TEMA 9. DESECACIÓN 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 99.. DE DESE SE SECA CA CACIÓ CIÓ CIÓN N La desecación es una operación básica mediante la cual se procede a la separación parcial o total del líquido que acompaña a un sólido por medios térmicos a una temperatura inferior a la de ebullición. El fluido calefactor es el aire caliente. El aire caliente aporta el contenido calorífico y cede parte de su calor al líquido que moja al sólido. El aire también es capaz de arrastrar las moléculas de vapor producido.

OBJ OBJETIVO ETIVO ETIVOSS - Dar estabilidad a determinados productos durante su almacenamiento y transporte. - Etapa intermedia en la preparación de formas farmacéuticas. - Dar características adecuadas a preparados que faciliten su posterior manipulación: pulverización, propiedades reológicas adecuadas, etc.

CO COMPO MPO MPONEN NEN NENTE TE TESS DE DELL SSIST IST ISTEM EM EMA A 1. Sólido con cierta humedad. 2. Aire preferentemente caliente (con cierta humedad). Existe una transferencia de vapor desde un sólido húmedo al gas que lo rodea. Así, el objetivo último es poner en contacto el sólido con ese gas para que se produzca la transferencia de vapor. Como consecuencia, el aire inicial se carga con más moléculas de agua por lo que debe ser capaz de cargar con esas nuevas moléculas. Como resultado tenemos una humedad del aire que será la inicial (0) y la final, un aporte energético, es decir, una diferencia de calor, y a su vez, el sólido, tendrá una presión de vapor de agua que al final del proceso estará en equilibrio con la presión de vapor de agua del aire. Cuando hablamos de humedad, nos referimos a la cantidad de agua que tiene un material, pero no hablamos del estado de ese agua. Por eso, en cuanto a la cantidad de agua que tiene un material, debemos hablar de la humedad en el aire y humedad en el sólido.

ASP ASPECTO ECTO ECTOSS TTEÓR EÓR EÓRICO ICO ICOSS D DE E LLA AD DESE ESE ESECAC CAC CACIÓN IÓN En primer lugar, nos vamos a ocupar del estudio de la estática del secado, es decir, los componentes del sistema y el equilibrio entre sólido húmedo y aire húmedo: - Comportamiento de los sólidos mojados. - Características del aire (también húmedo). Además, vamos a estudiar la cinética del secado, es decir, la velocidad con que se produce el proceso de desecación (fases de secado). Est Estátic átic áticaa de dell ssecad ecad ecado o

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- Comportamiento del agua líquida en un recipiente en contacto con aire: En el tiempo, se produce un intercambio de moléculas entre las que hay en forma líquida en el agua y las que hay en forma gaseosa en el aire. Siempre se van a encontrar en equilibrio, produciéndose el intercambio hasta saturación del aire. Este equilibrio de las moléculas de vapor determina la tendencia de escape del agua líquida, es decir, la presión de vapor del agua a la temperatura de trabajo, y la capacidad del aire para incorporar moléculas de agua o presión parcial a saturación. - Parámetros que indican la humedad del aire: • Medidas absolutas: agua al estado de vapor que contiene 1 kg de aire seco. HA = kg H2O (vapor) / kg de aire seco. • Medidas relativas: humedad que contiene el aire respecto a la unidad máxima que puede almacenar el aire a una temperatura determinada. o Estado higrométrico (fracción) = Pp del vapor en el aire/(Ppmáxima=Ppsaturación). o Humedad relativa = estado higrométrico · 100. - Clasificación de los sólidos en función del comportamiento en equilibrio con aire húmedo: Sabiendo que la humedad (del sólido) es el peso de agua incorporada en la unidad de masa de sólido seco o de sólido mojado. • Cuerpos insolubles: o Cuerpos húmedos. La tensión de vapor del agua que contiene el sólido es igual a la que presenta el agua líquida a la temperatura de trabajo, es decir, no hay ninguna interacción entre el sólido y el agua que contiene. Esto significa que se pueden desecar hasta un contenido en humedad igual a cero (desecación total). El sólido no interacciona con el agua (es un cuerpo inerte al agua que lo acompaña). Cuando enfrentamos el sólido húmedo a un aire no saturado de agua, el sólido siempre pierde humedad hasta que se alcance el equilibrio, es decir, hasta que el aire se sature. Ej: arena mojada. o Cuerpos higroscópicos. La tensión de vapor del agua que contiene el sólido es menor que la del agua líquida a la temperatura de trabajo. Esto significa que existe una interacción entre el sólido y el líquido que contiene. Esa interacción provoca que la presión de vapor del agua se modifique. Los posibles tipos de interacción son: - Adsorción en la superficie del sólido. - Retención en pequeños capilares o poros. - Unida por puentes de hidrógeno, etc. Un cuerpo higroscópico, en función del aire que le rodee, va a captar o ceder agua. Si el cuerpo está rodeado de un aire con poca humedad relativa, va a ceder agua hasta alcanzar el equilibrio entre el sólido y el aire. Ese equilibrio se puede alcanzar sin que el aire esté a saturación porque el agua tiene una cierta afinidad por el sólido. Si el sólido tiene una cantidad de agua y lo rodeamos de un aire con una elevada humedad relativa, el sólido puede captar agua del aire hasta alcanzar el equilibrio. 2

De forma que la tensión de vapor del agua que contiene el sólido va a depender de las características del sólido, de la temperatura y de la humedad del sólido. Por esta razón, para cada sólido, hay que realizar un diagrama o curva de equilibrio a temperatura constante. La humedad de equilibrio será la humedad que alcanza un cuerpo higroscópico cuando, en contacto con el aire en condiciones determinadas de temperatura, se igualan la presión de vapor de agua en el sólido con la presión parcial del vapor de agua en el aire. Depende de la humedad relativa del aire. Es importante estudiar la higroscopicidad debido a que el conocimiento del comportamiento de higroscopicidad de algunos productos puede ayudar en el diseño de áreas de fabricación de comprimidos. Además, con los fármacos sensibles a la humedad se deberá evaluar su comportamiento en presencia de excipientes higroscópicos. Por otro lado, esta higroscopicidad va a condicionar el material de protección durante el almacenamiento de los productos. • Cuerpos solubles: o Cuerpos delicuescentes: Son cuerpos higroscópicos que al ser hidrosolubles, en un momento dado, su contenido en agua no se modifica porque el agua que está captando la está utilizando para solubilizarse hasta que llega un momento que ese agua se satura, ya no se puede solubilizar más sólido y el cuerpo capta agua libre. En farmacia podemos encontrar cuerpos delicuescentes que manifiestan su comportamiento por encima del 90% de humedad relativa. Por esta razón decimos que en farmacia, la mayoría de los cuerpos se manifiestan como húmedos o higroscópicos. El cuerpo húmedo, sea cual sea la humedad relativa, su contenido en agua en equilibrio no se modifica. Por lo tanto, con un cuerpo húmedo no nos tenemos que preocupar por el tipo de material de protección y, a su vez, no nos tenemos que preocupar de estar en un ambiente de humedad controlada. Por el contrario, sí que debemos tener en cuenta la formulación de los medicamentos en cuanto a la higroscopicidad de los excipientes ya que en caso de trabajar con un principio activo hidrolábil, hay que tener cuidado si introducimos excipientes higroscópicos que aportarán agua a la mezcla.

- Condiciones del aire • Presión. • Temperatura. • Humedad Teniendo en cuenta todo esto hablamos de diagrama psicrométrico en los que se relaciona la temperatura del aire con su humedad absoluta. En función de la relación temperatura/humedad 3

absoluta se establecen las líneas en las cuales se mantiene constante la humedad relativa o el estado higrométrico. A mayor temperatura, mayor capacidad del aire para captar agua. A una misma temperatura, conforme aumenta su contenido en humedad absoluta, la humedad relativa es cada vez mayor hasta un límite. Para que la humedad relativa sea constante (obtener una isolínea), debe aumentar el valor de humedad absoluta conforme aumenta la temperatura. Esta relación no es lineal sino exponencial y por eso la isolínea es curva. A una misma temperatura del aire, conforme aumenta su humedad absoluta, aumenta su humedad relativa hasta el 100%. Este aire, lo usamos en desecación para que ceda calor y el líquido que tiene el sólido pase a vapor. Además, queremos que el aire arrastre ese vapor. En este intercambio de calor, el aire se va a enfriar y este enfriamiento, al hacerlo a la misma presión, será un enfriamiento adiabático. Se ha visto que hay isolíneas de enfriamiento adiabático. Son líneas en paralelo y que marcan el enfriamiento. Estas líneas no son paralelas al eje de las X, es decir, no tienen un comportamiento de enfriamiento normal. La temperatura inicial del aire será mayor que la final y su humedad absoluta será menor al inicio que al final. Las temperaturas finales del enfriamiento adiabático están colocadas al final de las isolíneas. Las isolíneas de enfriamiento adiabático permiten calcular la humedad relativa de un aire problema. Sabemos que la temperatura de ese aire seco es de 50ºC y sabemos que ese aire cuando ha captado humedad adquiere una temperatura de 40ºC. Su humedad relativa será el punto de corte entre la vertical trazada desde 50ºC y la línea que sigue la isolínea de enfriamiento adiabático desde la temperatura húmeda (40ºC). Ese punto de corte será la humedad relativa final del aire problema.

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Aprovechamiento del aire: el aire se puede reutilizar en el equipo de secado calentándolo, de forma que si partimos de un aire a 25ºC de temperatura seca que tiene una humedad relativa del 30% y vemos que ese aire con esa humedad relativa no es suficiente para secar mi producto. Lo que debemos hacer es calentarlo para aumentar su capacidad máxima de captación de agua. Así bajamos su humedad relativa hasta por debajo del 10%. Ese aire lo enfrentamos al sólido y en ese enfrentamiento adiabático, además de ceder calor, capta las moléculas de vapor de agua. De esta forma aumenta su valor de humedad absoluta a medida que está en contacto con el producto a secar. Este aire saldrá del desecador con un 60% de humedad relativa y podemos desecharlo o reutilizarlo. Entonces lo calentamos de nuevo, pero la humedad absoluta actual del aire es mayor que antes, por lo que la humedad relativa también será mayor que antes. Entonces, va a llegar un momento en el que este proceso de desecación no va a ser suficiente para eliminar el agua que necesito del sólido. El calentamiento, si el aire no se enfrenta al sólido, es horizontal, mientras que si se enfrenta al sólido el enfriamiento es adiabático.

Ciné Cinética tica del se secad cad cado o 4

Debemos tener en cuenta las etapas en el proceso de secado. Inicialmente, cuando vamos a desecar un sólido, tiene que llegar a una humedad de equilibrio. - Fase de inducción: Inicialmente el sólido tiene que llegar a la humedad de equilibrio y hay veces que el sólido puede estar demasiado seco o demasiado húmedo y existe un proceso por el cual podemos alcanzar este equilibrio por una fase de inducción. La velocidad de desecación puede aumentar o disminuir, incluso no existir. - Fase antecrítica: La velocidad de desecación es constante y se denomina velocidad crítica. Esta fase dura hasta que se alcanza la llamada “humedad crítica”, es decir, una humedad a partir de la cual es difícil desecar. - Fase postcrítica: La velocidad de desecación disminuye y llega al valor cero cuando la humedad del material se acerca a la humedad de equilibrio. Puede presentar dos comportamientos: relación lineal entre la disminución de la desecación y de la humedad del sólido y una relación exponencial entre las mismas. Nos interesa prolongar al máximo la fase antecrítica en la que la velocidad es constante. Pero esto depende de las características del sólido por lo que es interesante que una vez alcanzada la humedad crítica, siga siendo lineal y que la fase exponencial última sea lo más pequeña posible. Para que la última fase exponencial sea lineal y corta debemos conocer el material al que nos enfrentamos: - Cristalinos: Tienen agua en su superficie sin interaccionar, es decir, se comportan como cuerpos húmedos y habitualmente nos enfrentamos a un lecho de partículas cristalinas que originan un sólido poroso. - Porosos: El mecanismo por el cual se produce la migración del agua durante el proceso de desecación es el de capilaridad a través de los poros del material. La fuerza de capilaridad es mayor en los poros pequeños que en los grandes que se vacían antes. Por esa razón, la primera fase decreciente (postcrítica) es una función lineal. Llega un momento en el que el agua que queda ya no puede mantener una película continua entre los poros. El agua se evapora en el interior y difunde como vapor. Esta es la fase exponencial. Como nos interesa minimizar la fase exponencial, lo que tenemos que hacer es minimizar los capilares pequeños y esto se consigue moviendo y colocando las partículas. - No porosos: El mecanismo que produce la migración del agua durante el proceso de secado es la difusión. Como el sólido no es poroso, el aire debe difundir para poder atravesarlo. La velocidad de secado debe ser lenta porque interesa incrementar la duración de la fase antecrítica y de no ser así se formaría una costra superficial. La fase postcrítica de estos cuerpos será exponencial, no tendrá ninguna fase lineal debido a que el mecanismo de migración es la difusión. Para prolongar la fase antecrítica hay que disminuir la velocidad de desecación. Este caso en farmacia es muy poco probable.

SIST SISTEMA EMA EMASS D DE E SSEC EC ECADO ADO Criterios de clasificación: - En función de la transferencia de calor al producto: 5

1. Sistemas de calefacción directa: aquellos que utilizan aire caliente. Hay un contacto directo entre el aire y el sólido y son sistemas adiabáticos. 2. Sistemas de calefacción indirecta: no utilizan aire caliente sino otra fuente calorífica (ej: IR). Son sistemas no adiabáticos. - En función de la forma de funcionamiento: 1. Sistemas continuos: A nivel industrial son más interesantes estos sistemas. 2. Sistemas discontinuos. - En función del tipo de agitación del producto: 1. Sistemas no agitados: el producto se comporta como un lecho de partículas. 2. Sistemas agitados: • Movimiento mecánico (ej: cilindros girando). • Partículas en el aire (ej: lecho fluido). • Partículas transportadas en el aire (transporte neumático). Sis Sistemas temas d de e ssecad ecad ecado o no ag agitados itados 1. Armarios desecadores o estufas de desecación. En estos armarios, el material a desecar se dispone en bandejas. El equipo tiene una entrada de aire nuevo con un sistema que obliga a que este aire pase a través de un calefactor, es decir, se aumenta la temperatura del aire que entra para disminuir su humedad relativa. En esta disposición pasa a través de las bandejas donde se encuentra el material pero de manera superficial, es decir, por encima del material a desecar. Una vez que se ha utilizado el aire, sale del recinto y no se recicla. La eficacia de estos armarios no es demasiado elevada, por lo que han evolucionado en el sentido de que hay un sistema que obliga a que el aire preparado para desecar pase, no solo por la superficie, sino que además atraviese el lecho fluido al pasar por las bandejas que tienen orificios. En ninguno de estos casos se recicla el aire pero se podría reciclar si lo volviésemos a calentar hasta que llegase un momento en el que la cantidad de agua capaz de absorber ya no es suficiente para desecar el sólido.

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2. Armario de vacío. Encontramos un armario desecador con bandejas que pueden estar agujereadas como en el caso anterior pero en este caso se realiza vacío para extraer con mayor eficacia el vapor de agua que se genera el proceso de desecación, aumentando la eficacia del proceso. En este sistema, la fuente de calefacción no es el aire sino una camisa de agua o de vapor de agua alrededor, es decir, no está en contacto directo con el producto sino en contacto directo con las bandejas. Por esta razón es un sistema no adiabático y es útil para productos termolábiles porque la disminución de la presión de vapor favorece que el líquido pase a vapor a temperaturas por debajo de su temperatura de ebullición.

3. Túnel de secado en vagonetas. Este sistema puede servir para escala industrial porque contiene diferentes vagonetas en las que podemos incluir varias bandejas de producto a desecar. El aire caliente va a ir en sentido contrario al sentido de las vagonetas. De esta forma, el aire con mayor capacidad de desecación se enfrenta con el producto que está más seco y el aire, conforme avanza, pierde su capacidad de desecación al ir captando humedad. El aire con menor capacidad de desecación se enfrentará con el producto que contiene más humedad y será el más fácil de desecar. Estos sistemas tienen capacidad para reciclar el aire. El inconveniente de estos sistemas que son muy eficaces es el tamaño, son sistemas muy grandes. 4. Cinta transportadora o banda sin fin. Esta cinta transportadora trabaja en continuo. Tiene distintas modalidades pero la más habitual es aquella en la que encontramos unas cintas con orificios que permiten el paso del aire pero no el paso de las partículas. El producto húmedo se 7

incorpora mediante una tolva por la zona superior del equipo y va descendiendo por distintas cintas que se mueven en sentido contrario. El aire seco caliente entra en sentido contrario y puede acceder al lecho de partículas por los orificios de las cintas y por la zona superficial. Este aire asciende. Así, el aire con más capacidad de desecación se enfrenta al producto más seco y el aire más húmedo se enfrenta con el producto más húmedo y más fácil de desecar. Es un sistema en continuo ya que conforme el producto se seca sale del sistema por la misma cinta transportadora. 5. Secadores de rodillos. Este sistema también trabaja en continuo. El fundamento radica en unos rodillos huecos que giran en sentido contrario. Dentro de estos rodillos huecos pasa vapor de agua que es el fluido calefactor, por tanto, es un sistema no adiabático. Tenemos una alimentación a partir de una tolva automática que permite que caiga producto que por efecto del movimiento contrario de los rodillos se coloca sobre su superficie secándose. Este secado depende de la velocidad de giro de los rodillos y de la humedad inicial del producto. Si tenemos un producto que tiene mucha humedad hay que mantenerlo más tiempo encima del rodillo para que se seque y la velocidad de giro deberá ser menor. Una vez que hemos contenido que se seque, el sistema contiene unas cuchillas para poder separar el producto seco del rodillo. Así se puede trabajar en continuo. Este sistema se emplea para la obtención de extractos secos. Es un sistema muy eficaz.

Sis Sistemas temas d de e ssecad ecad ecado o agita agitados dos 1. Secadores rotativos (agitación mecánica). Hablamos de sistemas cilíndricos en cuyo interior colocamos el producto a desecar. Son sistemas que trabajan en continuo y utilizan aire caliente como fluido calefactor. En estos sistemas, el producto entra y se mueve en sentido contrario al movimiento del aire seco para favorecer la eficacia del secado. Ese movimiento del producto húmedo a lo largo de todo el cilindro se debe a distintos sistemas que pueden ser: palas internas y externas, barras cilíndricas que van a lo largo de todo el cilindro, etc, es decir, cualquier sistema mecánico que favorezca la agitación del producto y el desplazamiento del mismo al contrario de su entrada. Se llaman sistemas rotativos porque el cilindro gira. 2. Lecho fluido (partículas suspendidas en el aire). El equipo consta de una carcasa cilíndrica primero y luego troncocónica en su parte inferior donde tiene una placa perforada. En esta placa perforada es donde se coloca el lecho de las partículas y por la parte inferior se hace pasar aire ambiental que primero se filtra y luego se calienta. Ese aire caliente se pone en contacto con esas partículas del sólido y genera una suspensión de las partículas en el aire. Estos sistemas, para evitar que las partículas se pierdan por el movimiento del aire que sale, contiene unos filtros con forma de dedos de...