. Algunos científicos e investigadores han
descrito vías y dimensiones para lograr caracterizar las
partículas (como son los diámetros
estadísticos) [14, 15] , así como algunas normas
estándares reportadas [11, 12, 16, 17].
Morfología de los granos y/o
partículas
Aunque la forma más simple de
estudiar la materia granular es suponer que las partículas
que la componen son esféricas, en muchos casos no ocurre
así. En una gran cantidad de situaciones las
partículas pueden tener formas diferentes a esfera (Figura
8). Por ejemplo, los granos de lenteja tienen forma de esferoides
oblatos[1]los granos de arroz (de cualquier
variedad) tienen forma de esferoides
prolatos[2]los granos de sal tienen forma
cúbica, etc. [18]
Figura 8. Formas: (a) esfera, (b)
esferoide oblato, (c) esferoide prolato, (d) cubo.
Al estudiar los medios granulares es importante tomar en
cuenta la forma de sus partículas. Se ha descubierto que
la forma de los granos puede modificar la distribución de
esfuerzos en materiales granulares en reposo.
Los granos con forma elongada pueden modificar la
fricción y hacer más difícil el flujo del
material granular debido a que se pierde energía cuando
rotan. Por otro lado, un material compuesto por esferoides
oblatos o prolatos puede alcanzar una mayor fracción de
volumen que uno compuesto por esferas [19, 20].
Factores de forma
La combinación de las dimensiones de diferentes
diámetros promedio de una distribución de
partículas, se llama factor de forma. Los factores de la
forma tienen tres funciones:
1. Los factores de proporcionalidad entre los
diferentes métodos de determinación de
tamaño (por ejemplo, la determinación de
tamaño promedio por el área de la superficie es
proporcional al tamaño promedio determinado por el
volumen y la constante de proporcionalidad es un factor de la
forma).2. Los factores de conversión para
expresar los resultados a lo que se refiere a una "esfera
equivalente."3. Las transformaciones del cuadrado y cubo del
diámetro de la partícula medidos en el
área de superficie de partícula y volumen de la
partícula, respectivamente.
Pueden aplicarse los factores de forma a una
partícula individual o a una distribución de
partículas. Ellos no son sensibles a la
distribución del tamaño. Para una
distribución de partículas, el factor de forma
medido es un valor promedio. Los factores de forma siempre se
entienden relativos a dos métodos de determinación
de tamaño de partícula.
Un valor particular del factor de forma no especifica
una geometría particular porque muchas geometrías
pueden dar el mismo factor de forma.
El factor de forma dinámico, K, se define como la
resistencia de una partícula para división de
movimiento por la resistencia de una esfera para moverse cuando
la partícula y la "esfera equivalente" tienen el mismo
volumen. Cuando la partícula está configurada bajo
el flujo laminar, K se da por:
Los factores de forma no proporcionan la
información específica sobre la geometría de
las partículas pero simplemente dan un número para
los propósitos de la comparación. Para proporcionar
la información de geometría de partícula, un
modelo geométrico (es decir, cubo, tetraedro, la esfera,
etc.) debe seleccionarse y comparar las partículas de la
población a esa geometría para ver como las
partículas se corresponden. Este acercamiento, hecho por
Heywood [21], sólo puede usarse cuando tres dimensiones
mutuamente perpendiculares de la partícula pueden
determinarse. Esta cantidad de información en cada
partícula no está típicamente disponible, lo
que previene el uso común de esta técnica para dar
la información detallada de forma de
partícula.
Análisis de forma
La regeneración de la forma puede realizarse por
las técnicas de transformación Fourier. Primero el
centro de gravedad de la partícula se encuentra por su
contorno. Entonces un sistema de coordenadas polares es fijo.
Schwarcz y Shane localizaron el contorno de la partícula y
generaron un argumento de Rn contra ?n, dónde n es el
número de ángulos iguales utilizado
[22].
Las generalizaciones de este método a las
partículas tridimensionales también son posibles.
Pueden analizarse las formas de las partículas y pueden
reproducirse usando este método de transformación
de Fourier.
Compactación
Las partículas que componen un material granular
pueden distribuirse de diferentes maneras dentro del mismo.
Cuando se tienen partículas esféricas, un
porcentaje del volumen del material granular corresponde a las
esferas en sí, mientras que otro porcentaje del volumen
corresponde a los huecos que se forman entre las
partículas.
En el caso de materiales monodispersos, aquellos que
suelen tener menor compactación tienen una fracción
de volumen de alrededor de 0,56. Al sacudir los materiales se
suelen alcanzar compactaciones mayores; la máxima de ellas
alcanzada por esta forma es de 0,68. La máxima
compactación posible en materiales monodispersos se
alcanza acomodando las partículas de forma hexagonal
compacta. Cuando éste es el caso, la fracción de
volumen llega a 0,74.
1.2.4.1. Segregación granular
Un efecto de suma importancia en la materia granular que
resulta debido a la diferencias entre tamaños y formas de
partículas y que puede ser aplicable a sistemas de
clasificación, selección y eliminación de
impurezas, es la segregación granular. Cuando una mezcla
polidispersa de granos es sacudida verticalmente, las
partículas se separan por tamaños, quedando las de
mayor tamaño en la parte superior y las de menor
tamaño en la parte inferior como se muestra en la Figura
9. Esto ocurre incluso si las de mayor tamaño tienen mayor
masa que las pequeñas.
La segregación granular es un fenómeno
indeseable en la toma de muestras ya que al dividirse los granos
ya sea por peso o por tamaños no se logra obtener una
muestra homogénea y por consiguiente representativa de una
determinada cantidad de material que necesita ser analizada en
base a una pequeña porción.
En el almacenaje de granos se puede observar la
ocurrencia de este fenómeno, que no siempre es deseable
para conservar la homogeneidad del producto.
Teoría de muestreo en materiales
granulares
Consideraciones estadísticas generales
Antes de poder medir cualquier característica de
un material granular es indispensable tener una muestra
representativa de la misma. Este problema puede verse en su
verdadera magnitud considerando que varias toneladas de material
se analizarán en base a menos de 10 g de
material.
Lo fundamental que puede obtenerse en una muestra
representativa se llama la muestra perfecta; la diferencia entre
esta muestra perfecta y el volumen puede establecerse por un
método estadístico.
El error máximo de muestreo, E, puede ser
expresado como:
Exactitud de muestreo de dos componentes
Puede considerarse cualquier material granular para
formar dos clasificaciones, el fragmento sobre y debajo de un
cierto tamaño y las suposiciones hechas acerca de los
pesos de los granos individuales en cada una de las dos clases.
La ecuación (1.24) puede usarse entonces para determinar
la exactitud de muestreo de una sola clase. Además, si los
granos se cuentan en lugar de ser pesados, una ecuación
más general es aplicable.
(Esta ecuación también se usa para
determinar la exactitud de opinión pública) es
obvio de las ecuaciones precedentes que el más grande es
la muestra, el más pequeño es la desviación
estándar de muestreo.
Muestra y muestreo
Al elegir una muestra se espera conseguir que sus
propiedades sean extrapolables a la población. Este
proceso permite ahorrar recursos, y a la vez obtener resultados
parecidos a los que se alcanzarían si se realizase un
estudio de toda la población. Cabe mencionar que para que
el muestreo sea válido y se pueda realizar un estudio
adecuado (que consienta no solo hacer estimaciones de la
población sino estimar también los márgenes
de error correspondientes a dichas estimaciones), debe cumplir
ciertos requisitos. Nunca se puede estar enteramente seguros de
que el resultado sea una muestra representativa, pero siempre
actuar de manera que esta condición se alcance con una
probabilidad alta.
El muestreo preciso es de extrema importancia y es un
requerimiento básico para un análisis de
tamaño confiable. Se debe tener mucho cuidado para obtener
muestras que sean lo más cercanamente representativas de
la cantidad de lotes que fueron probados. Una causa principal de
inconsistencias en los resultados experimentales es muestreo
impropio que verdaderamente no representa el lote bruto del
material. Por consiguiente, una vez que el método de
muestreo sea establecido, el mismo método siempre
debería ser seguido.
Métodos de muestreo
El tamaño de una muestra analítica
práctica es a menudo minúscula comparado al volumen
del material muestreado e incluso la muestra analítica
está sujeta a un grado grande de variación de
muestreo.
Hay dos maneras de reducir esta variación. Una
manera es hacer una muestra del laboratorio grande de muchos
incrementos del volumen y dividir la muestra del laboratorio para
producir una muestra analítica. Esta muestra del
laboratorio se retiene a menudo para reproducir los
análisis para determinar la desviación
estándar del método analítico. La segunda
manera de reducir la variación de muestreo es tomar varias
muestras reproducidas y mezclarlas para hacer una muestra
analítica.
Una muestra representativa es difícil de obtener
cuando uno considera que:
Las partículas encuentran muchos tipos de
segregación que perjudicarán la
muestra.Muchas condiciones diferentes serán
muestreadas.
Frecuentemente, uno debe probar un flujo continuo,
lotes, bolsas, montones, depósitos de alimentación,
o camiones. La propiedad más importante causando
segregación es la de tamaño de partícula, y
este problema se exacerba con el material fluyendo. En un
montón, las partículas finas tienden a concentrarse
al centro del montón. En un recipiente vibrante, el
material en bruto tiende a concentrarse en la superficie, aun
cuando el material grueso es más denso que el material
fino. Este problema se observó cuando un granjero
pidió por ferrocarril una casilla de semilla de trigo.
Cuando la casilla llegó, la superficie de la cima
parecía como si le hubieran enviado frijoles. El 1 % de
impureza, los frijoles, se habían segregado enviando a la
cima la carga con las vibraciones ligeras del ferrocarril. Una
comprensión de estas tendencias de partículas a
segregar previene de las prácticas de muestreo
descuidadas.
Reglas de oro del muestreo
Para muchas de las posibles situaciones en que el
muestreo tiene que ser realizado, pueden darse dos principios que
disminuirán la segregación:
Regla 1. Un material granular debe muestrearse cuando
está en movimiento.
Regla 2. El flujo de granos se debe
muestrear en incrementos cortos de tiempo preferentemente con
respecto al muestreo constante en el tiempo.
En muchas situaciones posibles una muestra tiene que ser
obtenida bajo condiciones que a menudo hacen necesario el uso de
técnicas de muestreo sencillas, sin embargo, el
cumplimiento de estas reglas doradas llevará a un mejor
procedimiento de muestreo.
Para muestreo de bolsa es mejor seleccionar las bolsas
al azar y usar un cuarteador para homogeneizar la muestra,
tomando una porción de una de las divisiones.
Para una pila de muestreo, es importante notar que es
probable que la sección cruz contenga grandes grados de
segregación con las partículas finas concentradas
cerca del eje y las partículas gruesas se concentraron a
la periferia del montón. Esta segregación es una
ocurrencia común, el muestreo estático no se
sugiere a menos que todas las partículas sean < 44
&µm dónde la segregación es muy reducida.
Una vez que una muestra representativa se ha obtenido, pueden
determinarse la distribución de tamaño de
partícula y otras características de materiales
granulares.
Procedimiento para tomar
muestras
No es práctico para especificar un solo
método de muestreo desde el carácter del material y
la forma en la cual está disponible, afectará la
selección del método para ser usado. Por ejemplo,
el material puede estar muy fino, medio, o grueso y puede
consistir de un amplio espectro de tamaños de la misma
muestra y pueden estar en una pila, vagones ferroviarios, bolsas,
o una corriente continua. La ASTM tiene estándares en
tablas que pueden ser utilizados como métodos para una
colección variada de materiales y debería servir
para todos los materiales que son caracterizados [6].
- Tamaño de la muestra bruta
El tamaño de una muestra bruta no
dependerá sólo del carácter del material y
la forma en la cual está disponible sino que
también en si la prueba debe determinar la
distribución de tamaño de la partícula de
producción de una pila, montón, de embarque, de
días, o el intervalo breve de tiempo para el control de la
producción. El alcance en el tamaño de una muestra
bruta es muy amplio. Puede ser tanto como muchos miles de libras
(o kilogramos) y pueden ser tan pequeñas como una
fracción de una libra (o kilogramo).
- Tomar muestras de una rampa o de una cinta
transportadora
Una buena exactitud para tomar muestras es obtenida
donde el material fluye de una rampa de caída o de un
transportador de banda. El lugar ideal para tomar la muestra es
justo donde las partículas del material caen de la rampa o
la cinta transportadora. Al tomar la muestra, si la corriente es
bastante pequeña, use un cubo u otro receptáculo
adecuado que pueda ser metido completamente a través de la
corriente afluente en un intervalo breve de tiempo y con un
movimiento uniforme.
De ninguna manera el receptáculo de muestreo
debería permitir derrames, porque el derrame
tendería a desechar una proporción alta de las
partículas más grandes dejando de ser una muestra
representativa.
Los dispositivos mecánicos de muestreo
están disponibles para seleccionar muestras
automáticamente de una corriente en uniformes intervalos
espaciados de tiempo.
- Tomar muestras de una pila
Tomando muestras de la pila, en particular el material
como piedra molida o carbón que contiene partículas
grandes, es sumamente difícil asegurar muestras realmente
representativas. En el crecimiento de una pila cónica, la
proporción de partículas finas en la punta
será mayor, mientras en la base, el porcentaje de
partículas gruesas será mayor. Por consiguiente, en
ningún lugar será descriptivo del todo.
En un proceso con pala, cada quinta o décima
paleada, y así sucesivamente, debería estar tomada
dependiendo de la cantidad de la muestra deseada. La muestra
debería consistir en cantidades pequeñas tomadas al
azar de tantas partes de la pila como sea accesible y tomadas en
cierto modo que la mezcla tendrá el mismo rango que la
cantidad más grande.
Procedimiento para obtener una muestra
experimental
- Tamaño de muestra experimental
Es posible que el tamaño de la muestra
experimental para el análisis de tamizado no ha sido
establecido por un estándar publicado, pero puede ser
determinado por las siguientes sugerencias: si se va a decidir
por el tamaño de una muestra experimental, la
consideración debe estar dirigida hacia el carácter
del material, su fraccionamiento, y el rango de tamaño de
partícula que presenta.
El tamaño de muestra está directamente
relacionado con la sensibilidad del dispositivo (el tamizador)
usado para caracterizar la cantidad más pequeña de
material reunido. Por ejemplo, en la ejecución de un
análisis de tamizado de un material representativo de un
flujo de partículas finas, un tamaño de muestra de
500 a 1000 g puede ser satisfactorio, mientras el producto de un
triturador que contiene un rango mayor de agregados una muestra
de 20 kg o más puede ser necesario. Para un producto
finamente molido, una muestra del 25 a 100 g puede ser
suficiente.
Como método de chequeo para determinar el
tamaño correcto de una muestra, se sugiere el siguiente
procedimiento: con un fraccionador de muestra, las muestras
fraccionadas con precisión deben variar los pesos, como
25, 50, 100, y 200 g. Entonces se debe echar estas muestras en
los tamizadores seleccionados, por un período de
aproximadamente 5 min, preferentemente en un tamizador
mecánico. Una comparación de estos resultados
mostrará la muestra de tamaño más adecuada a
usar. Por ejemplo, si con la muestra experimental con los 100 g
se obtiene aproximadamente el mismo porcentaje pasando por el
tamizador más fino la muestra de 50 g, considerando que la
muestra de 150 g da un porcentaje más bajo a través
del tamizador más fino, esto indica que una muestra de 150
g es también muy grande, pero una muestra de 100 g es
satisfactoria.
Una vez que el tamaño de la muestra correcta es
determinado por un experimento en particular, este mismo
tamaño de muestra sirve para todos los
experimentos.
El tamaño de la muestra puede ser determinada
multiplicando los valores de volumen recomendado por la densidad
(en g/cm3) del material a experimentar, con una tolerancia de
± 25 %. Si la densidad real del volumen del material de
experimentación no ha sido determinada, el factor
típico de densidad para el material puede ser
usado.
- Límites del peso de la muestra
experimental
Para determinar el peso o el tamaño adecuado de
la muestra experimental, el peso por el volumen cúbico del
material tiene mucha importancia. Por ejemplo, una muestra de 100
cm3 de hierro en polvo pesaría aproximadamente 390 g,
mientras el mismo volumen de tierra fósil pesaría
sólo 50 g.
El volumen de la muestra experimental debe ser tal que
ningún tamizador sea sobrecargado al punto que exista un
abarrotamiento de partículas en la malla grande y cercanas
en la superficie del tamizador. La sobrecarga tiene más
probabilidad de ocurrir en los experimentos de materiales que
tienen una concentración de partículas cerca de un
tamaño, o donde la muestra entera está dentro de un
grado estrecho de tamaño.
Por ejemplo, una gran proporción de
tamaños de la partícula estaría entre un
tamizado de 2 mm y uno de 500 &µm. En tales casos, el
tamaño de la muestra debe ser lo suficientemente grande
para permitir una cantidad medible del material para ser retenido
en cada tamiz, Particularmente en los tamizadores de control.
Haciendo análisis de tamizado de material mediano o fino,
es mejor no utilizar una muestra muy grande.
Una muestra más pequeña, tomada
correctamente y cuidadosamente reducida usualmente dará
resultados más precisos y coherentes que una muestra
más grande que podría sobrecargar uno o más
de los tamices. Lo contrario puede ser cierto al muestrear
materiales gruesos, como necesita constituir una porción
representativa.
- Reducción de la muestra bruta
Después que la muestra bruta ha sido
correctamente tomada, el siguiente paso es reducirla a un
tamaño adecuado para el análisis experimental de
tamizado sin deteriorar de ninguna forma la distribución
característica del tamaño de las partículas
de la muestra original.
Esta fase de la operación debe seguir los
estándares publicados de la ASTM aplicables y deben ser
realizados con tanta cautela como en la colección de la
muestra bruta y hacer el tamizado experimental.
- Cuartear y apilar manual
Se debe apilar la muestra bruta en forma de cono sobre
una superficie limpia, seca y suave. Colocar cada pala llena en
la cima del cono para permitir que las partículas se
deslicen equivalentemente en todas las direcciones. Entonces se
debe expandir la muestra en un círculo y pasar alrededor
de la pila, gradualmente ensanchando el círculo con una
pala hasta que el material esté difundido para un espesor
uniforme. Marcar el plano de la pila en cuartos, y desechar dos
cuartos opuestos. Colectar y mezclar otra vez en una pila
cónica, tomando los dos cuartos alternativos que quedaron
en la superficie.
Es importante para evitar exceso de trabajo en este
método limitar la cantidad de finos generados por la
acción de la pala. Continuar el proceso de apilamiento,
aplanando, y desechando dos cuartos hasta que la muestra se
reduzca al tamaño requerido. Es importante resaltar que
este método puede producir muestras brutas que representan
parcialmente la pila.
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