Un reto de diseño: las suspensiones acuosas

22 Sep 2022

Un reto de diseño: las suspensiones acuosas

En momentos como los actuales en los que la disponibilidad de numerosas materias primas se ha visto afectada, el uso de aquellas más accesibles y respetuosas con el medio ambiente están adquiriendo un mayor protagonismo.

Una de estas materias primas es sin lugar a duda el agua que, aun siendo el disolvente universal por excelencia, su uso en el desarrollo de formulaciones acuosas lleva asociado ciertas dificultades, principalmente debido a la baja o nula solubilidad de ciertos ingredientes y aditivos de interés.

Este es el caso de los antioxidantes fenólicos, cuya baja solubilidad nos empuja a recurrir a tecnologías que nos permitan la preparación de formulaciones acuosas estables y de interés para el sector de la alimentación animal.

TODAS LAS MEZCLAS ACUOSAS NO SON IGUALES

Existen diferentes tipos de mezclas líquidas que vienen definidas por ciertos parámetros como son el grado de solubilidad, su estado físico (sólido, líquido o gas) o su tamaño de partícula o gota (Figura 1).

 

tabla-clasificacion-mezclas-liquidas

Figura 1. Clasificación y características generales de las mezclas líquidas.

 

Por un lado, existen aquellas mezclas en las que los ingredientes se disuelven perfectamente en el disolvente. Son las denominadas soluciones o mezclas homogéneas. El tamaño de las partículas es tan pequeño que no se ven a simple vista.

Sin embargo, existen otros casos en los que la solubilización no se produce de forma espontánea, siendo necesario el uso de ciertas sustancias para forzar la disolución. Estas mezclas se denominan dispersiones y están constituidas por dos fases bien diferenciadas:

icone-flechaUna fase dispersante o matriz continua. En caso de las acuosas sería el agua.

icone-flechaUna fase dispersada en forma de pequeñas gotas o partículas que se encuentran distribuidas en la matriz continua.

 

SUSPENSIONES:

QUÉ SE MEZCLA Y CÓMO SE MEZCLA

Las suspensiones acuosas son un tipo de dispersión en las que los granos de sólido insolubles quedan suspendidos en el medio acuoso como si flotaran (Figura 2).

 

representacion-suspension-liquida

Figura 2. Representación de una suspensión líquida homogénea.

Para que las partículas del sólido queden distribuidas de forma homogénea y separadas entre si durante el mayor tiempo posible, es necesario la participación de otros componentes capaces de estabilizar la mezcla.

La lista de estas sustancias estabilizadoras para su uso en nutrición animal está limitada y regulada por las autoridades europeas, pudiéndose clasificar de forma genérica en los siguientes grupos:

icone-flecha Humectantes: rodean las partículas sólidas y facilitan su interacción con la fase líquida.

icone-flecha Tensioactivos: evitan la aglomeración y sedimentación de las partículas.

icone-flecha Espesantes: aumentan la viscosidad de la mezcla dificultando la aglomeración y la sedimentación creando una red tridimensional que sostiene la fase dispersa.

icone-flecha Preservantes: evitan el crecimiento de microorganismos en el medio.

El diseño de cualquier formulación requiere asegurar la homogeneidad y la estabilidad de la mezcla. En el caso de las suspensiones acuosas, será conveniente fijarse en los siguientes aspectos:

1  Selección de los componentes: asegurar compatibilidad física y química de los ingredientes activos y los estabilizantes.

2  Proporción adecuada de todos los componentes (no añadir ni de menos, ni de más).

3  Diseño del proceso de mezclado (orden de adición de ingredientes, temperatura, grado de micronización, tecnología de mezclado).

 

¿ES MI SUSPENSIÓN ESTABLE?

Las suspensiones no son eternamente estables.

Con el paso del tiempo las fases tienden a separarse produciéndose la pérdida de homogeneidad de la mezcla. Esto se debe a la tendencia que tienen las partículas sólidas de agregarse de nuevo y alejarse de la fase líquida, con la que tienen poca afinidad.

La pérdida de estabilidad es un proceso que puede tardar horas, meses o años en desarrollarse.

icone-flecha Cuando se produce la separación de fases, en algunas ocasiones es de forma irreversible, aunque en otras se puede volver a recuperar la homogeneidad de los componentes mediante agitación.

icone-flecha La rapidez y la forma en la que se dan lugar los procesos de inestabilidad física (sedimentación, floculación, coalescencia, cremación) y la consecuente separación de fases (Figura 3), darán lugar a mezclas que serán más o menos adecuadas para cada aplicación.

 

sistema-procesos

Figura 3. Tipos de procesos de inestabilidad física.

 

CÓMO ESTABILIZAR UNA SUSPENSIÓN

Para retrasar la separación de fases de una suspensión, existen varias estrategias que pueden utilizarse durante y después de su preparación.

No todas ellas tienen el mismo impacto en la estabilidad de la mezcla, por lo que se debe seleccionar aquellas más relevantes, combinarlas y hacer los ajustes oportunos. Algunas de estas estrategias son:

icone-flecha Reducción del tamaño de las partículas mediante micronización (Figura 4).

icone-flecha Mejorar la calidad de la interfase sólido/líquido con tensioactivos, manteniendo las partículas separadas y dispersas.

icone-flecha Aumentar la viscosidad del medio con agentes espesantes que dificulten la aglomeración y la sedimentación.

icone-flecha Evitar cambios bruscos de temperatura y de pH que puedan romper las interacciones creadas.

 

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Figura 4. Distribución de tamaño de partícula (Malvem). Rojo: suspensión micronizada con molinos de bolas; Verde y Azul: suspensión micronizada con molino de 3 etapas.

 

VALIDAR LAS SUSPENSIONES

Existen varias técnicas que permiten evaluar el estado físico de las dispersiones y predecir cuál será su comportamiento con el paso del tiempo.

El objetivo principal de estas técnicas es someter a la muestra a condiciones forzadas como altas temperatura o fuerzas físicas como la centrifugación, la vibración o agitación. De este modo se acelera el proceso de desestabilización, obteniendo resultados en tiempos más cortos.

Por ejemplo, ensayos realizados con Lumisizer, que combina procesos de centrifugación y temperatura, permiten detectar y cuantificar procesos de desestabilización como el de sedimentación o cremación (Figura 5), al detectar el desplazamiento producido por las partículas bien hacia el fondo de la cubeta o hacia la superficie.

 

grafico-estudio-estabilidad-suspension

Figura 5. Estudio de estabilidad de una suspensión a diferentes temperaturas. Región verde: fenómeno de sedimentación. Región roja: fenómeno de cremación.

 

CONCLUSIÓN

El diseño de nuevas formulaciones requiere disponer tanto de materias primas de alta calidad, como del conocimiento y recursos necesarios para indagar y explorar las tecnologías que permitan alcanzar los nuevos retos.

No es suficiente sólo con mezclar, es necesario también saber qué se mezcla y cómo se mezcla.

En el caso concreto de las formulaciones basadas en suspensiones acuosas, su correcto diseño requiere disponer del máximo conocimiento de:

icone-flecha los ingredientes principales;

icone-flecha los aditivos estabilizadores como humectantes, espesantes y tensioactivos;

icone-flecha y de la tecnología disponible más adecuada.

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