Presentacion seminario encapsulacion cimatec

Seminario Encapsulación Lima, Perú

Gustavo Santos Morales 26.08.2014 Página 1

Encapsulación por la tecnología de vibración con aplicación en investigación e industrias de alimentos, química, farmacéutica y biotecnología.

Lima, Perú Agosto 27 de 2014

Cimatec

Soluciones BUCHI para encapsulación



¿Qué es encapsulación?

Encapsulación es la inmobilización de ingredientes

activos en una matriz polimérica. Los compuestos

activos, que pueden ser inmovilizados son, por ejemplo:

enzimas, medicamentos, saborizantes, fragancias,

vitaminas, aceites, células o microorganismos.



¿Porqué encapsulación?

Liberación controlada

Ventana terapéutica para

medicamentos, liberación

desencadenada para

soborizantes

Estabilidad contra

fuerzas de corte en un

bioreactor

Aplicaciones en farma, alimentos, cosméticos, biotecnología, medicina, ... Desarrollo de nuevos productos

Protección del ambiente o del

sistema inmune

Dosificación y almacenamiento

mejorar el manejo y seguridad

para los consumidores

Inmovilización enzimas para

biotransformación

Recubrimiento con

grupos funcionales



Puntos a considerar durante la encapsulación

Membrana Hecha de diferentes polímeros, múltiple, con diferentes propiedades, resistencia mecánica

Ingrediente activo e.g. saborizante, medicamento, células, microbio, enzimas, etc.

Matriz hecha de un polímero, líquido o sólido como una red de gel

� Proceso: Esterilidad, temperatura, tiempo de reacción, escalamiento

� Polímero: Biocompatibilidad, tamaño de poro, resistencia mecánica ,

función (protección, liberación, manejo, estabilización)

� Diseño perla: Perla completa, cápsula con núcleo líquido o sólido,

membranas múltiples



Mecanismo de formación de perlas con alginato



Perlas y cápsulas con fases múltiples



Encapsulación de células

Envolvimiento completo de células dentro de una membrana en forma de cápsula

Proteje a las células de interacciones con ambiente circundante

Procesos médicos y biotecnológicosCelulas madre, células animales y humanasTradicionalmente se ha usado para células bacterianas y en levaduras

Membrana semi-permeable

tipo cápsula Células viables

Desechos

Nutrientes

Crítico para la

sobrevivencia de las células

Ambiente

Proliferación

Bio-producto, por ejemplo insulina



Historia de la encapsulación de células

Cápsula gelificada de porosidad homogénea

Células

Membrana Alginato de Calcio•Ca2+- con carga positiva

•Alginato – carga negativa

•El creciemiento ocurre dentro de los poros del gel

•Densidad celular limitada

•Las células son protegidas del ambiente externo

Idealmente se desea un contenido

líquido acuoso para que las células

crezcan libremente

Membrana definida

Protección

Permabilidad etc.



Historia de la encapsulación de célulasAlginato-PLL-Alginato

En 1980, tanto Lim como Sun

• Contribuyeron de manera brillante

• Desarrollaron un sistema de encapsulación de células

• Sistema de membrana de Alginato-poli-L-lisina-Alginato

+ve poli-L-lisina

“Atrapamiento” celular

con alginato

Contrarrestada

con alginato

El calcio reacciona con el

compuesto de

solubilizacion del núcleo

?

El líquido en el núcleo permite

el crecimiento celular

Microcápsulas de núcleo acuoso



Principio de su funcionamiento



Principio de funcionamiento del Encapsulator



La tecnología de la boquilla vibratoria es basada en el principio de que un chorro de líquido laminar se fracciona

en gotitas del mismo tamaño por vibración. La frecuencia de vibración elegida determina la cantidad de gotitas

producidas, por ejemplo una frecuencia de vibración de 700 Hz produce 700 gotitas por segundo

Etapa 1

Mezcla del ingrediente

activo y del polímero

Etapa 3

Superimposición de la

vibración

Etapa 6

Control de proceso en

línea de la formación

de las gotitas a través

de la lámpara

estroboscópica

Etapa 4

Formación de las

gotitas

Etapa 8

Recolección de las

cápsulas

Etapa 7

Formación de las

cápsulas en la solución

de polimerización o por

gelatinización

Etapa 5

Carga electrostática de

las gotitas y dispersión

de las gotitas

Etapa 2

Bombear la mezcla con

una jeringa o aire

comprimido

Principio funcional – técnica de vibración eficiente

• Un chorro líquido laminar se rompe en gotas de igual tamaño por una vibración superimpuesta

• La frecuencia de vibración determina la cantidad de gotas, ejemplo 700 Hz generan 700 gotas por segundo

Formación de gotas se forman gotas

esféricas con un sistema de una

boquilla para encapsulación con

matrices

Formación de cápsulas Cápsula

tipo núcleo/cubierta con un sistema

de una boquilla concéntrica en un

procedimiento de un solo paso



Unidad de dispersión electrostática –prevención de coalescencia de las cápsulas

Cápsulas producidas SIN

el uso de la unidad de

dispersión electrostática:

Cápsulas no-esféricas,

pares de cápsulas unidas

Cápsulas producidas CON

el uso de la unidad de

dispersión electrostática :

Cápsulas esféricas &

mono-dispersas



Formación de cápsulas con la boquilla concéntrica



Spray Chilling con el Encapsulador

Distancia de caída de 1 a 2 m

Etanol frío al 96%

aire lípido/cera fundidos



Tabla de parámetros de proceso



Parámetros de proceso que tiene influencia en la producción de las perlas

Reglas generales:

•A mayor tamaño de la boquilla mayor es la productividad.

•The diámetro de la perla es aproximadamente el doble del tamaño del diámetro de la

boquilla.

•A mayor frequencia se generan perlas más pequeñas.

•A menor flujo se generan perlas más pequeñas.

•A un flujo demasiado bajo corresponde formación de gotas grandes en la boquilla.

•A un flujo demasiado alto corresponde la formación descontrolada de perlas.

•Tan pequeñas como sean las gotas se requiere de un voltaje electrostático bajo para

separar el chorro de gotas.

•Una mayor amplitud es necesaria para líquidos de alta viscosidad.



La productividad depende del tamaño de la boquilla



Sistemas completos

Encapsulador B-390 Encapsulador B-395 Pro

Grupo Usuario

•Unidades educativas en academia

•Modelo inicial en investigación y

desarrollo para alimentos y farma

Grupo Usuario

•Investigación y desarrollo en

Farma

•Investigación avanzada en

academia



Encapsulador B-390 – características clave

Unidad de control•Regulación de la frecuencia de vibración, dispersión electrostática, calentamiento y presión de aire

Unidad de producción de cápsulas

•Para una boquilla

Calentamiento de boquilla •Calentamiento integrado en la unidad de producción de cápsulas•Hasta 70 °C

Botella de presión •500 mL •Presión de trabajo hasta 1.5 bar

Opcional •Juego de boquillas concéntricas para la producción, en un sólo paso, de cápsulas núcleo/cubierta

Juego de 8 boquillas •0.08, 0.12, 0.15, 0.2, 0.3, 0.45, 0.75 y 1.0 mm •Acero inoxidable



Encapsulador B-395 Pro – características clave

Recipiente de reacción•2 L, esterilizable en autoclave •Superficie de tratamiento de acero inoxidable con cumplimiento de GMP

Bomba para jeringa•Para jeringas de 1 a 60 ml•Flujo de 0.01 a 50 ml/min •Calibración de flujo

Botellas de presión•500 mL y 1 L •Hasta 1.5 bar

Opcional:

•Documentación de cumplimiento de GMP para la validación del recipiente de reacción

•Juego de boquillas concéntricas para la producción de cápsulas núcleo/cubierta en un sólo paso

Juego de 8 boquillas

Unidad de control

Agitador magnético

Unidad de producción de cápsulas



Datos técnicos



Opciones recomendadas y accesorios (1/3)

Juego de boquillas concéntricas

•Juego de 7 boquillas externas con apertura

de alta precisión de 0.2

•0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 y 0.9 mm fabricados en

acero inoxidable

•Incluyendo botella de alta presión de 1000

mL

Recipiente de reacción para aplicaciones

estériles

•Completamente esterilizable en autoclave

•Fabricado en vidrio y acero inoxidable para

la producción y recolección de microcápsulas

en condiciones estériles

•Volumen de 2 L, incluyendo la unidad de

producción de cápsulas y juego de 8

boquillas




Juego de 8 boquillas •Juego de boquillas con apertura de alta precisión de 0.08, 0.12, 0.15, 0.20, 0.30, 0.45, 0.75 y 1.00 mm, fabricadas en acero inoxidable•Incluye el soporte de las boquillas

Botellas de alta presión•Botellas de vidrio con conexiones, tubos y filtro para aire, trabaja a presión de hasta 1.5 bar, esterilizable en autoclave •500 mL y 1000 mL




O-ring sets •Juego de O-ring para boquilla simple•Juego de O-ring para boquilla concéntrica •Juego de O-ring para recipiente de reacción

Filtros •Prefiltros para boquillas, 7 mm de diámetro (10 piezas) •Filtros de drenaje para recipiente de reacción, 35 mm de diámetro (10 piezas)



Bomba para jeringa external para Encapsulador

• La actualización de un B-390 a un B-395

Pro no es posible: sus conceptos de

construcción son diferentes.

• Se puede utilizar una bomba de jeringa

externa. Se recomienda la bomba Legato

100 de KDS Scientific.

(www.kdscientific.com)



Beneficios simple vista

Uso amigable•Instalación rápida•La operación de aprende rápido•Pantalla tipo “touch”

•Flexible •Amplia variedad de aplicaciones•Formación de cápsulas y perlas en el mismo instrumento

•Formación reproducible de perlas •Tamaño de perlas desde 0.15 hasta 2 mm •Distribución de tamaño uniforme(es posible < 5% desviación standard)

Control del proceso en tiempo real•Estroboscopio para visualización en línea y optmización de la formación de las gotas

Condiciones moderadas de encapsulación •A temperatura ambiente y condiciones fisiológicas •Completamente viable para encapsular material vivo •Adecuado para encapsulación de células animales

Manejo en condiciones estériles•Partes se puede esterilizar en autoclave•Recipiente de reacción para contención estéril



Una variedad amplia de aplicaciones

Encapsulado de

ingredientes activos:

•Medicamentos

•Vacunas

•Enzimas

•Microbios

•Células

•Saborizantes

•Aceites

•Pesticidas

•Pigmentos

Polímeros para matrices de

cápsulas y formación de

membranas:

•Alginato

•Gelatina

•Carragenina

•Sulfato de celulosa

•Chitosano

•Ceras



Aplicaciones farmacéuticas (1/3)

Liberación de activos

•Polímero liofilizado con ingrediente activo

•Protección de ingredientes activos

(ejemplo; reducir interacción con con otros

activos durante el almacenamiento)


•Ingrediente activo encapsulado en un

polímero biodegradable

•Recubrimiento de partículas con nuevas

funciones (ejemplo, liberación modulada)





•Cápsulas de grasas duras con

ingrediente activo inmovilizado

Enmascaramiento de sabor en

almacenamiento de vitaminas

•Aceite con ingrediente activo en

cápsulas de gelatina




Biotransformación

•Enzimas y microorganismos

encapsulados

Transplante de células

•Encapsulación estéril de células

•Protección de células de mamíferos

contra su sistema inmune (ejemplo;

tratamiento de deficiencia genética o

enfermedad hepática)



Aplicaciones en alimentos

•Enriquecimiento de alimentos

Pequeñas cápsulas de alginato

conteniendo aceite de girasol y caroteno

•Estabilización y pretección de

nutracéuticos

(ejemplo; vitaminas, aceites)

•Ingredientes probióticos en alimentos

Encapsulación de bacterias ácido

lácticas

•Fortalecimiento óptico de alimentos

•Cocina molecular



Aplicaciones en cosméticos

Cosméticos

•Cápsulas grandes de alginato

conteniendo escualeno

•Encapsulado de cremas



Produciendo células contenidas en microcápsulasVentajas del encapsulador B-395 Pro

Características requeridas en la aplicación a procesos médicos/biotecnológicos•Forma pequeña y esférica •Estructuras individuales•Homogéneas con una distribución de tamaño

en un rango estrecho

Características de la técnica de producción •Tiempo de producción corto bajo condiciones

moderadas•Controlable•Relativemente simple y bajo costo•Alta eficiencia•Produce un rango de diferentes tamaños•Repetible•Escalable

B-395 Pro cumple cualquier criterio• Escalamiento – de Büchi a encapsuladores de boquillas multiples



• Encapsulación de células animales

• Producción de proteínas recombinantes

• Encapsulación de células madre

• Medicina regenerativa

• Nuevas y excitantes aplicaciones

La encapsulación permite la generación de cultivos con alta

densidad de células para incrementar la producción de

proteínas recombinantes

Células animales encapsuladas

Bioreactor con

microcápsulas

conteniendo células

La encapsulación de células madre a abierto nuevas

avenidas para científicos que desarrollan métodos de

tratamiento novedosos para enfermedades no tratables

Células madre

dentro de cápsulas

Tecnología Célula-en-

una-caja (SGAustria)

Aplicación para biotecnología



Aplicaciones biotecnológicas

Incrementar la producción de proteínas recombinantes (medicamentos)

•Nuevo concepto – intensificación de bioprocesos

•Incremento significativo de las cantidades producidas y reducción de costos

Las técnicas actuales son limitadas

•Baja productividad de los medicamentos – debido a un ambiente hostil

•Incremento significativo de costos en todo el proceso

•El proceso de producción de medicamentos no es económicamente viable

•Técnicas demasiado complejas para superar los problemas

Bioreactor (bioproceso) Células encapsuladas Bioreactor para microcápsulas



Resultados de cultivos encapsulados – cultivos libremente suspendidos

CHO DP12

•Proteína recombinante IgG•Integra una parte significativa del sistema inmune•Tratamiento de numerosas enfermedades

CHO DP12 encapsulada

•Comparable a cultivos no encapsulados

Bioreactor inoculado•Capacidad de 1.2 L•Volumen de trabajo 25% v/v

Crecimiento y viabilidad de células

Producción de proteínas recombinantes



Encapsulación de células animalesSector Biotecnológico

•Incrementar la productividad y reducir los pasos de purificación por recuperación In-situ del producto•El ambiente del bioproceso puede ser hostil

In-situ product recovery (ISPR)•Remoción inmediata del producto•Se incrementa la productividad•Simplifica las etapas del proceso (purificación)

Usa microcápsulas como dispositivo para larecuperación in-situ del producto

Bioreactor

Técnica

ISPRAgitación, calor

pH etc

Cristales de Geldanamycin (pureza > 97%)

Producto

obtenido



Aplicaciones médicas

Generación de células de manera artificial para transplante en humanos•Reemplazar células dañadas o de bajo desempeño •Uso de células para ayudar a órganos ya presentes •Ejemplos comunes – Diabetes y enfermedades hepáticas •Largo plazo

•oLas técnicas actuales son limitadas• Rechazo al implante debido a respuesta inmunológica• Medicamentos inmuno supresores• El incremento en la población y la incidencia de las enfermedades han

aumentado significativamente el problema

Las células

encapsuladas son

protegidas de los

anticuerpos, mecanismo

natural de defensa




Mayores avances•Doctores en Londres han curado un bebé varón de una enfermedad mortal la cual destruía su hígado usando terapia celular• Las células del hígado fueron encapsuladas usando un

encapsulador Inotech IE-50R, el cual es el modelo precursor del BUCHI B-395 Pro

• Link al BBC News Report: http://www.bbc.co.uk/news/health-15745948 .

Las células encapsuladas

son protegidas de los

anticuerpos, mecanismo

natural de defensa




Medicina regenerativa•Enfoque muy nuevo

Basado en el método de terapia celular•No es para producir un órgano completo•Reemplazar células dañadas o de bajo desempeño•La cápsula proteje a las células de una inmuno-respuesta•Permanece en el cuerpo durante su vida útil

Principales ventajas de las células madre•Producidas en la mayoría de las células de los tejidos

• Tratamiento de un rango de enfermedades• Dementia – enfermedades inflamatorias

•Células madre embrionarias• Transplantes a una parte requerida – transformarse un las células

requeridas

Optimización del proceso de encapsulación




Incrementar la producción de células madre con bioreactores

Las células pueden usarse como medicamentos modelo•Reemplazar pruebas con animales•Células madre (humanas) son buenas o exactamente representativas para probar un organismo•Resultados mejores y más rápidos, dirigidos a una aprobación más rápida•Reducción significativa de costos y aceleración completa del proceso de desarrollo del medicamento

Bioreactor (bioproceso)



CTI-Project

• Proyecto de investigación con la University Hospital of Geneva (HUG) y la Technical High School of Lausanne (EPFL). Con apoyo del Gobierno Suizo.

• Buscan resultados en el tratamiento de la Diabetes

• BÜCHI: Modificación del sistema de boquilla (nozzle) concéntrica para la encapsulación de células pancreáticas

• EPFL: Elaboración de polímeros mejorados para encapsulación.

• HUG: Pruebas con las células encapsuladas (Islets de Langerhans) in vitro / in vivo.



BÜCHI es el propietario de los derechos para comercializar los resultadoscientíficos.

Microencapsulación con el Spray Dryer

• Adecuado para un gran número de aplicaciones

• Tamaño de partícula de 0.3-25µm

• Control de tamaño de partícula y morfología

• Encapsulación de líquidos y sólidos en una matriz (perlas)

• El producto final es un polvo seco

• Control de liberación de activos en una matriz con características

selectivas

• Encapsulación de materiales sensibles a la temperatura o volátiles

Microencapsulación con el Encapsulator

• Adecuado para un gran número de aplicaciones

• Proceso muy suave para usarse en la encapsulación de células animales

• Tamaño de partícula seleccionable previamente en el rango de 150µm – 2.0mm

• Producción de partículas húmedas en la forma de perlas y cápsulas

• Distribución en un rango estrecho del tamaño de partícula

• Endurecimiento de las partículas en polimerización o “baño frío”

• Encapsulación de líquidos y sólidos

• Control de liberación de principios activos mediante selectividad de la matriz

• Adecuado para encapsulación estéril

Microencapsulación: Encapsulator vs. Spray Dryer

Seminario Spray Drying Lima, Perú


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