Procesos con CO2 Supercrítico y Encapsulación, múltiples posibilidades en alza

El CO₂ supercrítico puede aplicarse no solo para obtener extractos que pueden encapsularse sino también en otras etapas de proceso ligadas a la encapsulación (para generar partículas, impregnar materiales, reducir la carga microbiológica, etc.)

Las preferencias de los consumidores y las demandas de la industria para darles respuesta incluyen, por ejemplo, la obtención y utilización de productos más naturales y seguros para mejorar la calidad de vida abarcando desde la alimentación hasta la medicina pasando por la cosmética. La encapsulación de sustancias diversas puede contribuir positivamente en esta línea y la tecnología de CO₂ supercrítico ofrece numerosas oportunidades de proceso innovadoras y sostenibles.

La búsqueda de alternativas más sostenibles para afrontar retos tecnológicos y sociales ha pasado de ser una tendencia minoritaria a una necesidad reconocida por la sociedad y las instituciones, reflejada por ejemplo en los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) o el Pacto Verde de la UE, sobre el que se asienta el Plan de Acción para la Economía Circular adoptado en 2020.

Las preferencias de los consumidores y las demandas de la industria para darles respuesta incluyen, por ejemplo, la obtención y utilización de productos más naturales y seguros para mejorar la calidad de vida, procurando que las sensaciones asociadas a su uso sean lo más agradables que sea posible. El interés por la salud propia pero también por la del resto de los seres vivos y del medio ambiente, sustenta una atención creciente no solo en las materias primas y en los ingredientes derivados, sino en los métodos empleados en su obtención. Esta tendencia es especialmente apreciable en alimentación, pero también en cosmética. Ello explica que estén en auge la protección de sustancias bioactivas lábiles para que mantengan su funcionalidad (extractos funcionales, pero también incluso microorganismos o células) o la mejora de sus propiedades para facilitar su uso (por ejemplo, la reducción de su impacto organoléptico). La encapsulación -ya sea a escala macro-, micro- o nanométrica- puede contribuir positivamente en esta línea y en ese sentido, la tecnología de fluidos supercríticos y más concretamente del dióxido de carbono supercrítico (CO₂-SC), ofrece numerosas oportunidades de proceso innovadoras y sostenibles.

CO₂ supercrítico: herramienta polifacética para innovar en encapsulación

En general, se considera el CO₂-SC como el fluido supercrítico más ampliamente empleado en aplicaciones diversas por las ventajosas propiedades que presenta en esas especiales condiciones de proceso (alta difusividad; alto poder disolvente; no tóxico, no inflamable ni explosivo; coste moderado; ampliamente disponible; etc.)

La versatilidad del CO₂ supercrítico ha motivado que en las últimas décadas se haya ampliado el abanico de temáticas y campos de investigación, como lo avalan el constante crecimiento de publicaciones científico-tecnológicas y más concretamente, las novedades aparecidas en 2020.

Centrando la atención en la aplicación de CO₂ en condiciones supercríticas en alguna de las etapas de proceso asociadas a la encapsulación de sustancias diversas, se pueden ilustrar algunas de las posibilidades más relevantes con ejemplos publicados en los últimos meses.

• Obtención de extractos para su posterior encapsulación

El CO₂ supercrítico es un agente de extracción idóneo para sustancias apolares lipofílicas. Por ello, además de aplicarse para el desgrasado y la obtención de ingredientes proteicos, se puede emplear para la obtención de extractos de alta calidad. Los procesos de extracción con CO₂ supercrítico se realizan en ausencia de oxígeno y normalmente a temperaturas moderadas, por lo que las fracciones extraídas mantienen sus propiedades y pueden presentar ventajas funcionales u organolépticas respecto a extractos obtenidos mediante otras tecnologías, especialmente cuando involucran disolventes orgánicos.

En este ámbito conviven ejemplos de aprovechamiento que han llegado hasta escala industrial (industria cosmética, industria de fragancias, etc.), con nuevas investigaciones para incidir en aspectos que pueden favorecer nuevas aplicaciones, como la interacción con otros componentes. En un estudio publicado en 2020, se señala la obtención con CO₂ supercrítico de un extracto de pieles de cebolla con actividad antioxidante y quercetina como flavonoide principal y su interacción con péptidos como beta-lactoglobulina como posibles vectores (carriers).

• Generación de partículas micro/nanoencapsuladas en procesos asistidos con CO2 supercrítico

La tecnología de CO₂ a alta presión y especialmente, supercrítico se encuentra entre las alternativas existentes para conseguir partículas de pequeño tamaño (micronización) o la generación de encapsulados de ciertas sustancias recubiertas por otras, especialmente a escala micromética. Son muy numerosos y variados los procesos enfocados a la generación de partículas de pequeño tamaño que aprovechan las propiedades del CO₂-SC y cabe señalar esta familia de aplicaciones entre las tendencias más vanguardistas de la tecnología, por las amplias oportunidades y los numerosos retos tecnológicos asociados dependiendo de las necesidades específicas de cada caso.

Las características de las sustancias que se desea encapsular, el tipo de recubrimiento o de aplicación final del encapsulado, el propósito de la encapsulación, etc. condicionan la selección de la tecnología más idónea y se deben analizar las alternativas de los procesos con CO₂ que podrían emplearse teniendo en cuenta estos factores y el estado de la tecnología (teniendo en cuenta no solo los avances tecnológicos en sí sino su estado de desarrollo y de protección). Sobre este análisis, podrán para descartarse las que no se adapten a los requisitos y/o acotarse las más prometedoras así como identificar el alcance del recorrido asociado al desarrollo de soluciones específicas concretas.

En 2020 han seguido apareciendo innovaciones en este campo, con ejemplos muy variados tanto en cuanto a las sustancias encapsuladas como las finalidades y la función del CO₂ en el proceso de generación de partículas (micronizados, microencapsulados, etc.). Entre ellos: Vitaminas y otros micronutrientes (vitamina E y vitamina C) y compuestos de hierro; riboflavina con tocoferol, etc.) en encapsulados multifuncionales orientados a aplicaciones alimentarias, biomédicas, cosméticas; extractos naturales para proteger sus propiedades biofuncionales (açaí, pimienta rosa; Aceite esencial de laurel para preservar sus propiedades biocidas (bacteriostáticas, antifúngicas); aceite de lima para extender el tiempo de liberación; compuestos bioactivos para mejorar sus propiedades mediante micronización/nanonización (curcuma mangga, antitumoral disulfiram, etc.) o microencapsulación (coenzima Q10 para facilitar su dosificación y biodisponibilidad y bioaccesibilidad, principios activos farmacológicos como amoxicilina, antiinflamatorios no esteroideos, );(arginina; incluso, colorantes para el teñido de cuero …

Simplificando mucho en cuanto a la función del CO₂ supercrítico en los procesos de encapsulación, cabe señalar que en ciertas tipologías de proceso se aprovecha la solubilidad de las sustancias involucradas en el CO₂ supercrítico, dando paso a la generación de las partículas al modificar las condiciones de proceso a otras en las que dejan de ser solubles. En el otro extremo, se encuentran otras opciones de proceso que se apoyan en el uso del CO₂ supercrítico como agente antidisolvente, es decir, para forzar generación de las partículas al reducirse la solubilidad de las sustancias en las disoluciones de partida como consecuencia de la intervención de este fluido. La lista de posibles procesos y variantes con CO supercrítico con distintos roles refleja es muy extensa [solo algunos de los más reconocidos: RESS (rapid expansion of supercritical solutions), GAS (gas antisolvent process), SAS (supercritical anti-solvent), PCA (precipitation with compressed fluid antisolvent), PGSS (Particles from Gas Saturated Solutions), DELOS (depressurization of an expanded liquid organic solution); SFEE (supercritical fluid extraction of emulsions), ASES (aerosol solvent extraction system), etc.] y sigue creciendo, lo cual avala el interés en esta línea tecnológica.

En todos los tipos de proceso, el resultado final no solo depende de los mecanismos y fenómenos asociados sino también de los sistemas y dispositivos experimentales. Por ello, el ámbito de las investigaciones y publicaciones incluye novedades también en cuanto a elementos clave asociados a las instalaciones (por ejemplo, boquillas; sistemas de recogida de partículas; sistemas de mezclado; sistemas de regulación; etc.)

• Impregnación con CO₂ supercrítico de encapsulados y soportes

Otra posibilidad tecnológica radica en la alta difusividad del CO₂ supercrítico, que facilita la penetración a través de la estructura de materiales. Esta capacidad, junto a la de solubilización de sustancias, sustenta los procesos de impregnación de materiales para dotarlos de alguna funcionalidad añadida.

De este modo, junto otras aplicaciones de impregnación, el CO₂ puede utilizarse para incorporar alguna sustancia a partículas generadas por otras técnicas para dar lugar a encapsulados o microencapsulados, dependiendo de las características de los materiales soporte en los que se incorporan las sustancias que se desea dosificar. Por ejemplo, se ha publicado la impregnación supercrítica de micropartículas de soja generadas previamente por otra técnica para cargarlas con aceite de chía, consiguiéndose la protección del aceite frente a la oxidación, pero también la liberación controlada bajo condiciones similares a las gastrointestinales, lo cual resultaría fundamental para su absorción.

• Post-procesado de partículas encapsuladas mediante otras alternativas tecnológicas: Eliminación de restos de disolventes, secado, esterilización de materiales sensibles

Las alternativas tecnológicas de microencapsulación son muy diversas y una parte de los procesos involucran la utilización de disolventes orgánicos, lo que suele conllevar cierta presencia en el producto final. Si esta circunstancia es indeseable, además de tratar de optar por otra alternativa de encapsulación diferente, se puede tratar de soslayar esta circunstancia aplicando un proceso de post-tratamiento sobre los microencapsulados. Es el caso de otro de los ejemplos aparecidos en 2020, en el que los investigadores aplicaron CO₂ supercrítico para eliminar residuos de diclorometano en microesferas de PLGA con risperidona, consiguiendo eliminaciones de hasta el 99%.

En otras ocasiones, se efectúa la encapsulación implicando sustancias muy delicadas y es preciso un tratamiento previo adecuado para posibilitar su utilización final de forma segura sin comprometer el propio material. Es el caso de un ejemplo reciente donde las investigaciones biomédicas y de proceso convergen para el desarrollo de un nuevo material orientado al tratamiento de enfermedades. El trabajo publicado se apoya en el potencial de la encapsulación de células combinado con el desarrollo de células con respuesta específicas para el tratamiento de enfermedades, como el caso de la diabetes tipo 1. Los investigadores se centran en el desarrollo de membranas nanoporosas basadas en hidrogeles de poliuretano con alto contenido en agua, que tratan después para eliminar sustancias citotóxicas así como para conseguir un nivel de esterilidad suficiente que permita su futura implantación en el cuerpo, de manera que las células puedan excretar sustancias. Concretamente, señalan que un tratamiento con CO2 supercrítico durante 2 horas fue suficiente para alcanzar niveles SAL (sterility assurance level) de 10^(-6), por lo que consideran que las membranas nanoporosas desarrolladas serían susceptibles de utilizarse para la encapsulación de células en dispositivos en la escala macroscópica utilizables en implantes, para lo que apuntan a futuros próximos estudios en los que seguir investigando para poder avanzar en esa línea.

AINIA aúna capacidades y know-how tanto en el ámbito de la tecnología de fluidos supercríticos como en el de encapsulación, que sustentan las actividades que viene realizando para aprovechar las oportunidades que ofrece el CO2 supercrítico en el ámbito de la encapsulación. AINIA cuenta con más de 25 años de experiencia en el desarrollo y escalado de soluciones sostenibles y eficientes basadas en procesos con CO₂ supercrítico desde escala piloto hasta nivel industrial en ALTEX y con más de 15 años de experiencia en el desarrollo y escalado en distintos procesos de microencapsulación. En esta línea, en 2020 se ha seguido progresando en el ámbito de la investigación procesos con CO₂ supercrítico para la encapsulación de sustancias en distintas opciones tecnológicas, avanzando y ampliando las capacidades disponibles. Para ello, se han identificado los elementos clave a incorporar para distintas alternativas de proceso y se han seleccionado los más idóneos para su adquisición y montaje para la configuración de nuevos dispositivos experimentales.

Estos avances han sido desarrollados en el marco de las líneas de investigación que han sido cofinanciadas por el IVACE (Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial) en el marco del convenio de colaboración con AINIA para desarrollar actividades de I+D+i que sean transferibles al tejido industrial.