Materiales y Propiedades para Equipos en la Industria Alimentaria

Materiales y Propiedades en la Industria Alimentaria

La selección adecuada de materiales es crucial en la industria alimentaria para garantizar la seguridad, higiene y durabilidad de los equipos e instalaciones. A continuación, se describen las zonas de contacto, las propiedades de los materiales y las acciones preventivas contra la corrosión.

Zonas de Contacto con Alimentos

Zona Alimentaria: La maquinaria y equipos entran en contacto directo con los alimentos, redirigiendo el propio alimento hacia la corriente del flujo de producción. La maquinaria y equipos deben resistir la corrosión, tener superficies lisas y continuas, y no deben ser tóxicos ni absorbentes.
Planta de Producción: También dispone de una zona en la que el alimento entra en contacto directo con los componentes de las máquinas, pero sin redirigirse nuevamente hacia el flujo de producción.
Zona No Alimentaria: El contacto entre el alimento y las maquinarias no es directo. Los materiales tienen que ser tan resistentes a la corrosión como a los diferentes esfuerzos.

Propiedades Mecánicas de los Materiales

La resistencia mecánica es la capacidad de un material para soportar esfuerzos sin deformarse permanentemente o romperse. Los materiales experimentan esfuerzos de tracción, compresión, flexión, cizalladura y torsión según la aplicación de cargas.

Resistencia: Mide cuánto un material tolera deformaciones.
Resistencia a la Tracción: Es la capacidad de resistir fuerzas de tensión, medida a través del ensayo de tracción. El ensayo de tracción permite comparar materiales y verificar su resistencia a esfuerzos específicos.

Curva de Tensión-Alargamiento

La curva de tensión-alargamiento muestra diferentes zonas:

Zona Elástica: La relación tensión-deformación es lineal y se aplica la ley de Hooke. La probeta vuelve a su longitud inicial si se detiene el ensayo aquí. Termina en el límite elástico (e).
Zona Plástica: Los alargamientos son permanentes. Si se detiene el ensayo, se recupera el alargamiento elástico (e) pero queda un alargamiento plástico (p).
Zona de Estricción: La tensión disminuye después de la carga de rotura, y la probeta se rompe en esta zona.

Resistencia a la Compresión: Mide la capacidad de un material para resistir fuerzas de presión con poca deformación.
Rigidez: Es la propiedad de resistir la deformación por flexión, mientras que la fragilidad implica fractura con poca deformación.
Dureza: Mide la resistencia a ser rayado, cortado o abollado, y se relaciona con la resistencia al desgaste, medida por escalas como la de Mohs.
Tenacidad: Es la capacidad de almacenar energía en forma de deformación plástica antes de romperse, medida por el ensayo Charpy.
Resistencia a la Torsión: Mide la capacidad de un material para resistir fuerzas de retorcimiento.

Conceptos Clave

Tensión: Es la fuerza aplicada a la probeta por unidad de sección (N/m²).
Alargamiento o Deformación Unitaria: Es el tanto por uno en que se ha incrementado la longitud de la probeta.
Fractura: Es la separación en dos o más partes debido a la tensión, pudiendo ser dúctil (con deformación plástica) o frágil (sin deformación).
Fatiga: Ocurre bajo cargas cíclicas inferiores al límite de rotura, con etapas de nucleación y crecimiento de fisuras. En elementos con defectos, las grietas crecen progresivamente hasta causar la rotura. En elementos sin defectos, se presentan dos etapas: nucleación y crecimiento de fisuras, que llevan a la rotura frágil.
Termofluencia: Es la deformación plástica lenta y continua a alta temperatura bajo carga constante.
Fricción: Requiere una fuerza para iniciar el deslizamiento entre dos piezas, con coeficientes de rozamiento estático y dinámico.

Propiedades Físicas de los Materiales

Las propiedades físicas responden al comportamiento ante fenómenos térmicos, eléctricos, magnéticos y sensoriales.

Densidad: Es la relación entre masa y volumen.
Conductividad Calorífica: Mide la transmisión de calor a través del material.
Dilatación Térmica: Causa el aumento de las dimensiones de la pieza del material.
Conductividad Eléctrica: Mide la capacidad de conducir corriente eléctrica, siendo alta en metales y baja en aislantes.
Capacidades Magnéticas: Están relacionadas con la capacidad de generar un campo magnético, como en hierro, cobalto y níquel.
Propiedades Ópticas: Describen la respuesta del material a la luz, clasificándolos en transparentes, traslúcidos y opacos.
Color: Es una propiedad sensorial que depende de la frecuencia del espectro visible absorbida por el material.

Propiedades Químicas

Los procesos químicos dan lugar a sustancias con propiedades diferentes, siendo relevantes la corrosión y la oxidación.

Oxidación: Es la degradación de superficies por reacción con el oxígeno.
Corrosión: Es la destrucción de metales por agentes químicos y atmosféricos. En la industria alimentaria, los agentes químicos incluyen sales, ácidos de alimentos, reactivos de procesos y detergentes.

Materiales en Equipos e Instalaciones

Metales No Férricos

Se clasifican según su densidad en pesados, ligeros (aluminio y titanio) y ultraligeros (magnesio y berilio).

Cobre: Se usa en cableado eléctrico y tuberías, color verde, con buena maleabilidad, ductilidad y conductividad.
Aluminio: Color blanco, es ligero, maleable y buen conductor de electricidad y calor, usado en estructuras y laminados, y se recicla fácilmente. Las aleaciones de aluminio mejoran sus propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión, aplicándose en diversas estructuras y equipos.

Aleaciones de Aluminio Comunes

Aluminio puro 99% (serie 1050) se usa en tubos, láminas, cables y envases de alimentos.
Aluminio con magnesio (serie 3003) mejora resistencia y se usa en depósitos de combustible y equipos de la industria alimentaria.
Aluminio con magnesio y manganeso (serie 5000) es resistente a la corrosión en ambientes salinos.
Aluminio con magnesio y silicio (serie 6000) tiene alta resistencia a la tracción para estructuras.
Aleación GD-Al Si 12 (Cu) es buena para colectores de calor.
Los aluminios en la industria alimentaria tienen recubrimiento anodizado para protección.

Níquel: Se usa en aleaciones de Cu-Ni y como recubrimiento protector resistente a la abrasión.
Latón: Una aleación de cobre y zinc, se usa en tornillería y piezas de maquinaria, con variantes especiales para mayor tenacidad y resistencia a la corrosión.

Metales Férricos

Contienen hierro (Fe) como componente principal y se clasifican en hierro, acero, fundición y grafito.

Hierro: Industrialmente puro tiene pocas aplicaciones debido a su fragilidad, pero se utiliza para ferritas en electrónica.
Acero: Es una aleación de hierro y carbono, cuya dureza y resistencia a la tracción dependen del porcentaje de carbono. El acero inoxidable resiste la corrosión, y su selección en la industria alimentaria depende de factores como pH, temperatura y agentes químicos. La resistencia a la corrosión atmosférica no es el único factor a tener en cuenta en la selección del acero inoxidable.
Fundición: Se forma cuando la proporción de carbono en la aleación de hierro-carbono aumenta.
Grafito: Una variedad alotrópica del carbón, se usa en rodamientos y juntas por sus características antifricción.

Plásticos

Son materiales basados en la polimerización rígida de moléculas y se clasifican en termoplásticos y termoestables.

Termoplásticos: Son dúctiles y viscoelásticos al calentarse.
Termoestables: Mantienen su consistencia.

Los plásticos en la industria alimentaria se seleccionan por higiene, salubridad y resistencia a agentes químicos. Los polímeros deben ser compatibles con alimentos, resistentes a la temperatura y a la corrosión, con baja reactividad superficial.

POLIPROPILENO (PP) / POLIAMIDA (PA) / POLICLORURO DE VINILO (PVC) / POLIFLUORURO DE VINILIDENO (PVDF) / POLIOXIDO DE METILENO (POM) / POLIMETILMETACRILATO (PMMA) / POLICARBONATO (PC) / POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (HDPE) / POLIETILENTEREFTALATO (PET) / POLIETER-ETER-CETONA (PEEK) / FLUOROELASTOMERO (PTFE).

Corrosión

En el acero inoxidable, los factores que influyen en la corrosión son la exposición prolongada al agua potable a alta temperatura (+60ºC), medios salinos y altas concentraciones de ácido clorhídrico y sulfúrico e ingredientes, aditivos y alimentos según ácidos acético, nítrico, málico, láctico y tartárico.

Acciones Preventivas Contra la Corrosión

Eliminar restos de ferrita.
Prestar atención a los bordes de las soldaduras, eliminando óxidos.
Evitar debilitar el material durante las soldaduras y precalentamientos.
Diseñar piezas sin huecos ni aberturas hacia ambientes corrosivos.
Realizar montajes limpios, sin suciedad ni grasa en las juntas.
Seguir un plan de limpieza regular en el mantenimiento.
Evitar la sensibilización del material por diferencias de temperatura.
Elegir aleaciones de hierro-carbono con bajo contenido de carbono.
Usar aceros estables con titanio en casos especiales.
Hacer pruebas en las piezas para disolver los carburos de cromo.
Asegurar que las uniones y ensamblajes no estén tensados.
Controlar las tensiones durante la fabricación y unión de piezas.
Mejorar las soldaduras y eliminar tensiones en el cordón.
Reducir los contactos eléctricos entre los materiales a unir.