DESCRIPCIÓN

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se relaciona con un método para la obtención de partículas porosas basadas en una composición de matriz, las cuales resultan de un proceso híbrido de pulverización por secado-enfriamiento aplicado a una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz no solubilizada y en estado fundido. La presente invención se refiere a un método de obtención de partículas porosas sin i) el uso excesivo de solventes para solubilizar la matriz, y mas particularmente de solventes orgánicos para solubilizar matrices no solubles en agua; así como ii) el uso de post-procesos para la remoción de solventes y generación de una estructura de poros en las partículas, lo que representa una reducción en el consumo de energía y tiempos de procesamiento. Las partículas obtenidas con el método de la presente invención, presentan una estructura poros y baja densidad, por lo que es deseable en aplicaciones de la industria de alimentos, cosméticos, medicina, agricultura, plásticos, pinturas, textiles, entre otras.

ANTECEDENTES

Numerosos aditivos y productos utilizados en la industria de alimentos, cosméticos, medicina, agricultura, plásticos, pinturas, textiles, entre otras, son basados en micropartículas. Generalmente, las mlcropartículas se refieren a partículas finas con un tamaño entre aproximadamente 0.1 a 150 mieras; las cuales en grandes cantidades, son a menudo referidas como polvos. En décadas anteriores, las micropartículas se habían visto como simples sistemas sin características morfológicas sofisticadas. Sin embargo, se ha probado que la inclusión de nuevas características morfológicas, tales como variación en tamaño, forma, porosidad, textura, entre otras, podrían impartir nuevas propiedades y funcionalidades de gran beneficio para distintas aplicaciones en la industria. Por lo tanto, es deseable el desarrollo de métodos que provean de partículas con nuevas características morfológicas y propiedades funcionales. Una de las características morfológicas deseables para dichas partículas comprende la formación de una estructura porosa. La porosidad en un material se refiere a la formación de huecos o cavidades en el interior y/o exterior de la partícula. Esta característica morfológica permite generar materiales de baja densidad, alta solubilidad y/o absorción de componentes, lo cual es deseable para el desarrollo de distintas aplicaciones en la industria y demás campos emergentes (R. Vehring, Pharmaceutical Research, Vol. 25, No. 5, p. 999-1022; Qian y Zhang, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Vol. 86, No. 2, p. 172-184; Nandiyanto y Okuyama, Advanced Powder Technology, Vol. 22, No. 1 , p. 1-19). La formación de este tipo de estructuras involucra el desarrollo de métodos que permiten la remoción de solventes presentes en una formulación constituida por una matriz, lo que resulta en un material sólido de matriz porosa. Dentro de los métodos mas utilizados en el estado del arte, se encuentran los métodos de “una sola fase” y de “emulsión”, en los cuales la matriz se encuentra en forma solubilizada. Se conoce que el método de“una sola fase” comprende la preparación de una solución o dispersión donde la matriz es solubilizada en un solvente o mezcla de solventes; mientras que el método de “emulsión” consiste en la formación de una emulsión que comprende: i) una solución de una matriz solubilizada en un primer solvente, la cual forma la fase continua de la emulsión, y ii) un segundo solvente el cual es inmiscible con el primer solvente y el cual forma la fase dispersa de la emulsión.

Posteriormente, el solvente contenido en estas soluciones y emulsiones es removido mediante procesos de secado que involucran la formación previa de partículas discretas. En el contexto de la presente invención, las partículas discretas se refieren a partículas, gotas o fibras, las cuales resultan de la aplicación de fuerzas de corte disruptivas sobre la solución o emulsión. En este contexto, los procesos de secado que involucran la formación previa de partículas discretas, mediante un proceso de atomización, son mayormente utilizados debido a las ventajas que presentan en cuanto a menor consumo de energía y tiempo de procesamiento, en comparación con métodos convencionales de secado en masa como liofilización ( freeze-drying ) (Qian y Zhang, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, 2011 , Vol. 86, No. 2, p. 172-184; Nandiyanto y Okuyama, Advanced Powder Technology, 2011 , Vol. 22, No. 1 , p. 1-19; patente U.S. No. 6,103,269) y extracción con solvente (ver por ejemplo la patente U.S. No. 5,407,609). Dentro de los procesos de secado que involucran la formación previa de partículas discretas mediante atomización, se encuentran el secado por atomización (conocido en el idioma inglés como: spray drying ) y el secado por atomización y congelamiento (conocido en el idioma inglés como: spray freeze- drying). Estos procesos son utilizados para la obtención de partículas porosas a partir de sistemas de“una sola fase” y de“emulsión”, en los cuales la matriz se encuentra en forma solubilizada.

Se conoce que el proceso de secado por atomización, se caracteriza porque una cantidad de energía o calor es transferido a las partículas discretas formadas (es decir, estas absorben calor), permitiendo la remoción del solvente mediante evaporación (Anandharamakrishnan, C. (Ed)., Handbook of Drying for Dairy Products, 2017, p. 57-74, John Wiley & Sons). Por ejemplo, la solicitud de patente U.S. No. 2010/0092453 describe un proceso para la obtención de micropartículas porosas con distinta características de poro, a partir de un sistema de“una sola fase”, constituido principalmente de una composición de matriz orgánica solubilizada en una mezcla de solventes volátiles (acuosos y/o orgánicos); la cual se somete a un proceso de secado por atomización, obteniendo micropartículas porosas substancialmente libre de solventes. A través de dicha patente, se pueden obtener micropartículas porosas con distintas características morfológicas de poro en función de la composición de la mezcla de solventes volátiles que se utilice.

Por otra parte, en el proceso de secado por atomización y congelamiento, una cantidad de energía o calor es removido de las partículas discretas formadas, permitiendo el congelamiento del solvente y posterior remoción del mismo mediante métodos que comprenden sublimación (Anandharamakrishnan, C. (Ed)., Handbook of Drying for Dairy Products, 2017, p. 123-132, John Wiley & Sons). Por ejemplo, las solicitudes de patente U.S. No. 2004/0042971 y U.S. No. 2011/0243996 describen un proceso para la obtención de micropartículas porosas con distinta características de poro, a partir de formulaciones acuosas constituidas de una matriz orgánica solubilizada e ingredientes bioactivos. La atomización de las formulaciones acuosas generan partículas discretas, las cuales son congeladas por inmersión en un fluido criogénico o refrigerante (nitrógeno líquido, solvente orgánico frío, entre otros). Posteriormente, las partículas congeladas son sometidas a post-procesos para la remoción del solvente, tales como liofilización y de lecho fluidizado, obteniendo micropartículas con morfología de poros. La patente U.S. No. 5,102,983 y solicitud de patente U.S. No 2017/0258726 describen procesos similares para la formación de micropartículas con estructura porosa. Por otra parte, la solicitud de patente U.S. No. 2008/0075777 describe un proceso para la obtención de micropartículas porosas con distinta características de poro, a partir de formulaciones en forma de solución, dispersión y/o emulsión que comprenden de una matriz orgánica solubilizada (en un solvente acuoso y/o orgánico) e ingredientes activos. La atomización de las formulaciones acuosas generan partículas discretas, las cuales son congeladas al entrar en contacto directo con gas frío o un fluido criogénico, el cual se encuentra contenido en un reservorio para las micropartículas. Posteriormente, las partículas congeladas son sometidas a post-procesos para la remoción del solvente, tales como la inmersión en un medio anti-solvente para generar la morfología de poros, donde dicho medio puede estar contenido dentro del mismo reservorio.

El aparato desarrollado en la patente U.S. No. 2008/0075777 permite circular gas caliente en la proximidad de la punta de atomización, con la finalidad única de evitar el congelamiento de las partículas discretas sobre la punta de atomización, las cuales puedan obstruir el proceso continuo de atomización. La circulación de gas caliente en la proximidad de la punta de atomización permite generar una zona de transición térmica gradual entre la punta de atomización y el gas frío proveniente del reservorio, el cual permite la evaporación parcial del solvente contenido en las partículas discretas.

Por otra parte, la solicitud de patente U.S. No. 2009/0142401 describe un proceso para la obtención de micropartículas porosas a partir de formulaciones acuosas constituidas de una matriz (referida a alcoholes de azúcar o polioles) solubilizada en agua. En dicha patente, los inventores mencionan que durante la atomización de una formulación de alcoholes de azúcar o polioles, solubilizados en agua a alta temperatura, parte del agua puede ser evaporada debido al choque térmico entre las partículas discretas calientes con el gas frío, permitiendo la obtención de micropartículas congeladas con estructura de poros. Posteriormente, las partículas congeladas son sometidas a post- procesos para la remoción del solvente residual.

Sin embargo, la obtención de micropartículas porosas a partir de matrices solubilizadas, mediante los procesos de secado por atomización descritos anteriormente, aún presentan desventajas en cuanto a: i) uso de solventes para solubilizar la matriz, y mas particularmente de solventes orgánicos para solubilizar matrices no solubles en agua; ii) el requerimiento de post-procesos para la remoción total de los solventes, lo que derivan en iii) un alto consumo de energía y tiempos largos de procesamiento.

En el estado del arte, se encuentra el proceso de pulverización por enfriamiento (conocido en el idioma inglés como: spray chilling, spray cooling o spray congealing ), por medio del cual se obtienen micropartículas sólidas a partir de formulaciones de matrices no solubilizadas en estado fundido (Okuro y col., Food Technology and Biotechnology, 2013, Vol. 51 , No. 2, p. 171-182). En este proceso, la matriz se encuentra en estado fundido bajo una condición de fluidez, es decir en ausencia de solventes que puedan solubilizarla, el cual permite la formación de partículas discretas que resultan de la aplicación de fuerzas de corte disruptivas mediante un proceso de atomización. El proceso de pulverización por enfriamiento, se caracteriza porque una cantidad de energía o calor es removido desde la partícula discreta formada, generando una solidificación de la partícula por debajo de su punto de fusión o condición de fluidez.

En el estado del arte se encuentran algunos procesos de pulverización por enfriamiento para la obtención de micropartículas sólidas, a partir de dispersiones y composiciones conteniendo pequeñas cantidades de agua, constituidas de una matriz no solubilizada en estado fundido. Por ejemplo, la solicitud de patente U.S. No. 2017/0143017 describe un proceso de pulverización por enfriamiento para la obtención de micropartículas sólidas constituidas de entre un 55 a 75 % en peso de una matriz de cera o grasa y demás ingredientes activos dispersos en la matriz. En este proceso, la matriz de cera o grasa es previamente calentada por encima de su punto de fusión (entre 40 a 85 °C) para alcanzar un estado fundido. Después, los ingredientes activos son adicionados a la matriz de cera o grasa para obtener una dispersión. La mezcla obtenida en estado fundido es posteriormente atomizada dentro de una cámara, donde las partículas discretas formadas entran en contacto directo con un flujo de gas lo suficientemente frió para enfriar y solidificar dichas partículas, obteniéndose micropartículas sólidas con un diámetro de entre 50 a 1000 mieras. Dicha solicitud de patente, describe que durante el proceso de atomización, las partículas sólidas pueden acumularse sobre la punta de atomización, debido al enfriamiento rápido de las partículas discretas al entrar en contacto con aire frió, lo cual puede obstruir el proceso continuo de atomización. Para evitar esto, en dicho proceso se introduce una pequeña corriente de aire caliente desde la parte superior de la cámara de atomización, la cual genera una zona de transición térmica suave entre la zona de atomización y la zona de enfriamiento. Por otra parte, en dicha solicitud de patente, se menciona además que las micropartículas obtenidas pueden contener algunos aditivos o agentes auxiliares para mejorar la estabilidad física, de almacenamiento y percepción visual de las micropartículas, los cuales pueden estar presentes entre un 0 a 5 % en peso total de la micropartícula. Sin embargo, el proceso descrito en dicha solicitud de patente no revela ni sugiere procesos, parámetros de formulación o condiciones de operación para la obtención de micropartículas con estructura de poros a partir de matrices no solubilizadas. Por otra parte, la solicitud de patente U.S. No. 2005/0186285 describe un proceso para la obtención de micropartículas sólidas mediante un proceso de pulverización por enfriamiento, a partir de una dispersión de componentes farmacéuticos, agentes solubilizadores y de movilidad, en una matriz acarreadora en estado fundido. En dicha patente, la mezcla en estado fundido es atomizada empleando un atomizador de disco giratorio, donde las partículas discretas formadas entran en contacto directo con un flujo de gas lo suficientemente frió para enfriar y solidificar dichas partículas, obteniéndose micropartículas sólidas. Posteriormente, las micropartículas sólidas obtenidas son sometidas a un proceso de post-tratamiento térmico, con la finalidad de inducir cambios en la cristalinidad, porosidad y morfología de la partícula, por acción de los agentes de movilidad incorporados previamente en la formulación, tales como agua, alcoholes y demás solventes en los que la matriz no es soluble. Dicha solicitud de patente, describe condiciones de proceso que permiten retener los agentes de movilidad en la composición de la micropartícula después del proceso de atomización y recolección de polvos, los cuales permiten la posterior modificación morfológica de las micropartículas. Es decir, el flujo de alimentación se encuentra a una temperatura lo suficientemente alta para mantener la condición de estado fundido o fluidez y evitar la pérdida de solvente, debido a la remoción de calor desde las partículas discretas formadas por acción de la corriente de aire de enfriamiento. Del proceso de pulverización por enfriamiento, se conoce que debido al choque térmico entre las partículas discretas calientes con el gas de enfriamiento, puede ocurrir la evaporación del solvente presente en dichas partículas por efecto de la remoción del calor; sin embargo, se ha demostrado que este proceso no tiene efectos significativos sobre la morfología de la micropartícula obtenida, cuando el contenido de agua es menor a un 10% en peso de agua (Okuro y col., Food Technology and Biotechnology, 2013, Vol. 51 , No. 2, p. 171-182; I. Ghebre-Sellassie y col., Encyclopedia of Phamaceutical

Technology, 2006, Vol. 11 , p. 369-394). De igual manera, el proceso descrito en la solicitud de patente U.S. No. 2005/0186285 no revela ni sugiere procesos, parámetros de formulación o condiciones de operación que permitan la obtención de micropartículas con estructura de poros a partir de matrices no solubilizadas, las cuales puedan obtenerse durante el proceso mismo de atomización, sin la necesidad de emplear procesos de post-tratamiento térmico para la remoción del solvente.

Por otra parte, del proceso de pulverización por enfriamiento, se conoce que los cambios en la morfología de las partículas obtenidas, en cuanto al tamaño de partícula se refiere, pueden ser controlados en función de los parámetros de formulación de la matriz y de operación del proceso (Okuro y col., Food Technology and Biotechnology, 2013, Vol. 51 , No. 2, 171-182). Dentro de los parámetros de operación, estos comprenden la configuración del sistema de atomización (disco giratorio, atomización neumática, atomización ultrasónica, entre otros) y las condiciones de operación propias de dicho sistema. Mas allá de los cambios en el tamaño de partícula, asociados mayormente a condiciones de operación, se encuentra que la selección de los sistemas de atomización se ha basado en la viabilidad que tienen dichos sistemas para facilitar el procesamiento de la matriz o formulación en estado fundido. En este sentido, la patente U.S. No. 5,380,473 describe un proceso de pulverización por enfriamiento para la obtención de micropartículas sólidas a partir de una formulación de matriz en estado fundido, empleando un sistema de atomización neumático. En dicho proceso, una formulación de matriz basada en sucrosa y maltodextrina es sometida a calentamiento hasta alcanzar un estado fundido o condición de fluidez. Posteriormente, la formulación en estado fundido es sometido a un proceso de atomización neumático, en el cual el flujo de alimentación en estado fundido es sometido a fuerzas disruptivas o de corte, por la acción de una corriente de aire a alta presión y temperatura (160 - 200 °C para sucrosa, y de 85 - 180 °C para maltodextrina), generando partículas discretas que son enfriadas y solidificadas inmediatamente después de ser formadas al entrar en contacto con una corriente de aire frío. El proceso descrito en la patente U.S. No. 5,380,473 se caracteriza por emplear un sistema de atomización neumático con una condición de operación de aire a alta presión y temperatura, el cual permite mejorar la procesabilidad del flujo de alimentación en estado fundido en comparación con sistemas de atomización como el de disco giratorio, el cual es mayormente utilizado, y en donde la fuerza disruptiva aplicada sobre el flujo de alimentación es únicamente la fuerza centrífuga. Además, la patente U.S. No. 5,380,473 describe que la formulación de matriz en estado fundido puede contener una pequeña cantidad de agua como solvente (menor al 5 % en peso total del material de alimentación), con la única finalidad de mejorar aún mas la procesabilidad del flujo de alimentación en estado fundido. En dicha patente, el contenido de agua en la formulación del flujo de alimentación está limitada a una cantidad mínima, como condición para preservar la naturaleza de matriz no solubilizada o en estado fundido, puesto que las matrices empleadas en dicha patente son matrices altamente solubles en agua. De igual manera, la patente antes descrita no revela ni sugiere procesos, parámetros de formulación o condiciones de operación los cuales permitan la obtención de micropartículas con estructura de poros, a partir de matrices no solubilizadas y en estado fundido, las cuales puedan obtenerse durante el proceso de atomización.

Debido a las características técnicas del proceso de pulverización por enfriamiento, las patentes y la literatura científica antes descritas, demuestran que las micropartículas obtenidas por este proceso se caracterizan por tener una morfología sólida no porosa, de forma esférica y de superficie lisa (Okuro y col., Food Technology and Biotechnology, 2013, Vol. 51 , No. 2, p. 171-182; N. Navarro-Guajardo y col., Journal of Renewable Materials, 2018, Vol. 6, No. 3, p. 227-236; I. Ghebre-Sellassie y col., Encyclopedia of Phamaceutical Technology, 2006, Vol. 11 , p. 369-394); lo cual, representa una limitante para la obtención de micropartículas con estructura de poros mediante este proceso.

El estado del arte descrito anteriormente, manifiesta la necesidad de desarrollar procesos de atomización para la obtención de partículas con estructura de poros a partir de formulaciones de matrices no solubilizadas y en estado fundido, los cuales provean de una facilidad de procesamiento y no requieran de procesos de post-tratamiento para la obtención de dichas partículas. Es objeto de la presente invención proveer de un método de obtención de partículas con estructura de poros, a partir de formulaciones de matrices no solubilizadas y en estado fundido, mediante un proceso de atomización neumático.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Los aspectos novedosos que se consideran característicos de la presente invención, se establecerán con particularidad en las reivindicaciones anexas. Sin embargo, la invención misma, tanto por su estructura y actuar, conjuntamente con otros objetos y ventajas de la misma, se comprenderá mejor en la siguiente descripción detallada, cuando se lea en relación con las figuras que se acompañan, según sea conveniente:

Figura 1. Imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas sólidas obtenidas a partir de una composición de matriz de cera de candelilla con un contenido de agua del 2% en peso. La Figura 1a es una imagen SEM de la estructura de poros a nivel superficial. Figura 1b es una imagen SEM de la estructura en el interior de la partícula.

Figura 2. Imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas porosas obtenidas a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite, constituida de una composición de matriz de cera de candelilla (fase continua) y un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso. La Figura 2a es una imagen SEM de la estructura de poros a nivel superficial. La Figura 2b es una imagen SEM de la estructura de poros en el interior de la partícula. Figura 3. Imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas porosas obtenidas a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite, constituida de una composición de matriz de cera de candelilla (fase continua) y un contenido de agua (fase dispersa) del 50% en peso. La Figura 3a es una imagen SEM de la estructura de poros a nivel superficial. La Figura 3b es una imagen SEM de la estructura de poros en el interior de la partícula.

Figura 4. Patrones de difracción de rayos-X (XRD) de partículas obtenidas por el método de la presente invención.

Figura 5. Imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas sólidas obtenidas a partir de una composición de matriz de cera de carnauba con un contenido de agua del 2% en peso. La Figura 5a es una imagen SEM de la estructura de poros a nivel superficial. La Figura 5b es una imagen SEM de la estructura de poros en el interior de la partícula.

Figura 6. Imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas porosas obtenidas a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite, constituida de una composición de matriz de cera de carnauba (fase continua) y un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso. La Figura 6a es una imagen SEM de la estructura de poros a nivel superficial. La Figura 6b es una imagen SEM de la estructura de poros en el interior de la partícula. Figura 7. Imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de partículas porosas obtenidas a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite, constituida de una composición de matriz de cera de candelilla (fase continua), un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso, y un surfactante aniónico al 5% en peso del contenido de la matriz de cera. La Figura 7a es una imagen SEM de la estructura de poros a nivel superficial. La Figura 7b es una imagen SEM de la estructura de poros en el interior de la partícula.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

A fin de resolver las necesidades identificadas en el arte previo, los inventores han desarrollado un método de obtención de partículas con estructura de poros mediante un proceso híbrido de atomización de emulsiones tipo agua-enaceite, constituidas de matrices no solubilizadas y en estado fundido. A diferencia del arte previo, la presente invención describe un proceso híbrido que combina las características técnicas que diferencian al proceso de secado por atomización y pulverización por enfriamiento para obtener partículas con estructura de poros, sin la necesidad de: i) recurrir al uso excesivo de solventes para solubilizar la matriz, y mas particularmente de solventes orgánicos para solubilizar matrices no solubles en agua; así como ¡i) el uso de post-procesos para la remoción de solventes y generación de estructura de poros en las partículas, lo que permite una reducción en el consumo de energía y tiempos de procesamiento.

El término“partícula” es referido en la presente invención como una cantidad discreta de materia (sólida, líquida o en estado fundido), la cual tiene una ínter- fase con el medio que lo rodea. Los prefijos nano- y micro- son empleados en la presente invención, únicamente para describir el tamaño de las partículas obtenidas, por lo que no limitan o excluyen otros prefijos que pudieran utilizarse para describir el tamaño de partícula. Por ejemplo, el término“nanopartículas” son generalmente referidas a partículas con un diámetro promedio menor a 0.1 mieras, mientras que el término“micropartículas” son referidas a partículas con un diámetro promedio mayor o igual a 0.1 mieras. Preferentemente, las partículas obtenidas en la presente invención tienen un diámetro promedio de 0.1 mieras a 150 mieras, y mas preferentemente de 1 mieras a 80 mieras.

El término “estructura de poros” es referido en la presente invención a partículas que presentan una formación de huecos o cavidades en el interior y/o exterior de la partícula. Los huecos o cavidades en la partícula pueden tener una forma geométrica definida (circulares, cilindricos, etc.) o irregular, además de poder ser clasificados dependiendo de la accesibilidad al medio que lo rodea. Los huecos o cavidades comunicando con la superficie externa de la partícula son referidos a “partículas con una estructura de poro abierto”, mientras que los huecos o cavidades sin comunicación con la superficie externa de la partícula son referidos a“partículas con una estructura de poro cerrado”. Preferentemente, las partículas obtenidas en la presente invención presentan una combinación de estructuras de poro abierto y cerrado.

El término“proceso híbrido” es referido en la presente invención como un único proceso que combina las principios técnicos que definen o caracterizan de manera separada a los procesos de secado por atomización y pulverización por enfriamiento, para obtener micropartículas con estructura de poros, a partir de formulaciones constituidas por matrices no solubilizadas y en estado fundido, las cuales no podrían obtenerse empleando ambos procesos por separado.

El término“no solubilizadas” es referido en la presente invención, a que las matrices utilizadas no se encuentran dentro de una condición de disolución (disueltas o solubilizadas) en la presencia de un solvente acuoso y/o soluble en agua, el cual forma el sistema en emulsión tipo agua-en-aceite.

Generalmente, el término“fundido” es referido a la transición de una matriz cristalina desde un estado cristalino hasta un estado líquido, el cual ocurre en su punto de fusión (T _m ). Sin embargo, el término“fundido” debe ser entendido en una forma mas amplia. En la presente invención, el término“estado fundido” se refiere a que la composición de matriz es calentada lo suficiente hasta alcanzar una condición de fluidez, la cual le permita ser agitada, mezclada, transportada, bombeada o atomizada de manera similar a una matriz solubilizada o en estado líquido.

La presente invención provee un método de obtención de partículas con estructura de poros, mediante un proceso híbrido de pulverización por secado- enfriamiento, el cual comprende de las etapas generales de:

a) Proveer de una emulsión tipo agua-en-aceite, constituida por una matriz no solubilizada y en estado fundido, y un solvente acuoso y/o soluble en agua,

b) Atomizar la emulsión obtenida en la etapa a), mediante la acción de esfuerzos de corte inducidos por un flujo de gas de atomización a alta presión y temperatura, y c) Enfriar las partículas discretas obtenidas en la etapa b), inmediatamente después de haber removido la composición de solvente, obteniendo partículas discretas en estado sólido, esencialmente libre de solventes y con una estructura de poros.

Los aspectos técnicos que definen y hacen única la presente invención, son descritos a detalle al abordar cada una de las etapas generales de la presente invención, en el mismo orden en el que fueron presentadas.

a) Proveer de una emulsión tipo agua-en-aceite, la cual comprende de: i. una composición de una matriz no solubilizada y en estado fundido, constituida de al menos una cera y/o grasa, donde dicha composición de matriz constituye la fase continua de la emulsión, y

ii. una composición de solvente acuoso y/o soluble en agua, la cual opcionalmente puede contener un solvente volátil no acuoso, donde dicha composición constituye la fase dispersa de la emulsión.

En relación a esta etapa, se describe que, para proveer una emulsión tipo “agua-en-aceite” es preferente que el porcentaje en peso de la composición de solventes acuosos y/o solubles en agua sea de 60% a 10%, y mas preferentemente de 50% a 10%, para mantener la composición de solventes acuosos y/o solubles en agua como la fase dispersa de la emulsión, y así tener el efecto en la estructura de poros deseado.

La emulsión tipo agua-en-aceite puede ser preparada empleando procesos que son conocidos en el estado del arte. Ejemplo de estos procesos incluyen pero no se limitan a: procesos de mezclado tales como el uso de agitación magnética, un homogenizador, un sonicador o procesos de mezclado mediante extrusión, tales como extrusión asistida por ultrasonido o mezcladores estáticos (WO 2010/117253 A2); así como también procesos de baja energía y/o combinaciones entre estos. Preferentemente, las emulsiones necesitan ser formadas bajo condiciones de proceso en las que ambas fases (fase dispersa y fase continua) se encuentren estables, para así evitar o reducir el riesgo de una separación de fases que pueda limitar el objeto de esta invención.

En un aspecto preferido de la invención, la emulsión tipo agua-en-aceite se forma a partir de una composición de una matriz en estado fundido, la cual se obtiene cuando dicha composición de matriz es calentada lo suficiente hasta alcanzar una condición de fluidez. La composición de matriz en estado fundido (fase continua) se mantiene bajo agitación, empleando preferentemente elementos de agitación intensiva; para posteriormente, agregar una composición de solvente acuoso o soluble en agua (fase dispersa), empleando un elemento de control de flujo de alimentación, para así obtener una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz no solubilizada y en estado fundido.

La composición de la matriz, como fase continua de la emulsión, comprende de 40% a 90% peso del total de la emulsión, y mas preferentemente de 50% a

90% en peso del total de la emulsión.

En la presente invención, la fase continua de la emulsión es referida a una composición de matriz, la cual comprende al menos una matriz seleccionada del grupo que comprenden ceras y/o grasas; donde dicha composición de matriz, puede contener además otras matrices seleccionadas del grupo que comprenden polímeros termoplásticos, polímeros biodegradables, biopolímeros y elastómeros.

Las matrices son seleccionadas de estos grupos, de tal forma que dicha composición de matriz es capaz de alcanzar la condición de matriz no solubilizada y en estado fundido en un sistema en emulsión tipo agua-enaceite. Ejemplos de matrices útiles para esta invención, incluyen pero no se limitan a ceras naturales y/o sintéticas, tales como cera de candelilla, cera de carnauba, cera de parafina, cera de abejas; grasas, tales como ácido esteárico, ácido palmítico; polímeros termoplásticos, tales como poliolefinas, poliamidas, poliésteres, poliacrilatos, poliestirenos; polímeros biodegradables, tales como polivinilacetato, poliácido láctico; biopolímeros, tales como polisacáridos, biopoliésteres, poliácido glutámico y mezclas de estos.

En la presente invención, las grasas son referidas a un amplio grupo de compuestos de bajo peso molecular que son generalmente solubles en solventes orgánicos y altamente insolubles en agua. Dentro de los compuestos grasos mas conocidas se encuentran los triésteres de glicerol y ácidos grasos. Los ácidos grasos son cadenas de átomos de carbono e hidrógeno con un grupo funcional de ácido carboxílico al final de la cadena. Las grasas pueden ser de origen sintético o natural. En la presente invención, las ceras son referidas a compuestos orgánicos que característicamente consisten de compuestos de cadenas alquílicas largas. Las ceras pueden ser de origen natural o sintético, y generalmente presentan características cristalinas. Por ejemplo, las ceras de origen natural (derivadas de plantas y animales) están constituidas típicamente por compuestos de cadenas alquílicas largas con grupos funcionales, tales como ácidos grasos, compuestos de ásteres de ácidos grasos y alcoholes de cadena larga; mientras que las ceras sintéticas están constituidas típicamente por compuestos de cadenas alquílicas largas sin grupos funcionales, tales como aléanos o parafinas. Las ceras y/o grasas utilizadas en la presente invención incluyen pero no se limitan a ceras conteniendo compuestos de cadenas alquílicas largas completamente saturadas (completamente hidrogenadas), parcialmente saturadas (parcialmente hidrogenadas), insaturadas (no hidrogenadas), derivados y/o mezclas de estas.

En una modalidad preferida de la invención, la composición de matriz comprende al menos una matriz seleccionada del grupo que comprenden ceras conteniendo ácidos grasos en su composición. Dentro de este grupo, se encuentran algunas ceras naturales, las cuales pueden contener ácidos grasos en su composición en dependencia de su origen. Ejemplos de ceras naturales, las cuales son útiles para la presente invención, incluyen pero no se limitan a cera de carnauba, cera de candelilla, cera de abeja, cera de caña de azúcar y/o mezclas de estas. Por ejemplo, las ceras de candelilla y carnauba contienen ácidos grasos en su composición. Preferentemente, la composición de matriz que comprenden a ceras conteniendo ácidos grasos en su composición, constituyen de 50% a 90% en peso del total de la emulsión.

En una modalidad aún mas preferida de la invención, dicha composición de matriz comprende cera de candelilla. Se conoce que la cera de candelilla está constituida por compuestos alquílicos de cadena larga tales como alcanos de cadena larga (C29 - C33), ácidos grasos libres, ásteres de ácidos grasos, ásteres hidroxilados, diésteres; y en menor cantidad biopolímeros de bajo peso molecular tales como poliésteres y polihidroxi ácidos grasos (G. A. Scora y col., Industrial Crops and Products, 1995, Vol. 4, p. 179-184). La cera de candelilla puede presentar un punto de fusión en el intervalo de temperatura entre 69 °C a 73 °C.

En otra modalidad mas preferida de la invención, dicha composición de matriz comprende cera de carnauba. La cera de carnauba también está constituida por compuestos alquílicos de cadena larga, ácidos grasos libres, ásteres de ácidos grasos, alcoholes; así como pequeñas cantidades de biopolímeros de bajo peso molecular tales como poliésteres y polihidroxi ácidos grasos, aunque en distinta relación que la cera de candelilla. Debido a esta variación en la relación de composiciones, la cera de carnauba puede presentar un punto de fusión en el intervalo de temperatura entre 83 °C a 86 °C.

En el contexto de la presente invención, el punto de fusión de una cera y/o grasa, es referido mayormente a un intervalo mas que a un valor puntual, puesto que la mayoría de las ceras y/o grasas están constituidas de una mezcla de componentes de diferente composición química y longitud de cadena alquítica. Por lo general, las ceras y/o grasas presentan un punto de fusión (T _m ) en un intervalo de 40 °C a 90 °C, el cual puede ser determinado mediante normas estándares de medición tales como ASTM D4419, empleando la técnica de Calorimetría Diferencial de Barrido ( Differential Scanning Calorimetry - conocida por sus siglas en inglés como DSC). Preferentemente, la composición de matriz que comprenden ceras y/o grasas es calentada hasta alcanzar una temperatura de al menos 1 °C por arriba de su punto de fusión o condición de fluidez (T _m + 1 °C).

En el caso de composición de matrices, las cuales contienen matrices que comprenden a polímeros termoplásticos, polímeros biodegradables, biopolímeros y elastómeros; estas matrices pueden presentar un punto de fusión o condición de fluidez en un intervalo de temperatura superior al presentado por las ceras y/o grasas, en dependencia del peso molecular de dicha matriz de polímero. Es decir, polímeros de alto peso molecular presentan un punto de fusión o condición de fluidez en un intervalo de temperatura mas alto que los polímeros de bajo peso molecular. La determinación del punto de fusión puede ser realizado de acuerdo a normas estándares.

En el contexto de la presente invención, cuando la composición de matriz comprende una mezcla entre una matriz de cera y/o grasa y una matriz de polímero; la presencia de al menos una matriz de cera y/o grasa con un punto de fusión de 40 °C a 90 °C, permite alcanzar en este intervalo de temperatura, una condición de fluidez suficiente para que la emulsión obtenida pueda ser agitada, mezclada, transportada, bombeada o atomizada de manera similar a una matriz solubilizada o en estado líquido. Por tanto, cuando la composición de matriz este constituida mayormente por una matriz de polímero, la selección de la matriz de cera y/o grasa debe realizarse de forma tal que se tenga una fase continua estable.

La composición de la emulsión tipo agua-en-aceite comprende una composición de solvente acuoso y/o soluble en agua, como la fase dispersa. En la presente invención, el solvente acuoso y/o soluble en agua es referido a solventes polares o“afines al agua”, los cuales pueden ser solventes polares próticos y apróticos. Preferentemente, el solvente deberá tener un punto de ebullición menor a 150 °C. Ejemplos de solventes polares que pueden ser utilizados en esta invención, incluyen pero no se limitan a agua; alcoholes tales como metanol, etanol, isómeros de propanol; cetonas, tales como metiletilcetona; clorocarbonos, tales como cloroformo; nitrocompuestos, tales como N,N-dimetilformamida, amoníaco, dietilamina; ácidos carboxílicos, tales como ácido acético; y mezclas de estos. El tipo de solvente utilizado como fase dispersa afectará la porosidad de las partículas obtenidas. En el caso en que la fase dispersa comprenda una mezcla de solventes solubles en agua, las partículas preparadas a partir de una mezcla de solventes tales como agua- etanol generará mayor porosidad que las partículas preparadas a partir de una mezcla agua-cloroformo. Lo anterior, debido a la mayor solubilidad del etanol en agua que el cloroformo en agua. En la modalidad mas preferida de la invención, el solvente polar seleccionado para formar la fase dispersa es agua, y esta presente en una composición de 50% a 10% en peso del total de la emulsión.

Opcionalmente, la fase dispersa de la emulsión constituida por un solvente acuoso y/o soluble en agua, puede contener un solvente volátil no polar, formando así una emulsión tipo aceite-en-agua. En la presente invención, el solvente volátil no polar es referido generalmente a solventes orgánicos insolubles en agua. Preferentemente, el solvente no polar deberá tener un punto de ebullición menor a 150 °C, y pueden ser seleccionados de una amplia variedad de solventes orgánicos comunes. Ejemplos de solventes volátiles no polares que pueden ser utilizados en esta invención, incluyen pero no se limitan a: hidrocarburos, tales como pentano, hexano, heptano, ciclohexano, octano; éteres, tales como éter dibutílico; y mezclas de estos.

La fase dispersa de la emulsión puede estar constituida por uno o mas solventes, en los cuales la composición de matriz es soluble. Sin embargo, la presencia de estos solventes son provistos para, según sea el caso, 1) mejorar la procesabilidad de la emulsión, y/o 2) inducir cambios específicos en la morfología y estructura de poros de la partícula. Por tanto, la presencia de dichos solventes no pretenden ser utilizados para cambiar la naturaleza de la matriz a una condición de disolución o solubilizada.

Preferentemente, las emulsiones necesitan ser formadas bajo condiciones de proceso en las que ambas fases (fase dispersa y fase continua) se encuentren estables. Una persona con conocimientos de la técnica, comprenderá que por lo general, la estabilización de fases en una emulsión se logra con la inclusión de agentes estabilizadores tales como surfactantes. Los surfactantes son compuestos que reducen la tensión superficial entre dos fases generalmente insolubles entre sí, generando una emulsión estable. Por tanto, opcionalmente, la fase dispersa y/o continua de la emulsión puede incluir uno o mas surfactantes. Surfactantes útiles para la presente invención, deben presentar preferentemente un estado sólido a temperaturas por debajo de 40 °C. Preferentemente, el surfactante seleccionado debe ser soluble en la fase continua de la emulsión. Los surfactantes pueden seleccionarse del grupo que comprenden surfactantes no-iónicos, aniónicos, catiónicos, anfotéricos y mezclas entre estos. Ejemplos de surfactantes no-iónicos útiles para la presente invención, incluyen pero no se limitan a ásteres de sorbitano; polisorbatos; alquil poliglucósidos; alcoholes grasos etoxilados; ácidos grasos etoxilados; amina grasa etoxilada; copolímeros en bloque de óxidos de etileno y óxidos de propileno; y mezclas de estos.

Ejemplos de surfactantes aniónicos útiles para la presente invención, incluyen pero no se limitan a alquilcarboxilatos; ásteres de ácido carboxílico; alquilsulfatos; alquil éter sulfatas; alquilbencenosulfonatos; alquilfosfatos; alquilsulfonatos; y mezclas de estos.

Ejemplos de surfactantes catiónicos útiles para la presente invención, incluyen pero no se limitan a sales de amina grasa, compuestos de amonio cuaternario, sales de fosfonio; sales de sulfonio; alquil amido betainas; y mezclas de estos. En una modalidad preferida de la invención, los surfactantes son seleccionados del grupo que comprenden surfactantes aniónicos (preferiblemente alquilfosfatos, tal como fosfatodicolina).

Preferentemente, los surfactantes están presentes en la emulsión tipo agua-en- aceite, en una concentración menor al contenido de la composición de matriz (fase continua), la cual puede ser en una concentración de 0.001 % a 20% en peso del total de la composición de la matriz, preferentemente de 0.001% a 10% en peso del total de la composición de la matriz, y mas preferentemente de 0.001% a 5% en peso del total de la composición de la matriz.

En una modalidad preferida de la invención, la emulsión tipo agua-en-aceite comprende una composición de cera natural como fase continua, y agua como fase dispersa de dicha emulsión; donde la fase dispersa se encuentra de 50% a 10% en peso, obteniéndose una emulsión estable sin la necesidad del uso de surfactantes. Sin estar ligado a ningún mecanismo o teoría en particular, se cree que los componentes polares presentes en las ceras naturales, tales como ésteres de ácidos grasos, ésteres hidroxilados y alcoholes de cadena larga, actúan como surfactantes naturales, estabilizando la fase acuosa de la emulsión. Dado que la relación de componentes polares y no polares está en dependencia del tipo de cera natural seleccionada, se piensa que pueden obtenerse emulsiones tipo agua-en-aceite con distintas características morfológicas de la fase dispersa (forma, tamaño), las cuales den lugar a obtener partículas con distinta estructura de poros.

Siguiendo con la descripción de las etapas generales del método de la presente invención, se tiene que como siguiente etapa:

b) Atomizar la emulsión obtenida en la etapa a), mediante la acción de esfuerzos de corte inducidos por un flujo de gas de atomización, el cual debe ser provisto a una presión y temperatura lo suficientemente alta para desarrollar las etapas que comprenden:

i. separar la emulsión tipo agua-en-aceite obtenida en la etapa a) en partículas discretas y,

i¡. remover la composición de solvente descrita en a) por evaporación, permitiendo la formación de una estructura de poros.

En esta etapa, una vez que la emulsión tipo agua-en-aceite es formada, esta puede ser: 1) conservada en estado fundido en un tanque o reservorio, para luego ser transferida a un atomizador; o bien, 2) ser transferida inmediatamente a un atomizador, el cual separa la emulsión en partículas discretas. Prácticamente, cualquier método de transportación conocido en el arte, puede ser utilizado para efectuar la transferencia del material de alimentación (emulsión tipo agua-en-aceite) al atomizador. Ejemplos de estos procesos, pueden incluir, el uso de bombas de inyección o equipos de transportación de fluidos tales como extrusores, pistones, entre otros. Preferentemente, la emulsión deberá mantenerse a una temperatura superior a los 40 °C, mientras se realiza el proceso de transferencia al atomizador, para así mantener la emulsión en una condición de fluidez deseada.

Una de las características que definen a la presente invención, es que el proceso de atomización de la emulsión tipo agua-en-aceite es desarrollado mediante una atomización neumática ó atomización de dos fluidos (es decir, aire y material de alimentación). En dicho proceso de atomización, el material de alimentación (emulsión tipo agua-en-aceite) es sometido a la acción de esfuerzos de corte inducidos por un flujo de gas de atomización a alta presión, el cual origina la separación de la emulsión en partículas discretas.

Mas preferentemente, una de las características que definen a la presente invención, es que en el proceso de atomización, el flujo de gas de atomización se encuentra además a una temperatura lo suficientemente alta para: 1) poder separar la emulsión sin que la matriz no solubilizada y en estado fundido (fase continua de la emulsión) pierda su condición de fluidez al momento de formar las partículas discretas; lo anterior, como condición física que permita 2) la remoción inmediata del solvente (fase dispersa de la emulsión) por evaporación, incluso desde el interior de la partícula discreta formada, permitiendo la formación de partículas discretas con una estructura de poro abierto y/o cerrado.

Sin estar ligado a un mecanismo o teoría en particular, se cree que la composición de solvente que se encuentra en el interior de la partícula, es removido a través de“canales” o“caminos” formados, preferentemente, por compuestos polares que comprenden la matriz. El solvente en forma de vapor, posiblemente a alta presión, se podría abrir paso a través de la estructura de la matriz debido a su condición de fluidez.

Una persona con conocimiento de la técnica, comprenderá que la remoción del solvente descrito en esta etapa, ocurre por la interacción entre las partículas discretas y la masa de gas caliente a alta presión; es decir, la masa de gas caliente a alta presión transfiere una cantidad de energía o calor a las partículas discretas, que en el contexto de la presente invención, permite la remoción del solvente por evaporación.

Dada las características de la presente invención, al proveer de un proceso híbrido para la obtención de partículas con estructura de poros, es necesario resaltar las características y ventajas técnicas que diferencian esta invención de los procesos descritos en el estado del arte.

En este sentido, en el estado del arte, se describen procesos de atomización neumática o atomización de dos fluidos para la obtención de partículas con estructura de poros, los cuales comprenden un proceso de secado por atomización ( spray drying). El proceso de secado por atomización comprende la atomización de una composición de matriz solubilizada, en suspensión o en emulsión tipo aceite-en-agua, en presencia de un gas caliente o de secado a presión atmosférica. Dicho proceso, se caracteriza porque la interacción de las partículas discretas con una masa de gas caliente (gas de secado) a presión atmosférica, permite la rápida evaporación del solvente y obtención de partículas o polvos, las cuales pueden presentar una estructura de poros o cavidades (Anandharamakrishnan, C. (Ed)., Handbook of Drying for Dairy Products, 2017, p. 57-74, John Wiley & Sons). Sin embargo, la obtención de partículas con estructura de poros mediante dicho proceso, parten de composiciones de matrices solubilizadas con un alto contenido de solventes (preferentemente mayor a un 50% en peso), y mas particularmente de solventes orgánicos para solubilizar matrices no solubles en agua; además, se requiere un alto consumo energético para la remoción de dichos solventes, puesto que demanda un alto volumen de aire de secado.

Por tanto, una persona con conocimiento de la técnica, comprenderá que la etapa b) descrita en la presente invención, se diferencia de los procesos de secado por atomización descritos en el estado del arte, en relación a los siguientes aspectos: 1) la remoción del solvente, que en el contexto de la presente invención ocurre por evaporación, se desarrolla a partir de partículas discretas que comprenden una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz no solubilizada y en estado fundido; y donde 2) la emulsión comprende un composición de solvente acuoso y/o soluble en agua, preferentemente menor a un 50% en peso. Ambos aspectos característicos de la presente invención, presentan ventajas técnicas en cuanto a: 1) un menor uso de solventes en la composición de matriz; lo cual 2) demanda un menor consumo energético para la remoción de dichos solventes; y 3) una mayor cantidad de producción de partículas porosas por unidad de tiempo (dado que se tiene, preferentemente, un mayor contenido de matriz en el material de alimentación), lo que reduce los tiempos de procesamiento.

En una modalidad preferida de la invención, el gas de atomización a alta temperatura y presión es aire. Sin embargo, la presente invención no limita el tipo de gas utilizado para desarrollar el proceso de atomización. El gas de atomización a alta presión puede suministrarse desde un sistema de presurización tal como un compresor, donde el gas de atomización puede ser calentado mediante un dispositivo auxiliar provisto de resistencias de calentamiento, previo a ser incorporado en el sistema de atomización neumática. Preferentemente, el gas de atomización es alimentado a una presión mayor a 1 atmósfera (1 atm), y mas preferentemente mayor a 4 atmósferas (4 atm). Preferentemente, el gas de atomización es alimentado a una temperatura mayor al punto de ebullición (a condiciones atmosféricas) de la composición de solvente (fase dispersa) de la emulsión; mas preferentemente, el gas de atomización es alimentado a una temperatura al menos de 1 °C por encima del punto de ebullición de la composición de solvente a condiciones atmosféricas. En una modalidad preferida de la invención, el gas de atomización es utilizado a una presión de 4 a 6 atmósferas (4 atm - 6 atm) y una temperatura de 110 °C a 250 °C.

Siguiendo con la descripción de las etapas generales del método de la presente invención, se tiene como última etapa:

c) Enfriar las partículas discretas obtenidas en la etapa b), inmediatamente después de haber removido la composición de solvente, mediante el contacto con un flujo de gas lo suficientemente frío para permitir la solidificación de las partículas discretas a una temperatura por debajo del punto de fluidez de la composición de la matriz, y conservar la estructura de poros formada en la etapa b), obteniendo partículas discretas en estado sólido, esencialmente libre de solventes, con una estructura de poros.

Una vez que se produce la remoción del solvente en la etapa b), las partículas discretas formadas con estructura de poros son inmediatamente enfriadas a una temperatura por debajo del punto de fluidez de la composición de la matriz. El enfriamiento rápido de dichas partículas discretas en estado fundido, permite conservar la estructura de poros formada en la etapa b), obteniéndose partículas en estado sólido, esencialmente libre de solventes, y con una estructura de poros.

En la etapa c) de la presente invención, el enfriamiento y solidificación de las partículas discretas formadas en la etapa b), ocurre por la interacción de las partículas discretas con una corriente de gas de enfriamiento, en donde se remueve la energía o calor contenido en dichas partículas.

Dada las características de la presente invención, al proveer de un proceso híbrido para la obtención de partículas con estructura de poros, es necesario resaltar las características y ventajas técnicas que diferencian esta invención de los procesos descritos en el estado del arte.

En este contexto, en el estado del arte, se describen procesos de atomización para la obtención de partículas con estructura de poros, los cuales comprenden procesos de secado por atomización y congelamiento ( spray freeze-drying). En dichos procesos, se realiza la atomización de un material de alimentación (una composición de matriz y solvente) para la formación de partículas discretas; las cuales, se someten a un enfriamiento o congelamiento mediante la interacción con gas frío y/o líquido criogénico. Posteriormente, dichas partículas sólidas congeladas son sometidas a un proceso de post-tratamiento para la remoción del solvente mediante sublimación, a condiciones de baja temperatura y presión reducida (condiciones de vacío), obteniendo micropartículas con una estructura de poros o cavidades (Anandharamakrishnan, C. (Ed)., Handbook of Drying for Dairy Products, 2017, p. 123-132, John Wiley & Sons). La obtención de partículas con estructura de poros mediante los procesos secado por atomización y congelamiento, resulta útil para el procesamiento de material de alimentación con una alta composición de solvente, de entre 80% al 99% en peso.

Por tanto, una persona con conocimiento de la técnica, comprenderá que la presente invención se diferencia de los procesos de secado por atomización y congelamiento, en relación a los siguientes aspectos: 1) la remoción del solvente, ocurre por evaporación, y se desarrolla a partir de partículas discretas que comprenden una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz no solubilizada y en estado fundido; donde 2) la emulsión comprende un composición de solvente acuoso y/o soluble en agua, preferentemente menor a un 50% en peso; y donde 3) el proceso de enfriamiento de las partículas discretas ocurre en una etapa posterior al proceso de remoción del solvente, obteniéndose de forma directa, partículas secas con estructura de poros. Estos aspectos característicos de la presente invención presentan ventajas técnicas, puesto que: 1) requiere menor cantidad de solventes en la composición de la matriz; lo cual 2) demanda un menor consumo energético para la remoción de dichos solventes; además que 3) no se requieren procesos de post-tratamiento para la formación de partículas con estructura de poros, reduciendo los tiempos de procesamiento.

Por otra parte, en el estado del arte, se describen procesos de atomización para la obtención de partículas sólidas a partir de matrices no solubilizadas y en estado fundido, los cuales comprenden procesos de pulverización por enfriamiento ( spray chilling ). Dicho proceso se caracteriza porque una cantidad de energía o calor es removido desde la partícula discreta formada, como resultado de la interacción de estas partículas con una corriente de gas frío y/o criogénico a presión atmosférica, generando la solidificación de la partícula por debajo de su punto de fusión o condición de fluidez. De este proceso se conoce que, si las partículas discretas formadas contienen algún tipo de solvente volátil (generalmente introducido en pequeñas como ayuda de proceso), puede ocurrir una evaporación del solvente debido a la remoción de calor desde la partícula discreta. La evaporación del solvente, mediante este mecanismo de transferencia de calor, puede provocar la formación de partículas con cierta estructura de huecos o poros. Sin embargo, la remoción de solvente, mediante dicho mecanismo, resulta limitante para un contenido de solvente mayor al 10% en peso, puesto que se requiere un flujo de gas de enfriamiento a condiciones de presión reducida (condiciones de vacío); característica que definen a un proceso distinto, el cual es referido al proceso de secado por atomización y congelamiento descrito anteriormente, el cual también se diferencia de la presente invención.

Por tanto, una persona con conocimiento de la técnica, comprenderá que la presente invención se diferencia de los procesos de pulverización por enfriamiento, en relación a los siguientes aspectos: 1) la remoción del solvente, ocurre en mayor medida por un mecanismo de transferencia de calor a la inversa, es decir, el solvente es removido por un gas de atomización caliente a alta presión, el cual transfiere una cantidad de energía o calor a las partículas discretas formadas en la etapa a) de la presente invención; donde además 2) dicho proceso de remoción del solvente, ocurre en una etapa anterior al proceso de enfriamiento de las partículas discretas formadas.

Estos aspectos característicos de la presente invención presentan ventajas técnicas, puesto que: 1) permite remover una mayor cantidad de solvente en la composición de la matriz, aprovechando el recurso del gas de atomización a alta temperatura y presión, sin recurrir a condiciones de gas de enfriamiento de baja temperatura y presión reducida; lo cual 2) demanda un menor consumo energético para la remoción de dichos solventes; 3) permite controlar la morfología de poros de la partícula; además que 4) no se requieren procesos de post-tratamiento para la formación de partículas con estructura de poros, reduciendo los tiempos de procesamiento.

En una modalidad preferida de la invención, el gas de enfriamiento es aire. Sin embargo, la presente invención no limita el tipo de gas utilizado para desarrollar el proceso de enfriamiento. El gas de enfriamiento puede suministrarse al proceso de atomización a una temperatura por debajo del punto de fusión o condición de fluidez de la composición de matriz. Generalmente, el enfriamiento con gas a una temperatura ambiente es suficiente para obtener partículas discretas en estado sólido, lo que reduce el consumo energético y de operación al no requerir el uso de gas criogénico. En una modalidad preferida de la invención, cuando la composición de matriz comprende al menos una matriz seleccionada del grupo que comprenden ceras, el aire es utilizado como gas de enfriamiento a una temperatura de 10 °C a 20 °C.

En la presente invención, la morfología de poros en la partícula en relación a su tamaño, distribución y área superficial, puede ser controlado de acuerdo a parámetros de la composición de matriz, tales como la relación en peso de matriz:solvente, la relación en peso de componentes de carácter hidrófilo e hidrófobo que comprenden la composición de matriz; así como de las condiciones de operación del proceso, tales como la presión y temperatura del gas de atomización. Por ejemplo, la Figura 1 , Figura 2, Figura 3, Figura 5 y Figura 6 corresponden a imágenes por microscopía SEM, las cuales demuestran como la morfología de las partículas obtenidas con el método de la presente invención, puede ser controlado en dependencia de la concentración de solvente en la emulsión y la relación en peso de componentes hidrófilos e hidrófobos que constituyen la composición de matriz. Derivado de estos ejemplos, la Figura 4 muestra un patrón de difracción de rayos-X, empleado para medir los cambios en la estructura cristalina de la matriz, cuando esta es sometida a procesos térmicos, la cual demuestra que la estructura cristalina de la matriz no se ve alterada por los proceso térmicos que describen la presente invención. Por otra parte, la Figura 7 corresponde a imágenes por microscopía SEM, las cuales demuestran como la morfología de las partículas obtenidas con el método de la presente invención, puede ser controlado en dependencia de la inclusión de un surfactante en la composición de la emulsión.

Habiendo descrito detalladamente la presente invención, una persona con conocimiento de la técnica, comprenderá que el método desarrollado comprende un proceso híbrido de pulverización por secado-enfriamiento, puesto que combina características técnicas particulares que definen por separado a los procesos de secado por atomización y pulverización por enfriamiento. Al combinar ambos procesos en un mismo método, de forma secuencial, resulta en un nuevo proceso híbrido para la obtención de partículas con estructura de poros a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite, constituida de una matriz no solubilizada y en estado fundido, el cual resuelve las necesidades técnicas descritas en el estado del arte. Por lo tanto, un experto en la técnica podrá comprobar, al ver el proceso y las partículas obtenidas, la diferencia en la procesabilidad y estructura de poros con respecto a las partículas que son producidas por otros procesos de secado.

EJEMPLOS

Ejemplo 1

Preparación de partículas sólidas a partir de una composición de matriz de cera de candelilla con un contenido de agua del 2% en peso. (Para referencia, no dentro de la invención)

98 gr de cera de candelilla (7833 - Candelilla real® refinada, provista por Multiceras S.A de C.V, con un intervalo de fusión de entre 69 °C a 73 °C) fueron sometidos a calentamiento, en un recipiente de 600 ml_ sobre una parrilla de calentamiento, hasta alcanzar una temperatura de 90 °C (Tm + 20 °C). El punto de fusión (Tm) de la cera de candelilla fue determinado mediante Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), localizándose alrededor de 70 °C. Posteriormente, la cera en estado fundido fue transferida a un recipiente de almacenamiento con capacidad de 300 ml_, ubicado en la parte superior de un sistema de atomización neumático, provisto de un baño de calentamiento ajustado a 125 °C para mantener la composición de cera a una temperatura de 90 °C. El recipiente de almacenamiento forma parte de un accesorio del equipo de atomización neumática de dos fluidos - Mini Spray Dryer B-290 - de la marca BUCHI, que permite operar bajo la modalidad de pulverización por enfriamiento. El contenido de agua en el material de alimentación fue ajustado a un valor de 2% en peso del total, para lo cual se agregó 2 gr de agua a una razón de flujo de 5 mL/min en presencia de agitación mecánica, previo al proceso de atomización. Inmediatamente después de ajustar el contenido de agua, el material de alimentación fue transportado mediante un tubo de conexión al atomizador neumático de dos fluidos a una temperatura de 90 °C. Se empleó una boquilla de atomización con un diámetro de 1.4 mm.

Se utilizó aire como gas de atomización, el cual fue introducido a una presión de 5 bar, a un flujo de 600L/h y una temperatura de 140°C. El gas de atomización fue calentado previamente al ser introducido en la punta de atomización, mediante un accesorio de calentamiento de fabricación propia, el cual fue adaptado al equipo de atomización neumática. Se utilizó un flujo de aspiración de gas de enfriamiento de 38 m ³ /h, bajo una operación a co- corriente, utilizando aire seco como gas de enfriamiento a una temperatura de 13°C.

El tiempo máximo de residencia del material de alimentación en el recipiente de almacenamiento del equipo, hasta el final del proceso de atomización, fue menor a 3 minutos.

La Figura 1 muestra imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de las partículas sólidas obtenidas. Las partículas obtenidas en este ejemplo, muestran una morfología sólida sin la presencia de estructura de poros tanto a nivel superficial (Figura 1a) como en el interior de la partícula (Figura 1b). La atomización de una composición de cera de candelilla con un contenido de agua del 2% en peso, no satisface las necesidades descritas en el estado del arte, en relación a la obtención de partículas con estructura de poros.

El tamaño de las partículas obtenidas fue de 9.85 mieras a 35.13 mieras (9.85 pm a 35.13 pm), determinado mediante el software de análisis de imagen ImageJ, empleando las imágenes obtenidas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Las partículas obtenidas presentaron una densidad de 0.57 g/cm ³ sin una estructura de poros.

Ejemplo 2

Preparación de partículas con estructura de poros a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz de cera con 12% de solvente.

88 gr de cera de candelilla (7833 - Candelilla real® refinada, provista por Multiceras S.A de C.V, con un intervalo de fusión de entre 69 °C a 73 °C) fueron sometidos a calentamiento, en un recipiente de 600 ml_ sobre una parrilla de calentamiento, hasta alcanzar una temperatura de 85 °C (T _m + 15 °C). El punto de fusión (Tm) de la cera de candelilla fue determinado mediante Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), localizándose alrededor de 70 °C. Posteriormente, se agregó 12 gr de agua a una razón de flujo de 5 mL/min en presencia de agitación mecánica, para formar una emulsión tipo agua-en-aceite con un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso. Una vez formada la emulsión, esta fue transferida a un recipiente de almacenamiento con capacidad de 300 mL, ubicado en la parte superior de un sistema de atomización, provisto de un baño de calentamiento ajustado a 120 °C para mantener la emulsión a una temperatura de 85 °C. Inmediatamente después, la emulsión fue transportada a través de un tubo de conexión al atomizador neumático de dos fluidos a una temperatura de 85 °C. Las condiciones de atomización de la emulsión fueron las mismas que las descritas en el ejemplo 1.

El tiempo máximo de residencia del material de alimentación en el recipiente de almacenamiento del equipo, hasta el final del proceso de atomización, fue menor a 2 minutos.

La Figura 2 muestra imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de las partículas porosas obtenidas. Las partículas obtenidas en este ejemplo, muestran una forma esférica con estructura de poros tanto a nivel superficial (Figura 2a) como en el interior de la partícula (Figura 2b). La atomización de una composición de cera de candelilla con un contenido de agua del 12% en peso, se realizó de manera satisfactoria empleando el proceso híbrido de pulverización por secado-enfriamiento, el cual permitió obtener partículas con estructura de poros, lo que satisface las necesidades descritas en el estado del arte.

El tamaño de las partículas porosas obtenidas fue de entre 30.98 mieras a 57.12 mieras (30.98 pm a 57.12 pm), presentando un diámetro promedio de poro superficial de 2.04 mieras (2.04 pm); los cuales fueron determinados mediante el software de análisis de imagen ImageJ, empleando las imágenes obtenidas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Las partículas obtenidas presentaron una densidad de 0.50 g/cm ³ con una estructura de poros, lo cual representa una reducción de peso de cerca del 12% en relación a las partículas sólidas obtenidas del ejemplo 1.

Ejemplo 3

Preparación de partículas con estructura de poros a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz de cera con 50% de solvente.

Se preparó una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz de cera de candelilla, con un contenido de agua (fase dispersa) del 50% en peso. Para lo cual, se siguió el mismo procedimiento descrito en el ejemplo 2, empleando 50 gr de cera de candelilla y 50 gr de agua. El tiempo máximo de residencia del material de alimentación en el recipiente de almacenamiento del equipo, hasta el final del proceso de atomización, fue menor a 1 minuto. La reducción en el tiempo de procesamiento, en relación al ejemplo 2, se debe a que la adición de agua mejora la procesabilidad durante el proceso de atomización neumática, además de lograr el efecto deseado de partículas con estructura de poros.

La Figura 3 muestra imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de las partículas sólidas obtenidas. Las partículas obtenidas en este ejemplo, muestran una forma esférica con estructura de poros tanto a nivel superficial (Figura 3a, Figura 3b) como en el interior de la partícula (Figura 3c). La atomización de una composición de cera de candelilla con un contenido de agua del 50% en peso, se realizó de manera satisfactoria empleando el proceso híbrido de pulverización por secado-enfriamiento, el cual permitió obtener partículas con estructura de poros, lo que satisface las necesidades descritas en el estado del arte.

El tamaño de las partículas porosas obtenidas fue de entre 25.05 mieras a 47.5 mieras (25.05 pm a 47.5 pm), presentando un diámetro promedio de poro superficial de 2.24 mieras (2.24 pm); los cuales fueron determinados mediante el software de análisis de imagen ImageJ, empleando las imágenes obtenidas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Las partículas obtenidas presentaron una densidad de 0.34 g/cm ³ con una estructura de poros, lo cual representa una reducción de peso de cerca del 40.35 % en relación a las partículas sólidas obtenidas del ejemplo 1.

La Figura 4 muestra los patrones de difracción de rayos-X (XRD) de las partículas obtenidas de los ejemplos 1 y 3, los cuales son comparados con la matriz original de cera de candelilla (tal y como es recibida del proveedor). La cera de candelilla presenta dos picos de difracción característicos, correspondientes a los planos de difracción (110) y (200), el cual es característico de ia fase ortorrómbica, la cual representa su estructura cristalina mas estable. Las partículas porosas obtenidas con el proceso de la presente invención, presentan la estructura cristalina mas estable de la cera de candelilla, lo que se cree que evitaría fenómenos de reacomodo molecular de los componentes de la cera, los cuales comprometan la conservación de la estructura de poros durante el almacenamiento.

Ejemplo 4

Preparación de partículas sólidas a partir de una composición de matriz de cera de carnauba con un contenido de agua del 2% en peso. (Para referencia, no dentro de la invención)

Se prepararon partículas sólidas de cera de carnauba de manera similar al procedimiento descrito en el ejemplo 1. Para esto, 98 gr de cera de carnauba tipo IV (6004 - Carnauba tipo IV, provista por Multiceras S.A de C.V, con un intervalo de fusión de entre 80 °C a 86 °C) fueron sometidos a calentamiento, en un recipiente de 600 mL sobre una parrilla de calentamiento, hasta alcanzar una temperatura de 90 °C (T _m + 8 °C). El punto de fusión (T _m ) de la cera de carnauba fue determinado mediante Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), localizándose alrededor de 82 °C. Posteriormente, se siguió el mismo procedimiento descrito en el ejemplo 1.

La Figura 5 muestra imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de las partículas sólidas obtenidas. Las partículas obtenidas en este ejemplo, muestran una morfología sólida sin la presencia de estructura de poros tanto a nivel superficial (Figura 5a) como en el interior de la partícula (Figura 5b). La atomización de una composición de cera de carnauba con un contenido de agua del 2% en peso, no satisface las necesidades descritas en el estado del arte, en relación a la obtención de partículas con estructura de poros.

El tamaño de las partículas obtenidas fue de entre 10.81 mieras a 24.76 mieras (10.81 pm a 24.76 pm), determinado mediante el software de análisis de imagen ImageJ, empleando las imágenes obtenidas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Las partículas obtenidas presentaron una densidad de 0.61 g/cm ³ sin una estructura de poros. Ejemplo 5

Preparación de partículas con estructura de poros a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz de cera con 12% de solvente.

Se preparó una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz de cera de carnauba, con un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso. Para esto, 88 gr de cera de carnauba tipo IV (6004 - Carnauba tipo IV, provista por Multiceras S.A de C.V, con un intervalo de fusión de entre 80 °C a 86 °C) fueron sometidos a calentamiento, en un recipiente de 600 mL sobre una parrilla de calentamiento, hasta alcanzar una temperatura de 90 °C (T _m + 8 °C). El punto de fusión (Tm) de la cera de carnauba fue determinado mediante

Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), localizándose alrededor de 82 °C. Posteriormente, se agregó 12 gr de agua a una razón de flujo de 5 mL/min en presencia de agitación mecánica, para formar una emulsión tipo agua-en-aceite con un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso. Una vez formada la emulsión, esta fue transferida a un recipiente de almacenamiento con capacidad de 300 ml_, ubicado en la parte superior de un sistema de atomización, provisto de un baño de calentamiento ajustado a 125 °C para mantener la emulsión a una temperatura de 90 °C. Inmediatamente después, la emulsión fue transportada a través de un tubo de conexión al atomizador neumático de dos fluidos a una temperatura de 90 °C. Las condiciones de atomización de la emulsión fueron las mismas que las descritas en el ejemplo 1.

El tiempo máximo de residencia del material de alimentación en el recipiente de almacenamiento del equipo, hasta el final del proceso de atomización, fue menor a 2 minutos.

La Figura 6 muestra imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de las partículas sólidas obtenidas. Las partículas obtenidas en este ejemplo, muestran una forma esférica con estructura de poros tanto a nivel superficial (Figura 6a) como en el interior de la partícula (Figura 6b). La atomización de una composición de cera de carnauba con un contenido de agua del 12% en peso, se realizó de manera satisfactoria empleando el proceso híbrido de pulverización por secado-enfriamiento, el cual permitió obtener partículas con estructura de poros, lo que satisface las necesidades descritas en el estado del arte.

El tamaño de las partículas porosas obtenidas fue de entre 17.35 mieras a 35.83 mieras (17.35 pm a 35.83 pm), presentando un diámetro promedio de poro superficial de 2.01 mieras (2.01 pm); los cuales fueron determinados mediante el software de análisis de imagen ImageJ, empleando las imágenes obtenidas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Las partículas obtenidas con cera de carnauba, presentaron una estructura de poros distinta a las obtenidas con cera de candelilla (Figura 2 del Ejemplo 2). Por tanto, la estructura de poros interna en la partícula puede ser modificada en dependencia del tipo y composición de matriz utilizada. Las partículas obtenidas presentaron una densidad de 0.51 g/cm ³ con una estructura de poros, lo cual representa una reducción de peso de cerca del 16.39 % en relación a las partículas sólidas obtenidas del ejemplo 1. Ejemplo 6

Preparación de partículas con estructura de poros a partir de una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz de cera con 12% de solvente conteniendo surfactante. (Modalidad opcional de la invención)

Se preparó una emulsión tipo agua-en-aceite de una composición de matriz de cera de candelilla, con un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso, empleando L-a-fosfatodicolina (P5638 de Sigma Aldrich) al 5% en peso del contenido de cera, como surfactante aniónico del grupo que comprende fosfatodicolina. Para esto, 88 gr de cera de candelilla (7833 - Candelilla real® refinada, provista por Multiceras S.A de C.V, con un intervalo de fusión de entre 69 °C a 73 °C) fueron sometidos a calentamiento, en un recipiente de 600 mL sobre una parrilla de calentamiento, hasta alcanzar una temperatura de 85 °C (Tm + 15 °C). El punto de fusión (Tm) de la cera de candelilla fue determinado mediante Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), localizándose alrededor de 70 °C. Posteriormente, se agregaron 4.4 gr de L-a-fosfatodicolina, como surfactante aniónico. Una vez disuelto el surfactante en la cera en estado fundido, posteriormente, se agregó 12 gr de agua a una razón de flujo de 5 mL/min en presencia de agitación mecánica, para formar una emulsión tipo agua-en-aceite con un contenido de agua (fase dispersa) del 12% en peso. Posteriormente, se siguió el procedimiento descrito en el ejemplo 2.

El tiempo máximo de residencia del material de alimentación en el recipiente de almacenamiento del equipo, hasta el final del proceso de atomización, fue menor a 2 minutos.

La Figura 7 muestra imágenes por microscopía electrónica de barrido (SEM) de las partículas porosas obtenidas. Las partículas obtenidas en este ejemplo, muestran una forma esférica con estructura de poros tanto a nivel superficial (Figura 7a) como en el interior de la partícula (Figura 7b). La atomización de una composición de cera de candelilla con un contenido de agua del 12% en peso, se realizó de manera satisfactoria empleando el proceso híbrido de pulverización por secado-enfriamiento, el cual permitió obtener partículas con estructura de poros.

El tamaño de las partículas porosas obtenidas fue de entre 17.32 mieras a 40.31 mieras (17.32 pm a 40.31 pm), presentando un diámetro promedio de poro superficial de 1.02 mieras (1.02 pm). En el orden de magnitud de mieras (10 ^-6 m), la cantidad de poros a nivel superficial y el diámetro promedio de poro obtenidos con este ejemplo, fueron mucho menores a los obtenidos con el sistema sin surfactante (Figura 2 del Ejemplo 2). Por otra parte, las partículas obtenidas en este ejemplo, presentaron un mayor contenido de poros internos y con menor diámetro que los obtenidos con el sistema sin surfactante (Ejemplo 2). La medición de tamaños fue realizada mediante el software de análisis de imagen ImageJ, empleando las imágenes obtenidas mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). La estructura de poro superficial e interno de las partículas puede ser modificado con la adición de un surfactante en la composición de matriz.