ESPUMAS

Ing. Graciela Ballesteros Barradas

Definición

• Las espumas son dispersiones de burbujas de gas en una fase continua líquida o semilíquida, que contiene un agente con actividad de superficie soluble. En muchos casos es aire y en ocasiones CO2. La mezcla resultante se puede comer, es decir, es grado alimenticio.

Ejemplos

Clasificación

Las espumas se pueden clasificar a grandes rasgos en: Espumas líquidas y espumas sólidas.• Espumas líquidas: Formadas por la dispersión

de un gas en el seno de un líquido. Por ejemplo, cerveza, vinos, champagne, capuchino, etc.

• Espumas sólidas: Formadas por la dispersión de un gas en el seno de un sólido. Por ejemplo, helados, malvaviscos, merengues, mousses, cakes, pan, entre otros.

Espumas líquidas

Espumas sólidas

PoliuretanoPolipropileno

Poliestireno

Otra forma de clasificarlas, son:

• Según su ubicación y forma de la espuma.

• Según el tamaño de la burbuja.

• Según la ubicación y forma de la espuma:– Espuma esférica u oclusa– Espumas poliédricas o superficiales.

• Según el tamaños de burbuja:– Espuma diluida– Espuma concentrada.

Esférica Poliédrica

Sistemas complejos

Algunas espumas son sistemas coloidales muy complejos. Por ejemplo los helados contienen:• Una emulsión de glóbulos de grasa• Una suspensión de cristales de hielo• Un gel de polisacárido• Una disolución concentrada de azúcares y

proteínas• Y burbujas de aire.

Estructura

Enlas espumas las burbujas de gas están separadas entre sí, mediante una fase continua de capas delgadas de líquido denominadas laminillas. La interfase gas-líquido puede medir 1 m2/L de líquido. Para formar esta interfase se requiere energía y la protección contra la coalescencia de las burbuja.Por lo que hace falta sustancias con actividad de superficie, que disminuyan la gran tensión superficial y formen entorno a las burbujas una barrera elástica.

Formación y estabilidad

• FORMACION DE UNA ESPUMA.

• Existen varias maneras generales de formar una espuma.

• Burbujeo de un gas a través de un dispersor poroso.

• Batido.

• Dejando caer un liquido desde cierta altura.

• Disminuyendo la presión a un liquido en el cual se ha disuelto un gas previamente.

En el primero de los casos se forma una dispersión gaseosa inicial, la cual se rompe posteriormente por ascenso de las burbujas y drenaje de la fase acuosa separándose una capa superior de espuma verdadera que tiene un gran volumen disperso, con burbujas distorsionadas por compresión con forma poliédrica

Representación esquemática de la formación de una espuma.Donde,• A: Volumen del liquido,• B: Volumen del gas incorporado,• C: Volumen total de la dispersión,• D: Volumen del liquido en la espuma• E: Volumen de la espuma.

Fotografía en microscopio electrónico

Si se introduce gran cantidad de gas, la totalidad del liquido puede convertirse en espuma, incluso a partir de disoluciones de tensioactivo poco diluidas. Es posible, por ejemplo una expansión del 1.000% (expresado en volumen de espuma relativo al volumen inicial del liquido)

Con el batido se puede producir una espuma batiendo o agitando una disolución de tensioactivo en presencia de abundante fase gaseosa, esta es la forma elegida en la mayoría de las espumas alimenticias. Comparado con el burbujeo el batido produce una tensión mecánica y una acción cizallante mas intensa, así como una dispersión del gas mas uniforme. Sin embargo, la tensión mecánica afecta tanto a la formación de burbujas como a la coalescencia de las mismas y ordinariamente dificulta la adsorcion del tensioactivo en la interfase, lo que lleva consigo necesidades mas altas de tensioactivo (en caso de proteínas (1-40% p/v).

MECANISMO GIBBS-MARANGONI

Luego de que las burbujas se forman ellas se separan debido a la diferencia de densidad con la fase liquida. Estas burbujas se amontonan unas sobre otras y se forman películas entre ellas. Dichas películas son sometidas a esfuerzos de estiramiento y es indispensable que ellas no se rompan, ya que la espuma se forma a expensa de la acumulación de burbujas.

Es aquí donde el tensioactivo juega un papel determinante en lo que se conoce como efecto Gibbs-Marangoni. Cuando una película gruesa se forma entre dos burbujas y ellas se acercan a menudo estas se aplastan, la película queda expuesta a un esfuerzo de estiramiento frecuentemente complejo, en el que el área superficial gas-liquido aumenta rápidamente. La concentración de surfactante adsorbido tiende a disminuir en la zona estirada donde la película queda mas delgada que en la zonas vecinas.

FORMACION. MECANISMO GIBBS-MARANGONI

Como lo indica la figura de la derecha, se tiene una diferencia de tensión entre la zona estirada de la película y las zonas adyacentes. Esto produce un fenómeno denominado inestabilidad de Marangoni. El gradiente de tensión produce una fuerza dirigida desde la zona con exceso de tensioactivo, es decir, donde la tensión es baja hasta la zona de alta tensión, es decir, desde las zonas vecinas hasta la zona estirada, lo que restaura su espesor original o bien impide que el estiramiento prosiga. A esto se le llama efecto Gibbs-Marangoni que confiere una cierta elasticidad a una película estirada entre dos burbujas.

Estabilidad

Dada a su enorme área interfasial muchas espumas son inestables. Una vez que la espuma se forma, súbitamente esta sufre una degradación mas o menos lenta, a una escala de tiempo de algunos minutos a algunas horas, en su transcurso entran en juego al menos tres mecanismo desestabilizantes básicos.

Drenaje del liquido de las laminillas.

Difusión del gas desde las burbujas mas pequeñas hacia las mas grandes.

Ruptura de las laminillas liquidas que separan las burbujas de gas.

DRENAJE DEL LIQUIDO DE LAS LAMINILLAS.

Por acción de la gravedad.

Por diferencia de presión.

Por acción de la gravedad. Segregación gravitacional de las burbujas.

Durante los primeros instantes se produce una segregación gravitacional de las burbujas debido al hecho que el empuje de Arquímedes es mas fuerte sobre las burbujas grandes que sobre las pequeñas.

Por acción de la gravedad. Drenaje gravitacional del liquido.

El drenaje gravitacional del liquido se produce durante toda la vida de la espuma, pero es mas importante en la espuma húmeda.

ESTABILIDAD. DRENAJE DEL LIQUIDO DE LAS LAMINILLAS.

En la figura de la izquierda se muestra la segregación gravitacional de burbujas y a la derecha se muestra el drenado gravitacional del liquido en la espuma húmeda.

ESTABILIDAD. DRENAJE DEL LIQUIDO DE LAS LAMINILLAS.

Cuando las burbujas pierden su forma esférica, el contenido de liquido no excede el 10% y continua disminuyendo debido a la diferencia de curvatura entre los bordes de Plateau y la parte plana de las películas según la ley de Laplace, producen un gradiente de presión. Esta es la fuerza motriz que desplaza el liquido del centro de las películas hacia los bordes de Plateau, gracias a un mecanismo llamado succión capilar. Este liquido es seguidamente drenado por la gravedad hacia la parte inferior de la espuma en los bordes de Plateau.