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 grano

• III. 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.