Entender la estabilidad de los productos en polvo a través de la sorción de humedad
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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)
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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
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D á i lDe manera más simple
• HUMEDAD
• TEMPERATURATEMPERATURA
• TIEMPO
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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
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¿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
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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
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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?
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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
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¿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
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¿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
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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 ?
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
*Datos para leche en polvo obtenida por atomización
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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
*Datos para leche en polvo obtenida por atomización
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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Isotermas DVS y DDI de una muestraIsotermas DVS y DDI de una muestra
*Datos para celulosa microcristalina (MCC) a 25ºC
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C ió d I t DVSComparación de Isotermas DVS
* Datos procedentes de Shelly Schmidt
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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¿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
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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
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