Existen muchas técnicas que pueden ser utilizadas para la microencapsulación de ingredientes (Borgogna, Bellich, Zorzin, Lapasin & Cesàro, 2010; Estevinho et al., 2013; Nesterenko et al., 2013; Shu, Yu, Zhao & Liu, 2006; Soottitantawat, Bigeard, et al., 2005; Wang et al., 2009; Yoo, Song, Chang & Lee, 2006). La aplicación de un método, con diferentes adaptaciones y especificidades, se lleva a cabo considerando el tipo de microcápsula deseado (tamaño y forma), las propiedades físicas y químicas del ingrediente activo y el agente encapsulante, el perfil de liberación requerido y la escala y costo de producción (Estevinho et al., 2013; Nesterenko et al., 2013; Ré, 1998).
A grandes rasgos, las técnicas utilizadas para la microencapsulación del núcleo pueden agruparse en tres grandes categorías, según respondan a un proceso químico, fisicoquímico o físicomecánico (Jyothi et al., 2010; Ré, 1998) (Tabla 1.5).
Gouin (2004) presentó resumidamente una manera simple de orientar la selección del método de encapsulación más apropiado, teniendo en cuenta las características del ingrediente activo (hidrofílico, lipofílico o anfifílico), su estado físico y tamaño de partícula/gota; el costo operativo, la capacidad de producción y el modo de operación (continuo o discontinuo); y el mecanismo y tasa de liberación del núcleo (térmico, mecánico o por digestión; rápida o controlada, respectivamente).
Capítulo I
32
Tabla 1.5. Diferentes técnicas utilizadas para la microencapsulación.
Procesos Químicos Procesos Fisicoquímicos Procesos Fisicomecánicos
Polimerización interfacial
Separación de fases (orgánica o acuosa)
Secado por atomización (spray drying) y enfriamiento por atomización (spray congealing/cooling) Polimerización In situ Encapsulación sol-gel Recubrimiento en lecho
fluidizado Policondensación Microencapsulación asistida
con CO2 supercrítico
Recubrimiento en bandeja
Inclusión molecular Coacervación Evaporación de solvente
Liposomas Extrusión
De todas las técnicas mencionadas, el secado por atomización es el método más comúnmente utilizado en la industria de los alimentos (Drusch, 2007; Frascareli et al., 2012; Kha et al., 2014; Krishnaiah, Sarbatly & Nithyanandam, 2012; Otálora, Carriazo, Iturriaga, Nazareno & Osorio, 2015) debido a la facilidad de industrialización y la posibilidad de operación en modo continuo (Shu et al., 2006; Wang et al., 2009). Además, esta técnica presenta bajos costos operativos y buena disponibilidad de equipamiento (Balasubramani et al., 2013; Calvo et al., 2010; Estevinho et al., 2013; Gallardo et al., 2013; Kaushik et al., 2015; Wang et al., 2009). Por otro lado, el secado por atomización es un método que se caracteriza por una operación muy flexible y altamente reproducible y por producir partículas de buena calidad (Estevinho et al., 2013; Frascareli et al., 2012).
Este método implica la transformación de una alimentación en estado líquido (solución, dispersión o emulsión) a un sistema particulado seco, mediante el secado con un gas (generalmente aire) suficientemente caliente como para lograr una rápida evaporación del solvente contenido (generalmente agua) (Estevinho et al., 2013; Gallardo et al., 2013; Krishnaiah et al., 2012; Soottitantawat, Bigeard, et al., 2005). La remoción del agua en el secado por atomización es una práctica común en la ingeniería que persigue diversos fines; entre otros, asegurar la estabilidad microbiológica de los
Introducción
33
productos, evitar el riesgo de degradaciones químicas y biológicas, reducir los costos de almacenamiento y transporte, y obtener un producto con propiedades específicas (Gharsallaoui et al., 2007).
En líneas generales, una bomba peristáltica conduce la alimentación hacia un atomizador en el cual se produce la creación de una gran cantidad de microgotas que se mezclan con el aire de secado caliente en el interior de la cámara de secado (Figura 1.6). Este aire caliente (a una dada temperatura, Tentrada) permite la evaporación del agua contenida en las gotas para producir un polvo fino que circula hacia un ciclón de separación y se deposita en un recipiente colector. El aire exhausto, cargado de partículas finas, pasa a través de un filtro y es descargado a la atmósfera a través de un aspirador ubicado aguas abajo del filtro.
C ám ar a d e se ca do Boquilla de atomización Ciclón de separación Vaso colector
Finos + Aire exhausto
Gruesos A filtro POLVO DE MICROCÁPSULAS Alimentación Aire de secado Tentrada Tsalida Bomba de alimentación Resistencia Calefactora
Figura 1.6. Principio de funcionamiento del secadero por atomización (esquema co – corriente).
Capítulo I
34
Según la ubicación del atomizador con relación a la alimentación del aire de secado caliente, se puede distinguir entre el secado a co – corriente y a contracorriente (Gharsallaoui et al., 2007; Ré, 1998; Sosnik & Seremeta, 2015). En el proceso a co – corriente el líquido se alimenta en la misma dirección que el aire caliente y la evaporación ocurre casi instantáneamente, limitando la degradación térmica. Por otro lado, en el secado a contracorriente, el líquido se alimenta en dirección opuesta al flujo de aire caliente y el producto se expone a altas temperaturas, limitando su aplicación a productos sensibles al calor (Gharsallaoui et al., 2007; Sosnik & Seremeta, 2015).
Figura 1.7. Principales tipos de atomizadores utilizados en el secado por atomización.
Por otra parte, el proceso de atomización se puede llevar a cabo mediante diversos tipos de atomizadores, entre los cuales se destacan el atomizador de disco giratorio, la boquilla binaria (de dos fluidos) y la boquilla de ultrasonido (Figura 1.7) (Benita, 2006; Estevinho et al., 2013; Okuro, Eustáquio, Junior & Favaro-Trindade, 2013). En cualquier caso, el objetivo de la atomización es generar la máxima área de transferencia de calor y masa entre el aire de secado y el líquido (Gharsallaoui et al., 2007). La selección del atomizador depende de la naturaleza y el caudal de la alimentación y de las características del polvo seco que se desea obtener (Gallo, 2013; Gharsallaoui et al., 2007). En particular, en los atomizadores de dos fluidos, la alimentación líquida y el aire de atomización (comprimido) entran separados al atomizador a través de canales concéntricos y salen juntos en el extremo opuesto de la
Introducción
35
boquilla (Kaushik et al., 2015). Este diseño utiliza la energía del gas comprimido para atomizar el líquido en gotas muy finas (10 - 1000 μm), cuyo tamaño depende del caudal (o presión) del gas. Se utiliza frecuentemente para atomizar líquidos viscosos (Masters, 1979).
Los atomizadores de disco rotatorio utilizan la energía de una rueda giratoria de alta velocidad para dividir la muestra líquida en gotas (> 200 μm) (Benita, 2006). Para este tipo de atomizador, el tamaño de partícula se puede variar fácilmente cambiando la velocidad de la rueda (Gaonkar, Vasisht, Khare & Sobel, 2014). En efecto, el tamaño de la gota formada es inversamente proporcional a la velocidad de giro del disco (Paudel, Worku, Meeus, Guns & Van den Mooter, 2013).
En los atomizadores ultrasónicos el tamaño de las gotas obtenidas se rige principalmente por la frecuencia a la que vibra la boquilla (Masters, 1979). En cualquier caso, un incremento en la energía proporcionada al atomizador conduce a un menor tamaño de las gotas generadas, mientras que un efecto opuesto se logra mediante aumentos en la viscosidad y tensión superficial de la alimentación (Estevinho et al., 2013; Gharsallaoui et al., 2007).
En general, las microcápsulas producidas mediante secado por atomización son de tipo matricial y menores a 100 µm, siendo el tamaño y su distribución función de las condiciones del proceso y de la formulación (Estevinho et al., 2013; Kaushik et al., 2015; Ré, 1998). Además, el mecanismo de liberación del ingrediente activo está típicamente controlado por la acción de los solventes y la difusión del activo a través de la matriz de agentes encapsulantes (Estevinho et al., 2013).
La preparación de la alimentación líquida al secadero juega un rol importante en el contenido final del material encapsulado en el polvo (Frascareli et al., 2012). En efecto, los parámetros más significativos a ser considerados en la formación de la alimentación son la concentración total de sólidos y del ingrediente activo, la viscosidad, la estabilidad, el tamaño de partícula (si se trata de una suspensión) o gota (si se trata de una emulsión), la tensión superficial y el método de dispersión (Estevinho et al., 2013; Frascareli et al., 2012).
Capítulo I
36
Por otro lado, las condiciones operativas y el diseño del secadero dependen de las características del material a secar y de las especificaciones del producto deseado (Gallegos-Infante et al., 2013). En este sentido, se deben considerar las condiciones óptimas de secado, tales como caudal y temperatura de entrada y salida del aire de secado, caudal de alimentación y de aire de atomización, etc., con el objeto de obtener la mínima cantidad de ingrediente activo en la superficie exterior de las partículas obtenidas (no encapsulado) (Frascareli et al., 2012; Otálora et al., 2015; Wang et al., 2009). El caudal de alimentación debe ser ajustado para garantizar que cada gota atomizada alcance el nivel de secado deseado antes de tomar contacto con la cámara de secado; mientras que la temperatura y el caudal del aire de secado pueden alterar las propiedades de las microcápsulas formadas (Wang et al., 2009). Finalmente, el caudal de atomización determina entre otras cosas el tamaño medio de gota formada, y por lo tanto influye sobre la cinética de secado, el rendimiento de proceso y el tamaño de partícula en el producto.
En síntesis, para una dada formulación, la calidad del producto final y la eficiencia del proceso de microencapsulación dependen de las condiciones operativas (Estevinho et al., 2013; Frascareli et al., 2012; Otálora et al., 2015).