Fenómenos de transferencia de material de activos encapsulados de interés alimentario. II. Análisis de sensibilidad

ORONA, JD; ZORRILLA, SE; PERALTA, JM

Santa Fe

Congreso; X Congreso Argentino de Ingeniería Química; 2019

Asociación Argentina de Ingenieros Químicos

La encapsulación de ingredientesactivos y su incorporación en matrices alimentarias tiene por objetivotransportar, proteger, estabilizar y asegurar su liberación con el flujo y enel sitio deseado. Las condiciones de las distintas etapas de producción delalimento y las propias del tracto gastrointestinal pueden afectar la estructuray comportamiento del sistema de encapsulación modificando su vida útil. Laliberación del activo puede darse por diferentes mecanismos: difusión de agua yactivo disuelto, erosión o hinchamiento de la matriz. En general, todos losmecanismos ocurren en forma simultánea aunque uno de ellos puede controlar elproceso de liberación de activo, incluso el mecanismo que controla puede variardurante dicho proceso. Por lo tanto, es necesario plantear un modelo matemáticoque permita describir estos fenómenos para estudiar, diseñar y optimizar losprocesos involucrados. En un estudio complementario a este trabajo (parte I), unmodelo matemático mecanístico que pretende describir la cinética de liberacióndel activo considerando a los mecanismos previamente mencionados fue propuestoy validado. El objetivo de este trabajo fue estudiar la sensibilidad y estimar elalcance de dicho modelo. Se consideró un sistemaactivo-matriz encapsulante de geometría esférica. El mismo posee una cargainicial de activo distribuido en forma aleatoria y homogénea en la matriz (fracciónno disuelta) y en el líquido ocluido (fracción disuelta). El sistema es puestoen contacto con una solución acuosa que ingresa al sistema por difusiónmolecular y, debido a ello, puede haber un hinchamiento y/o erosión de lamatriz y el activo en estado no disuelto puede disolverse y difundir hacia elmedio exterior. Debido a los procesos de transferencia y transformaciones quepueden sufrir los componentes del sistema (agua, matriz polimérica, activo nodisuelto y activo disuelto), tanto los parámetros de transporte como laspropiedades viscoelásticas de la matriz pueden variar durante el proceso deliberación del activo.En general, en el modelopropuesto fueron planteados los balances de materia para los componentes queconforman el sistema, considerando los mecanismos previamente mencionados. Lasecuaciones de los balances y las condiciones iniciales y de contorno fueron planteadasen coordenadas esféricas y adimensionalizadas. Se obtuvieron númerosadimensionales característicos de cada fenómeno involucrado. El modeloadimensional fue discretizado mediante un método implícito y resuelto en formaiterativa con el método de Gauss- Seidel. El sistema de ecuaciones fueimplementado en GNU/Octave 4.4.Se analizó el impacto de losfenómenos estudiados, sobre la liberación del activo, mediante la variación delos números adimensionales característicos. A cada parámetro se le dio un valorde 0.1, 1 y 10. En total se realizaron 36 simulaciones. Se obtuvieron losperfiles concentración de las principales especies involucradas. Los efectos que más influyeronsobre el perfil de liberación del activo fueron la concentración máxima desaturación del activo en la matriz, la cinética de disolución del activo, lacapacidad de difundir del activo disuelto y la resistencia convectiva externa ala transferencia de activo al medio. El proceso de liberación se vió acelerado cuandola concentración de saturación de activo en la matriz era alta, el activo sedisolvía más rápido, el activo difundía fácilmente en la matriz y cuando laresistencia externa a la transferencia de activo al medio era despreciable.Por un lado, la erosión de lamatriz polimérica influyó en menor medida en la cinética de liberación delactivo y prácticamente no se percibió efecto del hinchamiento. Por otro lado, amayor erosión la liberación del activo se aceleró (por la pérdida de materialpolimérico) y se observó una mayor disponibilidad de agua y mayor difusión delactivo. El hinchamiento se opuso a la entrada de agua provocando que el activono disuelto se disuelva más lentamente y que la liberación del activo sea máslenta. La hidratación y la disponibilidad de agua dentro de la matriz afectaronsu degradación e hinchamiento y a la cinética de disolución del activo. El presente estudio sugiereque el modelo propuesto en la parte I podría ser utilizado como una herramientapara el diseño, desarrollo y optimización de sistemas de encapsulación deactivos con el objeto de garantizar su estabilidad, biodisponibilidad yliberación con el flujo requerido y en las condiciones deseadas.