microencapsulación de principios activos desarrollo de procesos y equipos competitivos

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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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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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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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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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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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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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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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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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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


LABORATORIO




(DEMOSTRATIVO)








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


Equipos de microencapsulación con reactores y emulsionadores

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Atomización


Equipos de microencapsulación con etapas de atomización


LABORATORIO




(DEMOSTRATIVO)








Técnicas de spray drying, spray cooling/chilling, spray con disolventes orgánicosAtomización de disoluciones emulsiones/dispersiones

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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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Equipos de microencapsulación con etapas de atomización

GV P5 , Calle C Stand 108

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Fluidos supercríticos


Microencapsulación con procesos Fluidos supercríticos

Técnicas de inclusión de complejos con fluidos supercríticos, técnicas tipo GAS, RESS, SAS,PGSS…


LABORATORIO




(DEMOSTRATIVO)








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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


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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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


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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