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

Las emulsiones son dispersiones de un liquido 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 quimica, alimentaria, farmaceutica, cosmetica, metalurgica o de recubrimientos. Para algunas de estas aplicaciones, resulta necesario que las gotas de fase dispersa de las emulsiones presenten un determinado diametro, lo que implica que la distribucion de tamanos deba ser lo mas estrecha posible. Sin embargo, los metodos convencionales de preparacion de emulsiones, como agitacion mecanica, homogeneizadores de alta presion, dispositivos rotor-estator, molinos coloidales y ultrasonidos, no permiten en muchos casos alcanzar los parametros de calidad exigidos, dando lugar a distribuciones anchas y/o polidispersas de tamanos de gota. En este sentido, la tecnologia de membranas permite mejorar los procesos de preparacion 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 presion en la direccion adecuada se puede forzar a esta ultima a atravesar los poros de la membrana, entrar en la fase continua y formar la emulsion. Como los poros tienen un diametro concreto, se consigue regular el tamano de las gotas de fase dispersa de la emulsion. El objetivo de la presente Tesis Doctoral es la preparacion de emulsiones monodispersas a escala piloto utilizando membranas y estableciendo los criterios necesarios para el paso de escala de esta tecnica. Se han utilizado diferentes tipos de membranas y diferentes dispositivos de emulsificacion y se ha determinado, con ayuda del analisis dimensional, los parametros de influencia mas importantes. El principal criterio de optimizacion de la operacion fue conseguir gotas pequenas con una distribucion de tamanos lo mas 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 tecnica 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 formacion de gotas para controlar el tamano y optimizarlo. Los experimentos se iniciaron con un dispositivo de emulsificacion con membranas metalicas planas en tanque agitado, estudiando la influencia de los parametros de operacion tipicos y las dimensiones geometricas con ayuda del analisis dimensional, para posteriormente determinar el parametro de paso de escala en este tipo de equipo. Posteriormente, se realizaron experimentos de emulsificacion con membranas metalicas tubulares en un dispositivo de flujo cruzado a escala piloto para comparar los resultados. Se estudio la emulsificacion con membranas ceramicas tubulares de microfiltracion en el dispositivo de flujo cruzado a escala piloto, con el objetivo de conseguir emulsiones monodispersas con tamanos de gota inferiores a 10 µm. Se determinaron los principales parametros de influencia en el tamano de gota y en la amplitud de la distribucion, comparando los resultados con los obtenidos en dispositivos y membranas semejantes. Finalmente, se incluyeron aplicaciones especificas de la emulsificacion con membranas, las cuales se desarrollaron durante las estancias en las universidades de Loughborough (Reino Unido) y Wageningen (Paises Bajos). Dichas aplicaciones se centraron en la preparacion de particulas de silice con tamano controlado utilizando membranas metalicas y en la preparacion de particulas molde mediante emulsificacion con membranas para la posterior produccion de microcapsulas en microcanales.