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Micro y nanoencapsulación de aditivos y otros compuestos de interés alimentario y cosmético (parte 4)

Micro y nanoencapsulación de aditivos y otros compuestos de interés alimentario y cosmético (parte 4)

Micro y nanoencapsulación de aditivos y otros compuestos de interés alimentario y cosmético (parte 4)

Con este cuarto post dedicado a los procesos mecánicos de microencapsulación, acabamos el repaso general  dado a la encapsulación. Te recomendamos que, si no lo has hecho, revises las publicaciones anteriores:

Principales técnicas de microencapsulación que usan procedimientos mecánicos
SPRAY-DRYING O ATOMIZACIÓN POR SECADO

El proceso de atomización por secado, más conocido por su nombre ingles spray-dry, es un proceso top-down; se parte de macromateria (una suspensión o una disolución) que, mediante procesos físicos (extrusión y evaporación), da lugar a materiales más pequeños (microcápsulas generalmente). De forma muy genérica, se pueden decir que este proceso consiste en en pulverizar una disolución o dispersión dentro de una cámara sometida a una corriente controlada de aire caliente. Este fluido se atomiza en millones de microgotas individuales. Para ello se utiliza un disco rotativo o boquilla de pulverización. Así conseguimos que el área de la superficie de contacto del producto pulverizado aumente enormemente. Posteriormente, cuando entra en contacto con corriente de aire caliente, se produce el secado por la volatilización rápida del disolvente (generalmente agua), transformándose en polvo y terminando el proceso con la colecta del mismo.

Cuando la disolución contiene una macromolécula y un agente a encapsular y se produce el secado ocurre lo siguiente: la macromolécula «envuelve» (embebe) al agente a encapsular, dando lugar a  una partícula de  macromolécula. Dicha macromolécula contiene en su interior al agente a encapsular, es decir, se consigue la microencapsulación de un compuesto.

Este proceso es un proceso mecánico. Por tanto no afecta a las propiedades físico-químicas del agente a encapsular ni de la macromolecúla que se utilice para encapsularlo. Por ello tiene una gran utilidad en alimentación y cosmética; la leche en polvo, aromas sólidos, sopas instantáneas, detergentes sólidos, etc. Todos son algunos de los ejemplos de sustancias obtenidas mediante esta técnica.

El secado por atomización se usa también para la preservación de los alimentos. Mediante este proceso simple y ultrarápido, se consigue secar los sólidos y sólidos solubles. Además es un proceso de alta calidad, que preserva las características esenciales de los mismos. Además, también ofrece ventajas en la reducción de los pesos y volúmenes, facilitando el transporte de mercancías.

En función de las condiciones operatorias (boquilla de pulverización, flujo de aire, temperatura de entrada, temperatura de salida) y de la composición de la mezcla a secar (disolvente, agente encapsulante y agente a encapsular) se pueden obtener diferentes tipos de materiales y de tamaños. No obstante, es prácticamente imposible bajar a la nanoescala con esta tecnología. Pero se obtiene una muy buena reproducibilidad en la microescala.

Una de las grande ventajas de esta técnica es que es totalmente escalable y muy barata. Esto permite obtener toneladas de producto final de forma simple y rápida. Por lo que tiene una gran aplicación industrial.

ELECTROSPINNING

La técnica del electrohilado (electrospinning en inglés) es otra técnica top-down de obtención de nano y micromateriales. En este caso nano y microfibras.  Está basada en una serie de conceptos electromagnéticos. Por ejemplo la carga electrostática, en donde una solución (generalmente polimérica) se ve inducida por este efecto, y da como resultado fibras de diversos tamaños. Con ello se obtienen productos de unos cuantos nanómetros de espesor.

Concretamente, el electrospinning consiste en extruir mecánica y eléctricamente una disolución o mezcla coloidal. Para explicar el proceso, nos vamos a basar en el esquema básico de un sistema de electrohilado que se muestra en la siguiente figura:

electrospinning_setup

La disolución o mezcla a estirar se coloca en un jeringa que está conectada con el inyector (aguja de salida). Mediante una extrusión mecánica se va haciendo fluir la solución por esta aguja. Simultáneamente, se aplica una diferencia de potencial alta (superior a 10kV), consiguiendo que se produzca además una extrusión eléctrica; para ello la solución a estirar debe ser conductora. Así, la solución es atraída por el colector y hace que del cono de Taylor que se forma en la punta del inyector salgan finos hilos camino del colector. La salida proyectada de estos hilos (chorro) forma lo que se conoce como whipping (inestabilidades). Esto facilita la evaporación del disolvente y, por tanto, la generación de fibras sólidas que terminan «pintando» el colector.

La composición química de las fibras va a depender de la composición de la solución a estirar. Mientras que la morfología, además de la composición de la mezcla, también va a depender del tipo de inyector y/o colector, de la distancia entre ambos, de la extrusión mecánica, de la diferencia de potencial entre el inyector y el colector, de la temperatura y de la humedad, principalmente.

En el caso que nos ocupa, microencapsulación, la mezcla a estirar estará formada por el agente encapsulante (un polímero generalmente) y el agente a encapsular. Cuando se produce el proceso de electrohilado, tras la evaporación del disolvente, se obtienen fibras que contienen en su estructura el agente a encapsular. Por lo que en este caso no se obtiene un polvo sino una membrana o tejido no tenido (nonwoven mat).

CO-ELECTROSPINNING

El coelectrospinning es una variante del electrospinning, por tanto, es otra técnica top-down. Pero en este caso se lleva a cabo la extrusión mecánica y eléctrica de dos disoluciones o mezclas coloidales, usando dos inyectores concéntricos. De esta forma se pueden obtener materiales más complejos: tejidos no tejidos de nanofibras coaxiales.

En el caso concreto de la microencapsulación, esta técnica se puede usar para:

  • Encapsular compuestos con agentes encapsulantes en los que no son solubles o dispersables. Por ejemplo, si se necesita encapsular un compuesto polar con un agente encapsulante muy apolar, En este caso, la fibra interna estará formada por el agente a encapsular solubilizado o dispersado en un polímero polar, mientras que la fibra externa será el agente encapsulante apolar.
  • O, por ejemplo, para encapsular compuestos en medios no conductores. Como se ha comentado, la extrusión eléctrica requiere que el medio a estirar sea conductor. Para conseguir esto, la fibra interna estará formada por el agente a encapsular y el agente encapsulante (que no son conductores) y la fibra externa por una mezcla que sí la conduzca. Así, cuando se forme el cono de Taylor, la fibra externa tirará de la fibra interna, permitiendo que se forme la fibra coaxial y por tanto, su electrohilado.

Estas técnicas de electrohilado abren la puerta a la obtención de materiales muy complejos pero de fácil obtención, en un solo paso, y con posibilidad de ser fácilmente escalados, tal y como se muestran en la siguiente imagen.

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Estas son solo algunas de las aplicaciones de estas técnicas novedosas y de gran innovación en las que NanoMyP es especialista, abriendo una nueva puerta a la obtención, de forma sencilla y económica, a materiales de Ciencia Ficción.

Otra información

Publicaciones científicas en las que NanoMyP demuestra la aplicabilidad del electrospinning y coelectrospinning para la generación de materiales multifuncionales:

  1. «A sensing microfibre mat produced by electrospinning for the turn-on luminescence determination of Hg2+ in water samples». Sens. Actuators B 195 (2014) 8-14
  2. «One-step fabrication of multifunctional core–shell fibres by co-electrospinning». Adv. Funct. Mater. 21 (2011) 3488-3495. Back cover of the publications (link)
  3. «Design of novel, fluorescent-tuneable, pH-sensing, water-insoluble, lineal copolymers synthesized by ATRP and its application in the development of pH-sensing nanofibres made by electrospinning». J. Matter. Chem. 21 (2011) 6742-6750.

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