Dispositivos de Desecación de Líquidos

Introducción a la Desecación de Líquidos

Nuestro material de partida es un líquido con un volumen considerable, que contiene partículas sólidas en suspensión que deseamos recuperar. El objetivo principal es recuperar un sólido suspendido o disuelto, o bien concentrar una tintura o un extracto fluido.

El proceso inicia con la evaporación y culmina con la desecación. Para ello, se emplean dispositivos específicos que permiten realizar ambas operaciones de forma continua. Existen dos técnicas principales, diferenciadas por la temperatura utilizada:

• La técnica que emplea elevada temperatura se conoce como atomización o nebulización.
• La técnica que utiliza baja temperatura (inferior a la temperatura de congelación de los líquidos) es la liofilización.

Atomización o Nebulización (Spray Drying)

La atomización es un proceso de desecación especializado en el que se parte de una solución o suspensión del material a desecar. Este se nebuliza y se pone en contacto con una corriente de aire caliente durante un corto periodo de tiempo, lo que provoca la eliminación del disolvente de forma casi instantánea.

Objetivo

Su objetivo es desecar un líquido para recuperar el sólido que contiene.

Mecanismo

¿Cómo se logra? Mediante la división del líquido en gotas pequeñas (inferiores a 500 micras) para aumentar significativamente la superficie de contacto. Estas gotas se ponen en contacto con aire a elevada temperatura (120-200°C), logrando su desecación en un corto periodo de tiempo y obteniendo un sólido con características específicas.

Terminología

Se denomina nebulización porque el término hace referencia a la formación de una nube, un sistema disperso líquido-gas donde la fase interna es el líquido y la fase externa es el gas.

También se le puede llamar atomización en referencia al pequeño tamaño de las gotas formadas.

Asimismo, se conoce como secado por pulverización (spray drying), en alusión a las características del sólido recuperado: pequeño tamaño de partículas, forma esférica y excelente poder de deslizamiento.

Ventajas

• Desecación rápida y casi instantánea, lo que representa una ventaja para sustancias termolábiles, ya que, a pesar de la elevada temperatura, el tiempo de contacto es mínimo.
• Funcionamiento continuo de los dispositivos, lo que asegura un trabajo ininterrumpido y un elevado rendimiento.
• Las partículas sólidas obtenidas poseen excelentes propiedades de flujo (flujo óptimo), siendo pequeñas y homogéneas.
• Obtención de un tamaño de partícula reducido, lo que aumenta la superficie específica y confiere al producto final una buena velocidad de disolución.
• Posibilidad de trabajar en condiciones estériles para la preparación de sustancias estériles, y de utilizar una atmósfera inerte (ej. nitrógeno) para desecar sustancias oxidables.

Inconvenientes

• Técnica compleja que requiere personal especializado y equipamiento costoso.
• Validación del proceso compleja, debido a la diversidad de parámetros a optimizar para cada aplicación.

Aplicaciones

• Recuperación de sólidos suspendidos o disueltos.
• Obtención de extractos blandos o secos.
• Desarrollo de excipientes con buenas propiedades de flujo.
• Desecación de sustancias oxidables (adrenalina).
• Obtención de hemoderivados.

Etapas del Proceso

1. División del líquido en pequeñas gotas mediante el sistema de alimentación o atomizador. En algunos casos, es necesaria una homogeneización previa para eliminar posibles grumos.
2. Desecación de las gotas por contacto con aire (u otro gas) filtrado y caliente (120-200°C), con la consiguiente formación de la nube en la cámara de desecación.
3. Separación del sólido por gravedad (cae por su propio peso) y con la ayuda de ventiladores que desplazan la nube.
4. Recogida del sólido mediante diversos sistemas (cinta transportadora, tornillo sin fin, etc.).
5. Renovación del aire cargado de humedad mediante aspiración a través de un ciclón.

Componentes del Atomizador/Nebulizador

El dispositivo consta de una cámara de desecación, un sistema de alimentación, un conducto de entrada de aire, un ciclón y un sistema de extracción del material. La cámara de desecación, de forma troncocónica, facilita la salida del material seco y puede variar en tamaño.

El sistema de alimentación, ubicado en la parte superior del dispositivo, es el encargado de dividir el líquido. Existen diversos tipos de sistemas de alimentación; el líquido a desecar ingresa por un conducto, logrando su división en gotas de pequeño tamaño.

El conducto de entrada de aire, situado en un lateral del dispositivo, permite el ingreso de aire hasta la zona inmediatamente inferior al sistema de alimentación.

El aire ingresa, pasa por un filtro y un calentador, y luego accede a la cámara de desecación a una velocidad controlada. El extremo final de este conducto presenta un estrechamiento con múltiples orificios, lo que asegura una salida de aire sin turbulencias, promoviendo un flujo laminar. Es en este punto donde se forma la nube y se produce la desecación.

En el otro lateral del dispositivo se encuentra el ciclón, cuya función es separar el aire húmedo una vez completada la desecación, permitiendo su salida y la recuperación de las partículas finas que puedan acompañarlo. El material seco, por su propio peso, cae a la parte inferior del dispositivo y es recogido y extraído mediante un sistema de extracción (cinta transportadora, tornillo sin fin, etc.).

Las partículas finas recuperadas por el ciclón se recogen junto con el material desecado en el sistema de extracción.

Esterilización por Calor

Principios de la Esterilización por Calor

La muerte de los microorganismos se produce por cambios en su estructura química. Estos daños dependen del mecanismo de acción utilizado, es decir, del tipo de calor empleado: calor húmedo o calor seco.

Esterilización por Calor Húmedo

La destrucción del microorganismo se produce por la coagulación y desnaturalización de sus proteínas esenciales. Se emplea una temperatura mínima de 121°C durante 15 minutos.

Esterilización por Calor Seco

La inactivación del microorganismo se logra mediante procesos de oxidación de componentes celulares esenciales. Las condiciones mínimas requeridas son 160°C durante al menos 2 horas. Por lo tanto, esta técnica exige temperaturas más elevadas y tiempos de exposición más prolongados.

Factores que Condicionan la Esterilización por Calor

• Temperatura alcanzada: Varía significativamente entre el calor húmedo y el calor seco.
• Tiempo de exposición: El calor seco requiere un tiempo de exposición más prolongado.
• Presencia de agua: Los microorganismos son más resistentes en atmósfera seca que en atmósfera húmeda.
• pH de la preparación: La destrucción de microorganismos es más sencilla en pH básico o ácido que en pH neutro.

Esterilización por Calor Húmedo: Aplicación de Vapor de Agua

Aplicaciones

• Fluidos acuosos termoestables: Es el método de elección para soluciones de fármacos termorresistentes.
• Material quirúrgico y sus envases.
• Recipientes de plástico (polietileno de alta densidad, polipropileno) destinados a contener productos estériles.
• Material de cura.

Existen diversos dispositivos para la esterilización por calor húmedo. En el ámbito de la Tecnología Farmacéutica (TF), se utiliza la esterilización bajo presión, que implica el uso de vapor de agua a presión a una temperatura superior a 100°C y en ausencia de aire atmosférico. El dispositivo empleado para este fin es el autoclave.

El Autoclave

El autoclave funciona con vapor sobresaturado o agua sobresaturada a presión. Este dispositivo consta de una cámara de esterilización central (cámara interna) donde se coloca el producto a esterilizar. En la parte inferior, se encuentra un depósito de agua con un sistema calefactor (cámara externa) encargado de calentar el agua.

Ambas cámaras están comunicadas, de modo que, al calentar el agua, se genera vapor que asciende e ingresa a la cámara de esterilización. Inicialmente, esta cámara contiene aire; a medida que se genera vapor, el aire es desplazado y sale por un conducto inferior, permitiendo el desalojo tanto del aire como del vapor inicial. Este proceso de eliminación del aire para asegurar que la cámara de esterilización esté completamente llena de vapor se conoce como purga del autoclave. Una vez completada la purga, se cierra la válvula correspondiente.

El autoclave está equipado con un manómetro (para controlar la presión), una válvula de seguridad y un termómetro.

Fases del Ciclo de Esterilización

1. Fase de Calentamiento.
2. Fase de Esterilización.
3. Fase de Refrigeración.

Fase de Calentamiento

En esta fase, el autoclave comienza a funcionar. El agua se calienta mediante resistencias eléctricas, generando vapor que asciende por las paredes de la cámara externa y se introduce en la cámara de esterilización (cámara interna). A medida que se genera vapor, el aire es eliminado, logrando el purgado del autoclave. Simultáneamente, se produce un aumento de la presión (P) y la temperatura (T), donde cada temperatura corresponde a una presión específica. Se inicia la transmisión de calor húmedo al producto a esterilizar hasta alcanzar la temperatura necesaria para la fase de esterilización.

Fase de Esterilización

Durante esta fase, el producto se expone a la temperatura fijada por un periodo de tiempo determinado. La duración de este tiempo depende tanto de la temperatura como de la cantidad de producto a esterilizar. La transmisión continua de calor húmedo en esta fase es crucial para lograr la destrucción de los microorganismos.

Fase de Refrigeración

Esta fase tiene como objetivo enfriar el producto esterilizado hasta alcanzar la temperatura ambiente y una presión normal. Es fundamental enfriar el producto antes de retirarlo del dispositivo para evitar un choque térmico (cambio brusco de temperaturas).

Emulsiones Farmacéuticas

Una emulsión es un sistema disperso heterogéneo polifásico, frecuentemente bifásico, compuesto por una fase interna líquida dispersa en forma de pequeñas gotas en una fase externa también líquida. Se caracteriza por la presencia de dos líquidos inmiscibles entre sí.

Según su consistencia, las emulsiones pueden ser fluidas o semisólidas (como las cremas). Al estar compuestas por dos fases inmiscibles, estas poseen polaridades muy diferentes: una fase es polar (hidrófila o acuosa) y la otra es apolar (lipófila u oleosa).

Nomenclatura de Emulsiones

Las emulsiones se nombran con dos letras separadas por una barra, indicando el signo (la naturaleza de la fase externa) de la siguiente forma: interna/externa.

• Cuando el sistema es bifásico, las posibilidades son dos:
• Emulsión Agua en Aceite (A/O o W/O): La fase interna es acuosa y está dispersa en una fase externa oleosa (aceite).
• Emulsión Aceite en Agua (O/A o O/W): La fase interna es oleosa y está dispersa en una fase externa acuosa.

Estudio Teórico-Práctico de Emulsiones

Factores Fisicoquímicos

Energía Libre Superficial

Según este concepto, partimos de dos líquidos inmiscibles separados por una superficie con una tensión interfacial. Para formar una emulsión, se agita el sistema para interponer una fase en la otra, lo que aumenta la superficie de contacto.

Al aumentar esta superficie, y según la ecuación de Rittinger, la energía libre del sistema se incrementa.

Un sistema con una elevada energía libre interfacial es termodinámicamente inestable. Para lograr una mayor estabilidad y disminuir esta energía, se produce la agregación de gotículas, lo que reduce la energía y estabiliza el sistema, pero a costa de la separación de las fases. Esta agregación de gotículas se conoce como coalescencia.

La coalescencia, con el tiempo, conduce a la separación de fases. Para evitarla, es necesario reducir la tensión interfacial. Esto se logra añadiendo un agente tensioactivo, que estabiliza el sistema al disminuir la energía libre sin que se produzca la separación de fases.

Para prevenir la coalescencia y la separación de fases, se emplean agentes tensioactivos primarios o formadores. Estos agentes están compuestos por dos partes: una polar y otra apolar.

Estos agentes se posicionan en la interfase. Al formarse la emulsión, se sitúan en la superficie de las gotículas de la fase interna, rodeándolas. Así, forman la denominada película interfacial, una capa que envuelve las gotículas de la fase interna para prevenir la coalescencia.

Los agentes tensioactivos primarios formadores no solo disminuyen la tensión interfacial que mantiene separados los dos líquidos, sino que también crean una película interfacial alrededor de las gotas de la fase interna. Esta capa de agente tensioactivo previene la agregación de las gotas de la fase interna, evitando la coalescencia y retrasando la separación de las fases.

Velocidad de Sedimentación

Dado que las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables, las gotículas de la fase interna tienden a sedimentar o a desplazarse conjuntamente hacia una zona específica de la emulsión, dependiendo de su densidad.

• Si la densidad de la fase interna es mayor que la de la fase externa, las gotículas de la fase interna se desplazan hacia la parte inferior del recipiente, produciéndose la sedimentación de la fase interna.
• Si la densidad de la fase interna es menor que la de la fase externa, estas gotículas tienden a desplazarse hacia la parte superior, dando lugar a la flotación o cremado.

El objetivo es disminuir la velocidad de sedimentación para retrasar la separación de las fases. De acuerdo con la Ley de Stokes, esto se puede lograr de varias maneras:

• Disminuyendo el radio de la fase interna (tamaño de las gotas), lo cual se consigue mediante agitación vigorosa.
• Aproximando las densidades de la fase interna y externa, utilizando diversos coadyuvantes.
• Aumentando la viscosidad del medio (fase externa) mediante el uso de emulgentes secundarios o estabilizadores. Estos agentes actúan como viscosizantes, incrementando la viscosidad de la fase externa, lo que a su vez disminuye la velocidad de sedimentación y retrasa la separación de fases.

Inestabilidad de las Emulsiones

La inestabilidad de las emulsiones puede ser reversible (cremado, sedimentación, floculación; la estructura inicial se recupera al agitar) o irreversible (coalescencia, rotura, inversión de fases).

Las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables y tienden a separarse. Los factores que las afectan son:

• Físicos: variaciones de temperatura, radiaciones electromagnéticas o humedad ambiental.
• Químicos: influyen principalmente las características del emulgente, como variaciones de pH, presencia de electrolitos, oxidaciones y enranciamientos.
• Biológicos: desarrollo de microorganismos y fermentaciones.

El aumento de temperatura produce dos efectos: disminuye la viscosidad de la fase externa, lo que aumenta la velocidad de sedimentación y, por ende, la velocidad de separación de fases. Además, incrementa la energía cinética de las gotas de la fase interna, lo que puede llevar a su fusión como resultado de los choques entre ellas.

El efecto de los electrolitos depende del tipo y la carga del ion.

Agentes Tensioactivos (ATAs)

Los agentes tensioactivos son moléculas anfifílicas. Al entrar en contacto con el líquido, se orientan de manera que su parte polar interactúa con la fase acuosa y su parte apolar con la fase oleosa.

Se sitúan en la interfase, formando una conformación en cepillo. Durante la agitación, estas moléculas de agente tensioactivo se posicionan en la superficie de las gotículas de la fase interna, rodeándolas. Así, se forma la película interfacial, una capa que envuelve las gotículas de la fase interna para prevenir la coalescencia y retrasar la separación de las fases.

Para la formación efectiva de esta película interfacial, es necesario alcanzar la concentración micelar crítica (CMC).

Estos agentes tensioactivos forman películas interfaciales monomoleculares.

• Características de la Película Interfacial:
  • Monomolecular: Formada por una sola capa de moléculas de agentes tensioactivos.
  • Compacta y densa: Debe estar formada por el máximo número posible de moléculas de agente tensioactivo.
  • Elástica y flexible.
  • Continua.
  • Regenerable: Aunque la película interfacial puede deteriorarse, tiene la capacidad de regenerarse. Para ello, es crucial que existan moléculas libres de agente tensioactivo (ATA) disponibles.

Para mejorar la película interfacial y, por ende, la estabilidad de la emulsión, se suele utilizar más de un agente tensioactivo:

Se combina un buen formador (que disminuye la tensión interfacial) con un buen estabilizador (responsable de la formación de una capa compacta).

Al emplear un agente tensioactivo, a veces se obtiene una emulsión de fase externa oleosa y otras veces acuosa. Para justificar este fenómeno, existen diversas teorías, entre ellas la teoría de la absorción orientada, de la cual surge la Regla de Bancroft:

El tipo de emulsión (su ‘signo’) depende principalmente de la estructura y la solubilidad relativa del agente tensioactivo. En segundo lugar, influyen las cantidades relativas de cada fase. Los agentes tensioactivos más hidrófilos tienden a formar emulsiones de fase externa acuosa (emulsiones de aceite en agua, O/A). Por otro lado, los agentes tensioactivos más lipófilos favorecen la formación de emulsiones de fase externa oleosa (emulsiones de agua en aceite, A/O). La Regla de Bancroft, derivada de esta teoría, establece que:

• Los agentes tensioactivos son los principales responsables del tipo de emulsión formada.
• La fase externa de la emulsión resultante será aquella en la que el emulgente sea más soluble, es decir, la fase más afín al agente tensioactivo.

Por lo tanto, la solubilidad del agente tensioactivo es el factor determinante del tipo de emulsión; la fase en la que el agente sea más soluble será la fase externa. La relación fase-volumen, en cambio, no es decisiva para determinar el tipo de emulsión.

Para determinar si un emulgente es más o menos soluble en una fase, se utiliza el concepto de Equilibrio Hidrófilo-Lipófilo (HLB). El HLB es un valor numérico adimensional que indica la tendencia de un agente tensioactivo hacia la hidrofilia o la lipofilia.

• Para formar emulsiones de aceite en agua (O/A), se emplean agentes tensioactivos más solubles en agua que en aceite, con un valor de HLB superior a 7.
• Para formar emulsiones de agua en aceite (A/O), se utilizan agentes tensioactivos más solubles en aceite que en agua, con un valor de HLB inferior a 7, donde predomina la parte lipófila en su molécula.

Los valores de HLB permiten clasificar los agentes tensioactivos y determinar su aplicación específica.

Clasificación de los Agentes Tensioactivos

Se clasifican en función de su comportamiento al entrar en contacto con un medio líquido:

1. Iónicos

Se disocian en iones y presentan carga eléctrica, lo que puede conferirles toxicidad e irritación. Se subdividen en:

• Aniónicos: Adquieren carga negativa, quedando la parte polar con carga negativa.
• Catiónicos: Adquieren carga positiva, quedando la parte polar con carga positiva.

2. No Iónicos

No se disocian en iones y no presentan carga eléctrica, lo que les confiere menor toxicidad.

3. Anfóteros

Su comportamiento (disociación en iones) depende del pH del medio, pudiendo actuar como aniónicos, catiónicos o no iónicos.

Etiquetas: atomización, autoclave, Calor Húmedo, Calor Seco, Desecación de Líquidos, Esterilización por Calor, liofilización, Spray Drying