La superficie solida interfase de la dinámica externa e interna

TEMA 8

Dispositivos de desecación de líquidos:

Nuestro material de partida va a ser un líquido con un volumen considerable, va a tener partículas sólidas en suspensión que es lo que queremos recuperar. Tiene como objetivo

recuperar un sólido suspendido o disuelto. También puede tener como objetivo concentrar una tintura o un extracto fluido.

Inicia con la evaporación y termina con la desecación. Se van a

emplear dispositivos específicos para realizar las dos operaciones de forma continua, se van a poder emplear dos técnicas que se

diferencian en la temperatura empleada. La técnica que utiliza una

elevada temperatura se conoce como atomización o nebulización. La técnica que utiliza una baja temperatura, una tª menor a la tª de congelación de líquidos es la liofilización.

o Atomización o nebulización (Spray Drying):

Es un proceso especial de desecación según el cual se parte de una solución en suspensión del material que se desea desecar, se nebuliza y se pone en contacto con una corriente de aire caliente durante un corto periodo de tiempo, producíéndose la eliminación del disolvente de forma casi instantánea.

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

¿Cómo se consigue? àmediante la división del líquido en gotas pequeñas con un tamaño inferior a 500 micras para aumentar la superficie de contacto. Se ponen en contacto estas gotas con aire a elevada temperatura (120-200ºC), se consigue desecarlas en poco tiempo y obtenemos ese sólido con unas carácterísticas

determinadas.

Se conoce como nebulización porque este término hace referencia a la formación de una nube, que es un sistema disperso líquido-gas en la que la fase interna va a ser el líquido y la fase

externa el gas.

Se le puede llamar atomización en referencia al pequeño tamaño de las gotas.

También se conoce como secado de pulverización, en referencia a las carácterísticas del sólido que se recupera (pequeño tamaño de partículas, forma esférica y buen poder de

deslizamiento).

Ventajas:

• Se consigue desecar en poco tiempo, la desecación es casi instantánea. Lo cual es una ventaja frente a sustancias termolábiles, porque a pesar de que usamos un tª elevada, el contacto va a ser pequeño.
• Los dispositivos van a ser de funcionamiento continuo, el trabajo va a ser continuo, con lo que se va a conseguir un elevado rendimiento.
• Las partículas de sólido obtenidas van a tener muy buenas propiedades de flujo, tienen un flujo óptimo, se trata de partículas pequeñas y homogéneas.
• Se consigue un pequeño tamaño de partícula, aumenta la superficie. Conseguimos que el producto final tenga buena velocidad de disolución.
• Permite trabajar en condiciones estériles para poder preparar sustancias estériles, y la posibilidad de usar una atmósfera inerte. Podemos usar N para desecar sustancias oxidables.

Inconvenientes:

• Es una técnica compleja que requiere de personal especializado y de equipamientos costosos.
• La validación del proceso es complicada, son muy diversos los parámetros a optimizar para cada proceso.

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

1. División del líquido en pequeñas gotas empleando el sistema de alimentación o atomizador. En algunos casos hay que homogeneizarla para eliminar los posibles grumos que existan.
2. Desecación de las gotas por contacto con aire/otro gas filtrado que va a estar caliente (120-200ºC) y formación de la nube en la cámara de desecación.
3. Separación del sólido por gravedad, va a caer por su propio peso y con ayuda de ventiladores que desplazan la nube.
4. Recogida del sólido mediante distintos sistemas como cinta transportadora, tornillo sin fin…
5. Renovación del aire cargado de humedad por aspiración a través de un ciclón.

Atomización o nebulización:

Consta de una cámara de desecación, de un sistema de alimentación, de un conducto de entrada de aire, de un ciclón y de un sistema de extracción del material. La cámara de desecación tiene forma troncocónica, y así facilita la salida del material seco. Esa cámara de desecación puede ser de distinto tamaño.

El sistema de alimentación se sitúa en la parte superior del dispositivo, este va a provocar la división de ese líquido. Ese sistema puede ser de distintos tipos, va a entrar el líquido que

queremos desecar por un conducto al sistema de alimentación, consiguiendo que el líquido se divida en gotas de pequeño tamaño.

El conducto de entrada de aire situado en un lateral del dispositivo va a permitir la entrada de aire hasta justo la parte por debajo de ese sistema de alimentación. El aire llega gracias a ese tubo justo a la parte de abajo del sistema.

Entra el aire, pasa por un filtro y por un calentador, ese aire entra a una velocidad controlada y accede por ese conducto al interior de la cámara de desecación. Ese conducto presenta en su extremo final un estrechamiento con múltiples orificios que permite la salida del aire sin

turbulencias, permite un flujo laminar del aire. Se va a formar la nube y va a ocurrir la desecación.

En el otro lateral del dispositivo, vamos a localizar el ciclón. Este va a separar el aire húmedo una vez que se ha realizado la desecación, permite que salga el aire húmedo y recuperar los finos que puedan acompañar a ese aire. El dispositivo tiene un sistema de tracción del

material, el material seco por su propio peso cae a la parte inferior del dispositivo, y va a ser recogido y extraído mediante un sistema de extracción de materiales (cinta transportadora, tornillo sin fin…).

Los finos que puedan recuperarse gracias a ese ciclón se recogerán en ese sistema de extracción con el material que se haya desecado.

TEMA 9

Esterilización por calor

La muerte del microorganismo se produce por cambios en la estructura química. Esos daños dependen del mecanismo de acción utilizado, es decir, del calor empleado, que puede ser calor húmedo o calor seco.

Por calor húmedo: la destrucción del microorganismo se produce por la coagulación y desnaturalización de las proteínas esenciales del microorganismo. Se emplea mínimo una tª de 121ºC durante 15 minutos.

Por calor seco: se produce la inactivación del microorganismo por procesos de oxidación, se produce la oxidación de componentes celulares esenciales. En este caso, las condiciones que se han de emplear son mínimo 160ºC durante al menos 2h. Por tanto este, requiere de temperaturas mayores y de tiempos de exposición más prolongados.

Factores que condicionan la esterilización por calor:

-Temperatura alcanzada: no se va a usar la misma tª si se usa calor húmedo o seco.

-Tiempo de exposición: con el calor seco es necesario mayor tiempo de exposición.

-Utilización o no de agua: en atmósfera seca los microorganismos van a ser más resistentes que en atmósfera húmeda.

-pH de la preparación: es más fácil destruir microorganismos a pH básico o ácido que a pH neutro.

Esterilización por calor húmedo àemplea vapor de agua.

Aplicaciones:

• Fluidos acuosos termoestables: es el método de elección para soluciones de fármacos termorresistentes.
• Para material quirúrgico y sus envases.
• Para recipientes de plástico (polietileno de alta densidad, polipropileno, donde se van a conservar productos estériles).
• Material de cura.

Existen distintos dispositivos, en TF se va a utilizar la esterilización bajo presión.
Es decir, vapor de agua a presión con una temperatura mayor a 100ºC y en ausencia de aire atmosférico. El dispositivo empleado va a ser el autoclave.

Autoclave:

Funciona con vapor sobresaturado o agua sobresaturada a P, este dispositivo consta en la zona central de una cámara de esterilización donde se va a colocar el producto que se quiere esterilizar, esta cámara de esterilización constituye la cámara interna. En la parte inferior del dispositivo hay un depósito de agua con un sistema calefactor, es el que va a calentar esa agua. Ese depósito constituye la cámara externa.

Ambas cámaras están comunicadas, de manera que cuando el calefactor

calienta el agua, se va generando ese vapor, y como ambas cámaras están comunicadas ese vapor va entrando a la cámara de esterilización. Al principio, esa cámara de esterilización va a tener aire, conforme se genera el vapor, se va sustituyendo ese aire por ese vapor, y ese aire va a ir saliendo por un conducto situado en la parte inferior que permite el desalojo de ese aire y de vapor. La eliminación de ese aire para conseguir que la cámara de esterilización esté completamente llena de vapor, es lo que se considera la purga del autoclave.
Una vez que

estamos eliminando ese aire, se cierra la llave porque ya se ha conseguido la purga.

El autoclave cuenta con un manómetro, puesto que hay que controlar la P, de una válvula de seguridad y de un termómetro.

En el dispositivo van a diferenciarse 3 fases:

1. Fase de calentamiento.
2. Fase de esterilización

Fase de calentamiento:
Empieza a funcionar el autoclave, se va a calentar esa agua mediante unas resistencias eléctrica. De manera, que se genera ese vapor, que va a ir ascendiendo por las paredes de la cámara externa y se va introduciendo en la cámara de esterilización (cámara interna). Conforme se va generando ese vapor, se va eliminando el aire. Tenemos que conseguir el purgado del autoclave. Conseguimos también el aumento de la P y de la T, para que cada T va a corresponder una determinada P. Se va a empezar a producir esa transmisión de calor húmedo a ese producto que queremos esterilizar, se consigue la temperatura que se necesita para la fase de esterilización

Fase de esterilización

Se va a exponer el producto a esa temperatura fijada durante un periodo de tiempo. Ese tiempo va a depender de la T pero también de la cantidad de producto que se quiera esterilizar. Durante la fase de esterilización también se produce transmisión de ese calor húmedo para conseguir la destrucción de los microorganismos, por eso vamos a exponer el producto a esa T fijada durante un periodo de tiempo.

Fase de refrigeración: para enfriar el producto que hemos esterilizado. Se consigue una tª ambiente y una P normal. El producto esterilizado antes de sacarlo del dispositivo se enfría para evitar un shock térmico (cambio brusco de temperaturas).

TEMA 15

Una emulsión se trata de un sistema disperso heterogéneo polifásico, frecuentemente bifásico con una fase interna líquida, dispersa en gotas de pequeño tamaño, en una fase externa también líquida, tenemos dos líquidos inmiscibles entre sí.

Según la consistencia pueden ser fluidas o semisólidas (cremas). Tenemos dos fases inmiscibles entre sí, y por tanto, de polaridad muy diferente. Una fase es polar, hidrófila o acuosa; y la otra fase es apolar, lipófila u oleosa

Nomenclatura:

Según el tipo de emulsión se van a nombrar con dos letras separadas por una barra, se nombran indicando el signo, por tanto la naturaleza de la fase externa de la siguiente forma: interna/externa.

 Cuando el sistema es bifásico, las posibilidades son dos: externa oleosa (A/O) o (W/O), en este caso la fase interna es acuosa y está dispersa en una fase externa oleosa (aceite).

 O/A o O/W: fase interna oleosa dispersa en una fase externa acuosa.

Estudio teórico-práctico de emulsiones

Factores fisicoquímicos:

•             Energía libre superficial:

Según el concepto, partimos de dos líquidos inmiscibles que van a estar separados por una superficie, tenemos una tensión interfacial, de forma que para conseguir esa emulsión vamos a agitar para interponer una fase en la otra, de esta manera aumenta la superficie de contacto.

Al aumentar esta, si tenemos en cuenta la ecuación de Rittinger, aumenta la energía libre.

Si este sistema tiene una elevada energía libre interfacial, este sistema es termodinámicamente inestable. De forma que para conseguir que el sistema sea más estable y disminuir esa energía, se va a producir la agregación de gotículas, de esta manera la energía es menor, conseguimos que el sistema se haga más estable, pero las fases se separan. A esta agregación de gotículas es lo que se conoce como coalescencia.

Esa coalescencia en el tiempo da lugar a esa separación de fases. Para evitar esta, tenemos que reducir la tensión interfacial, para reducir esa tensión interfacial vamos a añadir un agente tensioactivo, de esta manera el sistema se hace más estable puesto que disminuye esa energía libre sin esa separación de fases.

Para evitar esa coalescencia y esa separación de fases vamos a emplear un agente tensioactivo, en este caso se usan agentes tensioactivos primarios o formadores. Los agentes tensioactivos están formados por 2 partes: una polar y otra apolar.

Estos agentes se colocan en la interfase, de forma que cuando se forma esa emulsión, se sitúa en la superficie de esas gotículas de la fase interna, de forma que rodea las gotículas de fase interna. Van a formar lo que se denomina la película interfacial, esta evita que las gotas de fase interna se agrupen, y por tanto se evita la coalescencia.

Estos agentes tensioactivos primarios formadores lo que hacen es que disminuyen la tensión interfacial que mantiene separados los dos líquidos, y además crea una película interfacial en torno a esas gotas de fase interna, de forma que esa capa de agente tensioactivo evita la agregación de las gotas de esa fase interna  se evita la coalescencia  se retrasa la separación de las fases.

•             Velocidad de sedimentación:

Al tratarse de un sistema termodinámicamente inestable, las gotículas de la fase interna van a tender a sedimentar. Realmente tienden a desplazarse todas juntas hacia una determinada zona de la emulsión, lo que depende de la densidad.

-             En el caso de que la densidad de la fase interna sea mayor que el de la fase externa, las gotículas de la fase interna se desplazan hacia la parte inferior del recipiente, hacia abajo  sedimentación de la fase interna.

-             Si la densidad de la fase interna es menor a la densidad de la fase externa, estas gotículas tienden a desplazarse hacia la parte superior, teniendo lugar la flotación o cremado.

El objetivo tiene que ser disminuir la velocidad de sedimentación, para retrasar de este modo esa separación de las fases. De acuerdo con la ley de Stock, para disminuir la velocidad de sedimentación: podemos disminuir el radio de la fase interna (tamaño de las gotas de la fase interna), esto se consigue mediante agitación vigorosa; podemos aproximar las densidades de esa fase interna y externa, mediante el empleo de distintos coadyuvantes; o bien se puede aumentar la viscosidad del medio, de la fase externa, para ello se utilizan emulgentes secundarios o estabilizadores, estos agentes actúan como viscosizantes, van a aumentar la viscosidad de esa fase externa, de manera que disminuye la velocidad de sedimentación y se retrasa esa separación de fases.

•             Inestabilidad de las emulsiones:
Puede ser reversible (cremado, sedimentación, floculación; al agitar recuperamos la estructura inicial) o irreversible (coalescencia, rotura, inversión de fases) 

Las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables y tienden a separarse, los factores que le afectan son factores físicos (variaciones de temperatura, radiaciones electromagnéticas o humedad ambiental), químicos (influyen principalmente las carácterísticas del emulgente, como son variaciones de pH, la presencia de electrolitos y las oxidaciones y enranciamientos) o biológicos (puede darse un desarrollo de microorganismos y fermentaciones).

El aumento de temperatura produce 2 efectos: disminuye la viscosidad de la fase externa, con lo cual la velocidad de sedimentación aumenta, y va a aumentar esa velocidad de separación de fases.

Aumenta la energía cinética de esas gotas de la fase interna que puede fusionarse como resultado de los choques entre ellas.

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

+ Agentes tensioactivos:

Son moléculas anfifílicas. Cuando estos agentes tensioactivos se ponen en contacto con el líquido, se van a orientar de forma que la parte polar se va a poner en contacto con la fase acuosa, y la parte apolar se va a poner en contacto con la fase oleosa.

Se van a situar en esa interfase, y van a formar una conformación en cepillo. Al agitar esas moléculas de agente tensioactivo se van a situar en la superficie de las gotículas de fase interna y van a rodear a esas gotículas de fase interna, se formaba la denominada película interfacial (capa que rodea a esas gotículas de fase interna para evitar la coalescencia, y retrasar la separación de las fases).

Para conseguir la formación de esa película interfacial hay que llegar a la concentración micelar crítica.

Estos agentes tensioactivos van a formar películas interfaciales monomoleculares.

o            Las carácterísticas que tienen es que son monomoleculares, está formada por una sola capa de agentes tensioactivos, de molécula de agentes tensioactivos.

o            Es compacta y densa, tiene que estar formada por el máximo número posible de moléculas de agente tensioactivo.

o            Es elástica y flexible.

o            Continua.

o            Regenerable: esta película interfacial puede deteriorarse, pero tiene capacidad de regenerarse, es muy importante la concentración de agente tensioactivo, porque deben existir moléculas libres de ATA para que se pueda regenerar la película interfacial.

Para mejorar la película, y por tanto, la estabilidad se utiliza más de un agente tensioactivo:

Se va a utilizar un buen formador que disminuye esa tensión interfacial, y un buen estabilizador, responsable de la formación de esa capa compacta.

Cuando utilizamos un agente tensioactivo unas veces se obtiene una emulsión de fase externa oleosa y otras veces acuosa, para justificarlo hay distintas teorías: una de ellas es la teoría de la absorción orientada, de la que surge la regla de Bancroft 

El signo de una emulsión va a depender principalmente de la estructura y solubilidad relativa del agente tensioactivo. En un segundo lugar, depende de las cantidades relativas de cada fase. Los agentes tensioactivos más hidrófilos, van a formar emulsiones de fase externa acuosa, esas emulsiones de aceite en agua. En el caso de los agentes tensioactivos más lipófilos, van a formar emulsiones de fase externa oleosa, emulsiones de agua en aceite. Esa regla de Bancroft que surge de esa teoría indica:

-             Los agentes tensioactivos son los responsables del signo de la emulsión.

-             La fase externa es la más afín al agente tensioactivo, por tanto la fase externa de la emulsión resultante va a ser aquella en la que el emulgente sea más soluble.

Los agentes determinantes del signo va a ser la solubilidad, aquella fase en la que el agente presenta mayor solubilidad será la fase externa. Y en cuanto a la relación fase-volumen, esa relación no es decisiva para determinar el signo de la emulsión.

Como sabemos si un emulgente es más o menos soluble en una fase  se recurre al equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB). Este equilibrio es el valor numérico adimensional que establece la tendencia de un agente tensioactivo hacia la hidrofilia o lipofilia. Para formar emulsiones de aceite en agua, se van a utilizar agentes tensioactivos que serán más solubles en agua que en aceite con un HLB mayor a 7.

Para formar una emulsión de agua en aceite se utilizara un agente tensioactivo más soluble en aceite que en agua, se van a usar agentes tensioactivos con un valor de HLB menor a 7, donde predomina en su molécula la parte lipófila.

Según los valores de HLB, se pueden utilizar con una aplicación u otra.

Clasificación de los agentes tensioactivos:

En función de su comportamiento cuando se ponen en contacto con el medio líquido:

1.           Iónicos: se van a asociar en iones y van a presentar carga eléctrica, al presentar carga eléctrica van a ser tóxicos e irritantes. Estos se clasifican en aniónicos (adquieren carga negativa quedando la carga polar con carga negativa) y catiónicos (adquieren carga positiva, quedando la parte polar con carga positiva).

2.           No iónicos: no se disocian en iones y no presentar carga eléctrica, van a tener menos toxicidad

3.           Anfóteros: según el pH se disocian o no en iones, puede comportarse según el pH el medio como aniónicos, catiónicos o no iónicos.