entender la estabilidad de los productos en polvo a través de la sorción de humedad

d l b l d d d d lEntender la estabilidadad de los productos en polvo a través de la productos en polvo a través de la

sorción de humedadFundamentos básicos sobre actividad de agua (aw)

Gema Rodrigo VillarDra. Ingeniero AgrónomoÁREA DE ACTIVIDAD DE AGUAÁREA DE ACTIVIDAD DE AGUA

www.lab‐ferrer.com / info@lab‐ferrer.com Webinar, 12 de junio de 2014

La estabilidad de los productos en polvoLa estabilidad de los productos en polvo• QuímicaMicrobiológica• Microbiológica• FISICA Flujo (Flow) Flujo (Flow) Aglomeración (Caking) Adherencia (Sticking) Adherencia (Sticking)

Fluidez y actividad de agua en productos en polvo Webinar, 12 de junio de 2014

Científicamente fluidez del polvo y adherenciaCientíficamente, fluidez del polvo y adherencia

• La mayoría de los productos en polvoy p ppara alimentación se secan poratomización y en estado vítreo amorfo

• Existe una clara relación entre elapelmazamiento y la transición vítrea

• El tamaño y forma de los poros influye

• El flujo de polvo libre se transforma en• El flujo de polvo libre se transforma engrumos y finalmente en un sólidoaglomerado.g

• El problema es omnipresente en lasindustrias alimentaria farmacéuticacosmética, veterinaria y química


D á i lDe manera más simple

• HUMEDAD

• TEMPERATURATEMPERATURA

• TIEMPO


Enfoque típico para solucionar losEnfoque típico para solucionar losproblemas de fluidez• Medir el contenido de humedad de los productos en polvo• Emplear envases con barreras de humedadp• Almacenar a baja temperatura• Secado en el envase (In‐package desiccation)( p g )• Incorporación de agentes anti‐aglomerantes• Batir en la tolva


¿Por qué medir la humedad en polvos no¿Por qué medir la humedad en polvos nofunciona?

25

Milk Powder Malto 16.5 Infant Formula Drink Mix Fiber Powder

• Problemas para medir elcontenido de humedad 20

5

(d.b.)

• No hay estándars paracontenido de humedad

10

15

sture Content (

• Isoterma de Sorción paraproductos en polvo es plana a

i id d d ( ) b j

5

Mois

actividad de agua (aw) bajas

• La aw es un parámetrol ó

0

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Water Activity

mejor, mejor correlación con: Aplemazamiento

Transición vítreaFluidez y actividad de agua en productos en polvo Webinar, 12 de junio de 2014

Actividad de agua vs Contenido deActividad de agua vs Contenido deHumedad• CONTENIDO DE HUMEDAD

Medida cuantitativa de la cantidad de agua en una muestraexpresado en una base seca o húmeda

Una propiedad que depende de la cantidad de materialp p q pensayado.

• ACTIVIDAD DEAGUA

Medida del estado de energia del agua en un sistema(Cualitativo).(Cualitativo).

Una propiedad intensiva


Definición de actividad de aguaDefinición de actividad de agua

Definición: la actividad de agua (aw) es una medida del estado deenergía del agua en un sistema

Definición más antigua y conceptual: la aw es la cantidad de agua“libre” o “disponible” en un producto (en oposición al agua “unida”)

aw = f/fo = p/po

p p ( p g )

w / o p/po

aw = ——————————————————Presión de vapor de agua en la muestra @ °C

w

a = ERH (%) /100

Presión de vapor del agua pura @ misma °C

aw ERH (%) /100


Contenido de HumedadContenido de Humedad• Medida cuantitativa de la cantidad de aguaMedida empírica carece de patrones estándar• Medida empírica, carece de patrones estándar• Perdida por secado – Ecuación de FickV l ió (K l Fi h )• Valoración (Karl Fischer)

• ¿Es el agua lo único que volatilizamos?• Muchos métodos diferentes• Muchas fuentes de variación• ¿Qué es algo SECO?


Sistema de Queso y Galletas Sistema de Queso y Galletas

GALLETAS Inicial Final QUESO Inicial FinalGALLETAS Inicial Final

Humedad (%) 4 20

QUESO Inicial Final

Humedad (%) 60 30

aw 0,30 0,75 aw 0,90 0,75

dad

Hum

edad

Hum

edTiempoTiempo TiempoTiempo


¿Pregunta?

La galleta y el queso se colocan juntos

¿Pregunta?

Galleta QuesoGalleta

20% Humedad

Queso

30% Humedad

¿Hacia dónde se mueve el agua?¿Hacia dónde se mueve el agua?Fluidez y actividad de agua en productos en polvo Webinar, 12 de junio de 2014

¿Cómo a usar la a para controlar la fluidez?¿Cómo a usar la aw para controlar la fluidez?Todos los datos tienen el i á dmismo estándar

En todos los nivelesaw I + D + I

organizativos se emplea el mismo equipoaw

REVISAR LA ENTRADA

DE MATERIA PRIMATodos los datos estánrelacionados directamente con la seguridad del producto

aw ENCONTROL DEla seguridad del producto

Las especificacionesl i d l id útil d l

PROCESOS

aw PRODUCTOACABADO relacionadas con la vida útil del producto pueden comprobarse5 min antes de comercializar el ASEGURAR CALIDADaw 5 min antes de comercializar el producto

aw


¿Cómo a usar la a para controlar la fluidez?Calidad aseguraque los lotes

¿Cómo a usar la aw para controlar la fluidez?

aw

que los lotescumplen con lasespecificacionest bl idestablecidas

awI + D emplea las isotermas y la aw para formular productos con sabor , textura, seguridad y vidaútil óptimas para uno


Aplicaciones prácticas de la actividad de Aplicaciones prácticas de la actividad de agua1. ¿Qué puedo aprender de una

Isoterma de Sorción dehumedad?

2. ¿Cómo se determina//conoce¿ //la sorción de humedad?

3. ¿Cómo se mide la actividad de3. ¿Cómo se mide la actividad deagua ?


1st Isotermas de sorción de humedad1 Isotermas de sorción de humedad.Aplicaciones en productos en polvo▫ Cálculo de la vida útil▫ Determinar los niveles de histéresis

C d h ió / d▫ Curva de humectación / secado▫ Formulación de productos▫ Mezcla de ingredientes secosg▫ Cambios físicos

Transición vitrea Cristalización Cristalización Apelmazamiento y agregación

▫ Necesidades de envasado


Isoterma de Sorción de HumedadIcing Creme Filling Cake

Cada producto tiene supropia y única Isoterma de 45

50

Wood Pulp Granola Bar Milk Powder

propia y única Isoterma de Sorción de Humedad debidoa diferentes interaciones 35

40

45

t (% d.b.)

(coligativas, capilares y efectos de superficie) entre el

20

25

30

Moisture Co

nten

t

agua y los componentessólidos a diferentes valoresde humedad

10

15

Mde humedad

0

5

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Water Activity Water Activity


Isotermas y TransiciónVitreaIsotermas y TransiciónVitrea

15

20% d.b.) Particulas pueden

solubilizarse

10

15

ontent (%

Ad/Ab‐sorciónSuperficial y bulk

5isture Co

Estado gomosoAdsorciónsuperficial

0

Moi Actividad de agua Critica

Estado amorfo

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Water Activity

*Datos para leche en polvo, obtenida por atomización, a 25ºC


Repetibilidad del cambio de faseRepetibilidad del cambio de faseRun 1 Run 2 Run 3

20 d.b.)

15

tent (%

5

10

ture Con

0

5

Moist

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Water Activity

*Datos para leche en polvo obtenida por atomización


Amorfo vsCristalino

6

7.b.)

Amorphous Crystalline

4

5

6

tent (% d

2

3

sture Co

nt

0

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Mois

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Water Activity

*Datos para una muestra de sacarosaDatos para una muestra de sacarosa


Método DDI para cambio de faseMétodo DDI para cambio de faseHigh Rubbery State

Tg

Constant TScan aw

Low Critical %MC or awGlassy State

Low %Moisture Content or aw High


Isotermas a DistintasTemperaturasIsotermas a DistintasTemperaturas

15c 20c 25c 30c 35c 40c

25 d.b.)

15

20

tent (% d

10

ture Con

t

0

5

Moist

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Water Activity



A ti id d d t i ió ítActividad de agua y transición vítrea

80

90

C) DDI Generated Data

50

60

70

peratu

re (°

Literature Data

y = ‐127,2x + 79,58R² = 0,996

20

30

40

5

herm Tem

p

0

10

20

0 3 0 35 0 4 0 45 0 5 0 55

Isot

h

0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55

Water Activity



La Humedad Relativa Crítica = aLa Humedad Relativa Crítica = aw

• Seguir las especificaciones de Seguir las especificaciones de temperatura establecidas• Determinar el valor de (Humedadrelativa Crítica,HRc) para la temperatura más desfavorable

d á l l• Esta HRc dará lugar a lasexpecificaciones de aw para expedición

C t l d lid d l l• Controles de calidad para asegurar que se cumplen lasespecificaciones• Empaquetar el producto para prevenir actividades de agua• Empaquetar el producto para prevenir actividades de aguasuperiores al valor de HRc para el caso de condiciones extremas


Métodos para generar Isotermas deMétodos para generar Isotermas deSorción de Humedad• Método 1: DesecadorTradicional• Método 2: Dynamic Vapor Sorption (DVS) Método 2: Dynamic Vapor Sorption (DVS) • Método 3: Dynamic Dewpoint Isotherm (DDI)


Desecadores o Cámaras de humedadDesecadores o Cámaras de humedadControladaDeterminar el contenido de humedaden el equilibrio a distintos valores de awColocar el producto (seco hidratado oColocar el producto (seco, hidratado onativo) en una cámara de humedadcontrolada aTemperatura constantecontrolada aTemperatura constanteSon necesarios entre 6‐9 valores(niveles) de awControlar la TemperaturaMedir la perdida o ganancia de pesocon el tiempo y hasta alcanzar elequilibrio (1‐3 semanas para alcanzarel equilibrio)el equilibrio)


S ió Di á i d V (DVS)Sorción Dinámica de Vapor (DVS)DVS Change In Mass (ref) Plot

dm - dry Target RH

Temp: 25.0 °CMeth: polymer film.sao

MRef: 2.28063

• Los ciclos de aw son

2.5

3

3.5

4

f

70

80

90

100dm dry Target RHw

automáticos• De forma gravimétrica se

1

1.5

2

Cha

nge

In M

ass

(%) -

Re

30

40

50

60

Targ

et R

H (%

)determina el cambio en el peso• Más rápido que el método

-0.5

0

0.5

250 350 450 550 650 750 850

Time/mins0

10

20

© SurfaceMeasurement Systems LtdUK1996-2007DVS- The SorptionSolution

• Más rápido que el métodotradicional• Facilita la evaluación de la © Surface Measurement Systems Ltd UK 1996 2007DVS The Sorption Solution

cinetica de sorción• Se basa en el equilibrio para establecer los niveles de actividad de agua


Dynamic Dewpoint Isotherm (DDI)

Dynamic Dewpoint Isotherm (DDI) ‐Isoterma de Punto de Rocío DinámicoNo es necesario alcanzar el

equilibrio con una valor de awestablecido por eso es más rápido

Aireseco

Airehúmedo

establecido, por eso es más rápido Los datos tienen una elevadísima

resolución Sensor óptico

ventilador

Puede emplearse para evaluar los cambios en la sorción debidos a las

l

Sensor Infrarojosespejo

Sensor óptico

transiciones en la matriz Proporciona una imagenmás real

de la sorción pero no informa de la tde la sorción, pero no informa de la cinética de las reacciones

Se pueden producir situaciones de

muestra

Balanza de p pno‐equilibrio Precisión


Comparación de los métodosComparación de los métodos

Traditional Desiccator GAB Model Fit DDI Method

20

b.)

Traditional Desiccator GAB Model Fit DDI Method

15

ent (% d.b

5

10

ure Co

nte

0

5

Moistu

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Water Activity


AquaLab Vapor Sorption Analyzer – VSAAquaLab Vapor Sorption Analyzer – VSAIsotermas Dinámicas y Estáticas en un equipo En la mismamuestra se puedengenerar los 2 tipos de Isotermas Las isotermas dinámicasinformande la transiciónvitrea Las estáticas informande la cinética


Isotermas DVS y DDI de una muestraIsotermas DVS y DDI de una muestra

*Datos para celulosa microcristalina (MCC) a 25ºC


C ió d I t DVSComparación de Isotermas DVS

* Datos procedentes de Shelly Schmidt


Isoterma DinámicaIsoterma DinámicaDDI Method

161820

(% d.b.)

Sin Cristalización o Cinética

101214

Con

tent (

46810

Moisture C

024

0 0 2 0 4 0 6 0 8 1

M Punto de Inflexión. Transición Vitrea

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Water Activity

*Datos para leche en polvo obtenida por atomización a 25ºC


Isoterma EstáticaCinética de Sorción y Difusión

Isoterma Estática

6

0,7000

0,8000

8,00%

9,00%

10,00%

8,00%

9,00%

10,00%

Cristalización

0,4000

0,5000

0,6000

5,00%

6,00%

7,00%

Activity

re Con

tent

5,00%

6,00%

7,00%

re Con

tent

0,2000

0,3000

0,4000

3,00%

4,00%

5,00%

Water A

% M

oistur

3,00%

4,00%

5,00%

% M

oistur

N h t d i fl i

0,0000

0,1000

0,00%

1,00%

2,00%

0,00%

1,00%

2,00% No hay punto de inflexionvisible

0,0 2000,0 4000,0 6000,0

Time (min)

0,0000 0,2000 0,4000 0,6000 0,8000

Water Activity

*Datos para leche en polvo obtenida por atomización a 25ºCDatos para leche en polvo obtenida por atomización a 25 C


Isotermas Estática y Dinámica de la mismaIsotermas Estática y Dinámica de la mismamuestra

25Static Isotherm Dynamic Isotherm

20

nten

t

10

15

oisture Co

n Cristalización

5

% M

Punto de Inflexión. TransiciónVitrea

0

0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000 0,9000 1,0000

Water Activity

*Datos para leche en polvo obtenida por atomización a 25ºC


Medir la a en el control de calidad conMedir la aw en el control de calidad conPunto de Rocío ‐ Dewpoint• Ventajas▫ Método de referenciaMétodo de referencia▫ Elevada precisión ±0,003aw▫ Medidas precisas <5 minutosp 5▫ Medida en el intervalo completo de aw (0,03 – 1,0aw)▫ Elevada fiabllidad

• DesventajasN i l j li i▫ Necesita que el espejo este limpio

▫ Lecturas afectadas por alcohol y propilen glicol


AquaLab Series 4TE(V)AquaLab Series 4TE(V)Limpieza fácilPantalla y menús

fá il d j

Cámara de medida

fáciles de manejar

Igual precisión y repetibilidad que su

Cámara de medidaestancaantecesor , S3TE

P d iPuede incorporarun sensor paravolátiles de forma opcional

Incorpora memoriapara almacenar datos

opcional

Se puede actualizarpara medir aw y

Las prestaciones incluyen crear perfilesde usuario y también generar boletinesde acuerdo con el 21 CFR Part 11 si se

contenido de humedad de forma conjunta

de acuerdo con el 21 CFR Part 11 si se emplea el programaAquaLink RG


Qué necesitas saber para Predecir la vidaQué necesitas saber para Predecir la vidaútil de los productos en polvoEsto es científico, no adivinación ni tarot• Actividad de agua (aw)Actividad de agua (aw)• Temperatura• Tiempo• Tiempo

Tiempo Higrotérmico ( ida útil en tiempo real)Tiempo Higrotérmico (vida útil en tiempo real)

c]baexp[aT)aR(T c]baexp[aT)aR(T, ww


¿Cómo empezar a usar la a para controlar¿Cómo empezar a usar la awpara controlarla fluidez de los productos en polvo?• Isotermas de Sorción de Humedad▫ SERVICIO GENERACION ISOTERMAS

▫ AQUALABVSA• Establecer las especificaciones e i l l l d lid dincorporarlas al control de calidad• Media la aw en los productosacabados y listos para comercializaracabados y listos para comercializarcon un AquaLab S4TE• Esta instrumentación proporcionap puna Información muy útil y poderosa


Muchas GraciasMuchas GraciasGema Rodrigo Gema Rodrigo LabFerrerc/ Ferran el Catolic, 3/ , 325200 CERVERA

gema@lab‐ferrer.comwww.lab‐ferrer.comhttp://blog actividaddeagua comhttp://blog.actividaddeagua.com


entender la estabilidad de los productos en polvo a través de la sorción de humedad

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