Propiedades y Procesos de Mezclas: Películas, Fluidos y Aplicaciones Industriales

Películas y Fluidos

Película: Es una capa fina, tipo estela, que un fluido deja cuando se encuentra en contacto con una superficie sólida. El espesor de la película depende de la densidad y viscosidad del fluido.

• Líquido: Si la Temperatura (T) aumenta, la Movilidad (M) disminuye. Presión (P) = Fuerza (F) / Área (A)
• Gas: Si la Temperatura (T) aumenta, la Movilidad (M) aumenta. Unidad: N/m² (pascal)

Clasificación de Películas

Película molecular insoluble: Son aquellas donde las moléculas que la conforman muestran tendencia a extenderse en una interface, orientándose de tal modo que se reduzca la energía libre en la interface en la cual son insolubles.

E = Ec + E + Ep (Donde E es Energía, Ec es energía cinética, y Ep es energía potencial)

La compresión y la medición de la tensión superficial indican que se alcanza una reducción máxima de la superficie cuando el número de moléculas se reduce debido al contacto entre el aire y el agua, por ejemplo, en sustancias polares insolubles que contengan cadenas largas de hidrocarburos, como los ácidos grasos.

Película soluble: Se ha demostrado que los ácidos y alcoholes de cadena corta disueltos en agua reducen la tensión superficial de la misma y producen una presión superficial. Las moléculas solubles en agua dejan una fase acuosa para acumularse o absorberse en una interface aire-solución, resultando una pérdida neta de energía libre debido a la ganancia de entropía asociada con el cambio en la estructura del agua.

Película mezclada: Un ejemplo es una mezcla de ácidos grasos de cadena corta y larga, los cuales muestran un grado de condensación variable. Cuando la sustancia de cadena corta se utiliza en grandes cantidades, se observa un estado altamente condensado cuando predominan los compuestos de cadena larga, formando una película superficial mediante una mezcla de agentes tensoactivos. Así, cada componente funciona independientemente, aportando una parte proporcional al comportamiento de la película.

Superfluidez y Criogenia

Superfluidez: Es un estado de la materia caracterizado por la ausencia total de viscosidad, de tal manera que, en un circuito cerrado, fluiría interminablemente sin fricción. Es un fenómeno físico que tiene lugar a muy baja temperatura, cerca del cero absoluto, límite en el que cesa toda actividad. A este estudio se le llama hidrodinámica cuántica y se analiza en helio líquido.

Criogenia: Conjunto de técnicas usadas para enfriar un material al punto de ebullición del nitrógeno líquido (77,76 K = -195,79 °C) o a temperaturas aún más bajas. Se alcanzan sumergiendo la muestra en nitrógeno líquido o usando helio líquido, que permite alcanzar temperaturas de 4,22 K = -268,93 °C.

Tipos de Mezclas y Mecanismos

Gas-sólido: Naftalina, se sublima lentamente en el aire.

Líquido-gas: CO₂ en agua.

Líquido-líquido: Etanol en agua.

Líquido-sólido: Azúcar o sal en agua, Au en Hg.

Sólido-líquido: Hexano en cera de parafina.

Sólido-sólido: Acero y otras aleaciones.

Mecanismos de Mezclado

• Mecanismo conectivo: Implica la transferencia de grupos de partículas de un componente a regiones ocupadas por otro componente.
• Mecanismo difusivo: Transferencia de partículas individuales de unos componentes a regiones ocupadas por otros. En este caso, juega un papel importante la temperatura, la velocidad de disolución y la entropía del sistema.

Tipos de Mezcladores

Mezcladores de flujo o corriente, mezcladores de paleta o brazos, mezcladores helicoidales, mezcladores Elisa, mezcladores de turbina o impulso centrífugo, tipo de molino coloidal.

Agitación y Mezcla

Agitación: Se refiere a forzar un fluido por medios mecánicos para que adquiera un movimiento circulatorio en el interior de un recipiente. La finalidad de la misma es:

1. Lograr la disolución de sólidos en líquidos.
2. La mezcla de dos líquidos miscibles.

La criogenia es ampliamente usada en tecnología que depende de la superconductividad, la cual se lleva a cabo a temperaturas bajas. Hasta la fecha, a presión y temperatura ambiente, se usan 135 K en los equipos de RMN en medicina, y depende de técnicos criogénicos para mantener la temperatura de sus imanes superconductores.

Mezcla, Pigmentos, Molienda y Secado

Mezcla: Es la combinación de dos o más sustancias sin que se produzca, como consecuencia, una reacción química. Las sustancias participantes en la mezcla conservan sus propiedades o identidad.

• Homogénea: Sus componentes no son identificables a simple vista, es decir, se aprecia una sola fase física.
• Heterogénea: Sus componentes se distinguen, apreciándose más de una fase física.

Desde el punto de vista farmacéutico, es una operación unitaria cuyo objetivo fundamental es conseguir la máxima interposición entre los componentes y una distribución lo más homogénea posible.

Otros objetivos de la agitación:

3. Mejorar la transferencia de calor (Q).
4. Dispersión de un gas en un líquido.
5. Dispersión de partículas finas en un líquido.
6. Dispersión de dos fases no miscibles.

Pigmentos

Pigmentos: Sustancias con color insoluble en forma de polvo y que pueden dispersarse en agua y solventes orgánicos. Sin embargo, el medio más habitual es la dispersión en fase acuosa por varias razones:

• a) Los pigmentos dispersados en solventes orgánicos se usan para corregir tonos y colores, pero tienen un poder cubriente demasiado alto.
• b) Es ecológico, pues los solventes traen problemas de contaminación del aire y del agua.

Características Principales de los Pigmentos

• a) El grado de molienda.
• b) El vehículo empleado.
• c) El poder cubriente del pigmento, determinado por su tamaño de partículas.

Tipos de Pigmentos

• Pigmentos orgánicos: Derivados de hemocianinas. Sus colores son más intensos, menos cubrientes y presentan menor solidez a la luz.
• Pigmento inorgánico: Son básicamente óxidos metálicos. Tienen matices menos brillantes, buen poder cubriente y son más sólidos a la luz.

Molienda y Secado

Molienda: Operación unitaria mediante la cual se transforma un material de grandes dimensiones a otras más pequeñas, incluso hasta obtener polvo de la granulometría necesaria para la difracción de rayos X.

Secado: El secado de sólidos consiste en separar pequeñas cantidades de agua u otro líquido de un material sólido, con el fin de reducir el contenido del líquido residual hasta un valor aceptablemente bajo. Es la etapa final de una serie de operaciones unitarias, y con frecuencia el producto que se extrae pasa directamente a ser empaquetado.

Clasificación de los Secaderos

• 1) En los que el sólido se encuentra directamente expuesto a un gas caliente, también se le conoce como adiabático (Q=0) o secaderos directos.
• 2) Aquellos donde el calor es transmitido al sólido desde un medio externo, generalmente a una superficie metálica con la que el sólido está en contacto. Se le conoce como no adiabático o secadero indirecto.
• 3) Secadero calentado por energía radiante, dieléctrica o de microondas, también conocido como no adiabático. Lo utilizan los liofilizadores.

Parámetros Fundamentales del Secado de Sólidos

• 1) Las variaciones posibles en forma y tamaño de los materiales.
• 2) La humedad de equilibrio según los mecanismos de flujo a través del sólido.
• 3) Los mecanismos de transmisión de calor que se requieran para la vaporización.

El propósito de la molienda es ejercer un control estrecho en el tamaño del producto. Frecuentemente se dice que una molienda correcta es la clave en la recuperación de una sustancia dentro de un sistema de mezclado. La molienda es la operación más intensiva en cuanto a la energía del proceso.

Principales Máquinas de Molienda

• 1) Trituradores gruesos y finos.
• 2) Molino intermedio.
• 3) Molino ultrafino.
• 4) Molinos cortadores y cortadores de cuchilla.
• 5) Machacadora o mandíbula Fritsch.

Aplicaciones en Farmacia

Se emplea para la elaboración de aerosoles inyectables, implantes (parches), facilita la extracción de un constituyente deseado dentro de una estructura de un sólido, obtención de harina y de jarabe a partir de caña de azúcar. Se pueden obtener partículas de tamaño determinado cumpliendo con un requerimiento específico del alimento, por ejemplo, el azúcar para helados, la preparación y residuos de chocolate. También, la incidencia aumenta la relación superficie/volumen, incrementando la velocidad de enfriamiento o calentamiento en la extracción de un soluto deseado. Si el tamaño de la partícula al mezclarse es homogéneo y de tamaño más pequeño que el original, la mezcla se realiza más fácil y rápido, como sucede en la producción de formulaciones, sopas empaquetadas, mezclas dulces, etc.

Pulverización

Pulverización: Proceso mecánico de producción de un gran número de pequeñas gotas de un líquido (caldo pulverizado) que se coloca en el depósito del equipo pulverizador. Estas son máquinas formadas por un depósito con agitadores, que mantienen una íntima unión entre el producto y el agua, y por una bomba que obliga al agua a salir a través de boquillas, fragmentándola en gotas de un diámetro del orden de 150 micras.

Tipos de Pulverizadores

Según la fuente de energía usada:

• 1) Mecánica.
• 2) Eléctrica o anódica.
• 3) Físico-química:
  • 3.1) Por sublimación.
  • 3.2) Por cambio en el disolvente.
  • 3.3) Por reacciones de doble descomposición.

Aplicación en la Farmacia

Con la aplicación de la pulverización se pueden obtener medicamentos más eficaces al reducir las dimensiones de las partículas que lo conforman, incrementando las propiedades biofarmacéuticas del mismo. A menor tamaño de la partícula, mayor es el grado de absorción en el organismo.