Fundamentos de la Agitación y Mezclado de Líquidos
1. Definición de Agitación
La agitación se entiende como el movimiento inducido de un material en una forma específica, generalmente con un modelo circulatorio dentro de algún tipo de contenedor.
2. Definición de Mezclado
El mezclado se define como una distribución al azar de dos o más fases inicialmente separadas.
3. Objetivos de la Agitación de Líquidos
Los principales objetivos de agitar líquidos son:
- Suspensión de partículas sólidas.
- Mezclado de líquidos miscibles.
- Dispersión de un gas en un líquido en forma de pequeñas burbujas.
- Dispersión de un segundo líquido inmiscible con el primero, para formar una emulsión o suspensión de gotas diminutas.
- Promoción de la transferencia de calor entre el líquido y un serpentín o encamisado.
4. Características del Tanque de Agitación
Un tanque de agitación típicamente presenta las siguientes características:
- Forma cilíndrica con un eje vertical. La parte superior del recipiente puede estar abierta o cerrada.
- Las proporciones del tanque varían considerablemente según la naturaleza del problema de agitación.
- Normalmente, el fondo del tanque es redondeado y no plano, para eliminar rincones escarpados o regiones donde las corrientes de fluido no penetrarían.
5. El Rodete y su Función en el Mezclado
El rodete es el componente principal del proceso de agitación, instalado sobre un eje suspendido (soportado en la parte superior). Los rodetes crean un modelo de flujo en el sistema, provocando que el líquido circule a través del tanque y retorne al rodete, favoreciendo así el mezclado del sistema.
6. Clases y Tipos de Rodetes
Existen dos clases principales de rodetes:
- Aquellos que generan corrientes paralelas al eje del rodete (rodetes de flujo axial).
- Aquellos que generan corrientes en dirección tangencial o radial (rodetes de flujo radial).
Los tres tipos principales de rodetes son: hélices, palas y turbinas.
6.1. Hélices
Una hélice es un rodete con flujo axial y alta velocidad, utilizado para líquidos de baja viscosidad. El mecanismo por el cual provoca el mezclado implica que las corrientes de flujo que salen del rodete continúan a través del líquido en una dirección determinada hasta chocar con el fondo o las paredes del tanque. La columna turbulenta de remolinos que abandona el rodete arrastra líquido estancado de manera más eficiente que una columna equivalente procedente de una boquilla estacionaria.
El paso de hélice se refiere a la relación entre la distancia del fluido y el diámetro de la hélice. El modelo más frecuente es la hélice marina de tres palas con paso cuadrado.
6.2. Palas
Una pala es una hoja plana sujeta a un eje rotatorio. Los agitadores de dos y cuatro palas son comunes, a menudo verticales, aunque a veces inclinadas. Las palas giran a bajas o moderadas velocidades en el centro del tanque, impulsando el líquido radial y tangencialmente, con poco movimiento vertical a menos que las palas estén inclinadas. El agitador de áncora es un diseño donde las placas se adaptan a la forma de las paredes del tanque, raspando la superficie con una pequeña holgura.
6.3. Turbinas
Las turbinas se asemejan a agitadores de palas con numerosas palas cortas que giran a altas velocidades sobre un eje montado centralmente. Son eficaces para un amplio intervalo de viscosidades y generan corrientes principales radiales y tangenciales.
7. Componentes de la Velocidad del Fluido
Los tres tipos principales de componentes de la velocidad del fluido son:
- Componente radial: actúa perpendicularmente al eje del rodete.
- Componente longitudinal: actúa paralelamente al eje.
- Componente tangencial o rotacional: actúa tangencialmente a la trayectoria circular descrita por el rodete.
Los componentes radial y longitudinal son útiles para generar el flujo necesario para la mezcla.
8. Problemas de Flujo y Soluciones
Un eje vertical dispuesto en el centro del tanque puede ser perjudicial para la mezcla, ya que el flujo tangencial crea un vórtice en la superficie del líquido. Esto, debido a la circulación en flujo laminar, resulta en una estratificación permanente de sustancias sin mezclar, sin flujo longitudinal entre niveles.
Para evitar el flujo circulatorio y los remolinos:
- En tanques pequeños, el rodete se dispone separado del centro, con el eje inclinado en un plano perpendicular a la dirección del movimiento.
- En tanques de mayor tamaño, el agitador puede montarse lateralmente con el eje en un plano horizontal, formando un ángulo con el radio.
Las placas deflectoras impiden el flujo rotacional sin afectar el flujo radial y longitudinal.
Procesos de Granulación
9. Aglomeración y Granulación
La aglomeración por granulación es una operación de construcción o crecimiento de partículas. Los gránulos son productos burdos con tamaños de partícula de 0.1 a 3.0 mm y formas irregulares.
La granulación se define como la unión de partículas de polvo para construir aglomerados de mayor tamaño con propiedades mecánicas que mantengan su forma. Su uso principal es como paso intermedio en la obtención de otras formas de dosificación sólidas.
10. Métodos de Granulación
Existen seis métodos principales de granulación:
- Métodos secos
- Métodos húmedos
- Lecho fluido
- Secado por aspersión
- Métodos por fusión
- Métodos por cristalización
10.1. Métodos Secos
En los métodos secos, el polvo o mezcla de polvos se compacta para producir aglomerados grandes o gruesos, los cuales se fragmentan y clasifican al tamaño deseado.
10.2. Método Húmedo
Los gránulos en el método húmedo se obtienen a partir de partículas primarias o polvos con la ayuda de un disolvente o un disolvente junto con un aglutinante. El procedimiento general incluye:
- Mezclar los polvos con un disolvente adecuado para producir aglomerados.
- Pasar la masa húmeda por una malla para obtener gránulos húmedos.
- Secar los gránulos.
- Pasar el granulado seco por una malla para desagregar gránulos pegados y separar finos. Cantidades de finos de hasta 15% mejoran el flujo de los gránulos.
La razón más común para usar la granulación húmeda es la obtención de polvos que compriman bien. Se producen gránulos con mejores propiedades de adhesión para la compresión humedeciendo los polvos con un líquido que contiene un aglutinante disuelto.
10.3. Granulación en Lecho Fluido
Este proceso consta de la formación de una premezcla, granulación con una solución aglutinante y secado del producto, todo en un solo equipo. Los gránulos se obtienen por aspersión del líquido granulante sobre una capa de polvo fluidizado. Cada gota aglutina polvo, secándose con la misma corriente de aire que mantiene el polvo en movimiento.
Los gránulos obtenidos presentan excelentes propiedades de flujo y una distribución de tamaño con baja dispersión.
Parámetros importantes a controlar:
- La temperatura de la corriente de aire.
- La altura de las boquillas de aspersión.
- La velocidad de adición de la solución.
- El grado de atomización o tamaño de las gotas de la solución aglutinante.
Las fases del proceso son: premezclado del polvo, aglomeración con el aglutinante y secado.
Soluciones aglutinantes comunes: PVP, HPC, HPMC, gelatina, goma de acacia, almidón.
El uso de bajas concentraciones de aglutinante provoca gránulos de menor tamaño, menor friabilidad y mejor velocidad de flujo. Un mayor contenido de aglutinante resulta en gránulos más grandes y de baja friabilidad.
Factores que afectan la formación y crecimiento de gránulos:
- Temperatura del aire de fluidización.
- Altura de la boquilla de aspersión.
- Velocidad de adición del líquido de granulación.
- Grado de atomización o tamaño de las gotas.
- Volumen del aire de fluidización.
Ventajas de la granulación en lecho fluido:
- Mezclado, granulación y secado en un solo aparato.
- Mejor disolución de fármacos desde un granulado poroso.
- Obtención ventajosa de gránulos de liberación prolongada.
- Uso de agua en sustitución de solventes orgánicos.
Desventajas:
- Necesidad de tamizar para quitar aglomerados.
- Más posibles fuentes de error en aparatos complejos.
- Un granulado mal hecho es difícil de reprocesar.
- No se obtienen granulados con excipientes como medio de transporte.
- Fármacos oxidables corren mayor peligro de degradación.
- Distribución de colorantes menos homogénea.
10.4. Granulación por Aspersión
Este método comprende la producción de gotitas de una solución o dispersión de los componentes del granulado a través de una boquilla de aspersión. Las gotitas caen en contraflujo con una corriente de gas, permitiendo la evaporación del disolvente.
Los gránulos obtenidos presentan densidades aparentes bajas debido a su elevada porosidad.
10.5. Granulación por Fusión
Este método no se aplica mucho en la industria farmacéutica. Se basa en la fusión de una o más sustancias que se dispersan en forma de gotas, las cuales solidifican al caer en un área fría. Se aplica a sustancias que funden a baja temperatura y no presentan viscosidad elevada.
10.6. Granulación por Cristalización
Comprende la alimentación de núcleos inertes (azúcar) en un lecho fluido y la posterior aspersión de los núcleos con una solución que contiene el fármaco. Puede incluirse en métodos de granulación húmeda si un componente es soluble en el disolvente de granulación.
10.7. Granulación por Compresión
Se utiliza cuando los fármacos son sensibles o degradables en presencia de humedad. Su fundamento es una operación continua de densificación de polvos mediante la alimentación del polvo hacia dos rodillos rotantes a presiones elevadas.
El grosor de la hoja comprimida depende de la densidad original del material, la presión de compactación, el diámetro de los rodillos, su velocidad y su superficie.
11. Enlaces entre Partículas
Para obtener granulados de partículas, se requiere la actuación de fuerzas de enlace. Estas se dividen en tres tipos según su mecanismo:
- Puentes sólidos: Resultan de la cristalización de sustancias disueltas, el endurecimiento de aglutinantes disueltos o la solidificación de componentes fundidos.
- Fuerzas interfaciales y de presión capilar: Los puentes por líquidos forman enlaces fuertes que desaparecen al evaporarse el líquido. Son debidos a la presión capilar, formada por la adhesión del líquido en los huecos y la tensión interfacial.
- Fuerzas de adhesión y cohesión: Se forman por puentes de aglutinantes, como capas de líquidos muy viscosos e inmóviles.
La característica más importante de los aglomerados es la fuerza de sus enlaces, descrita empíricamente.
12. Variables para un Producto Reproducible
Las variables que deben controlarse para obtener un producto reproducible en la operación de granulación son:
- Materiales de la fórmula y sus propiedades.
- Equipo.
- Condiciones de procesamiento.
- Tamaño del lote por procesar.
13. Control del Proceso de Secado
El proceso de secado debe ser estrictamente controlado para prevenir la migración del agente aglutinante y otros componentes disueltos hacia la superficie de los gránulos al evaporarse el solvente.
14. Métodos de Distribución del Líquido Granulante
Los métodos de distribución del líquido granulante pueden ser:
- Adición directa y uso de fuerzas de corte en un mezclador.
- Uso de un sistema de aspersión.
15. Mezcladores y Agitadores
En los mezcladores con agitador, las hojas o aspas que giran sobre un eje transfieren la fuerza de movimiento a la capa de polvo. Un mezclador intensivo adiciona un cortador o agitador de alta velocidad para desarrollar fuerzas de corte en menor tiempo.
El trabajo de corte de los mezcladores se reduce distribuyendo el líquido granulante mediante aspersores o rociadores.
Propiedades de los mezcladores con agitador:
- Control fácil si los polvos son insolubles en el líquido granulante.
- No recomendables para productos solubles si no se desean puentes cristalinos.
- La aplicación de líquido por aspersión es ventajosa.
- Lotes grandes demandan tiempos prolongados y gran cantidad de energía.
16. Punto Final del Amasado
El punto final del amasado se alcanza cuando se obtiene una pasta con consistencia para formar aglomerados firmes y uniformes. Una determinación»artesana» consiste en comprimir una porción de la mezcla y observar si se forma un aglomerado firme pero deshacible. Científicamente, se basa en el consumo de energía del mezclador o fenómenos derivados. El método de Travers lo basa en la formación y crecimiento de aglomerados.
17. Formación de Gránulos Post-Amasado
Una vez terminado el amasado, la formación de gránulos se lleva a cabo a través de extrusión, un proceso continuo.
18. Uso del Lecho Fluido en Tecnología Farmacéutica
El lecho fluido se utiliza para mezclar, granular y secar, alcanzando grados de homogeneidad adecuados. La posición de la boquilla de aspersión varía según el equipo: dentro del lecho fluido para aspersión en el mismo sentido de la corriente de aire, y por encima del lecho para aspersión a contracorriente.
Se prefieren boquillas de dos salidas (neumáticas), una para aire y otra para la solución. Pueden requerirse múltiples boquillas en granuladores muy grandes.
Los problemas más comunes se deben al mal funcionamiento de la bomba de inyección o a la obstrucción de las boquillas. Las fluctuaciones en la adición del líquido granulante provocan humedecimiento fuera de control.
El alambre de acero intercalado en el tejido del filtro de mangas disipa cargas electrostáticas para evitar chispas eléctricas y el peligro de explosión. El recipiente cilíndrico del lecho fluido ofrece mayor resistencia a la presión.
La condición básica para la granulación en lecho fluido es la fluidización de los polvos, conseguida mediante el control de las válvulas de entrada y salida de aire. Las proporciones de aire deben ajustarse para cada formulación debido a las diferencias en tamaño, forma y fricción de las partículas.
Los parámetros más importantes son la velocidad de alimentación y la cantidad de líquido granulante. Una alimentación más rápida produce gránulos más grandes. La altura de la boquilla debe ajustarse para formar un cono de aspersión amplio sin mojar las paredes. La distancia de la boquilla a la capa de polvo evita que las gotas se sequen o sean arrastradas.
La temperatura del aire de fluidización es crucial: temperaturas menores a 40°C pueden causar sobremojado, mientras que temperaturas superiores a 100°C secarían el aglutinante prematuramente. Se recomiendan temperaturas de 40-60°C para granulación y 80-95°C para secado en granuladores de laboratorio.
La humedad relativa del aire de entrada puede ser un factor. Algunos aparatos cuentan con registradores de temperatura, flujo de aire y medidores de presión diferencial.
19. Objetivos o Razones para Granular
Los objetivos de la granulación son:
- Dar a los materiales características que faciliten operaciones subsiguientes.
- Proporcionar propiedades adecuadas a los gránulos como producto terminado.
- Minimizar u ocultar variaciones en las características de las materias primas mediante la homogenización.