27 Nov
¿Qué son las Operaciones Unitarias?
Son procesos físicos fundamentales utilizados para transformar materias primas en productos farmacéuticos como:
- Tabletas
- Cápsulas
- Cremas
- Soluciones
Clasificación de las Operaciones Unitarias
- Transferencia de Materia: Difusión o separación.
- Transferencia de Energía: Procesos relacionados con el calor.
- Transferencia de Cantidad de Movimiento: Mecánica de flujo o fluidos.
Transferencia de Calor
La transferencia de calor es un proceso esencial en la producción farmacéutica, especialmente en la esterilización y el secado.
Conceptos Fundamentales
- Calor: Energía que fluye de un sistema a otro cuando existe una diferencia de temperatura.
- Temperatura: Indicador de la energía interna de un sistema, relacionada con el movimiento de sus moléculas.
- Esterilización por vapor o calor seco: Requiere el cálculo de tiempo y temperatura para alcanzar la uniformidad térmica.
- Transferencia de Calor: Flujo de energía térmica entre sistemas debido a una diferencia de temperatura. La cantidad de calor se determina mediante el cambio físico que ocurre en el proceso (unidades estándar de calor).
Mecanismos de Transferencia de Calor
- Conducción
- Convección
- Radiación
Conducción
Transferencia de calor de un cuerpo a otro sin desplazamiento apreciable de partículas.
- Transferencia de calor molecular.
- Implica la transferencia de energía cinética de una molécula a otra adyacente.
Ley de Fourier
Indica que la velocidad instantánea de transferencia de calor por conducción es igual al producto de:
- K → Conductividad térmica
- A → Área perpendicular al flujo de calor
- dT/dx → Gradiente de temperatura (cambio de temperatura respecto a la longitud)
Ecuación de Velocidad de Transferencia de Calor
Donde:
- q: Flujo de calor (W/m²)
- K: Conductividad térmica del material (W/m·K)
- dT/dx: Gradiente de temperatura (°C/m o K/m)
Aplicaciones de la Transferencia de Calor en Farmacia
- Secado de granulados: Control del gradiente térmico para evitar la degradación de principios activos.
- Esterilización (vapor o calor seco): Ajuste de tiempo y temperatura para lograr uniformidad térmica.
- Liofilización: Regulación del flujo de calor durante la sublimación para conservar la estructura del producto.
- Intercambiadores de calor: Cálculo del flujo térmico en la preparación de soluciones y suspensiones.
- Compresión y recubrimiento de tabletas: Monitoreo del calor generado por fricción o aire caliente.
Convección
En la convección, pequeños paquetes del fluido en calentamiento se mueven a zonas donde el líquido está más frío, y el calor se dispersa por remolinos, difusión molecular o conducción.
Los paquetes de fluido más caliente se mueven por ser menos densos y tienden a subir, o por un flujo de fluidos en movimiento generado por una energía externa.
Propiedades Físicas que Afectan la Velocidad de Transferencia de Calor
- Propiedades del fluido como viscosidad, densidad, calor específico, coeficiente de expansión.
- Temperatura del fluido y de la superficie del cual el calor es suministrado.
- Tamaño y forma del recipiente que contiene el fluido, o del cuerpo sumergido en el fluido.
- Velocidad del fluido.
- Fuerza gravitacional.
- Magnitud del flujo del calor.
Flujo de Fluidos y Número de Reynolds
El mecanismo de transferencia de calor por convección depende de si el flujo del fluido es laminar o turbulento, y cada tipo de flujo se caracteriza por el valor del número de Reynolds.
Flujo Laminar y Turbulento
- En el flujo laminar, la transferencia de calor ocurre por difusión térmica.
- En el flujo turbulento, hay gran mezclado, lo que produce buena transferencia de calor y pequeños gradientes de temperatura.
Tipos de Convección
El calor se transmite entre una superficie sólida y el fluido que se mueve sobre ella:
- Convección natural: El movimiento del fluido se debe a diferencias de densidad, por ejemplo, la temperatura.
- Convección forzada: El movimiento es provocado por bombas o ventiladores.
Radiación
La transferencia de energía radiante ocurre por ondas electromagnéticas que viajan en línea recta a la velocidad de la luz.
Todos los cuerpos con temperatura mayor a cero absoluto radian energía.
Cuando la radiación choca con otro cuerpo, puede reflejarse, transmitirse o absorberse, transformándose en calor.
Ley de Kirchhoff
La relación del poder emisivo-emitancia y del poder absortivo-absorbancia es igual para superficies de la misma temperatura y equivale al poder emisivo de un cuerpo perfectamente negro.
La radiación térmica no se distribuye uniformemente. El espectro electromagnético se concentra en la longitud de onda del espectro visible.
La energía radiante penetra 1 a 2 mm y el calentamiento ocurre bajo la superficie.
Fuentes de Calor
Las fuentes de calor se clasifican según su método de contacto con el producto:
- Fuentes Directas: Calor aplicado directamente al producto por contacto o radiación directa. Ejemplo: hornos de aire caliente, resistencias, llamas directas.
- Fuentes Indirectas: Calor aplicado a través de una pared o fluido intermedio, sin contacto. Ejemplo: intercambiadores de calor, autoclaves con vapor indirecto, mantas calefactoras.
Fuentes de Energía Calórica
- Combustión
- Sistema de vapor
- Sistema de líquido térmico
- Sistemas eléctricos
- Sistemas de enfriamiento
Sistema de Vapor
Usado comúnmente en la industria farmacéutica; es vapor condensable con calor sensible y calor latente de vaporización. El agua se controla con válvulas, no es tóxica ni inflamable. La cantidad de calor se calcula mediante la fórmula: Q = w Cp ΔT.
Sistema Líquido Térmico
Transportan el calor en forma de líquidos, vapores o ambos; controlan con precisión la temperatura en la producción de ingredientes activos.
- Destilación y evaporación: Para separar y purificar disolventes; requieren calor controlado por líquidos térmicos a alta T° y baja presión.
- Síntesis química: Para mantenerse a T° específicas; los líquidos térmicos permiten un cambio rápido entre calentamiento y enfriamiento.
- Cristalización: Para purificación; el control de enfriamiento con líquido térmico define tamaño, forma y pureza.
- Secado: En secadores de bandejas y lecho fluidizado; elimina disolventes sin dañar productos.
- Esterilización: Para calentar equipos o productos a altas temperaturas.
Sistemas Eléctricos
Ventajas: Ausencia de productos de combustión, precisión y uniformidad de T°, respuesta rápida.
Se dividen en 4 Tipos:
- Calentamiento por resistencia: La energía eléctrica se convierte en calor.
- Calentamiento por arco: Corriente en resistencia de gas o vapor.
- Calentamiento por inducción: Calor generado por remolinos de corrientes en campo magnético cambiante.
- Calentamiento dieléctrico: Calor generado en materiales no conductores con campo eléctrico alterno.
Sistema de Enfriamiento
Los sistemas de enfriamiento y calentamiento se consideran intercambiables. El calor pasa de mayor T° a menor T°. Usan agua, aire, evaporación o refrigeración mecánica.
Transferencia de Masa
La transferencia de masa es el movimiento de una sustancia desde alta concentración a baja concentración, fundamental en operaciones industriales como destilación, absorción, secado y difusión.
Importancia de la Transferencia de Masa
Permite diseñar procesos eficientes de separación y purificación.
Leyes de Fick y Difusión Molecular
Primera Ley de Fick
El flujo de masa es proporcional al gradiente de concentración y aplica al estado estacionario.
Segunda Ley de Fick
Describe el cambio de concentración con el tiempo (dC/dt = D (d²C/dx²)); se aplica al estado no estacionario y explica la liberación del fármaco.
Difusión Molecular de Gases
Moléculas con alta movilidad y coeficientes de difusión (10⁻⁵ a 10⁻⁴); depende de temperatura, presión y naturaleza del gas.
La difusión molecular de gases es un proceso impulsado por la energía cinética (energía térmica) y es un mecanismo de transporte de masa y energía.
Difusión en Líquidos
Moléculas más próximas, más fricción, coeficiente de difusión menor (10⁻⁹ a 10⁻¹⁰); es más lento por densidad y viscosidad; afectado por polaridad, tamaño molecular y T°.
Operaciones Difusionales
Procesos donde ocurre la transferencia de masa como:
- Destilación
- Absorción
- Extracción de líquido-líquido
- Secado
- Difusión de membrana
Son operaciones unitarias industriales cuyo objetivo es la separación de mezclas mediante transferencia de masa. Se basan en el movimiento de sustancias de una fase a otra, impulsado por diferencia en el potencial químico, como gradiente de concentración o presión parcial.
Transferencia de Cantidad de Movimiento (Mecánica de Fluidos)
Bombas Dinámicas
Impulsan el fluido mediante energía cinética de un impulsor giratorio. No atrapan volumen fijo, generan flujo continuo.
Bombas Centrífugas
El impulsor acelera el fluido y genera presión. Flujo continuo y uniforme. Aptas para baja viscosidad. Aplicaciones: agua purificada, limpieza, mezcla y circulación.
Bombas Periféricas
Similar a la centrífuga, con impulsor dentado que crea vórtices. Generan mayor presión, son compactas y económicas. Aplicaciones: dosificación pequeña, refrigeración o calefacción.
Bombas de Desplazamiento Positivo
Atrapan un volumen fijo y lo expulsan.
- Reciprocantes: Manejan gastos pequeños, presiones altas, y líquidos limpios. Aplicaciones: dosificación, bombeo de lodos o líquidos viscosos.
- Rotatorias: Manejan gastos pequeños y medianos, presiones altas, y líquidos viscosos. Ventajas: flujo continuo y suave, menor pulsación, buen rendimiento con viscosidad alta.
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