Reología y Comportamiento de Fluidos

Fluidos Newtonianos

Son aquellos cuya viscosidad permanece constante sin importar la velocidad de deformación o el esfuerzo cortante al que se sometan. La relación entre el esfuerzo cortante (fuerza aplicada) y la velocidad de deformación es lineal.

Fluidos No Newtonianos

Son aquellos cuya viscosidad varía cuando cambia la velocidad de deformación, es decir, no cumplen la Ley de Newton.

Tipos de Fluidos No Newtonianos

• Pseudoplásticos: La viscosidad disminuye al aumentar la velocidad de deformación (ej. jarabes).
• Dilatantes: La viscosidad aumenta al aumentar la velocidad de deformación (ej. algunas suspensiones muy concentradas).

Viscosidad

La viscosidad es la resistencia de las capas de un líquido a fluir. Solo se manifiesta cuando los fluidos están en movimiento. Es la resistencia que ofrece el fluido a un esfuerzo cortante, que es la fuerza necesaria para que una unidad de área de fluido se deslice sobre otra (unidades comunes: Pa·s o N·s/m²).

Reología

La Reología es la ciencia que estudia las propiedades de los fluidos y la deformación de la materia tras la acción de fuerzas externas.

Fluido

Cualquier sustancia a la que la aplicación de una tensión tangencial le produce una velocidad de deformación que depende de la tensión aplicada.

Comportamiento Reológico en Farmacéutica

Comportamiento Elástico

Es la capacidad de una formulación para recuperar su forma original tras la aplicación de una fuerza.

• Geles: Típicos con polímeros como el Carbopol. Cuando se aplica a la piel, se deforma al extenderse, pero recupera su estructura interna al cesar la fuerza.
• Tabletas con Recubrimientos: Durante el proceso de compresión o empaque, el recubrimiento puede deformarse elásticamente.
• Formulación Oftálmica Tipo Gel: Diseñada para adaptarse al movimiento ocular.

Comportamiento Viscoso

Al aplicar una fuerza, el estado de deformación permanece incluso al cesar la acción de la fuerza.

• Suspensiones Orales: Al agitarse, fluyen, pero no recuperan su estructura original inmediatamente.
• Ungüentos y Pomadas: Al aplicarse sobre la piel, se deforman y permanecen extendidos.
• Formulaciones de Liberación Prolongada: Como ciertos inyectables viscosos, que se deforman al administrarse y permanecen en el tejido liberando el fármaco.

Aplicaciones de la Reología en la Formulación y Fabricación

Formulación de Medicamentos Líquidos

Los jarabes, suspensiones, emulsiones y soluciones inyectables deben tener una viscosidad adecuada para:

• Evitar la separación de fases.
• Mejorar la estabilidad física.
• Facilitar la dosificación.

Procesos de Fabricación

La viscosidad afecta directamente la velocidad del flujo, la eficiencia del bombeo y la precisión del llenado automático. Un fluido con viscosidad baja fluye fácilmente, pero puede generar espuma o turbulencia.

Estática y Dinámica de Fluidos

Conceptos Fundamentales

• Fluidos Compresibles y No Compresibles: Clasificación según la variación de densidad bajo presión.
• Presión: Fuerza que se ejerce sobre un fluido por unidad de área.

Número de Reynolds (Re)

Parámetro adimensional que predice los patrones de flujo de un fluido.

• Re < 2000: Flujo laminar (ordenado).
• 2000 < Re < 4000: Región de transición.
• Re ≥ 4000: Flujo turbulento (caótico).

Operaciones Unitarias Farmacéuticas

Son procesos físicos fundamentales que se utilizan para transformar materias primas en productos terminados (ejemplo: tabletas, cápsulas, etc.).

Clasificación de Operaciones Unitarias

• Operaciones de Transferencia de Masa: Difusión o separación (ej. destilación).
• Operaciones de Transferencia de Energía: Calor (ej. esterilización).
• Operaciones de Transferencia de Cantidad de Movimiento: Mecánica de fluidos (ej. bombeo).

Transferencia de Calor

Definiciones Clave

• Calor: Forma de energía que fluye de un sistema a otro cuando existe una diferencia de temperatura.
• Temperatura: Índice de la energía interna de un sistema.
• Transferencia de Calor: Es el flujo de energía calorífica entre sistemas.

Mecanismos de Transferencia de Calor

1. Conducción: Transferencia de calor de un cuerpo a otro sin desplazamiento de materia.
2. Convección: Transferencia de calor mediante el movimiento de un fluido (líquido o gas).
3. Radiación: Transferencia de calor en forma de ondas electromagnéticas, sin necesidad de un medio material.

Ley de Fourier (Conducción)

Establece que la velocidad instantánea de transferencia de calor por conducción es igual al producto de la conductividad térmica, el área y el gradiente de temperatura.

Aplicaciones en Procesos Farmacéuticos

• Secado de Gránulos: Control de gradientes térmicos para evitar la degradación del producto.
• Estabilización por Vapor: Cálculo del tiempo y la temperatura necesaria para alcanzar la uniformidad térmica.
• Liofilización: Regulación del flujo de calor durante la sublimación para conservar la estructura del producto.

Convección

Pequeños paquetes de fluidos calentados se mueven a regiones donde el líquido es más frío. El calor se dispersa y distribuye por remolinos, difusión molecular o por conducción.

Propiedades Físicas que Afectan la Velocidad de Transferencia

• Propiedades del flujo: viscosidad, densidad y calor específico.
• Temperatura del flujo y de la superficie a la cual se suministra el calor.
• Tamaño y forma del recipiente que contiene el fluido.

Fuentes de Energía Calorífica en la Industria

Sistema de Vapor

Utiliza vapor condensable. Su uso implica dos tipos de calor: calor sensible y calor latente de vaporización. La fuente básica es el agua. La temperatura es fácilmente controlada por el uso de válvulas. No es tóxico ni inflamable.

Sistema Líquido-Térmico

Utilizados para transportar el calor. Son cruciales para controlar la temperatura en la producción de ingredientes activos y otros procesos sensibles.

Aplicaciones del Control Térmico

• Síntesis Química: Mantienen temperaturas muy específicas. Los líquidos térmicos permiten un control exacto, a menudo con la capacidad de cambiar rápidamente entre calentamiento y enfriamiento.
• Destilación y Evaporación: Para separar y purificar disolventes o concentrar la producción de ingredientes activos.
• Cristalización: Controlan la velocidad de enfriamiento, crucial para definir el tamaño, la forma y la pureza del cristal.
• Secado: En secadores de bandejas o lecho fluidizado, elimina los disolventes residuales.
• Esterilización: Para calentar equipos o productos a altas temperaturas.

Sistemas Eléctricos

Ventajas: ausencia de productos de combustión, respuesta rápida, precisión y uniformidad en el control de temperaturas.

Tipos de Calentamiento Eléctrico

1. Calentamiento por Resistencia: La energía eléctrica se convierte en calor al pasar por un material resistivo.
2. Calentamiento por Arco: La corriente fluye a través de una resistencia de aire o gas ionizado.
3. Calentamiento por Inducción: El calor se produce por corrientes de Foucault (remolinos) inducidas en el material.

Sistemas de Enfriamiento y Equipos

Sistemas de Enfriamiento

El calor se transfiere del sistema con mayor temperatura al de menor temperatura. Los sistemas comúnmente utilizan agua, aire o evaporación.

Equipos de Transferencia de Calor

• Baños de calentamiento.
• Marmitas.
• Intercambiadores de calor.

Transferencia de Masa

Permite diseñar procesos eficientes de separación y purificación.

Ley de Fick (Primera Ley)

El flujo de la masa es proporcional al gradiente de concentración. Se aplica a la difusión en estado estacionario. Es fundamental en operaciones industriales como destilación, absorción y secado.

Ley de Fick (Segunda Ley)

Describe el cambio de concentración con el tiempo. Se aplica a la difusión en estado no estacionario, cuando la concentración varía en el tiempo y la posición. Es fundamental para modelar la liberación de fármacos.

Difusión Molecular de Gases

Las moléculas se mueven libremente, tienen alta movilidad y un mayor coeficiente de difusión. Es un proceso impulsado por la energía térmica (cinética) intrínseca de las moléculas.

Difusión Molecular en Líquidos

Las moléculas están más próximas y la fricción es mayor, por lo que el coeficiente de difusión es menor. El proceso es más lento debido a su densidad y viscosidad.

Factores que Afectan la Difusión

• Polaridad.
• Tamaño molecular.
• Temperatura.

Operaciones Difusionales

Las operaciones difusionales son un conjunto de operaciones unitarias industriales cuyo objetivo es la separación de mezclas mediante el principio de transferencia de masa.

Se basan en el movimiento de una o varias sustancias de una fase a otra, impulsado por una diferencia en su potencial químico, lo que se traduce en un gradiente de concentración.

Ejemplos de Operaciones Difusionales

• Destilación.
• Absorción.
• Secado.
• Extracción líquido-líquido.