Conceptos Esenciales en Procesos Industriales y Fenómenos Físicos

Fenómenos de Interfaz

Moléculas de Interfaz: Son aquellas moléculas que muestran tendencia a extenderse en una interfaz, orientándose de tal modo que se reduzca la energía libre de la interfaz de la cual son insolubles.

Películas Solubles y Absorción a partir de una Solución

Se puede demostrar que los ácidos y los alcoholes de cadena corta disueltos en agua reducen la tensión superficial de esta y producen una presión, como sucede en la película superficial anterior.

Películas Mezcladas

Es razonable esperar que las propiedades de una película superficial se modifiquen si hay una mezcla de agentes tensoactivos en la película.

Transferencia de Calor

El modo de transferencia de calor hacia un fluido se realiza por convección, el cual se compone de dos mecanismos de transporte que son:

• La transferencia de energía debido al movimiento aleatorio de las moléculas.
• El movimiento global o macroscópico del fluido: En algunos líquidos, el aumento de la velocidad molecular compensa la reducción de la densidad. Por consiguiente, el movimiento se asocia a que en cualquier instante grandes números de moléculas se mueven de forma colectiva o como agregados, siempre y cuando...

Principios de la Transferencia de Calor

Las leyes de la termodinámica (1ª, 2ª y Ley Cero) tratan la transferencia de energía, pero se refieren a sistemas en equilibrio y solo pueden usarse para predecir la cantidad de energía requerida para cambiar un sistema de un estado de equilibrio a otro; no predicen la rapidez con que pueden ocurrir estos cambios. La ciencia de la transmisión de calor complementa las leyes de la termodinámica y se usa para predecir la velocidad de transferencia y los parámetros variables durante el proceso en función del tiempo.

Mecanismos de Transferencia de Calor

Conducción

Para que ocurra la transferencia de calor por conducción, el calor fluye a través de un medio cuyas moléculas están fijas (medio sólido), ej. madera, acero, plástico.

Q_K = - k · A (dt / dx)

k = Coeficiente de Conductividad (BTU / pie·F·h)

Convección

Para que exista transmisión de calor por convección, este fluye a través de un medio cuyas moléculas presentan movimientos relativos (fluidos como aire, agua).

• Natural: Se debe al gradiente térmico y se justifica por la diferencia de densidad que aparece debido a las diferentes temperaturas, lo que produce que un fluido frío circule hacia abajo y el caliente hacia arriba, generándose una corriente ascendente.
• Forzada: Se aplican medios mecánicos para hacer circular al fluido (ventiladores, bombas).

Q_C = h · A · ΔT

h = Coeficiente de Película (BTU / pie²·F·h)

Radiación

Único mecanismo de transferencia de calor que no requiere de un medio para propagarse. El mejor radiador es el cuerpo negro (ej. nieve).

Q_R = ρ · A · (T_f⁴ – T_i⁴)

ρ = Constante de Radiación

Estados y Propiedades de la Materia

Superfluidez

Es un estado de la materia caracterizado por la ausencia total de viscosidad, de manera que un fluido en un circuito cerrado fluirá interminablemente sin fricción. Es un fenómeno físico que tiene lugar a muy baja temperatura, cerca del cero absoluto, en el que cesa toda la actividad, con el inconveniente de que casi todos los elementos se congelan a esta temperatura.

Criogenia

Conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a temperatura de ebullición del nitrógeno (77,76 ºK, -195,79 ºC) o a temperaturas aún más bajas. Se alcanza sumergiendo la muestra en nitrógeno líquido. El uso de helio líquido en vez de nitrógeno permite alcanzar temperaturas de 4,22 ºK (-268,93 ºC). Ampliamente utilizada en tecnologías que dependen de la superconductividad, la cual se lleva a cabo a bajas temperaturas.

Operaciones Unitarias

Mezcla

Combinación de dos o más sustancias sin que se produzca como consecuencia de esta una reacción química. Las sustancias participantes conservan sus propiedades e identidad en la mezcla.

Existen dos tipos principales de mezclas:

• Homogénea: Son aquellas cuyos componentes no son identificables a simple vista; es decir, se aprecia una sola fase física.
• Heterogénea: Son aquellas cuyos componentes se pueden distinguir a simple vista, apreciándose más de una fase física.

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

1. Gas en gas: El oxígeno y otros gases en el aire.
2. Gas en líquido: Vapor de agua en el aire.
3. Gas en sólido: La naftalina, la cual se sublima lentamente en el aire entrando en solución.
4. Líquido en gas: El CO₂ en agua que forma agua carbonatada.
5. Líquido en líquido: Etanol en agua.
6. Líquido en sólido: Azúcar en agua, sal en agua, oro más mercurio formándose amalgama.
7. Sólido en líquido: Hexano en la cera de parafina, mercurio en oro.
8. Sólido en sólido: El acero y otras aleaciones metálicas.

Mecanismos de Mezclado

• Mecanismo Convectivo: Transferencia de grupos de partículas de un componente a regiones ocupadas por otro componente.
• Mecanismo Difusivo: Transferencia de partículas individuales de un componente a regiones ocupadas por otros.

Tipos de Mezcladores y Equipos de Mezclado

• Mezcladores de flujo o corriente
• De paleta o brazos
• Helicoidales
• De hélice
• De turbina o de impulsos centrífugos
• De tipo molino coloidal

Difusión

Flujo de energía o materia desde una zona de mayor concentración a otra de menor concentración, tendente a producir una distribución homogénea. La difusión de materia suele producirse muy despacio. Si se coloca un terrón de azúcar en el fondo de un vaso de agua, se disolverá y se difundirá lentamente a través del agua.

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 agitación es:

1. Disolución de sólidos en líquidos.
2. Mezcla de dos líquidos miscibles.
3. Mejorar la transferencia de calor.
4. Dispersión de un gas en un líquido.
5. Dispersión de partículas finas en un líquido.
6. Dispersión de dos fases no miscibles.

Pigmento

Son aquellas sustancias con color, insolubles en forma de polvo y que están dispersas en agua o en solventes orgánicos.

El medio más habitual para dispersarlos es la fase acuosa por varias razones:

• Los dispersados en solventes orgánicos se usan para corregir tonos y colores, pero tienen un poder demasiado cubriente.
• Es ecológico, ya que los solventes orgánicos causan problemas de contaminación del aire y el agua.

Características Principales de los Pigmentos

• Grado de molienda.
• Vehículo empleado.
• Poder cubriente (determinado por el tamaño de la partícula).

Tipos de Pigmentos

• Pigmentos Orgánicos: Son derivados de ftalocianina y sus sales. Sus colores son más intensos, menos cubrientes y presentan menor solidez a la luz.
• Pigmentos Inorgánicos: Son básicamente óxidos metálicos. Tienen matices menos brillantes, buen poder cubriente y son más sólidos a la luz (rojos, azules y verdes).

Molienda

Es la operación unitaria mediante la cual se transforma un material de grandes dimensiones a otras más pequeñas, incluso hasta obtener polvos con la granulometría necesaria para la difracción de rayos X.

Propósito de la Molienda

• Ejercer un control estrecho en el tamaño del producto.
• Se dice que una molienda correcta es la clave para la recuperación de la especie útil.
• La molienda es la operación más intensiva en energía del proceso.

Principales Máquinas para Molienda

• Trituradores gruesos y finos
• Molinos intermedios y finos
• Molinos ultrafinos
• Molinos cortadores
• Molinos cortadores de cuchilla
• Molinos de bolas
• Molinos de barras
• Molinos verticales
• Molinos machacadores

Factores que Afectan la Eficacia de la Molienda

• La densidad de la pulpa de alimentación, que debe ser la más alta posible.
• El material de las bolas debe estar cubierto por una capa de mena para aumentar el contacto metal-metal.
• El rango de operación, el cual normalmente ha de estar entre 65% y 80% de sólido.
• La fineza de las partículas, que permite que la viscosidad de la pulpa aumente.

Aplicaciones de la Molienda en la Industria Farmacéutica

• Fabricación de aerosoles e inyectables.
• Preparación de parches medicinales.
• Extracción de constituyentes de un sólido.
• Obtención de harina a partir de granos.
• Producción de formulaciones y sopas empaquetadas.
• Obtención de jarabe a partir de la caña de azúcar.
• Refino para el chocolate y mezclas dulces, etc.

Tamización

Es un método de separación de partículas basado exclusivamente en el tamaño de las mismas.

Los movimientos de un tamiz pueden ser:

• Horizontal: Tiende a aflojar las aglomeraciones de partículas que están en contacto con su superficie.
• Vertical: Sirve para agitar y mezclar las partículas y hacer que más partículas pequeñas lleguen a la superficie del tamiz.
• Vibracional: Mueve la muestra sobre la superficie, produciendo un tamizaje más rápido y eficaz.

Atomización

Comprende la pulverización, la reducción o pérdida de volumen de un líquido a través de una superficie de atomización continua utilizando vibración acústica a través de múltiples agujeros.

Existen dos tipos:

• Continuos
• Discretos

Campos de Aplicación de la Atomización

• Industria química.
• Productos minerales.
• Productos lácteos y otros alimentos (almidón, bloqueadores de bebida a base de cacao y azúcar, azúcar y leche, colorantes y vacunas).
• Industria farmacéutica (analgésicos, antibióticos, enzimas, plasma, sangre, hemoglobina, proteínas, tetraciclinas, gomas farmacéuticas y levaduras).

Nebulizador

Se trata de un dispositivo en el cual un líquido pasa a gas y de este modo es respirable.

Este permite administrar el medicamento, que originalmente viene líquido, en forma de partículas muy pequeñas conocidas en su conjunto como aerosol o nube.

Existen dos tipos:

• Tipo jet
• Tipo ultrasonido

Partes de un Nebulizador

• Cámara
• Tapa
• Tubo de succión de líquido
• Boquilla o mascarilla
• Pieza en T
• Manguera de conexión

Pulverización

Proceso mecánico de producción de un número de pequeñas gotas de un líquido (caldo pulverizado) colocando el líquido en el depósito de un equipo pulverizador.

Son máquinas formadas por agitadores que mantienen una íntima unión entre el producto y el agua de mezcla, y por una bomba que obliga al agua a salir a través de la boquilla para fragmentarlas en gotas de un diámetro del orden de 150 micras.

Tipos de Pulverización según la Fuente de Energía

• Mecánica
• Eléctrica o anódica
• Fisicoquímica

Mecanismos de Pulverización

• Compresión: Reducción grosera de sólidos duros.
• Impacto o Golpeteo: Pulverización mediante martilleo.
• Rozamiento o Elación: Adecuado para materiales blandos.
• Desgarramiento: Aplicable en materiales blandos y semiduros.

Aplicación de la Pulverización en la Industria Farmacéutica

Con la pulverización se pueden obtener medicamentos más eficaces, al reducir las dimensiones de las partículas que los conforman. Como consecuencia, se incrementan las propiedades biofarmacéuticas del mismo. Mientras menor sea el tamaño de la partícula, mayor absorción tendrá en el organismo.