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Microencapsulaciónde principios activos: desarrollo
de procesos y equipos competitivos
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Microencapsulación: ventajas y aplicaciones
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La microencapsulación consiste en la generación de partículas en las que una sustancia o principio activo se encuentra recubierta por otra sustancia protectora de naturaleza distinta.
> Microencapsulación: ventajas y aplicaciones
Ejemplo: Microcápsula abierta de almidón y gelatinaFuente: ainia
Núcleo/sustancia activa
Material de recubrimiento
Matriz
pared
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Propósito de la microencapsulación:diseñar y producir estas partículas para controlar los mecanismos de transferencia de materia y su cinética, con diferentes fines
La aplicación de tecnologías de microencapsulación puede ser el fundamento para:
la generación de nuevos Principios activos oingredientes novedosos
base para facilitar o abaratarprocesos de producción
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Mejora de la conservación y estabilidad durante el almacenamiento, frente a factores externos Luz, O2, T, pH...
Luz,O2,T,pH...
Luz,O2,T,pH...
Ingredientes antioxidantes, vitaminas, ingredientes funcionales…Fármacos, principios activos…Reactivos químicos sensiblesAditivos microencapsulados que soportan procesos: temperatura, presión, cizalla…
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Liberación prolongada en el tiempo: dosificación continuada o de manera sostenida
Aromas en alimentación que duran más tiempo, al abrir un envase, durante la masticación de chicles, etc…Aromas mejorados de productos líquidos o en polvo, etc…Aditivos de proceso con una función específica: modificadores de humedad (absorbedores y liberadores), etc…Nutrientes que se aportan a la dieta de manera sostenida, aditivos en piensosFármacos de liberación prolongadaConservantes alimentarios, Enriquecedores del suelo, agroquímicos, fertilizantes, quelantes, liberación selectiva o prolongada de fitofortificantes
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Liberación selectiva en condiciones concretas: pH, T, estrés mecánico, etc…
Activación de aditivos en ciertas condiciones de luz, H20, T…Activación de aditivos mediante una acción determinada manualLiberación de ingredientes en el intestinoLiberación de fármacos en células dianaLiberación de aromas con el uso, por fricción…Soporte frente a condiciones de proceso: térmicos, extrusión, etc…Partículas sólidas que se funden y liberan aceitesEtiquetas inteligentes, aromas en bolsas, indicadores de ruptura de cadena de frío, contacto con oxígeno, temperatura optima de consumo. Aditivos alimentarios espumantes, etc.
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Enmascaramiento de olores y sabores
Aditivos de proceso de olor desagradable
Ingredientes funcionales con mal olor o mal sabor: aceites de pescado,…
Complementos alimenticios de sabor desagradable
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Separación de ingredientes incompatibles dentro de una misma matriz
Formulaciones con ingredientes que pueden reaccionar: p. ej. Ácidos y bases
Metales que catalizan determinadas reacciones.
Modificación de propiedades fluido-dinámicas
El manejo de productos líquidos como sólidos a granel
La disminución de la toxicidad de productos sólidos
Sólidos con mayor o menor fluidez par su manejo en proceso
Características del apilado
la simplificación del manejo de microorganismos, etc…
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¿Qué encapsular? Tipos de núcleos
Sustancias activas•Fármacos, principios activos•Ingredientes funcionales•extractos antioxidantes•Aditivos
Vitaminas•Vit A•Vit B (B1, B2, B9, B12)•Vit. C•Vit E
Minerales•Hierro•Cobre•Magnesio•zinc
Catalizadores•Inmovilización de catalizadores orgánicos•Biocatalizadores: Enzimas
Aceites y ácidos grasos•Omega 3 (DHA/EPA/ALA)•Aceites de pescado•Aceites esenciales
Sabores y aromas alimentarios•Sabores menta, fresa…•Aromas en envases
Perfumes y Fragancias•Impregnación de tejidos•Productos de limpieza •Cuidado
personal
Microorganismos•Probióticos•Inmovilización en procesos de bioproducción
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¿Con qué encapsular? Tipos de recubrimiento
shellac, (PEG) polietilenglicol, o carnaubaCeras
Sulfato de calcio, silicatos, aluminosilicatosMateriales inorgánicos
Gluten, caseina, albúminaProteínas
Ceras, parafinas, tristearina, monoglicéridos, diglicéridos, aceites, grasas, Gelucires, ácido láurico, cáprico, palmítico, esteárico
Lípidos y ácidos grasos
Carboximetil-celulosa, metilcelulosa, etilcelulosa, nitrocelulosa, acetilcelulosa
Celulosas
Almidón, dextranos, sacarosa, jarabes de maíz Carbohidratos
Goma arábiga, agar, alginato de sodio, carrageninaGomas
COBERTURA ESPECÍFICATIPO DE COBERTURA
Aspecto fundamental: Selección del recubrimiento
Definirá el mecanismo y cinética de liberación Efecto final del producto
Íntimamente relacionado con la tecnología de encapsulación
Compatibilidad con el núcleo y con el medio o matriz
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Tecnologías de microencapsulación
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> Tecnologías de microencapsulación
Procesos basados en fenómenos
químicos: coacervación,
polimerización,
evaporación/extracción de
disolvente, gelificación iónica,
térmica, polimerización
interfacial, in-situ
Procesos basados en fenómenos
físico-químicos:
inclusión molecular,
formación de liposomas, micelas,
nanotransportadores lipídicos,
fluidos supercríticos
Procesos basados en fenómenos físicos:
secado por atomización
enfriamiento por atomización
recubrimiento en lecho fluido
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> Tecnologías de microencapsulación
Procesos químicos:
Evaporación de emulsiones
Evaporación/extracción disolvente orgánico
Lavado+filtración
MicrocápsulasMicrocápsulas de carotenoides en polisacáridos. Fuente: ainia
Precipitación del material de recubrimiento sobre el núcleo (dispersión o emulsión) por disminución de su solubilidad aumento de la concentración por evaporación disolvente
Aceite vegetal
Tenisoactivo lipofílico
Centrifugación/Evaporación
Lavado+filtración
Emulsión A/O/A
Micro/cápsulas
oO/A
Pigmentoo en disolvente orgánico. Fase dispersa
Quitosano en fase acuosa.
Fase Continua A O
Aditivo cross-linking
Tenisoactivono iónico
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> Tecnologías de microencapsulación
Procesos químicos:
Coacervación: Formación de coacervados-precipitación alrededor del núcleo, por adición de reactivos o modificación de condiciones del medio
Monómero/disolvente orgánico
Medio acuoso tensioactivo
Microcápsulas
Reactivo de polimerización
Polimerización: Precipitación de material de recubrimiento sobre el material nuclear, por reacción de polimerización (in situ, o interfacial) de una solución de monómeros.
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> Tecnologías de microencapsulación
Procesos físico-químicos:
Punto Crítico
p (MPa)
T (ºC)
CO2 7.3 31.1 H2O 22.1 374
Las ventajas de los FSC
estriban en los valores que
toman sus propiedades en el
estado supercrítico, entre las
de los gases y los líquidos
Propiedad Gas FSC Líquido Densidad (kg m-3) 1 100-800 1000
Viscosidad (cP) 0.01 0.05-0.1 0.5-1.0
Difusividad (mm2 s-1) 1-10 0.01-0.1 0.001
Fluidos supercríticos
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> Tecnologías de microencapsulación
RESS: Núcleo- recubrimiento Solubles. Precipitación-coprecipitación por expansión rápida de una
corriente de CO2 en la que ambos compuestos se encuentran solubilizados, debida a un descenso
repentino de las condiciones de Presión.
Procesos físico-químicos: Fluidos supercríticos. Proceso RESS
intercambiadorcalor EXTRACTOR
UNIDADPRECIPITACIÓN
cámaraprecipitación
condensador bomba
CO2
Venteo
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> Tecnologías de microencapsulación
SAS: Núcleo y recubrimiento insolubles en medio CO2-SC. Precipitación /coprecipitación por el efecto
antidisolvente del CO2. Fenómeno físico-químico similar al GAS. Diferente fluido-dinámica diferentes
propiedades de las partículas
Procesos físico-químicos: Fluidos supercríticos. Proceso tipo SAS
intercambiador
calor
UNIDAD
PRECIPITACIÓN
intercambiadorcalor
bombeo
partículas
condensador
bombeo
CO2
venteo
CO2
Solution
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> Tecnologías de microencapsulación
Procesos físicos: Secado por atomización/enfriamiento por atomización
•Desarrollo inicial complejo: muchas variables con efectos interrelacionados.
•Relativa sencillez de TRASLADO A ESCALA INDUSTRIAL.
•INVERSIÓN RELATIVAMENTE BAJA para grandes producciones.
•Instrumentación y CONTROL DE PROCESO INDUSTRIAL SENCILLO, una vez están definidas las variables.
Alimentación.
Emulsionador.
Filtrado
Boquilla atomización
Aire comprimido
Aire
Aire
Filtrado
Calefacción
Producto microencapsulado
Producto microencapsulado
Separador ciclónico
Aire de salida
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> Tecnologías de microencapsulación
Procesos físicos: Secado por atomización/enfriamiento por atomización
Microencapsulación por
sprayd drying.
Pigmentos en polímeros
orgánicos.
Microencapsulación por
spray cooling.
vitamina E en ácidos
grasos hidrogenados.
Nanopartículas
quitosano
por atomización
Microalgas
microencapsuladas en
biopolímeros por
atomización
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> Tecnologías de microencapsulación
Procesos físicos: Secado por atomización
Microalgas microencapsuladas en biopolímeros Fuente: ainia
Microalgas al microscopio óptico Fuente: ainia
Microalgas encapsuladas en quitosano marcado. Fuente: ainia
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Pasos a seguir para contar con un producto microencapsulado
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> Pasos a seguir para contar con un producto microencapsulado
Desarrollo de un producto microencapsulado
1. ESTUDIO DE APTITUD TECNOLÓGICA EN EL
LABORATORIO
DEFINIR EL OBJETIVO:
Núcleo / mecanismo de liberación
Material de recubrimiento
Técnica/proceso de microencapsulación
¿se puede hacer?
•Desarrollo de metodologías
•Técnicas de caracterización
•Muestras analíticas
•Evaluación de la funcionalidad
•Selección de materiales
•Ajuste de proceso
2. ESTIMACIÓN PRELIMINAR DE
VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA
¿será rentable?
•Efecto de las variables
•Escalado
•Rendimiento del proceso
•Rendimiento de encapsulación
•Estimación de costes de proceso
•Cálculo de costes de inversión
•Optimización del proceso
3. ESCALADO INDUSTRIAL
(DEMOSTRATIVO)
•Ajuste de costes
•Problemas de cambio de escala
•Producción de pequeños lotes demostrativos/ prototipos: mercado
4. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOS Y DE PLANTAS INDUSTRIALES
Equipamiento diseñado para un proceso y producto concreto
SUBCONTRATACIÓN DE LA PRODUCCIÓN
servicios de maquila
ADQUISICIÓN DE EQUIPOS PREDISEÑADOS
Plantas versátiles multipropósito
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Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
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> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Equipos de microencapsulación con reactores y emulsionadores
Reactores y emulsionadores
1. ESTUDIO DE APTITUD TECNOLÓGICA EN EL
LABORATORIO
2. ESTIMACIÓN PRELIMINAR DE
VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA
3. ESCALADO INDUSTRIAL
(DEMOSTRATIVO)
4. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOS Y DE PLANTAS INDUSTRIALES
Equipamiento diseñado para un proceso y producto concreto
SUBCONTRATACIÓN DE LA PRODUCCIÓN
servicios de maquila
ADQUISICIÓN DE EQUIPOS PREDISEÑADOS
Plantas versátiles multipropósito
Técnicas de Polimerización interfacial polimerización in situ, coacervación, evaporación de emulsiones…
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESPECÍFICAS EN PROCESOS DE MICROENCAPSULACIÓN CON UNA ETAPA DE FORMACIÓN DE EMULSIONES
Distribución de tamaño de gota de la fase dispersa en la emulsión:•Tamaño de partícula•Tamaño de núcleo•Grosor de la cobertura
Homogeneidad en la distribución: Producción
> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Equipos de microencapsulación con reactores y emulsionadores
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Atomización
> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Equipos de microencapsulación con etapas de atomización
1. ESTUDIO DE APTITUD TECNOLÓGICA EN EL
LABORATORIO
2. ESTIMACIÓN PRELIMINAR DE
VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA
3. ESCALADO INDUSTRIAL
(DEMOSTRATIVO)
4. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOS Y DE PLANTAS INDUSTRIALES
Equipamiento diseñado para un proceso y producto concreto
SUBCONTRATACIÓN DE LA PRODUCCIÓN
servicios de maquila
ADQUISICIÓN DE EQUIPOS PREDISEÑADOS
Plantas versátiles multipropósito
Técnicas de spray drying, spray cooling/chilling, spray con disolventes orgánicosAtomización de disoluciones emulsiones/dispersiones
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> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Microencapsulación con procesos de atomización
Particle Size Distribution
0.01 0.1 1 10 100 1000 3000 Particle Size (µm)
0
2
4
6
8
10 Vo
lum
e (%
)
Distribución de tamaño de gota y de tamaño de partícula•Tamaño de núcleo•Tamaño de gota en la emulsión•Tamaño de la cobertura
Homogeneidad en la distribución :Producción
Combinación emulsión-atomización
Boquillas específicas: •Dos fluidos: mezcla externa/interna•Un fluido
Separadores de partículas
CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESPECÍFICAS EN PROCESOS DE MICROENCAPSULACIÓN CON UNA ETAPA DE ATOMIZACIÓN
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> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Equipos de microencapsulación con etapas de atomización
GV P5 , Calle C Stand 108
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Fluidos supercríticos
> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Microencapsulación con procesos Fluidos supercríticos
Técnicas de inclusión de complejos con fluidos supercríticos, técnicas tipo GAS, RESS, SAS,PGSS…
1. ESTUDIO DE APTITUD TECNOLÓGICA EN EL
LABORATORIO
2. ESTIMACIÓN PRELIMINAR DE
VIABILIDAD TÉCNICO-ECONÓMICA
3. ESCALADO INDUSTRIAL
(DEMOSTRATIVO)
4. PRODUCCIÓN INDUSTRIAL
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE EQUIPOS Y DE PLANTAS INDUSTRIALES
Equipamiento diseñado para un proceso y producto concreto
SUBCONTRATACIÓN DE LA PRODUCCIÓN
servicios de maquila
ADQUISICIÓN DE EQUIPOS PREDISEÑADOS
Plantas versátiles multipropósito
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Elementos para diseño de partículas
Cámaras de precipitación de partículas: Sistemas GAS, SAS, RESS, lecho fluido
Cámara de impregnación
Boquillas de atomización en medio supercrítico: SAS y RESS
> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Microencapsulación con procesos fluidos supercríticos
Diseño para altas presiones
Tamaño de partícula
Boquillas específicas
Diferentes procesos en función de la solubilidad en SCF
CONSIDERACIONES DE DISEÑO ESPECÍFICAS EN PROCESOS DE MICROENCAPSULACIÓN CON FLUIDOS SUPERCRÍTICOS
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> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Escalado de procesos con procesos fluidos supercríticos
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Instalaciones FSC hasta nivel industrial: instalación ALTEX
09. Instalación industrial ALTEX en AINIA
Capacidad de tratamiento: 4 extractores x 1.000 litros/u
> Desarrollo de equipamiento de microencapsulación
Escalado de procesos con procesos fluidos supercríticos
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Aspectos fundamentales
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La microencapsulación de sustancias activas, es una solución para el empleo de aditivos que requieren un aislamiento del medio en el que se pretende emplear
El modo de liberación del principio activo depende fundamentalmente de la forma de la partícula, del material empleado como encapsulante, y del método de encapsulación
Existe una gran variedad de sustancias susceptibles de encapsularse con una amplia diversidad de funciones. Del mismo modo, la disponibilidad de materiales a emplear como encapsulantes es muy diversa, lo que permite seleccionar de manera específica las propiedades que se pretende aportar a cada caso concreto
> Aspectos fundamentales
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El punto de vista industrial y la metodología de traslado a proceso productivo debe tenerse en cuenta desde las primeras etapas de estudio de laboratorio para obtener un producto real, económico y viable.
El desarrollo del proceso de microencapsulación en paralelo con el diseño de equipamiento para la producción permite alcanzar resultados industriales de manera más efectiva.
> Aspectos fundamentales
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Muchas gracias por su atención
J. Daniel [email protected]
Tel. +34 961 366 090 (Ext. 464)Mov. 610781173
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