Micronization of carotenoids and bio-polymers with supercritical fluids
- Autores: Facundo Mattea
- Directores de la Tesis: María José Cocero Alonso (dir. tes.), Angel Martín Martínez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Valladolid ( España ) en 2009
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Rudolf Egger (presid.), Soraya Rodríguez Rojo (secret.), Elisabeth Badens (voc.), Susana Botini (voc.)
- Materias:
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- Resumen
-- Introducción El principal objetivo de esta tesis doctoral es proporcionar las herramientas necesarias para la correcta formulación de colorantes naturales y principalmente de compuestos carotenoides. Para ello, se emplearon, durante el desarrollo de la tesis, dos diferentes técnicas de formulación que involucran el uso de fluidos en estado supercrítico.
Los fluidos a elevadas presiones y en especial en estado supercrítico, presentan propiedades físico-químicas muy particulares que les permite ser utilizados en diversos procesos industriales, como la extracción de compuestos naturales, la precipitación, impregnación, y diversos procesos de separación, pretratamiento o de reacción [1-3]. En esta tesis se estudió el proceso de precipitación debido al efecto antisolvente de un fluido en estado supercrítico [4] y en particular del dióxido de carbono, sobre una disolución que contiene compuestos carotenoides.
Los carotenoides presentan excelentes propiedades colorantes y antioxidantes, pero son muy sensibles a la degradación y pérdida de calidad debido al contacto con temperaturas elevadas o por oxidación [5]. El uso de dióxido de carbono supercrítico permite evitar estas condiciones y así mejorar la calidad del producto final.
Además, esta tecnología permite efectuar la coprecipitación de los colorantes junto con un polímero logrando el recubrimiento de los compuesto naturales y la mejora consecuente del efecto colorante. El recubrimiento proporciona protección frente a procesos de oxidación y puede mejorar la velocidad de disolución del producto cuando se utiliza en agua [6]. Uno de los factores mas influyentes en el poder colorante de un producto, es el tamaño de partícula que poseen los compuestos responsables del color. Por ello, se buscan procesos que puedan minimizar este tamaño y al mismo tiempo asegurar un producto que sea fácilmente utilizable. Con el proceso de precipitación antisolvente supercrítica (SAS) se pueden obtener tamaños de partículas de carotenos y de carotenos recubiertos con polímeros entre 20 y 100 ¿m.
Con la intención de disminuir aún más este tamaño de partícula, en la segunda sección de esta tesis se propuso un método novedoso combinando las facultades positivas de los procesos de precipitación SAS con otro proceso utilizado en la industria farmacéutica, que es la precipitación en emulsiones, logrando de esta manera controlar el tamaño final de las partículas carotenoides con el tamaño original de las gotas que conforman la emulsión, además aprovechando el material surfactante de la emulsión para recubrir los carotenos en el producto final.
De esta forma se presentaron dos metodologías diferentes para producir colorantes naturales con tamaños de partícula razonables para su uso en soluciones acuosas. La coprecipitación con el proceso SAS y la precipitación en emulsiones con el proceso SFEE.
--Resultados y Discusión Durante la primer etapa de la tesis se estudió la precipitación conjunta de beta caroteno y luteína con polímeros biodegradables (polietilenglicol) mediante el proceso SAS. Los parámetros que se estudiaron durante el proceso fue el efecto de la temperatura, presión y las concentraciones relativas de los componentes del proceso sobre las características morfológicas del producto, particularmente sobre el tamaño de partícula, la capacidad de recubrimiento del polímero, la aglomeración del producto final, y cambios en la cristalinidad de las sustancias.
Gracias a este estudio se determinaron zonas de temperatura y presión donde no era posible coprecipitar los compuestos y luego en la zona que sí era posible se logró observar el efecto que poseen cambios mas sutiles de la temperatura entre 285 K y 313 K con cambios de 2 K y presión entre 8 MPa y 12 MPa sobre la morfología del producto final. Pequeños cambios en la temperatura afectan considerablemente el grado de aglomeración de las partículas, y el tamaño de las mismas. Los resultados fueron explicados con fundamentos termodinámicos y corroborados con experimentos en una celda visual. A su vez se empleo un modelo matemático para simular y comprobar lo que sucedía en los experimentos en la celda visual centrándose en el modelo de esferas rígidas perturbadas PHSC Eos [7].
Los resultados del modelo matemático y de los experimentos permitieron comprobar la presencia de un equilibrio líquido-líquido en el sistema debido a la disminución del punto de fusión y de transición vítrea el polímero por efecto del dióxido de carbono. Otro parámetro importante estudiado en esta etapa fue el efecto de las concentraciones relativas de las sustancias, con ellos se demostró la capacidad del proceso para lograr diferentes morfologías del producto, partículas parcialmente recubiertas por esferas de polímero, partículas esféricas con superficies suaves y partículas con superficies porosas se obtuvieron con simples cambios en la relación de concentración entre el polímero y el caroteno. Gracias a ensayos de DSC (barrido de calorimetría diferencial) y XRD (difracción de rayos X) se determinó que el caroteno dentro del coprecipitado presentaba una estructura amorfa en lugar de la estructura cristalina inicial del caroteno.
En la segunda etapa de la tesis se presenta el uso de una técnica muy reciente [8], para proponer un proceso de formulación capaz de producir partículas con un tamaño medio inferior a un micrómetro. Para ello se combinó el uso de emulsiones y fluidos en estado supercrítico. Inicialmente se enfocó el desarrollo de la tesis en la obtención de emulsiones estables que contuvieran en su fase dispersa la substancia que se deseaba precipitar y material surfactante con características biodegradables o biológicamente aceptables. Una vez que se logró obtener una emulsión con estas características se estudió el efecto de las variables de un proceso SAS discontinuo y continuo prestando especial atención al contenido de solvente orgánico en el producto final y en la relación entre el tamaño original de las gotas de la emulsión con el tamaño final de las partículas. Los resultados permitieron demostrar que esta técnica de precipitación posee un control sobre el tamaño final de las partículas mucho mejor que los procesos de SAS convencionales logrando, en esta tesis, partículas con tamaños medios comprendidos entre 200 y 600 nm.
Para una mayor comprensión del proceso se desarrolló un modelo matemático de los fenómenos de transferencia de materia en el proceso. Para ello primero se estudió un sistema simplificado comprendido por una gota de solvente orgánico inmersa en una solución acuosa de surfactantes a base de almidón, a este sistema se le adicionó dióxido de carbono en las condiciones de la precipitación y se midieron los cambios en el volumen de la gota y en la tensión interfacial entre la gota y el medio que la rodeaba. Estos cambios luego fueron los parámetros para corroborar el modelo matemático propuesto.
Una vez corroborado este modelo simplificado se lo extendió para poder calcular los efectos en un sistema mas complejo formado por una gota de emulsión con un número determinado de gotas de solvente orgánico y rodeada de dióxido de carbono, como sucede durante una precipitación SAS. Los resultados de este modelo matemático permitieron deducir que de acuerdo a los tiempos necesarios para la precipitación de las substancias dentro de la gota, que son muy inferiores a los tiempos necesarios para eliminar por completo el solvente orgánico de las gotas, un proceso combinado donde primero se logre la precipitación en las gotas y de esta manera limitar el tamaño final de las partículas con el tamaño original de las gotas, para luego eliminar el solvente orgánico en una segunda etapa.
--Conclusión El trabajo presentado en esta tesis cumplió con los objetivos presentados inicialmente. Se logró la precipitación de colorantes naturales como los carotenoides conjuntamente con polímeros biológicamente aceptados, obteniendo tamaños de partículas aceptables para la primer alternativa de producción (coprecipitación por medio de SAS convencional) y por debajo de las escalas habituales para esta tecnología con la segunda alternativa (SFEE, o SAS aplicado a emulsiones). Esta última herramienta combinada con la información que proporcionó el modelado matemático del proceso, permite una mayor flexibilidad en formulación de colorantes naturales.
--Bibliografía 1. Brunner G. Gas Extraction, An Introduction to Fundamentals of Supercritical Fluids and the Application to Separation Processes. Springer N.Y. 1994.
2. McHugh M. A., Krukonis V. J. Supercritical Fluid Extraction: Principles & Practice, Butterworth-Heinemann, Boston, 1994.
3. Marr R., Gamse T. Use of supercritical fluids for different processes including new developments - a review. Chemical Engineering and Processing. 39 (2000) pp19-28.
4. Martín A., Cocero M.J. Micronization processes with supercritical fluids: Fundamentals and mechanisms. Advanced Drug Delivery Reviews. 60 (2008) pp339-350 5. Mattea F., Martín A., Cocero M.J. Carotenoid processing with supercritical fluids. Journal of Food Engineering. 93 (2009) pp 255-265.
6. Cocero M.J., Martín A., Mattea F., Varona S. Encapsulation and co-precipitation processes with supercritical fluids: Fundamentals and applications. The Journal of Supercritical Fluids. 47 (2009) pp546-555.
7. Song Y., Lambert S.M, Prausnitz J.M. A Perturbed hard-sphere-chain equation of state for normal fluids and polymers. Industrial & Engineering Chemistry Research. 22 (1994) 1047.
8. Shekunov B.Y., Chattopadhyay P., Seitzinger J., Huff R. Nanoparticles of poorly water-soluble drugs prepared by supercritical fluid extraction of emulsions, Pharmaceutical Research 23 (2006) pp196-204.
