Emulsificación con membranas: emulsiones monodispersas y parámetros de paso de escala

Abstract

Las emulsiones son dispersiones de un líquido en otro inmiscible con el anterior, que presentan una cierta estabilidad con respecto a la coalescencia. Las emulsiones se utilizan en numerosos tipos de industrias, entre las que destacan la química, alimentaria, farmacéutica, cosmética, metalúrgica o de recubrimientos. Para algunas de estas aplicaciones, resulta necesario que las gotas de fase dispersa de las emulsiones presenten un determinado diámetro, lo que implica que la distribución de tamaños deba ser lo más estrecha posible. Sin embargo, los métodos convencionales de preparación de emulsiones, como agitación mecánica, homogeneizadores de alta presión, dispositivos rotor-estator, molinos coloidales y ultrasonidos, no permiten en muchos casos alcanzar los parámetros de calidad exigidos, dando lugar a distribuciones anchas y/o polidispersas de tamaños de gota. En este sentido, la tecnología de membranas permite mejorar los procesos de preparación de emulsiones, ya que una membrana se puede usar como sistema de contacto entre las dos fases. Aunque inicialmente la membrana separa las fases continua y dispersa, aplicando presión en la dirección adecuada se puede forzar a esta última a atravesar los poros de la membrana, entrar en la fase continua y formar la emulsión. Como los poros tienen un diámetro concreto, se consigue regular el tamaño de las gotas de fase dispersa de la emulsión. El objetivo de la presente Tesis Doctoral es la preparación de emulsiones monodispersas a escala piloto utilizando membranas y estableciendo los criterios necesarios para el paso de escala de esta técnica. Se han utilizado diferentes tipos de membranas y diferentes dispositivos de emulsificación y se ha determinado, con ayuda del análisis dimensional, los parámetros de influencia más importantes. El principal criterio de optimización de la operación fue conseguir gotas pequeñas con una distribución de tamaños lo más estrecha posible. Otros criterios fueron la versatilidad, procurando que un mismo tipo de dispositivo pudiera operar con distintas membranas en diferentes condiciones dando lugar a un amplio intervalo de emulsiones, y la aplicabilidad de la técnica a nivel industrial, de manera que los equipos y membranas fueran resistentes y manejables, para ser manipulados en la industria sin riesgos. Se han tratado de determinar los mecanismos que gobiernan la formación de gotas para controlar el tamaño y optimizarlo. Los experimentos se iniciaron con un dispositivo de emulsificación con membranas metálicas planas en tanque agitado, estudiando la influencia de los parámetros de operación típicos y las dimensiones geométricas con ayuda del análisis dimensional, para posteriormente determinar el parámetro de paso de escala en este tipo de equipo. Posteriormente, se realizaron experimentos de emulsificación con membranas metálicas tubulares en un dispositivo de flujo cruzado a escala piloto para comparar los resultados. Se estudió la emulsificación con membranas cerámicas tubulares de microfiltración en el dispositivo de flujo cruzado a escala piloto, con el objetivo de conseguir emulsiones monodispersas con tamaños de gota inferiores a 10 µm. Se determinaron los principales parámetros de influencia en el tamaño de gota y en la amplitud de la distribución, comparando los resultados con los obtenidos en dispositivos y membranas semejantes. Finalmente, se incluyeron aplicaciones específicas de la emulsificación con membranas, las cuales se desarrollaron durante las estancias en las universidades de Loughborough (Reino Unido) y Wageningen (Países Bajos). Dichas aplicaciones se centraron en la preparación de partículas de sílice con tamaño controlado utilizando membranas metálicas y en la preparación de partículas molde mediante emulsificación con membranas para la posterior producción de microcápsulas en microcanales.