TEMA 17. FILTRACIÓN PDF

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Apuntes completos de Tecnología Farmacéutica I. Profesores: E. Gil Alegre y C. Álvarez Álvarez...

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TE TEMA MA 17. FI FILTR LTR LTRA ACIÓ CIÓN N Una vez que tenemos disuelto nuestro producto, nos interesa filtrarlo. La filtración es una operación básica de separación. Permite separar los componentes sólidos que se encuentran en suspensión en un fluido (gaseoso o líquido) utilizando una membrana filtrante o filtro. Los objetivos de la filtración son: - Aislar materiales sólidos que se encuentran en suspensión en un fluido. Se pueden separar microcápsulas tras su preparación o recuperar sólidos pulverulentos en suspensión. - Obtener líquidos ópticamente transparentes o fluidos en general carentes de partículas en suspensión: •

Preparación de líquidos extractivos.

•

Preparación de formas farmacéuticas.

•

Procesos de esterilización.

•

Obtención de aire de determinada calidad.

Para que un fluido sea transportado a través de un filtro es necesario que exista una fuerza impulsora: -

Gradiente de presiones. Gradiente de temperaturas. Gradiente de concentraciones. Gradiente de potencial eléctrico.

Todo esto determina una velocidad de filtración que será igual a la fuerza impulsora/resistencia.

ME MECANI CANI CANISM SM SMOS OS DE FIL FILTRACI TRACI TRACIÓN ÓN 1. Retención en superficie: las partículas no pasan por la membrana y se quedan retenidas en ella. 2. Adsorción por fuerzas atractivas: las partículas se incorporan al filtro y son atrapadas por adsorción. 3. Retención por atrapamiento: fibras sin tejer, maraña de fibras que no permiten el paso (filtro de algodón).

TIPO TIPOSS DE FILT FILTRACIÓN RACIÓN 1

- Según la presión: • Filtración por caída o gravitación. Se realiza a presión atmosférica. es un proceso lento, ideal para pequeñas cantidades. • Filtración bajo presión. Se realiza ejerciendo una presión, superior a la atmosférica, sobre el líquido que hay que filtrar. • Filtración por succión o a presión reducida. Se realiza haciendo el vacío en el recipiente donde se recoge el líquido filtrado. - Según el tamaño: • Filtración: 450-10 µm (clarificante). • Microfiltración: 10-0,1 µm. (Germicida). • Filtración bajo alta presión: ultrafiltración (200-10 nm, esterilizante), nanofiltración (100-1 nm) y ósmosis inversa (2 nm-3A). - Según el tipo de retención: • Por cribado: fenómeno mecánico en que los filtros van a estar actuando como tamices, es decir, retienen partículas de tamaño superior a sus poros. • Por adsorción: fenómeno físico que permite retener partículas más pequeñas que los poros por fuerzas muy débiles. • Por formación de torta: la acumulación de solutos en la superficie del filtro forma una capa que actúa de lecho filtrante. • Por solubilización y difusión: la retención depende de la solubilidad en la membrana que forma el filtro y de la velocidad de difusión a través de sus poros. • Por evaporación y difusión: la retención depende del punto de ebullición y de la velocidad de difusión a través de los poros de la membrana que forma el filtro. - Según el tipo de filtro: • Filtración en profundidad: la filtración tiene lugar en la masa del filtro por adsorción y en la superficie por cribado. Si se utiliza un filtro de fibras sin tejer, la retención se da por atrapamiento y el espesor va a ser bastante grueso. La estructura de estos filtros no es regular, por lo que no se puede determinar exactamente la capacidad de retención. Elimina partículas más pequeñas que sus poros. Las aplicaciones son: utilización como prefiltros para evitar la colmatación de filtros de superficie (retención de partículas gruesas) y para filtraciones clarificantes (filtración de soluciones). Las ventajas de la filtración en profundidad son una elevada capacidad de retención ya que retiene las partículas en superficie y en el interior y retiene partículas de tamaño menor que el nominal. 2

Los inconvenientes son: absorben líquido en su interior, el material del filtro puede ceder impurezas, cuando se retienen microorganismos pueden llegar al filtrado y no garantizan la retención absoluta. Los materiales de la filtración en profundidad pueden ser flexibles (fibras prensadas) que necesitan un soporte rígido para la filtración y son esterilizables en autoclave. Entre ellos encontramos las fibras de celulosa (papel de filtro), fibra de vidrio y silicato magnésico natural y fibroso. Entre los materiales rígidos encontramos bujías como Chamberland (silicato de aluminio hidratado o caolín) o Berkefeld (materia orgánica calcinada que es tierra de infusorios o diatomeas), o bien puede ser vidrio fritado (partículas de vidrio neutro que se funden en un molde. estructura porosa). La filtración en profundidad puede estar recomendada para suspensiones muy concentradas en sólidos. • Filtración en superficie: las partículas se retienen en la superficie del filtro por cribado. Se utiliza una malla rígida, uniforme y continua. El tamaño de poro va a ser uniforme, la porosidad debe ser elevada (80%) y se utilizan membranas delgadas de unas 90-170 micras. Se utiliza para filtraciones por tamaño. Se necesitan en algunas ocasiones prefiltros para evitar la colmatación. También necesita un soporte rígido por su fragilidad. Las ventajas son una eficacia de retención del 100%, estructura homogénea, no cesión de partículas del filtro al filtrado, no retención de líquido en el interior (poco espeso), retiene microorganismos (retención). Los inconvenientes son: se saturan rápidamente y tienen un coste elevado. Los materiales que vamos a utilizar son mallas que pueden ser metálicas (retención únicamente en superficie) de acero inoxidable o de plata, pueden ser membranas derivadas de célula como acetatos y nitratos, fibras sintéticas (poliamidas o polisulfonas), matrices poliméricas densas (mezclas de polímeros, quitosano, etc.) o polímeros termoplásticos (polipropileno, difluoruro de polivinilideno, politetrafluoruro de etileno, etc).

FAC FACTOR TOR TORES ES QUE INFLU INFLUYEN YEN EN LA FILTR FILTRACIÓ ACIÓ ACIÓN N (T (TEORÍA EORÍA DE CAR CARMAN) MAN) Velocidad: dV/dt=ΔP/R Diferencia de presiones: ΔP=P1-P2

- Influirán las presiones a ambos lados de la membrana. - Si el filtro está colocado en posición horizontal, el propio peso de la columna de líquido es el que ejerce la presión. - Esa diferencia de peso puede ser constante o variable.

Resistencia: R= resistencia de membrana (cte) + R torta (variable). Depende de la membrana filtrante y de la torta. 3

- La resistencia de la membrana depende de β0 que es la constante propia del material del filtro, influye la porosidad y textura. Lo es el espesor o longitud de la membrana (a mayor Lo mayor resistencia), S es la superficie (a mayor S menor Rm) y η es la viscosidad del líquido (a mayor viscosidad, mayor resistencia). Rm = β0 (Lo/S) η

- La resistencia de la torta: Rt = α0 (L'/S) η L'=KV (W/S) α0 engloba las características de los sólidos retenidos. L' es la longitud variable con el tiempo. S igual que la de la membrana η viscosidad del líquido. K es la constante que refleja cómo se deposita. W es el contenido en sólido.

La ecuación de Carman: dV/dt=ΔP/[β0 (Lo/S) η + α0 (L'/S) η] β = β0Lo = característico del filtro. α = α0 L'= característico del material.

Apli Aplicac cac cacione ione ioness de la ecu ecuaci aci ación ón de C Carman arman 1. Nos permite conocer los parámetros de la filtración (alfa y beta). Conocer alfa y beta nos permite optimizar el proceso. - Para un determinado proceso de filtración puedo conocer dV para dt. - Conocidos también AP, S, η, W. 2. Estudiar cómo influyen las distintas variables: AP, S, η, W.

- ΔP: ▪ Si α y β son constantes se verá reflejado en un aumento en la velocidad de filtración si aumenta la diferencia de presiones por: • Acción de la gravedad. Presión hidrostática. 4

• Acción fuerza centrífuga. • Aplicación de sobrepresión. • Aplicación de vacío. ▪ Efectos sobre la velocidad de filtración: si aumenta AP aumenta dV/dt, aumenta la compresibilidad de la torta. Se pueden añadir coadyuvantes de la filtración que la facilitan, se puede añadir sólido, tierra de diatomeas o mármol molido. - Superficie de filtración: ▪ Si aumenta S aumenta dV/dt. ▪ En vez de un filtro grande podemos añadir muchos filtros pequeños para aumenta la superficie de filtración. - Concentración de sólidos: ▪ El contenido de sólidos actúa inversamente. A mayor contenido en sólidos, menor velocidad. ▪ Las tortas que se forman rápidamente tienen menor resistencia específica. - Viscosidad: ▪ Interesa disminuir la viscosidad para aumentar la velocidad de filtración.

De cara a linealizar la ecuación de Carman se ha realizado su inversa para ver que se ajusta a una línea recta. Podemos linealizarla con los valores de α y β, de manera que podemos diseñar una filtración y predecir qué puede pasar Un líquido limpio, a medida que pasa el tiempo, S no hay mucha resistencia, el volumen irá aumentando. Si lo que filtramos es una formulación con características en suspensión, con el paso del tiempo, el volumen de la filtración cada vez será menor debido a que se va depositando la tora y cada vez se filtra menos.

CLA CLASIFICAC SIFICAC SIFICACIIÓN DE FILT FILTROS ROS 1. Filtros de gravedad: - Filtro Nutcha: soporte perforado sobre el cual se deposita una membrana filtrante. El líquido a filtrar se coloca por encima del filtro. Se hace vacío a la salida del filtrado. Estos filtros se limpian fácilmente. La torta va a retener parte del líquido. se hace pasar líquido de lavado. 5

2. Filtros de vacío: - Tambor cilíndrico de eje horizontal sobre el que se coloca la membrana filtrante. Encontramos 5 zonas: • Zona 1: zona de filtración. • Zona 2: zona de escurrido. • Zona 3: zona de lavado. • Zona 4: zona de desecación. • Zona 5: zona de limpieza. Las ventajas son: el fácil mantenimiento, bajo coste de mano de obra, y se puede trabajar en continuo. Está indicado para filtraciones de líquidos como muchos sólidos de tamaño homogéneo. 3. Filtros de presión o sobrepresión: - Filtros prensa: varias placas metálica con concavidades que están acopladas entre sí formando una carcasa (fritadas). 4. Filtros de centrífuga: Consiste en una centrífuga en la cual el cabezal está sustituido por una cesta perforada que actúa de soporte de la membrana filtrante. Dentro se coloca el líquido turbio y por centrifugación se consigue la filtración. Es un proceso discontinuo, se usa cuando la cantidad de sólido es grande y también se denominan hidroestractoras o escurridoras.

LAV LAVADO ADO DE DELL PREC PRECIPITA IPITA IPITADO DO - El líquido de lavado sigue el mismo recorrido que el filtrado. El lavado se consigue por desplazamiento del líquido turbio de la torta. - El líquido de lavado sigue un camino contrario al del filtrado El lavado se produce por difusión.

FILT FILTRAC RAC RACIIÓN EST ESTERILIZA ERILIZA ERILIZANTE NTE La filtración es la eliminación de partículas de la corriente de un fluido. La filtración esterilizante es un proceso que elimina, pero no destruye, los microorganismos. La filtración, uno de los métodos más antiguos de esterilización, es el método de elección para soluciones que son inestables a otro tipo de procesos de esterilización. Hasta 1960se consideraban esterilizantes los filtros de 0,45 micras. Se comprobó que no y se pasó a filtros de 0,22 micras. La empresa Pall inició la diminución de los filtros de 0,22 a 0,1 micras pero no era rentable por lo que se optó por filtrar el líquido dos veces por los filtros de 0,22. 6

En la filtración esterilizante se van a utilizar filtros en profundidad o filtros en pantalla. Filtros en profundidad

Estructura

Características

Material fibroso o granular donde las partículas son atrapadas en la trama o red fibrosa - Adsorción o atracción electrotática. - Esterilizantes. - Capaces de adsorber pirógenos. - Fenómenos de retención dependen de la viscosidad, naturaleza, flujo líquido. - Ceden fibras y/o partículas (necesitan 2 filtros Capacidad de retención grande. Eficacia media.

Filtros pantalla Son filtros membrana de retención absoluta; ninguna partícula de tamaño superior al tamaño de los poros, para los cuales está definido, puede pasar a su través. - Tamiz. - Membrana fina: no fenómenos de adsorción. - Filtración esterilizante si el tamaño de poro es < 0,22 micras. - Se puede colmatar si la solución está contaminada. - Utilizar filtro en profundidad como prefiltro. Capacidad de retención baja. Eficacia absoluta.

El mecanismo de filtración puede ser por exclusión por tamaño o por adsorción.

La filtración esterilizante utiliza normativa FDA para ver el cumplimiento que deben tener los filtros para hacer filtraciones esterilizantes. También existe un control de filtros esterilizantes para asegurar su funcionalidad antes y después de su uso. Se debe realizar el ensayo descrito en farmacopea (Punto de burbuja: no destructivo ni contaminante). La eficacia de la filtración se evalúa si queda retenida una cepa de Pseudomonas diminuta (0,3 micras). También medimos el caudal (ley de Poiseulle).Debemos evaluar la compatibilidad de la solución con los compuestos del filtro. Otras recomendaciones: -

Material de filtración esterilizado antes de su uso. Partir de solución pobre en gérmenes. Asegurar un flujo regular y evitar las sobrepresiones. No prolongar la filtración Controlar los filtros de membrana reutilizables.

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