INFLUENCIA DE LA GEOMETRIA DEL SISTEMA DE AGITACION …
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1 INFLUENCIA DE LA GEOMETRÍA DEL SISTEMA DE AGITACIÓN SOBRE EL COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE LAS EMULSIONES INVERSAS CONCENTRADAS ESTABILIZADAS CON TENSOACTIVO Y NANOPARTÍCULAS TANNY NAHIR BRITO SALAS PAOLA ANDREA ROJAS GUTIÉRREZ UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA BOGOTA D.C 2009
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INFLUENCIA DE LA GEOMETRÍA DEL SISTEMA DE AGITACIÓN SOBRE EL
COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE LAS EMULSIONES INVERSAS
CONCENTRADAS ESTABILIZADAS CON TENSOACTIVO Y NANOPARTÍCULAS
TANNY NAHIR BRITO SALAS
PAOLA ANDREA ROJAS GUTIÉRREZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
BOGOTA D.C
2009
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INFLUENCIA DE LA GEOMETRÍA DEL SISTEMA DE AGITACIÓN SOBRE EL
COMPORTAMIENTO REOLÓGICO DE LAS EMULSIONES INVERSAS
CONCENTRADAS ESTABILIZADAS CON TENSOACTIVO Y NANOPARTÍCULAS
TANNY NAHIR BRITO SALAS
PAOLA ANDREA ROJAS GUTIÉRREZ
Asesor
OSCAR ALBERTO ALVAREZ SOLANO
Co-Asesor
DIEGO CAMILO PRADILLA RAGUA
Jurado
OSCAR FERNANDO SÁNCHEZ MEDINA
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA
BOGOTA D.C
2009
3
Agradecimientos
“Más buscad primeramente el reino de Dios y su justicia, y todas estas cosas
os serán añadidas”.
(Mateo 6:33)
Mis sinceros agradecimientos a mi hermano mayor Omar Brito, quien estuvo la mayor
parte del tiempo a mi lado aconsejándome y velando por mi bienestar durante el
transcurso de mi carrera. A mis padres (Santander y Doris) y a mi Tía Rosa, que a pesar
de la distancia, me brindaron su apoyo incondicional, su amor y debido a su fe en el
Señor, todas las promesas referentes a la carrera fueron realizadas.
Agradezco también a Diego Pradilla por habernos brindado, pacientemente, el apoyo y la
instrucción necesaria para la realización del proyecto de grado. Además, agradezco a
Oscar Álvarez por habernos dado la oportunidad de elaborar este proyecto de grado.
A Felipe Muñoz y Watson Vargas por su ayuda, instrucción, colaboración y consejos
durante el periodo en el que tratamos con las nanopartículas. Seguidamente, a Jossue
Ramirez “El Mono” por su colaboración y disponibilidad en el laboratorio; a los
administradores del departamento de Ingeniería Química por su apoyo también.
Por último a todas aquellas personas que conocí durante los dos años que estuve en la
Universidad de los Andes. Junto a ellos aprendí a ser una persona más integra y más
feliz; además me ayudaron a aumentar mi fervor en el Señor.
Tanny N. Brito Salas
4
Agradecimientos
Primero quiero agradecer a mi familia, a mi papá, a mi mamá y a mis hermanos ya que sin
ellos no hubiera llegado hasta acá, debido a la formación que me han dado ya que siendo
constante y responsable todo se puede lograr, además por su apoyo y distracciones
cuando más las necesitaba y por estar siempre pendientes de mi. Los quiero mucho.
Segundo quiero agradecer a mi compañera de este trabajo, Tanny Brito, por su paciencia,
por el apoyo en las trasnochadas y por su constante soporte durante todo este trabajo.
Tercero quiero darle las gracias a Diego Pradilla ya que siempre nos apoyo, estuvo
pendiente de nuestro trabajo, nos dio muchos consejos y tuvo bastante paciencia con
nosotras, sin su ayuda este trabajo no hubiera sido igual.
Cuarto quiero agradecer al profesor Felipe Muñoz por su colaboración con respecto a la
manipulación de las nanopartículas y por estar pendientes de nosotras.
Quinto quiero agradecer a Jesús Ramírez, “El Mono”, por la disposición del laboratorio, y
en medio de todo por sus regaños en el aseo de este. También a todo el personal
administrativo del departamento de ingeniería química.
Sexto quiero dar un agradecimiento especial al profesor Gabriel Camargo ya que fue un
gran profesor para mí y aprendí bastante de él.
Finalmente y sin ser menos importantes a mis amigas Diana Riveros, Juliana Herrera,
Margarita Orozco y Andrea García ya que siempre me ayudaron a lo largo de toda la
carrera y siempre han sido un apoyo fundamental e incondicional. Las quiero mucho.
Paola Andrea Rojas G.
5
TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN …..……………………………..………………………………………9
2. OBJETIVOS …………..…………………………………………………………………11
2.1 Objetivo General ……………………………...……………………………………11
2.2 Objetivos Específicos ...…………………………………………………………..11
3. ESTADO DEL ARTE…………………………………………………………………….12
3.1 Emulsiones…………………………………………………………………………..12
3.2 Emulsificantes …………..….………………………………………………………13
3.2.1 Tensoactivo…………………………………………………………………14
3.2.1.1 Clasificación de los Tensoactivos………………………………….14
3.2.1.2 Selección de un Tensoactivo………………………………………..15
3.2.1.2.1 Regla de Bancroft………………………………………………15
3.2.1.2.2 Balance Hidrófilo-Lipófilo HLB…………………………...……16
3.2.1.2.3 Desviación Hidrofílica Lipofílica HLD…………………………17
3.2.1.2.4 Temperatura de Inversión de fase……………………………18
3.2.2 Nanopartículas en emulsiones………………………………………….18
3.3 Estabilidad en emulsiones………………………………………………………..19
3.3.1 Sedimentación……………………………………………………………...20
3.3.2 Floculación………………………………………………………………….20
3.3.3 Coalescencia………………………………………………………………..21
3.3.4 Crecimiento de Ostwald…………………………………………………..21
3.4 Sistema de Mezclado………………………………………………………………22
3.4.1 Tipos de Flujo………………………………………………………………22
3.4.2 Tipos de Agitadores……………………………………………………….23
3.4.3 Tamaño del Agitador………………………………………………………24
3.5 Propiedades y Reología de las Emulsiones..………………………………...25
3.5.1 Tamaño de Gota……………………………………………………………25
3.5.2 Viscosidad de las emulsiones…………………………………………..26
4. MATERIALES Y MÉTODOS……………………………………………………………28
4.1 Reactivos…………………………………………………………………………….28
4.2 Equipos………………………………………………………………………………29
4.3 Proceso………………………………………………………………………………31
4.3.1 Variables del proceso……………………………………………………..32
6
4.3.2 Variables de formulación…………………………………………………33
4.4 Caracterización de las emulsiones……………………………………………...35
4.5 Consumo Energético.…..………….………………………………………………36
5. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS...……………………………………..37
5.1 Evaluación del consumo energético…………………………………………....37
5.2 Pruebas Oscilatorias………………………………………………………………39
5.2.1 Prueba Oscilatoria de esfuerzo………………………………………….39
5.2.1.1 Sistema 1………………………………………………………………..40
5.2.1.2 Sistema 2………………………………………………………………..42
5.2.2 Pruebas en Estado Estacionario……………………………………......44
5.2.2.1 Sistema 1………………………………………………………………..45
5.2.2.2 Sistema 2………………………………………………………………..47
6. CONCLUSIONES………………………………………………………………………..49
7. RECOMENDACIONES………………………………………………………………….50
8. REFERENCIAS…………………………………………………………………………..51
7
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Tipos de emulsiones según la fase dispersa [1]…..………………………...………………13
Figura 2. Representación de las gotas en OW (a) y WO (b). [2]…...…………………………….……13
Figura 3. Gota estabilizada por polímeros (izquierda) y por absorción de partículas sólidas
(derecha). El ángulo de contacto Θ de las partículas sólidas con la fase continua debe ser
menor de 90º. Tomada de la referencia [2] ………………………………..……………………….…...14
Figura 4. Estructura de un tensoactivo no-iónico. Imagen tomada de [2]………………….…………15
Figura 5. Representación de la Regla de Bancroft [1]…...………………………………………....…..16
Figura 6. Esquema de partículas hidrófilas e hidrófobas sobre la interfase aceite-agua [3]……….19
Figura 7.Mecanismos que contribuyen a la inestabilidad de las emulsiones [16]..………………….20
Figura 8. Pasos típicos de la evolución de una emulsión. [2]………………………………………….21
Figura 9. Esquema representativo de las mediciones [17]……………………………………………..24
Figura 10. Cambio en la distribución del tamaño de partícula con el tiempo en una emulsión
de octano estabilizada con sodio. Se observa un cambio radical en la distribución al pasar 7
días [5]….…………………………………………………………………………………………………….26
Figura 11. Estructura molecular del SPAN-80®…………………………………………………………28
Figura 12. Micrografía SEM de las nanopartículas [19]………………………………………………...29
Figura 13. LIGHTNIN LabMaster L1U10F………………………………………………………………..30
Figura 14. Dispermat®……………………………………………………………………………………..30
Figura 15. Reómetro ARG2 TA-Instruments………….………………………………………………….31
Figura 16. Protocolo de emulsificación [21].…..…………………………………………………………31
Figura 17. Agitadores propelas A-100, hélice Rushton y hélice Dentada respectivamente………..33
Figura 18. Barrido en frecuencia con el seguimiento durante una semana………………………….35
Figura 19. Barrido en esfuerzo con seguimiento durante dos semanas……………………………...35
Figura 20. Grafica característica del consumo energético encontrado en el LIGHTNIN L1U10F…36
Figura 21. Gráfica característica de potencia contra el tiempo de los diferentes agitadores
utilizados……………………………………………………………………………………………………...38
Figura 22. Gráfica de potencia contra el tiempo de los diferentes agitadores utilizados para
un porcentaje de fase dispersa de 80…………………………………………………………………..…39
Figura 23. Gráfica de potencia contra el tiempo de los diferentes agitadores utilizados para
un porcentaje de fase dispersa de…………………………………………………………………………85
Figura 24. Seguimiento de la estabilidad por medio de pruebas Oscilatorias de esfuerzo
durante dos semanas a la emulsión W/O fracción p/p 80% preparada con el agitador Propela
A-100………………………………………………………………………………………………………….40
Figura 25. Seguimiento del módulo elástico (G`) de las emulsiones estudiadas durante 3
semanas.…………………..…………………………………………………………………………………41
8
Figura 26. Seguimiento de la viscosidad durante dos semanas a la emulsión W/O fracción
p/p 80% preparada con el agitador Propela A-100………………………………………………………44
Figura 27. Seguimiento del parámetro n de la ley de potencia de las emulsiones estudiadas
durante 3 semanas (Sistema 1)……………………………………………………………………………46
Figura 28. Seguimiento del parámetro de consistencia m de la ley de potencia de las
emulsiones estudiadas durante 3 semanas (Sistema1).………………………………………………..46
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Tamaños y relación Da/Dt para cada agitador………………………………………………...32
Tabla 2. Cantidades de los reactivos en cada emulsión respecto al porcentaje p/p de
fase dispersa ………………………………………………………………………………………………...34
Tabla 3. Concentraciones de la fase dispersa con nanopartículas para la elaboración
de las emulsiones del sistema 2…………………………………………………………………………...34
Tabla 4. Consumo energético por unidad de volumen según la cantidad de fase
dispersa y el agitador utilizado……………………………………………………………………………..37
Tabla 5. Seguimiento del modulo elástico en la prueba Oscilatoria de esfuerzo…………………….40
Tabla 6. Seguimiento del modulo elástico a las 24 horas de la preparación de las emulsiones…..42
Tabla 7. Valores del G’ en la prueba de barrido por esfuerzo, respecto a cada emulsión………….43
Tabla 8. Módulos de elasticidad respecto al tiempo (Sistema 2)………………………………………43
Tabla 9. Modulo de elasticidad: análisis de 24 horas (Sistema 2) …………………………………….44
Tabla 10. Valores del parámetro n de la ley de potencia en las pruebas estacionarias
realizadas (Sistema 1)………………………………………………………………………………………45
Tabla 11. Valores del parámetro de consistencia (m) en las pruebas estacionarias
realizadas (Sistema 1)…………………………………………………………………………….………...45
Tabla 12. Seguimiento de los parámetros de la ley de potencia y de consistencia a las 24 horas
de ser preparadas las emulsiones y su diferencia con respecto a su valor inicial (Sistema 1)……..47
Tabla 13. Valores del parámetro n de la ley de potencias en las pruebas estacionarias
realizadas para emulsiones del Sistema 2………………………………………………………………..47
Tabla 14. Seguimiento del parámetro de consistencia (m) a las 24 horas de ser preparadas
las emulsiones y su diferencia con respecto a su valor inicial (Sistema 2) …………………………..48
9
1. INTRODUCCIÓN
El agua y el aceite no se mezclan, en muchas ocasiones, sin embargo siempre se quiere
realizarlo; el método por el cual se logra la mezcla entre dichas sustancias, se conoce
como la emulsificación. Una emulsión se considera como la dispersión de dos líquidos
inmiscibles. En ella se presenta a una de las fases como el agente dispersante, el cual se
conoce como fase continua, y la otra fase se encuentra distribuida finamente en forma de
gotas. A esta fase se le llama fase dispersa [1, 2, 3]
Las emulsiones son sistemas termodinámicamente inestables, que se pueden volver
sistemas cinéticamente estables gracias a la presencia de agentes tensoactivos [4] o la
aplicación conjunta de nanopartículas. Además, las propiedades que las emulsiones
consiguen, como sus propiedades fisicoquímicas y la misma estabilidad, depende del
trato durante el proceso de elaboración. Uno de los retos cotidianos por el cual muchas
industrias se encuentran incapaces de producir una mayor diversidad o cantidad de los
productos atractivos para el consumo humano, es la falta del mantenimiento de la
estabilidad de dichas sustancias; lo cual llega a afectar las diferentes propiedades que
caracterizan al producto para poderlo sacar al mercado con altos estándares de calidad
[5]. Es por ello que se requiere que el manejo y la elaboración de las emulsiones, sea de
manera apropiada.
Este problema afecta en su gran mayoría a las industrias cuyos productos sean
emulsiones, tales como la: industria de alimentos, donde se encuentran productos como
las margarinas, las sopas, las salsas, las bebidas achocolatadas, entre otras; las
industrias de cosmética y farmacéutica, donde la mayor parte de sus productos son las
emulsiones que se utilizan para recubrimientos de aceites, producción de cremas incluso
en protectores solares [3, 5, 6]. Igualmente, se encuentran empleadas en la elaboración
de productos agroquímicos como pesticidas e insecticidas.
Las emulsiones se pueden clasificar según el contenido de fase dispersa en una fracción
en volumen de la fase dispersa mayor del 70% (hasta el 99%); estas se conocen como
emulsiones altamente concentradas. [7,8]. Una fase dispersa a ese porcentaje forma
películas líquidas, las cuales dan lugar a la existencia de interacciones entre las gotas de
la fase dispersa, exhibiendo propiedades viscoelásticas, pseudoplásticas y plásticas. Un
10
ejemplo de dichas mezclas son los geles, las espumas bilíquidas y las espumas
adhesivas, entre otros; los cuales son más atrayentes al mercado industrial ya que
presentan propiedades fisicoquímicas diferentes a las emulsiones convencionales. En
efecto, las emulsiones concentradas tienen alta demanda dado a que algunas son
lubricantes [7, 8].
Igualmente, la creación de las emulsiones también depende mucho del tanque (reactor
semibatch) y del agitador que se utiliza durante el mezclado. Usualmente, los agitadores
empleados en las industrias son para fluidos newtonianos, pero para aquellos que aplican
fluidos no newtonianos, las condiciones de mezclado son distintas como también el
agitador (su figura geométrica y la velocidad de torsión) y la relación diámetro del agitado-
tanque (Dt/Da). [9, 10].
Muchos estudios e investigaciones se han hecho con el fin de conocer la estructura de las
emulsiones concentradas, pero muy pocas se han enfatizado en las propiedades
dinámicas de dichos sistemas, para así poder resolver el dilema de la estabilidad. [7, 11,
12].
En este proyecto, se estudio la estabilización de las emulsiones altamente concentradas
por medio de la implementación del tensoactivo SPAN-80®, y nanopartículas de SiO2, que
tiene como fin mantener el tamaño de gota, evitando así la coalescencia y la floculación.
11
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Estudiar el efecto de la geometría del sistema de agitación (relación diámetro del agitador
contra diámetro del tanque de agitación Dt/Da), la composición (Fracción de volumen de
fase dispersa) y el efecto de la formulación (nanopartículas y la relación tensoactivo aceite
mineral) sobre las propiedades reológicas de las emulsiones.
2.2 Objetivos Específicos
1. Estudiar la influencia de la geometría del sistema de agitación, la composición y la
formulación sobre la estabilidad de la emulsión en función del modulo de
elasticidad; esto variando la relación Dt/Da, la fracción de volumen de la fase
dispersa y la influencia de nanopartículas sobre la relación tensoactivo-aceite
aplicada para una emulsión agua en aceite muy concentrada.
2. Evaluar las propiedades reológicas a través de pruebas en estado estacionario y
oscilatorio.
3. Evaluar el consumo energético por unidad de volumen para evaluar la relación que
puede o no existir entre dicho consumo, y la emulsión respecto a la estabilidad, las
propiedades reológicas, la geometría de agitación, la composición y la formulación.
12
3. ESTADO DEL ARTE
3.1 Emulsiones
La emulsión es conocida como una mezcla termodinámicamente inestable y un tipo de
coloide, constituida por al menos dos fluidos inmiscibles, siendo uno de ellos el que se
encuentra en forma de gota disperso dentro del otro. Las partículas de líquido dividido
constituyen la fase dispersa o interna de la emulsión; mientras que el líquido en el seno de
donde se hallan las gotas dispersas, representa la fase continua o externa. Dicha mezcla,
por su característica inestabilidad, requiere el uso de emulsionantes para reducir la
tensión superficial generada en las contigüidades de cada gota, controlar los fenómenos
de drenaje y floculación, aportar carga eléctrica a la emulsión y trabajar sobre los
impedimentos estéricos.
Las emulsiones están generalmente constituidos por dos elementos: el aceite y el agua; y
existen dos tipos de mezcla: agua en aceite y aceite en agua. Sin embargo, el sistema
con mayor frecuencia de uso o de empleo es aquel aceite en agua o O/W (por su nombre
en inglés), por lo que la cantidad de emulsionante aplicado es relativamente bajo, y
dependiendo del líquido que se dispersa, este será catalogado como directo o inverso. Se
conoce que una emulsión es de fase directa cuando la fase dispersa es el aceite (caso
O/W); mientras que una emulsión de fase inversa es aquella que tiene como su fase
dispersa el agua (W/O) [1]. También existen sistemas llamados emulsiones dobles o
emulsiones múltiples, este caso se da cuando la emulsión presenta pequeñas gotas de la
fase continua dispersas dentro de las gotas de la fase dispersa [2].
El tipo de emulsión puede establecerse como [13]:
1. Una emulsión se diluye de modo espontáneo en el líquido que constituye la fase
continua.
2. Las emulsiones O/W presentan conductividad eléctrica similar a la de la fase
acuosa y las W/O no conducen la corriente de modo significativo.
13
Figura 1. Tipos de emulsiones según la fase dispersa [1]
Por otro lado, cuando este tipo de coloide dispone de una fracción volumen en la fase
dispersa mayor que el máximo volumen de empaquetamiento (las gotas son esféricas), el
nombre que toma es de emulsión altamente concentrada. Es en este punto cuando las
gotas ya dejan su forma esférica para tomar forma poliédrica, lo cual genera un
comportamiento reológico complejo, debido a problemas de estabilidad o comúnmente
conocidos como interacciones entre las gotas.
Las gotas formadas en las emulsiones son gracias a los aglomerados micelares que se da
cuando el tensoactivo interactúa con las otras fases. En la Figura 2, se representa el
efecto de la formación de gotas para el caso O/W y W/O.
a) b)
3.2 Emulsificantes
Para estabilizar las emulsiones, la fase dispersa debe ser impedida para que alcance un
contacto molecular. Las emulsiones se pueden estabilizar con diferentes agentes, los
cuales absorben fuertemente en la interfase líquido-líquido. Estos son llamados
emulsificadores, no solo los tensoactivos son buenos emulsificadores también en algunas
aplicaciones industriales se han utilizado macromoléculas como proteínas y polímeros
Figura 2. Representación de las gotas en OW (a) y WO (b). [2]
14
sintéticos. Una razón de su efecto estabilizador es que debido a su tamaño, pueden
absorber prácticamente irreversiblemente en la interfase.
Figura 3. Gota estabilizada por polímeros (izquierda) y por absorción de partículas sólidas
(derecha). El ángulo de contacto Θ de las partículas sólidas con la fase continua debe ser menor
de 90º.Tomada de la referencia [2]
Otro agente que tiene efecto estabilizador sobre las emulsiones son los polvos, ya que las
partículas asumen una posición estable en la interfase líquido-líquido si su ángulo de
contacto es diferente de cero, ya que tras la coalescencia las partículas tendrían que
desorber de la interfase lo cual es energéticamente desfavorable. [2]
3.2.1 Tensoactivo [2, 5, 13]
La clase más importante de emulsionantes es el tensoactivo molecular ya que su
actividad principal, además de reducir significativamente la tensión superficial entre las
fases, es estabilizar la emulsión, como se dijo antes, ya que forma barreras eléctricas y
estéricas con respecto a la coalescencia de las gotas.
Por otro lado, los tensoactivos son especies químicas con una naturaleza o estructura
polar-no polar, con tendencia a localizarse en la interfase formando una capa molecular
adsorbida en la interfase. Las soluciones de tensoactivos se activan al colocarse en forma
de capa monomolecular adsorbida en la superficie entre las fases hidrofilicas e
hidrofobicas. Esto disminuye la tensión superficial al impedir el paso de las moléculas de
la superficie al interior del líquido, lo cual haría que se encuentre en un estado de energía
menor.
3.2.1.1 Clasificación de los Tensoactivos [2,13]
Para efectuar una buena clasificación de dicho material, es necesario tener en presente el
poder de disociación del tensoactivo en presencia de un electrolito y de las propiedades
15
fisicoquímicas (si es iónico o no iónico). Sabiendo entonces estos detalles, los
tensoactivos encontrados son los:
Tensoactivos Iónicos: son los que tienen fuerte afinidad por el agua, y debido a su
atracción electroestática hacía los dipolos del agua, este puede arrastrar consigo a las
soluciones de cadenas hidrocarbonadas. Dentro de este grupo existen los anionicos,
cationicos y los anfóteros o anfotéricos, los cuales tienen cargas tanto positivas como
negativas por tanto su carga neta es cero.
Tensoactivos No-iónicos: son aquellos que se solubilizan mediante un efecto combinado
de un cierto número de grupos solubilizantes débiles (hidrófilos) como los de enlaces tipo
éter ó grupos hidroxilos (OH-) en su molécula, donde esta parte hidrofílica de la molécula
(cabeza) va a ser solubles en agua debido a su alta polaridad, mientras que la parte
hidrofóbica, es decir cadena alquílica (cola), no va ser soluble en agua pero en el aceite
sí.
Figura 4. Estructura de un tensoactivo no-iónico. Imagen tomada de [2]
3.2.1.2 Selección de un Tensoactivo
La elección del surfactante debe tener en cuenta el tipo de emulsión que hay que preparar
y la naturaleza de las fases que se presentarían.
3.2.1.2.1 Regla de Bancroft [1]
Dado que las soluciones pueden ser de tipo W/O o O/W, se establece que la formación de
emulsiones O/W se produce con la intervención de emulgentes más solubles que el agua
en la fase orgánica, mientras que las emulsiones W/O se forman con emulgentes más
solubles en la fase orgánica que en el agua. Es decir la fase continua de una emulsión va
a ser la fase en donde el emulsificador es soluble preferiblemente.
16
Figura 5. Representación de la Regla de Bancroft. [1]
3.2.1.2.2 Balance Hidrófilo-Lipófilo HLB
Es un balance empírico cuantitativo que caracteriza la tendencia de un tensoactivo o
surfactante para formar emulsiones O/W o W/O. El HLB es una medida directa del
carácter hidrofílico del surfactante: entre mayor sea el HBL mas hidrofílico es el
compuesto. La mayoría de los surfactantes tienen valores entre 3-20. Surfactantes con
valores entre 3-6 tienden a estabilizar emulsiones O/W (agua en aceite), mientra aquellos
con valores altos 8-18 tienden a formar emulsiones W/O (aceite en agua). [2]
Griffin desarrollo una ecuación que permite calcular el número HBL para cierto tipo de
agentes no iónicos como polioxietilenos, derivados de alcoholes grasos y poliglicoles
A
SHBL 120 (1)
Donde S es el número de saponificación del ester y A es el número ácido del ácido.
Algunos valores de HBL para emulsificantes comerciales son [5]:
SPAN-85® (Sorbitan triolato) 1.8
SPAN-80® (Sorbitan monolato) 4.3
SPAN-60® (Sorbitan monosterato) 4.7
SPAN-40® (Sorbitan monopalmitato) 6.7
17
3.2.1.2.3 Desviación Hidrofílica Lipofílica HLD [14]
El HLD es un número sin dimensión el cual es un concepto global que incluye todas las
contribuciones fisicoquímicas a diferencia del HBL, que de acuerdo al tipo de surfactante
presenta una ecuación, para el caso de un surfactante no iónico la ecuación es la
siguiente:
HLD = α - EON + bsal - kACN + σ + T + aA (2)
Donde:
EON: número de grupos “óxidos de etileno” por molécula de surfactante noiónico,
Sal: salinidad del agua en porcentaje másico de NaCl dentro de la fase acuosa
ACN: número de átomos de carbono de la molécula de n-alcano de la fase hidrofobica
T: diferencia de temperatura respecto a la temperatura de referencia (25°C)
A: porcentaje ponderado de alcohol eventualmente añadido
σ,α: parámetros característicos del surfactante considerado
a: constante característica del alcohol y del tipo de surfactante
b: constante característica de la sal eventualmente añadida
Mientras más bajo es el valor de esos parámetros (que pueden ser positivos o negativos),
más hidrofílico es el surfactantes.
Los parámetros α, σ y EON tienen que ver directamente con el surfactante, es decir si se
prolonga la cadena hidrocarbonada del surfactante, este se hace mas hidrófobo y su
afinidad por el agua decrece por tanto el HDL aumenta, al contrario, si la cadena
hidrocarbonada es ramificada, el surfactante es menos hidrófobo que el surfactante
isómero de cadena lineal. La naturaleza de la cabeza polar juega también un role esencial
sobre el valor del HLD. En particular, para un surfactante no iónico etoxilado ya que
aumenta directamente el número de EON.
Por otro parámetro fisicoquímico es la temperatura, en el caso de los surfactantes iónicos
favorece la disociación de iones e incrementa en cierta cantidad la hidrofilicidad, mientras
que para un surfactante no iónico, tiende a romper los enlaces de puente hidrógeno
18
existentes entre las moléculas de agua de solvatación y la parte polar del surfactante y
disminuye sensiblemente la hidrofilicidad del surfactante. Por otro lado, el aumento de la
salinidad de la fase acuosa disminuye la actividad del agua y, por consecuencia, la
afinidad del surfactante no iónico por la fase acuosa.
3.2.1.2.4 Temperatura de inversión de fase
El concepto se basa en la idea en que el tipo de emulsión se determina por la curvatura
de preferencia de la película de surfactante. [2] Es decir en este fenómeno de transición
(HLD =0) hay una temperatura a la cual la emulsión se invierte, es decir, la fase continua
pasa a ser la fase dispersa y viceversa. El criterio basado en esta teoría es un valor de
temperatura estándar de 30°C, de esta manera si la temperatura calculada está por
encima de 30°C, el tensoactivo será apto para una emulsión inversa, mientras que si la
temperatura está por debajo, el tensoactivo será apto para una emulsión directa Este
criterio solo es válido para tensoactivos no iónicos y para el rango de temperaturas en las
que el agua es líquida. [15]
3.2.2 Nanopartículas en emulsiones [3]
Los científicos Ramsden y Pickering para 1900, observaron que se podían ingresar
partículas sólidas muy pequeñas con la posibilidad adsorberse sobre una interfase O/W
para estabilizar las emulsiones a las que fueran sometidas; sin embargo, fue el científico
Finkle et al. Quien encontró la relación entre el tipo de partícula sólida y la naturaleza de
la emulsión (ya sea O/W o W/O). Así que se encontró que una emulsión constituida de
dos fluidos inmiscibles hace que la partícula sólida sea mojada más por una que por otra
(a esta última se le denomina la fase dispersa).
La facilidad de humectación de las partículas en la interfase W/O se mide por el ángulo de
contacto que las partículas forman en la misma interfase. Si este ángulo (el cual se mide a
través de la fase acuosa) es menor a 90°, las partículas son mayormente humedecidas
por el agua, y esto entonces atribuye a la estabilización de sustancias O/W. No obstante,
si la partícula llega a ser más humedecida por el aceite, el ángulo de contacto será mayor
de los 90° y la emulsión que generará la estabilidad es la de W/O. Pero las partículas son
muy hidrófilas o hidrófobas, lo cual hace que estas se encuentren dispersos tanto en el
agua como en la sustancia aceitosa, y como consecuencia la inestabilidad de la emulsión.
19
Figura 6. Esquema de partículas hidrófilas e hidrófobas sobre la interfase aceite-agua [3].
Una de las consecuencias de la alta energía de adhesión de las partículas sólidas en la
interfase, es que la adsorción es irreversible (efecto contrario al de los tensoactivos
adsorbidos y desadsorbidos en sistemas W/O). Esto se puede inferir de la siguiente
ecuación:
𝐸 = 𝑝𝑅2γhe (1 + cosγ)2 (3)
γHE= tensión superficial en O/W
En dicha ecuación se presenta como a mayor el radio de la partícula, la energía de
adhesión es mayor. Además se presenta que a valores de radio inferiores de 0.5nm, la
energía es similar a la presentada por los tensoactivos pero con capacidad de adsorción
muy baja.
3.3 Estabilidad en emulsiones
El concepto de la estabilidad en las emulsiones hace referencia de la resistencia de las
gotas a la coalescencia. Así que cuando se produce la sedimentación de las gotas como
consecuencia de la diferencia de densidad entre las fases, sin tener el crecimiento del
tamaño de las gotas, se habla de la destrucción de la emulsión sino de la floculación
[1,13].
La redispersión del sistema puede conseguirse nuevamente sin dificultad. La velocidad
del proceso de coalescencia es la única medida de la estabilidad de la emulsión. Puede
seguirse determinando el número de gotas en función del tiempo. Esta velocidad depende
de los siguientes factores: 1) la naturaleza del recubrimiento interfacial; 2) la existencia de
las barreras electroestatícas en la interfase que previenen el contacto entre gotas; 3) la
viscosidad de la fase continua; 4) la distribución del tamaño de gotas; 5) la temperatura.
[13].
20
Figura 7.Mecanismos que contribuyen a la inestabilidad de las emulsiones [16].
3.3.1 Sedimentación
La sedimentación o “creaming” se genera a partir del momento donde exista una
diferencia de densidades entre las dos fases presentes. Se presenta el “creaming” cuando
la fase dispersa es más ligera que el medio continuo; mientras tanto, la sedimentación es
cuando el líquido disperso es más pesado. [1,4].
3.3.2 Floculación
La Floculación induce a la formación de gotas individuales que mantienen con firmeza su
capa interfacial. Entonces, la energía de interacción entre las partículas llegaría a ser la
suma de las fuerzas de repulsión electrostática con el potencial de atracción de Van der
Waals.
Dicho método puede ser reversible como irreversible (este tenderá a aproximarse a las
coalescencia de las gotas). Además se presenta que la floculación se favorece cuanto
mayor sea la presencia de “creaming” o sedimentación. Así que para impedir el aumento
o la presencia de dicho método, es necesario reducir el “creaming”, aumentar las
repulsiones ya sean electrostáticas o estéricas; el cual dependerá principalmente del
oficio del tensoactivo empleado. [1, 4, 13]
21
3.3.3 Coalescencia
Es un mecanismo irreversible de degradación de emulsiones, la cual resulta de la fusión
de varias gotas para formar una sola más débil en integridad. Para prevenir dicho efecto,
se requiere impedir la aparición de floculación, y el hecho de escoger buenos tensoactivos
que provean de fuerza a las capas interfaciales y aumenten el efecto de Gibbs-Maragoni.
[1].
3.3.4 Crecimiento de Ostwald [1,4]
Mecanismo por el cual se genera un aumento volumétrico de las gotas más grandes al
destruir las más pequeñas sin que exista algún tipo de contacto entre las gotas. En otras
palabras, el fenómeno de Ostwald se presenta cuando hay una diferencia de potencial
químico y de solubilidad entre las moléculas del líquido disperso y las pequeñas y grandes
gotas formadas.
Este mecanismo se produce cuando las emulsiones presentan gotas con diámetros
inferiores a un micrón. Entonces, como primer paso para reducir la rapidez de
degradación de las emulsiones, el coloide deberá tener una distribución equitativa de
tamaños de gotas (preferiblemente iguales en tamaño). Luego se deberá implementar un
tensoactivo, en cantidades moderadas, capaz de bajarle a la tensión interfacial y formar
una barrera a la difusión de la fase dispersa. Igualmente se puede bajar la solubilidad de
la fase dispersa por la añadidura de tres solutos solubles en el medio continuo (por
ejemplo el NaCl para cuando el agua hace parte de la fase dispersa) que podrían generar
una difusión molecular o bloquearla.
Figura 8. Pasos típicos de la evolución de una emulsión. [2]
22
3.4 Sistemas de Mezclado
Al entender como la geometría y la viscosidad afectan los patrones de flujo creados por
diferentes agitadores, se puede llegar a sugerir cual diseño es el más adecuado para
producir el resultado deseado del proceso. La elección de las aspas correctas para una
aplicación depende de los requerimientos del proceso. Aunque diferentes procesos
frecuentemente tienen requerimientos únicos, las aspas estándares pueden manejar
diferentes aplicaciones.
3.4.1 Tipos de Flujo
Los tres componentes de la velocidad del flujo creados por la descarga del agitador se
pueden describir como flujo radial, axial, y rotacional [9]. Estos componentes de la
velocidad se relacionan directamente con las coordenadas cilíndricas y son apropiados
porque muchos tanques agitados son cilindros verticales con el eje del mezclador en el
eje central. Entonces, si se asume que el eje cilíndrico se orienta verticalmente:
El flujo radial: se refiere a la dirección de la descarga del agitador, que es horizontalmente
(de ubicación radial) hacia fuera del eje vertical del tanque y del agitador.
El flujo axial: es el flujo vertical, que es paralelo al eje del cilindro. La mayoría de los
agitadores de flujo axial bombean hacia abajo, creando flujo hacia abajo en el centro del
tanque y flujo ascendente en las paredes.
El flujo rotacional: es el componente de la velocidad que sigue la dirección de la rotación
para el agitador. Todos los agitadores que rotan crean un componente rotatorio del flujo.
Sin embargo, los componentes de velocidad por separado producirán un mezclado muy
pobre, especialmente en el caso del flujo rotacional, por lo cual se emplean un sistema de
bafles. Los baffles se ubican en la pared del tanque, y se utilizan para limitar el
componente rotacional en líquidos de baja viscosidad. Si los bafles no se utilizan en
líquidos de baja viscosidad, cualquier agitador central-montado que rote causará
primordialmente el flujo rotacional, lo que significa que el contenido del tanque se
remolinará con poco efecto radial y no habrá casi mezclado axial. [9, 10]
23
3.4.2 Tipos de Agitadores [9, 10]
Hay tres tipos de agitadores comúnmente encontrado en las industrias y las
características principales de estos agitadores son:
Las turbinas Straight-Blade (Figura 1, izquierda) tienen típicamente cuatro o seis láminas
planas montadas verticalmente. Las turbinas de lámina recta crean flujo
predominantemente radial.
Las turbinas Pitched-Blade (Figura 1. centro), tienen normalmente cuatro láminas planas
que se montan con ángulo de 45 grados respecto a la horizontal. Tal agitador crea
principalmente un flujo axial, pero con un componente radial.
Los Agitadores Hydrofoil o agitadores de alta eficiencia, tienen tres láminas con una
sección cruzada. La flexión o el rodar de la lámina crean una forma de comba o una forma
de superficie sustentadora. Estos agitadores realizan un efecto similar al de propulsor
marino.
No obstante, cuando se refiere al trabajo con líquidos no newtonianos, los agitadores
propuestas no son efectivos por el movimiento de ingieren al producto. En otras palabras,
los líquidos de alta resistencia a la deformación, requieren de un tratamiento especial
debido a su comportamiento inusual. Un ejemplo de tal comportamiento es la formación
de las cavernas. Una caverna es una región turbulenta bien mezclada alrededor de la
paleta. Lejos de la paleta, donde están bajas las tensiones de esquileo, el líquido puede
llegar a ser estancado (es por ello que no se les aplica el sistema con baffles). El límite de
la caverna es donde la tensión de esquileo local, iguala a la resistencia de deformación
del fluido.
Entonces, la manera más fácil y más económica de mezclar un líquido de una resistencia
a deformación, es aumentar el diámetro de las aspas. Este acercamiento requiere un
diseño especial de las aspas que pueda funcionar eficientemente con una gama de D/T
de 0.65-0.95 (D/T es el cociente del diámetro de la hélice al diámetro del tanque).
24
3.4.3 Tamaño del Agitador
El tamaño del agitador, comparado con el diámetro del tanque, es una variable esencial
en la selección de un mezclador. La mayoría de las aplicaciones que requieren más
caballos de fuerza para una buena mezcla, usan un pequeño agitador que funciona a
altas velocidades. Los usos que requieren una uniformidad de carga o manejar líquidos
con una viscosidad más altas, pueden utilizar un agitador más grande que funciona a
velocidad más baja [10].
Los parámetros a seguir para el diseño son los siguientes:
(4)
Donde el Da el diámetro de las aspas, Dt el diámetro del tanque, W es el alto del aspa, E
la altura de la aspa con respecto al fondo, j el grosor de los baffles y L el largo de la aspa.
Figura 9. Esquema representativo de las mediciones [17]
Para evitar la formación de cavernas mientras se mezclan líquidos Newtonianos con
resistencia a la deformación, el agitador de contra-flujo utiliza un rango grande de D/T
(0.65 a 0.95), con la mayoría de usos en el rango de 0.8. El mezclado se hace siempre
con velocidad relativamente baja, un alto esfuerzo de torsión y baja energía. Esto ayuda a
25
controlar el calor generado por el mezclado, puesto que toda la energía del mezclador se
convierte en calor en un tanque [9, 10].
3.5 Propiedades y Reología de las Emulsiones
3.5.1 Tamaño de gota
Una emulsión es un sistema heterogéneo, que consiste en al menos un líquido inmiscible
inicialmente disperso en otro en forma de gotas, la guales tienen un diámetro, en general
que supera los 0,1μ. Este sistema posee poca estabilidad la cual se acentúa como se ha
mencionado antes añadiendo agentes superficiales activos.
El hecho que exista un rango de tamaño de partículas implica que incluso en una
emulsión simple el diámetro de las gotas va a estar lejos de la uniformidad. La distribución
de tamaño de gota con un máximo en diámetros pequeños y con este máximo bien
definido representa aparentemente una situación de máxima estabilidad, de igual forma el
cambio del tamaño de gota con el tiempo lleva a una distribución más difusa y con un
máximo en diámetros más grandes, indicando una medida de inestabilidad de la
emulsión. La estabilidad está relacionada con la fracción de área interfacial, la cual se
considera cubierta por el agente estabilizador, también esta relaciona en la forma en que
se prepara la emulsión. Sin embargo se ha encontrado emulsiones que tienen el
comportamiento opuesto, es decir primero se tiene una distribución difusa la cual cambia
a una distribución bien definida, lo cual recibe el nombre de coalescencia límite [5].
26
Figura 10. Cambio en la distribución del tamaño de partícula con el tiempo en una emulsión de
octano estabilizada con sodio. Se observa un cambio radical en la distribución al pasar 7 días.
Tomada de la referencia [5]
Por otro lado, el movimiento Browniano incrementa la probabilidad de colisiones entre
partículas, y por tanto en la coagulación, causando un efecto negativo en la estabilidad de
las emulsiones con gotas pequeñas, cuando se tienen gotas grandes este movimiento no
se observa. [5]
3.5.2 Viscosidad de las emulsiones [5]
La resistencia al flujo de las emulsiones es probablemente una de las propiedades mas
importantes, tanto desde el punto de vista práctico como teórico, de hecho emulsiones
comerciales salen al mercado solo si tienen cierta viscosidad. Debido a esto un gran
problema, es tener una viscosidad adecuada manteniendo constante la estabilidad y otras
propiedades deseadas.
Desde el punto de vista teórico las medidas de viscosidad, se alinean con la teoría
hidrodinámica, dando información considerable acerca de la estructura de la emulsión, lo
cual es una clave de su estabilidad.
27
La viscosidad se define como la fuerza de cizallamiento τ que se ejerce sobre el área
transversal cuando hay un gradiente de velocidad normal a esa área.
dt
d (5)
Existen seis factores que afectan la viscosidad de una emulsión:
La viscosidad de la fase externa (ηo), es de gran importancia ya que tiene una proporción
directa con la viscosidad final de la emulsión
)(xo (6)
Esto se debe a que el agente emulsificador en la mayoría de las emulsiones se disuelve
en la fase externa o fase continua.
La viscosidad de la fase interna, es otro factor que puede afectar la viscosidad del sistema
se ha observado que para emulsiones H/E con un 70% de fase dispersa presentan
plasticidad, sin embargo, la viscosidad de la fase interna depende de la naturaleza
química de la fase dispersa, es decir, si las gotas permanecen como liquido y si las
condiciones son tales que las gotas se mantienen en esferas rígidas, la naturaleza
química de la fase dispersa tendrá un efecto mayor.
Otros factores son el volumen de la concentración de la fase dispersa, la naturaleza del
agente emulsificante y la capa precipitada en la interfase, el efecto electroviscos y como
se discutió antes la distribución del tamaño de partícula [5].
28
4. MATERIALES Y MÉTODOS
En esta investigación, se realizaron emulsiones con dos sistemas de agitación donde el
sistema 1 corresponde a las emulsiones con una relación Da/Dt de 0.56 y 0.70,
preparadas en el LIGHTNIN LabMaster. El sistema 2, corresponde a las emulsiones
preparadas en el Dispermat®, con una relación de Da/Dt de 0.83.
4.1 Reactivos
En las emulsiones de los sistemas 1 y 2 utilizaron los siguientes reactivos:
Tensoactivo
El tensoactivo empleado para la elaboración de las emulsiones fue de tipo SPAN-80®,
conocido como Sorbitan Monooleato de HLB 4.3; proporcionado por Croda de calidad
99.9%.
Este tensoactivo al tener un HLB bajo, debido a su larga cadena alquílica, se utiliza para
estabilizar emulsiones W/O.
Figura 31. Estructura molecular del SPAN-80®
Este tensoactivo es característico en las industrias de alimentos y formulación
farmacéutica. El SPAN-80® deriva de los azucares y aceites vegetales, conteniendo una
gran cantidad de isómeros, congéneres y homólogos con proporciones que varían según
la proveniencia [18].
Aceite
El aceite, la fase continua en las emulsiones, es un aceite mineral de calidad USP,
proporcionado por Químicos Campota.
O
OH OH
C
CH 2
OH
O C
O
CH 2 (CH 2 ) 5 CH 2 CH=CH CH 2 (CH 2 ) 6 CH 3
H O
OH OH
O O
OH OH
C
CH 2
OH
O C
O
CH 2 (CH 2 ) 5 CH 2 CH=CH CH 2 (CH 2 ) 6 CH 3
H
29
Dicho aceite proviene del craqueo del petróleo, y se presenta como un fluido incoloro,
inodoro y sin sabor. Los aceites minerales tipo USP están libres de componentes no
saturados, y pueden ser empleados como para alimentos, medicinas y cosméticos [18].
Agua
El agua de análisis o desionizada, la fase dispersa de las emulsiones, es proveído por la
Universidad de los Andes.
Nanopartículas
Las nanopartículas empleadas para las emulsiones del sistema 2 fueron de SiO2
sintetizadas [19] por el método de Stöber & Finck, a partir del TEOS (tetraetilortosilicato).
Dicho método consiste en dos reacciones: hidrólisis y condensación. Estas se
encontraban dispersas en una solución de etanol-agua 80:20 v/v, con una diámetro de
partícula de 146nm, cuya concentración de nanopartículas era de 2.35mg SiO2/mL.
Figura 14. Micrografía SEM de las nanopartículas [19]
Las nanopartículas de SiO2, ayudan a estabilizar las emulsiones tipo W/O ya que se
ubican en la interfase líquido-líquido, con ángulos mayores a 90°. [20]
4.2 Equipos
LIGHTNIN LabMaster L1U10F (Sistema 1)
Para la preparación de las emulsiones inversas concentradas, se dispuso del LIGHTNIN
LabMaster L1U10F. En dicho equipo, se empleaban dos tipos de agitadores, la propela A-
30
100 y la hélice Rushton, bajo velocidades de 1000 y 1247 rpm respectivamente; para así
mantener una velocidad periférica 3.32 m/s.
Figura 13. LIGHTNIN LabMaster L1U10F
Dispermat® (Sistema 2)
Para la preparación de las emulsiones de menor volumen (50ml), a las cuales se les
aplico las nanopartículas, se dispuso del Dispermat® VMA-GETZMANN GMBH D-51580
Reichshof. Este aplicaba como agitador la hélice Dentada, el cual se mantenía en una
velocidad periférica de 3.32 m/s.
Figura 14. Dispermat®
31
Reómetro
Para la caracterización de las emulsiones preparadas, se emplea el Reómetro ARG2 de
esfuerzo impuesto TA-Instruments con una geometría de discos paralelos PLATE
SSTST20 mm donde se mantuvo constante un “gap size” de 1000.
Figura 15. Reómetro ARG2 TA-Instruments
4.3 Proceso
El proceso de emulsificación implementado fue de tipo semi-batch, el cual consiste en una
etapa de incorporación de la fase dispersa, seguido de la etapa de homogeneización bajo
la misma condición de agitación establecida durante la incorporación (3.32 m/s).
Figura 16. Protocolo de emulsificación [21]
32
Las emulsiones del Sistema 1, fueron preparadas en tanques de agitación de capacidad
de 500ml, con una relación Da/Dt de 0.56 y 0.70 (Rushton y propela A-100,
respectivamente). Las emulsiones del sistema 2 fueron preparadas en tanques de
agitación de capacidad de 100ml, con una relación Da/Dt de 0.83 (hélice Dentada). El
volumen efectivo para el caso de las emulsiones del Sistema 2, fue de 50%; mientras que
para las del sistema 1 del 80%.
4.3.1 Variables del proceso
Las variables de proceso son aquellas condiciones inertes a como la emulsión es
preparada. Dichas variables son:
a. Velocidad periférica de agitación: es la velocidad a la que se somete una gota
en la punta del agitador. Su cálculo se obtuvo a partir de las revoluciones por
minuto (rpm) del sistema de agitación estipulada en la etapa de incorporación y
homogeneización. Dicha velocidad se mantuvo constante en 3.32 m/s.
b. Tipo de agitador: los agitadores empleados para la preparación y evaluación
de las emulsiones del sistema 1 fueron la propela A-100 y el agitador Rushton.
Respecto a las emulsiones del sistema 2, el agitador empleado fue la hélice
dentada.
c. Relación diámetro de agitador – diámetro de tanque (Da/Dt): la relación Da/Dt
depende del tipo de agitador y el tanque de agitación empleado para la
preparación.
Tabla 4. Tamaños y relación Da/Dt para cada agitador
Agitador Diámetro (mm) Da/Dt
A-100 63.5 0.70
Rushton 50.9 0.56
Dentada 39.6 0.83
Siguiendo el protocolo establecido por Pradilla & Alvarez los agitadores empleados
en las emulsiones del Sistema 1 fueron Rushton y propela A-100 con una relación
Da/Dt de 0.56 y 0.70 respectivamente. Para las emulsiones del Sistema 2, el
agitador empleado fue la hélice Dentada con una relación Da/Dt de 0.83.
33
Las hélices Rushton y Dentada, generan flujos radiales con altos cortes; mientras
que la propela A-100, genera flujos axiales.
Figura 17. Agitadores propelas A-100, hélice Rushton y hélice Dentada respectivamente
d. Caudal de incorporación de la fase dispersa (agua): para las emulsiones del
sistema 1, el caudal de incorporación fue de 1ml/s; mientras que para las
emulsiones del sistema 2 fue de 0.138ml/s.
e. Tiempo de emulsificación (etapa de homogeneización): para las emulsiones
del sistema 1, la etapa de homogeneización culminaba en el momento en el
que el torque lograba permanecer constante durante un minuto.
Para las emulsiones del sistema 2, durante la etapa de homogeneización se
incurrían en pequeños aumentos y disminuciones de la velocidad periférica,
con el fin de evitar la formación de cavernas y zonas muertas.
4.3.2 Variables de formulación
Las variables de formulación son conocidas como las condiciones inherentes de las
emulsiones que afectan las propiedades reológicas de ellas. Estas pueden modificar el
calibre de la viscosidad adquirida por la emulsión.
a. Concentración de la fase dispersa: hace referencia de la cantidad de agua que
se dispersa en la fase continua, que es el aceite. Para el sistema 1, se
utilizaron sistemas de fase dispersa de 80 y 85% p/p; mientras que para el
sistema 2 se mantuvo constante en 80%.
b. Porcentaje total del tensoactivo: es la cantidad de tensoactivo en la emulsión
respecto a la cantidad total de la emulsión. Este se mantuvo constante en 1%
p/p, sobre el peso total de la emulsión.
34
Tabla 5. Cantidades de los reactivos en cada emulsión respecto al porcentaje p/p de fase dispersa.
Fase dispersa
Volumen efectivo
del tanque (mL) Agua (g) Aceite (g) Tensoactivo (g)
80% 400 320 73.1 6.9
85% 400 340 53.9 6.9
80% 50 40 9.13 0.86
c. Cantidad de nanopartículas: las nanopartículas se utilizan para estabilizar las
emulsiones, ya que se ubican en la interfase líquido-líquido (agua-aceite), y
desorberse es energéticamente desfavorable. Estas nanopartículas, se agregaron
en la fase dispersa mediante dos metodologías:
Metodología A: dos soluciones de nanopartículas en agua desionizada con
trazas de etanol.
Metodología B: dos soluciones de nanopartículas en agua desionizada.
Las soluciones de la Metodología A fueron preparadas a partir de la solución inicial
de nanopartículas. Se prepararon dos soluciones de concentraciones diferentes:
57.32 μgSiO2/mL (Concentración 1) y 111.9 32 μgSiO2/mL (Concentración 2), a
partir de alícuotas de 5mL y 10mL respectivamente de la solución inicial y se
disolvieron en 200mL de agua desionizada.
La Metodología B consistió en evaporar por completo el solvente de la solución
inicial de nanopartículas, en una caja de guantes como medida de seguridad.
Posteriormente, se peso una cantidad similar de nanopartículas a las contenidas
en las soluciones de concentración 1 y 2, para luego ser disueltas en 200mL de
agua desionizada. Las concentraciones obtenidas fueron: 50μgSiO2/mL
(Concentración 3) y 100μgSiO2/mL (Concentración 4).
Tabla 6. Concentraciones de la fase dispersa con nanopartículas para la elaboración de las
emulsiones del sistema 2.
Metodología Nombre Concentración (μg/mL)
A Concentración 1 57.32
Concentración 2 111.93
B Concentración 3 50
Concentración 4 100
35
4.4 Caracterización de las emulsiones
Para la caracterización de las emulsiones de los sistemas 1 y 2, se realizaron dos tipos de
pruebas en el Reómetro ARG2: las oscilatorias (barrido por esfuerzo y frecuencia) y
pruebas en estado estacionario (viscosidad).
El proceso de caracterización se inicio con la prueba oscilatoria de barrido en frecuencia,
que va desde 0.1 a 100 rad/s, con un esfuerzo oscilatorio constante de 1Pa y 10Pa; con el
fin de hallar la zona de viscoelasticidad lineal (plateau), el cual se establece como el
sector donde el modulo de elasticidad es independiente a la frecuencia aplicada.
Figura 18. Barrido en frecuencia con el seguimiento durante una semana.
Luego de ubicar la zona del plateau, se realiza la prueba oscilatoria por barrido en
esfuerzo, bajo una velocidad constante estipulada por el barrido de frecuencia. Esta
prueba se realiza con el fin de hallar, igualmente, la región plateau que en este caso es
cuando el G’ se mantiene independiente del esfuerzo aplicado.
Figura 19. Barrido en esfuerzo con seguimiento durante dos semanas
36
Por último, se realizan las pruebas en estado estacionario o pruebas de flujo, para
observar el comportamiento de la viscosidad en función de la velocidad de deformación
(cizalla) y de esfuerzo, en un rango entre 0.01 y 100 s-1. El objetivo es determinar si la
emulsión preparada presenta o no un esfuerzo umbral, para poder ser ajustada a lo
establecido en la ley de potencias (ecuación 1).
𝜂 = 𝑚𝛾 𝑛−1 (7)
En donde 𝜂 es la viscosidad aparente de la emulsión, m es el parámetro de consistencia,
n-1 es el índice de potencias y 𝛾 la velocidad de cizalla.
4.5 Consumo energético
El sistema de agitación L1U10F LabMaster L1U10F mide el torque en función del tiempo;
a partir de esta información se puede obtener una gráfica de potencia en función del
tiempo donde el área bajo la curva es la energía consumida por unidad de volumen
durante el tiempo de emulsificación. El software utilizado para conocer el consumo
energético, se llama TableCurve®
Figura 20. Grafica característica del consumo energético encontrado en el LIGHTNIN L1U10F
Respecto a las emulsiones del sistema 2, el consumo energético no se considero como
una variable por evaluar, debido a la poca cantidad de estas; y debido a que el
Dispermat® no mide el torque por unidad de tiempo. Además, la finalidad de la
incorporación de las nanopartículas era conocer si la estabilidad de la emulsión inversa
concentrada se mantiene estable por más tiempo, que cuando su formulación solo tiene el
tensoactivo Span 80®.
37
5. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
5.1 Evaluación del consumo energético
El consumo energético, hace referencia a la energía consumida por unidad de volumen
durante todo el proceso de elaboración de la emulsión, esto incluye la etapa de
incorporación y la etapa de homogenización.
Tabla 4. Consumo energético por unidad de volumen según la cantidad de fase dispersa y el
agitador utilizado.
Energía por unidad de volumen (J/mL)
Emulsión Promedio Desviación
80- Propela 10.525 1.723
80- Rushton 10.489 0.315
85-Propela 13.792 0.308
85 Rushton 10.549 1.546
A partir de la Tabla4 se observa que el consumo energético es similar en todas las
emulsiones al utilizar diferentes variables en su elaboración: contenido de fase dispersa y
tipo de agitador. Sin embargo, la emulsión preparada con el agitador Propela A100, con
un contenido de fase dispersa de 85% (p/p), presenta un mayor consumo energético.
De acuerdo a los resultados obtenidos, se puede establecer que estos cumplen con la
primera parte de la hipótesis planteada por Pradilla & Álvarez [18], porque se obtienen
consumos energéticos similares al utilizar diferentes variables de proceso y formulación
manteniendo la misma velocidad periférica.
Estos consumos energéticos similares pueden explicarse debido un efecto de
compensación en los agitadores, ya que el agitador Propela A-100, proporciona un flujo
tipo axial que realiza una mayor circulación generando gotas en ambas etapas del
proceso de elaboración; mientras que el agitador Rushton se caracteriza por generar un
flujo radial el cual forma gotas más pequeñas durante la etapa de incorporación debido a
la fuerza de cizalla.
Debido que la formación de gotas con el agitador Rushton se da principalmente en la
primera etapa del proceso, y en la Propela A-100 durante las dos etapas del proceso. En
38
consecuencia, el agitador Rushton consume más energía en la primera etapa del proceso
mientras que el agitador Propela A-100 incrementa su consumo energético
paulatinamente, siendo mayor en la etapa de incorporación comparada con el agitador
Rushton (Figura 21). Por esta razón su consumo energético total es similar.
Figura 21. Gráfica característica de potencia contra el tiempo de los diferentes agitadores
utilizados.
Figura 22. Gráfica de potencia contra el tiempo de los diferentes agitadores utilizados para un
porcentaje de fase dispersa de 80.
0
2
4
6
8
10
12
14
0 60 120 180 240 300 360 420
Po
ten
cia
(J/s
)
Tiempo (s)
80-Propela
80-Rushton
39
Figura 23. Gráfica de potencia contra el tiempo de los diferentes agitadores utilizados para un
porcentaje de fase dispersa de 85.
Por otro lado, analizando el resultado obtenido en las emulsiones elaboradas con un
contenido de fase dispersa del 85% (p/p) y el agitador Propela A-100 (Figura 23), el flujo
axial generado por este agitador hace que se necesite un torque mayor para dispersar
mejor el contenido de agua, para así alcanzar una distribución homogénea de las gotas.
Además, esta situación puede ir acompañada del fenómeno de alargamiento, donde de
una gota se generan gotas de menor tamaño llevando a un mayor consumo energético
debido que la viscosidad del sistema aumenta y por tanto se necesita un torque mayor.
5.2 Pruebas Oscilatorias
5.2.1 Prueba Oscilatoria de esfuerzo
Al realizar el seguimiento con respecto al tiempo de las emulsiones elaboradas se puede
observar que el modulo elástico (G’) disminuye con respecto al tiempo en todas las
emulsiones estudiadas, las cuales presentan un comportamiento similar a la de la Figura
24.
Este fenómeno se debe a la coalescencia de las gotas las cuales al aumentar su tamaño,
el sistema va perdiendo su facultad de almacenar energía de esta forma perdiendo
elasticidad [22]. De la figura anterior se puede obtener el modulo elástico de la región de
viscoelasticidad lineal es decir G’ de la región de plateau.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 60 120 180 240 300 360 420 480
Po
ten
cia
(J/s
)
Tiempo (s)
85-Propela
85-Rushton
40
Figura 24. Seguimiento de la estabilidad por medio de pruebas Oscilatorias de esfuerzo durante
dos semanas a la emulsión W/O fracción p/p 80% preparada con el agitador Propela A-100
5.2.1.1 Sistema 1
En la Tabla 5 se encuentran resumidos los datos obtenidos del cambio del módulo
elástico con el tiempo de las emulsiones preparadas con el sistema de agitación 1.
Tabla 5. Seguimiento del modulo elástico en la prueba Oscilatoria de esfuerzo
Modulo de Elasticidad G' (Pa)
Semana Preparación 1 2 3
Emulsión
80% A-100 297.6 ± 44.8 88,3 ± 6,8 64,2 ± 10,01 63.7
85% A-100 485,2 ± 83,9 108,1 ± 12,8 70 61,5 ± 12
80% Rushton 171,2 ± 10,7 86,11 ± 2,8 69.6 48,7 ± 6,9
85% Rushton 465,1 ± 42,1 108,8 ± 5,04 81,6 ± 1,2 71
De acuerdo a esta tabla, se puede ver que al aumentar la fracción p/p de fase dispersa,
mayor es el módulo elástico y este decae con el tiempo siendo más rápido en la primera
semana. Este fenómeno se debe a que mayor cantidad de fracción de fase dispersa
mayor será el numero de gotas dispersas y menor su tamaño lo cual hace que se
almacena más energía, haciendo que el modulo elástico aumente.
Por otro lado, el cambio de G’ con el tiempo en la primera semana es muy grande ya que
estos sistemas son muy inestables debido al alto porcentaje de fase dispersa, sin
embargo, las emulsiones con valores superiores de fracción p/p de fase dispersa (85%),
41
sufren un mayor decaimiento en el G’, respecto a las de menor fracción p/p de fase
dispersa (80%) (Figura 25). Este fenómeno se debe al aumento de la fracción (p/p) de
fase dispersa ya que las gotas ya no puede mantener formas esféricas sino poliédricas
separadas por películas de aceite. Debido a este fenómeno las emulsiones serán más
propensas a la coalescencia, desestabilizando más rápido el sistema [22].
De la Figura 25 se puede observar que el agitador propela A-100 genera una mayor
dispersión de las gotas que el agitador Rushton, debido al fenómeno de alargamiento
explicado anteriormente. Además este agitador, Propela A100, presenta agitación axial y
menores zonas muertas con respecto al agitador Rushton que genera un flujo radial. Sin
embargo, esta diferencia no es muy grande con respecto a las emulsiones de 85% de
fase dispersa, pero las demás propiedades reológicas evaluadas, que se encuentran más
adelante, muestran características diferentes entre estas emulsiones lo cual no las hace
similares.
Figura 25. Seguimiento del módulo elástico (G`) de las emulsiones estudiadas durante 3 semanas.
Por otro lado, el modulo elástico (G’) no se ve afectado por el tipo de agitador a medida
que pasa el tiempo dado que las emulsiones tiende a tener un G’ similar (Figura 25). Este
resultado puede explicarse de acuerdo a lo reportado por Álvarez O. 2006 [22] donde
explica que la variación del módulo de elasticidad en el tiempo depende primordialmente
de la concentración del tensoactivo utilizado y no del sistema de agitación aplicado.
42
De acuerdo a los resultados obtenidos en este trabajo, no se llego a la misma hipótesis
planteada por Pradilla & Álvarez 2009 [18] ya que el valor de G’ en el día de la
elaboración cambia dependiendo del agitador así haya consumido una cantidad de
energía similar; pero con el tiempo dicha influencia no es significativa.
Tabla 6. Seguimiento del modulo elástico a las 24 horas de la preparación de las emulsiones.
Modulo de elasticidad Diferencia
Emulsión a las 24 horas %
80% A-100 129.2 51.43
80% Rushton 150.81 15.61
Estos mismos resultados se pueden observar con las pruebas realizadas a las 24 horas
(Tabla 5) donde se observa que G’ disminuye rápidamente y empieza a ser similar, esto
se debe a la formación de gotas poliédricas mencionadas anteriormente.
5.2.1.2 Sistema 2
Para evaluar el efecto que tiene el cambio de formulación, al agregar diferentes
concentraciones de nanopartículas sobre la estabilidad de las emulsiones, se procedió a
elaborar emulsiones de menor volumen (50ml).
Para obtener las emulsiones, se realizaron diversas pruebas para conocer con que
variables se lograba obtener una emulsión reproducible. De estas pruebas se obtuvo que
la relación Da/Dt óptima era 0.83 para una fracción (p/p) del 80% de fase dispersa. Para
la fracción (p/p) de 85% de fase dispersa no se obtuvo una emulsión reproducible, ya que
su desviación en el módulo de elasticidad (G´), con su réplica, fue de 178,07 Pa. (Tabla
6).
La razón por la cual en estas emulsiones se empleo una relación Da/Dt igual a 0.83, se
debe a que se están elaborando emulsiones con un agitador Dentado el cual tiene un
corte muy alto produciendo un flujo radial. De acuerdo a esto, según la literatura, para
este tipo de agitadores se recomienda aumentar la relación Da/Dt por efectos de un buen
mezclado [10].
43
Tabla 7. Valores del G’ en la prueba de barrido por esfuerzo, respecto a cada emulsión
Fase dispersa de la Emulsión Da/Dt Modulo de Elasticidad [G' (Pa)]
80% 0.83 618.1 ± 49.9
80% 0.59 584.8 ± 178.07
85% 0.83 774.4 ± 131.5
A partir de la Tabla 7, se puede observar que el modulo de elasticidad se ve altamente
afectado debido al uso del agitador dentado y la metodología utilizada para evitar el
efecto caverna; ya que el G’ es mayor respecto a las emulsiones elaboradas con el
Sistema 1 lo que indica una dispersión de gotas diferente.
Respecto al efecto que tienen las nanopartículas sobre las emulsiones, se observa que
estas logran generar una mayor dispersión de gotas debido que el G’ es mayor que el de
las emulsiones sin nanopartículas, indicando que hay una mayor formación de gotas las
cuales están siendo estabilizadas por las nanopartículas de SiO2. Adicionalmente, se
observa que a menor número de nanopartículas mayor es la estabilidad sobre el sistema.
Esto puede deberse a un exceso de nanopartículas en el sistema, ya que no solo se
ubicarían en la interfase sino también en alguna de las fases, propiciando a una posible
desestabilización.
Tabla 8. Módulos de elasticidad respecto al tiempo (Sistema 2)
Modulo de Elasticidad G' (Pa)
Semana Preparación 1 2 3
Emulsión
Sin Nanopartículas 618.1 ± 49.9 69.9 47.3 ± 9.12 34.6 ± 5.4
Concentración 1 1046.3 ± 104.5 87.3 ± 3.3 65.9
Concentración 2 667.5 ± 78.4 79 ± 1.5 60.9
Concentración 3 883.5 69.15
Concentración 4 805.5 62.93
Por otro lado, comparando los resultados del G’ de las emulsiones con concentración 1 y
3, se aprecia que hay un gran efecto del etanol sobre la estabilidad de la emulsión, el
cual podría estar enmascarando el efecto de las nanopartículas; debido que la presencia
de etanol en una emulsión estabilizada con nanopartículas sintetizadas a partir de TEOS,
44
ayuda a disminuir la tensión interfacial ya que es una molécula anfifílica y por tanto, ayuda
a la formación de un número mayor de gotas dispersas. [23]
A medida que pasa el tiempo de almacenaje, se observa que la estabilidad de las
emulsiones con nanopartículas y trazas de etanol se mantiene mas, ya que el G’ es mayor
que el de la emulsión sin nanopartículas. Sin embargo, para las emulsiones de
concentración 3 y 4 no se observa que ayuden a estabilizar más las emulsiones con el
tiempo respecto a las que no tiene nanopartículas Esto puede deberse a un fenómeno de
desorción de las nanopartículas en la interfase debido que presentan un diámetro muy
grande debido que los reportados se encuentran entre 50 y 20nm [2, 3, 23].
En la Tabla 8, se encuentra el cambio de G’ pasado las 24 horas de su elaboración,
donde se observa que estas emulsiones son altamente inestables ya que su G’ varía muy
rápido con el tiempo.
Tabla 9. Modulo de elasticidad: análisis de 24 horas (Sistema 2).
5.2.2 Pruebas en Estado Estacionario
Figura 26. Seguimiento de la viscosidad durante dos semanas a la emulsión W/O fracción p/p 80%
preparada con el agitador Propela A-100
Modulo de Elasticidad G' (Pa)
Emulsión 24h Diferencia (%)
Concentración 1 233.3 79.17
Concentración 2 187.7 69.33
Sin Nanopartículas 131.6 85.81
45
La Figura 26 confirma lo que se ha mencionado anteriormente acerca de la coalescencia
de las gotas, porque en las emulsiones concentradas la viscosidad aumenta al disminuir
el tamaño promedio de las gotas [5], lo cual es observado a medida que pasa el tiempo de
almacenamiento.
5.2.2.1 Sistema 1
Las siguientes tablas muestran los valores de los parámetros n y m, de la ley de potencia,
obtenidos al ajustar los resultados de las diferentes pruebas de flujo realizadas a las
emulsiones con una relación Da/Dt de 0.56 y 0.70.
Tabla 10. Valores del parámetro n de la ley de potencia en las pruebas estacionarias realizadas
(Sistema 1)
Semana Emulsión Preparación semana 1 semana 2 semana 3
80% - Propela 0.2833 ± 0.02 0.3570 ± 0.009 0.3810 ± 0.008 0.3830 ± 0.012
80% - Rushton 0.3150 ± 0.01 0.3555 ± 0.001 0.381 0.3925 ± 0.001
85% - Propela 0.2340 ± 0.23 0.3410 ± 0.02 0.344 0.3795 ± 0.005
85% -Rushton 0.2897 ± 0.02 0.3315 ± 0.001 0.3640 ± 0.001 0.381
Tabla 11. Valores del parámetro de consistencia (m) en las pruebas estacionarias realizadas
(Sistema 1)
Semana Emulsión Preparación 1 2 3
80%- Propela 38.3068 ± 2.98 16.5780 ± 0.77 14.4965 ± 1.63 12.5730 ± 0.79
80%-Rushton 29.2062 ± 2.17 15.475 ± 0.80 12.06 10.6455 ± 0.45
85%- Propela 67.9303 ± 9,98 21.5923 ± 1.62 18.027 12.864 ± 2.08
85%- Rushton 47.9757 ± 12.74 20.700 ± 0.16 18.865 ± 1.70 14.447
46
Figura 27. Seguimiento del parámetro n de la ley de potencia de las emulsiones estudiadas
durante 3 semanas (Sistema 1).
De acuerdo a lo establecido por la ley de potencias, al disminuir el parámetro de
consistencia (m) nos indica que la emulsión se está volviendo más fluida a medida que
pasa el tiempo; de forma similar, el parámetro de ley de potencias (n) al aumentar nos
indica que las emulsiones están perdiendo carácter pseudoplástico.
Figura 28. Seguimiento del parámetro de consistencia m de la ley de potencia de las emulsiones
estudiadas durante 3 semanas (Sistema 1)
Analizando las emulsiones realizadas bajo este criterio de la ley de potencias, se observa
que el agitador que genera mayor dispersión de gotas, y por ende propiciando un mayor
carácter pseudoplastico y menor fluidez, es la propela A-100. Sin embargo, se observa
47
que con el paso del tiempo, las emulsiones presentan una independencia en el
mantenimiento de su estabilidad respecto al agitador empleado. Esto se comprueba
debido a que alcanza a obtener características reológicas similares; donde el carácter
pseudoplástico y la fluidez de todas las emulsiones se va haciendo semejante, ya que la
coalescencia en las emulsiones es tanta que alcanzan las mismas características.
Tabla 12. Seguimiento de los parámetros de la ley de potencia y de consistencia a las 24 horas de
ser preparadas las emulsiones y su diferencia con respecto a su valor inicial (Sistema 1).
24 h Diferencia 24 h Diferencia
Emulsión N % m %
80%- Propela 0.287 0.13 26.67 30.38
80% - Rushton 0.324 4.52 22.85 17.94
Al realizar las pruebas en estado oscilatorio, luego de 24 horas de elaboración, se pudo
observar que las propiedades reológicas cambian significativamente, indicando que en
este tipo de emulsiones el carácter pseudoplástico y la fluidez cambian desde el momento
que se les deja de aplicar una fuerza.
5.2.2.2 Sistema 2
Tabla 13. Valores del parámetro n de la ley de potencias en las pruebas estacionarias realizadas
para emulsiones del Sistema 2
Semana Emulsión Preparación semana 1 semana 2
Sin Nanopartículas 0.300 0.347 0.393
Concentración 1 0.2080 ± 0.024 0.356 ± 0.008 0.396
Concentración 2 0.2070 ± 0.004 0.4015 ± 0.001 0.399
Concentración 3 0.212 0.365
Concentración 4 0.221 0.374
Al preparara las emulsiones con nanopartículas, se observo que el carácter
pseudoplástico aumenta en el momento de la elaboración. Sin embargo, al cabo de una
semana las emulsiones realizadas con nanopartículas presentan un menor carácter
pseudoplástico, respecto a las que son sin nanopartículas. La razón por la cual se
48
presenta dicho fenómeno puede deberse a un mayor contenido en etanol y/o mayor
contenido de nanopartículas.
Tabla 14. Seguimiento del parámetro de consistencia (m) a las 24 horas de ser preparadas las
emulsiones y su diferencia con respecto a su valor inicial (Sistema 2).
Semana Emulsión Preparación semana 1 semana 2
Sin Nanopartículas 110.3 14.854 12.14
Concentración 1 83.3410 ± 15.68 18.7990 ± 2.24 13.572
Concentración 2 69.3730 ± 2.59 16.3920 ± 0.08 12.581
Concentración 3 89.01 15.539
Concentración 4 65.996 12.522
Por otro lado, respecto a la fluidez, las emulsiones sin nanopartículas muestran ser
menos fluidas respecto a las emulsiones con nanopartículas (de la Metodología A y B). No
obstante, al cabo de una semana de almacenamiento, se observa que la emulsión de
nanopartículas presenta mayor fluidez que aquellas que no contienen nanopartículas,
excepto la emulsión con concentración 4. Esto indica que existe la posibilidad que la
cantidad de nanopartículas adicionadas en la emulsión de la concentración 4, es excesiva
y lo que esto está propiciando es una desestabilización del sistema.
49
6. CONCLUSIONES
Al evaluar el consumo energético por unidad de volumen respecto a la composición de la
fase dispersa y la geometría del sistema de agitación, se encontró que existe una
compensación en los efectos entre los agitadores debido a que el agitador Rushton
consume más energía en la etapa de incorporación, y la Propela consume más energía
en la etapa de homogenización. Sin embargo, para las emulsiones 85% de fase dispersa
preparadas con el agitador Propela, su consumo de energía es mayor debido al efecto del
alargamiento.
Cuando se evaluaron las propiedades reológicas se observo que el sistema de agitación
no influye en el tiempo sobre la estabilidad de las emulsiones, pero si en el día de
elaboración donde la propela A-100 presenta una mayor distribución de gotas, el cual se
representa con el aumento en el valor del módulo elástico y el carácter pseudoplástico, y
con la disminución de la fluidez.
Al analizar el efecto de las nanopartículas sobre la estabilidad del sistema, se encontró
que estas ayudaban a mantener la estabilidad cuando se encontraban dispersas en una
solución con trazas de etanol. Además, se presenta una mejor estabilidad en el tiempo a
menores concentraciones de nanopartículas dispersas en las emulsiones (50μg/mL).
Por último, el efecto de la estabilidad en las emulsiones de los Sistemas1 y 2 no pueden
ser comparadas por el hecho que estas fueron realizadas bajo diferentes agitadores ya
que el agitador dentado no muestra relación con efecto generado por la propela A-100 y la
hélice Rushton.
50
7. RECOMENDACIONES
Los siguientes puntos son recomendaciones para la continuación de la investigación de
este proyecto de grado:
Investigar sobre la influencia del caudal de agua para las emulsiones preparadas
en el Dispermat® .
Evaluar la estabilidad de las emulsiones con una concentración de nanopartículas
inferior a 100μg/mL para nanopartículas de SiO2 con diámetro de 146nm.
Estudiar la estabilidad de las emulsiones con nanopartículas de diámetros
inferiores a los 146nm.
Investigar el efecto del Da/Dt y el uso de otros agitadores (Rushton o A-100) para
las emulsiones con nanopartículas.
Evaluar el efecto de un mayor tiempo de la etapa de homogeneización en el
Sistema 1.
Evaluar el efecto de una solución de etanol-agua sobre la estabilidad de las
emulsiones
51
8. REFERENCIAS
[1] Choplin, L., Marchal, P., Sadtler, V., Della Valle, D. Emulsification. Capitulo 5.
[2] Butt, H., Graf, K., Kappl, M. (2003) Physics and Chemistry of Interfaces. Wiley-VCH
Verlag & Co. Egaa. Alemania. Chapter 12.
[3] Arranberi, I. (2009). Emulsiones Estabilizadas por Nanopartículas para Formulaciones
de Productos Agroquímicos. Surfactant & Colloid Group, University of Hull. Revista
Iberoamericana de Polímero.
http://www.ehu.es/reviberpol/pdf/ENE09/aranberri.pdf. Citado en Abril 2009.
[4] Aranberri, B.P. Binks, J.H. Clint, P.D.I. Fletcher. (2006) Elaboración y caracterización
de emulsiones estabilizadas por polimeros y agentes tensioactivos. The University of Hull.
Revista Iberoamericana de Polímeros, Volumen 7(3).
http://www.ehu.es/reviberpol/pdf/AGO06/aranberri.pdf. Citado en Abril 2009.
[5] Becher, P (1957). Emulsions: Theory and Practice. Reinhold Publishing Corporation.
NY. Chapter 3,6.
[6] Rudiger, B. (2006). Rheology Essentials of Cosmetic and Food Emulsions. Springer
Germany.
[7] Nope, A. Ordoñez, A, O. Alvarez (2007). Comparación entre procesos Batch y Semi-
Batch en la producción de una emulsión concentrada agua en aceite. Universidad de los
Andes. Bogotá, Colombia.
[8] Babak, V. Stébé, M. Fa, N. Physico-chemicla Model for Molecular Diffusion from Highly
Concentrated Emulsions. Russian Academy of Sciences, Mendeleev Commun: 254-256.
[9] Fasano, J., Dickey, D. (2004). How Geometry and Viscosity Influence Mixing. Chemical
Engineering: 42-46.
52
[10] Wyczalkowski, W. (2004). How Fluid Properties Affect Mixer & Impeller Design.
Chemical Engineering: 43-47
[11] Torres, S (2009) Estudio de la estabilidad temporal de emulsiones inversas altamente
concentradas mediante la variación de la relación aceite: tensoactivo y la velocidad de
agitación. Universidad de los Andes. Bogotá, Colombia.
[12] Balinov, B. Linse, P. Söderman, O. Diffusion of the Dispersed Phase in a Highly
Concentrated Emulsion: Emulsion Structure and Film Permeation. Journal of Colloid and
Interface Science, Vol. 182, paginas 539-546.
[13] Rodríguez L. (2007) Emulsiones y Espumas, Sistemas Coloidales en Farmacia.
Universidad de Salamanca
http://www.usal.es/~licesio/Sistemas_Coloidales/SC04_2007.pdf Citado en Abril 2009
[14] Salager, J., Antón, R., Anderez, J., Aubry, J. (2001) Formulación de Microemulsiones
por el Método del HLD. Traducido de Techniques de l’Ingénieur, Vol. Génie des Procédés,
artículo J2 157, 1-20
http://www.firp.ula.ve/archivos/cuadernos/Formulaci%C3%B3n_M%C3%A9todo_HLD.pdf
Citado en Abril 2009.
[15] Salager JL (1999): Cuaderno FIRP S747B: Formulación, composición y fabricación
de emulsiones para obtener las propiedades deseadas. Estado del arte. Parte A.
Introducción http://www.firp.ula.ve/cuadernos/S747B.pdf. Citado Abril 2009.
[16] Malvern Instruments Ltd. Colloid Stability. Imagen tomada de:
htpp://www.malvern.com/LabEng/industry/colloids/colloids_stability.htm. Citado Septiembre 2009
[17] Maccabe, W. (2007) Operaciones Unitarias en Ingeniería Química. Edición 7.
[18] Pradilla Ragua, D. & Alvarez, O. (2009). Influencia De La Geometria Del Sistema De
Agitacion Sobre El Comportamiento Reologico, La Viscosidad Y La Distribucion De
Tamaño De Gota De Emulsiones Inversas Altamente Concentradas. Universidad de los
Andes.
53
[19] Galvis A., Vargas W.L., Gómez J.M. (2009) Proyecto especial: Estudio Exploratorio
Del Efecto De Nanopartículas Sobre El Equilibrio Líquido Vapor En Sistemas
Azeotrópicos. Departamento de Ingeniería Química Universidad De Los Andes, Bogotá,
Colombia.
[20] Prestidge, C. & Simovic, S. (2006). Nanoparticle Encapsulation of Emulsion Droplets.
International Journal of Pharmaceutics. University of South Australia.
[21] Paruta, E. (2008). Emulsiones Geles: Influencia de la Formulación y Fracción de Fase
Dispersada Sobre Sus Propiedades Reologicas y Estabilidad [Tesis de Maestria].
Venezuela: Universidad de los Andes.
[22] Alvarez O. (2006) Émulsion inverses très concentrées: influence du procédé et de la
formulation sur leurs propriétés rhéologiques [tésis doctoral]. Francia: Institut National
Polytechnique de Lorraine.
[23] Esquena, J. Solans, C. (2001). “Phase changes during silica particle fomrmation in
water-in-oil emulsions”. Colloids and Surfeces A : Physicochemical and Engineering
Aspects 183-185 533-540
