Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de...
-
Upload
truongkhuong -
Category
Documents
-
view
214 -
download
0
Transcript of Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de...
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
1
ÍNDICE GENERAL
CAPÍTULO 1
RESUMEN EJECUTIVO 14
CAPÍTULO 2
INTRODUCCIÓN 17
2.1. Estado del arte 20
2.1.1. Quitosano (Q) 21
2.1.2. Alginato de sodio (AS) 21
2.1.3. Magnetita (MN) 22
2.1.4. Insulina (IN) 22
2.1.5. Cloruro de calcio 23
2.1.6. Pulseras con dispositivo nano estructurado 23
2.2. Estudio de mercado 23
CAPÍTULO 3
3.1. Justificación 25
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
2
CAPÍTULO 4
4.1. Objetivos 26
4.1.1. Objetivo general 26
4.1.2. Objetivos particulares 26
4.1.3. Objetivos experimentales 26
CAPÍTULO 5
5.1. Materiales y métodos 27
5.1.1. Materiales 27
5.1.2. Formación de las microcápsulas 28
5.2. Encapsulación 28
5.3. Metodología experimental 30
5.3.1. Diagrama experimental 31
5.3.2. Síntesis de magnetita 32
5.3.3. Caracterización de magnetita 32
5.3.4. Soluciones stock de biopolímeros 34
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
3
5.3.5. Viscosidad de las soluciones
biopoliméricas
34
5.3.6. Potencial zeta (δ) en función del pH. 34
5.3.7. Punto de equivalencia de AS-CS y Q 34
5.3.8. Formación de las microcápsulas
magnéticas
35
5.3.8.1. Caracterización de las microcápsulas 35
5.3.9. Rendimiento de encapsulación (RE%) 36
5.3.10. Estabilidad de IN en las microcápsulas
magnéticas
37
5.3.11. Liberación de IN de las microcápsulas
magnéticas
37
5.3.12. Análisis estadísticos 38
CAPÍTULO 6
6.1. Diseño de la planta 39
6.1.1. Ubicación de la planta 39
6.2. Estudio de mercado y producción 42
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
4
6.2.1. Producción y precio de quitosano 42
6.2.2. Producción y precio de alginato de sodio 43
6.2.3. Producción y precio de la insulina 44
6.2.4. Producción y precio de magnetita 46
6.3. Tecnologías de microencapsulación 47
6.3.1. Extrusión 47
6.3.2. Emulsión 49
6.3.4. Aspersión 50
6.4. Evaluación técnica 52
6.4.1. Descripción del proceso 52
6.4.2. Balances de materia y energía 54
6.4.3. Lista de equipo 76
6.4.3.1. Lista de equipo principal 76
6.4.3.2. Lista de equipo complementario 78
6.5. Diagramas y planos 81
6.5.1. Diagrama de flujo de proceso 82
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
5
6.5.2. Diagrama de tubería e instrumentación 84
6.6. Dimensionamiento de líneas principales 85
CAPÍTULO 7 112
7.1. Evaluación económica 112
7.1.1. Insumos 112
7.1.2. Personal requerido 118
7.1.3. Organización de la empresa 119
7.2. Estudio económico 124
7.2.1. Inversiones 124
7.2.1.1. Plan global de inversión 124
7.2.1.2. Inversiones fijas 126
7.2.1.3. Inversiones fijas tangibles 126
7.2.1.4. Inversiones fijas Intangibles 130
7.2.2. Capital de trabajo 134
7.2.3. Presupuestos de costos e ingresos 138
7.2.3.1. Costos de producción 138
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
6
7.2.3.2. Costos de fabricación 141
7.2.3.3. Costos de administración 142
7.2.3.4. Costos de venta 142
7.2.3.5. Costos financieros 142
7.2.3.6. Costos por línea de producción 142
7.2.3.7. Ecuación de costos 143
7.2.3.8. Costo unitario 146
7.2.4. Ventas 148
7.2.4.1. Fijación de precio de venta 148
7.2.4.2. Ingreso por venta 149
7.2.5. Financiamiento 151
7.2.5.1. Préstamo para terreno 151
7.2.5.2. Préstamo para edificio 152
7.2.5.3. Préstamo para maquinaria 153
7.2.5.4. Ganancias 154
7.2.5.4.1. Tasa interna de retorno 155
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
7
o de recuperación
7.2.5.4.2. Rentabilidad del
proyecto
156
CAPÍTULO 8
8.1. Aspectos ambientales 157
8.2. Aspectos de seguridad 168
8.2.1. Análisis HAZOP 173
CAPÍTULO 9
9.1. Resultados experimentales 180
CAPÍTULO 10
10.1. Conclusiones 190
10.2. Referencias 191
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
8
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 6.1. Equipos de mezclado 76
Tabla 6.2. Tanques de almacenamiento 76
Tabla 6.3.Equipo de formación (Aspersor) 77
Tabla 6.4. Bombas 78
Tabla 6.5. Lista de tuberías 79
Tabla 6.6. Resumen de corrientes de alimentación del proceso para la
elaboración de microcápsulas
82
Tabla 6.7. Dimensiones para los tanques de almacenamiento para sólidos y
líquidos
89
Tabla 6.8. Porciones básicas para el dimensionamiento de un tanque de
mezclado
91
Tabla 6.9. Constantes de KL , KT 94
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
9
Tabla 6.10. Dimensiones para los tanques de mezclado 96
Tabla 6.11. Dimensiones del equipo secador de banda 104
Tabla 6.12. Efecto de las variables sobre el tamaño de la gota 108
Tabla 6.13. Valores de K y exponentes aplicables en la ecuación 109
Tabla 6.14. Dimensiones del aspersor 110
Tabla 7.1. Consumo de energía eléctrica (ILUMINACION) 114
Tabla 7.2. Consumo de energía eléctrica (FUERZA MOTRIZ ) 115
Tabla 7.3. Costo del edificio 126
Tabla 7.4. Costo de maquinaria y equipo 127
Tabla 7.5. Costo de instalaciones auxiliares 128
Tabla 7.6. Costo de equipo y suministro de oficina 129
Tabla 7.7. Costo de puesta en marcha 132
Tabla 7.8. Fondo de amortización para préstamo del edificio 152
Tabla 7.9. Fondo de amortización para préstamo de la maquinaria 153
Tabla 7.10. Valor actual neto 154
Tabla 7.11. Tasa interna de retorno 155
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
10
Tabla 8.1. Matriz MET 165
Tabla 9.1. Relaciones para la formación de microcápsulas
185
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Estructura del AS en sus diferentes conformaciones (G= ácido
glucurónico, M= ácido manurónico)
18
Figura 2.2. Estructura del quitosano 19
Figura 6.1. Mapa de localización para la ubicación de la empresa en
Naucalpan de Juárez, Estado de México
41
Figura 6.2. Tipos de dispositivos de extrusores 48
Figura 6.3. Técnica de encapsulación en emulsión 50
Figura 6.4. a) Tanque con fondo cónico para sólidos, b) Tanque para
líquidos
86
Figura 6.5. Factores de forma para el diseño de tanques de mezclado 90
Figura 6.6. Esquema de dimensionamiento de un tanque mezclador 95
Figura 6.7. Secador de banda transportadora con circulación cruzada 97
Figura 6.8. Aspersor 105
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
11
Figura 6.9. esquemático de las dimensiones de la cámara de aspersor 106
Figura 8.1. Sistema de producto físico dela microcápsula 159
Figura 9.1. Síntesis de la magnetita y prueba preliminar de las propiedades
magnéticas
180
Figura 9.2. Curvas de viscosidad aparente (hap) de: (a) AS-CS a una
concentración de 2% (p/p) y (b) Q al 2% (p/p)
182
Figura 9.3. Perfiles de potencial zeta en función del pH para las soluciones
biopoliméricas
183
Figura 9.4. Perfiles de titulación con NaOH 0.1N para AS-CS 184
Figura 9.5. Imágenes de microcápsulas de AS-CS-Q obtenidas al utilizar
diferentes relaciones másicas R[AS-CS:Q]:
186
Figura 9.6. Micrografía de las microcápsulas conteniendo IN utilizando AS-
CS-Q como material de recubrimiento en una relación R [9:1] después de
haber sido asperjadas en una solución de CaCl2 3M.
187
Figura 9.7. Perfiles cromatográficos de IN:a) sin encapsular, b) encapsulada
pero sometida a pH ácido, y c) encapsulada y con inducción de campo
magnético.
189
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
12
ÍNDICE DE DIAGRAMAS
Diagrama 5.1. Diagrama experimental a seguir para la obtención de
microcápsulas magnéticas conteniendo insulina.
31
Diagrama 6.1. Proceso para la elaboración de microcápsulas magnéticas 81
Diagrama 6.2. Plano de tuberías e instrumentación para la fabricación de
microcápsulas magnéticas.
84
Diagrama 7.1. Organigrama de la empresa 123
Diagrama 8.1. Posibles causas-efectos derivados de los diferentes aspectos
ambientales y sus impactos.
162
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
13
CAPÍTULO 1
RESUMEN EJECUTIVO
En este proyecto se realizó un estudio conducente al desarrollo de una tecnología para
fabricar cápsulas magnéticas de centro líquido y liberación controlada para el tratamiento
de pacientes con diabetes tipo I mediante medios no invasivos. La justificación del
problema reside en que la principal causa de mortalidad en hombres y mujeres en México
es debido a padecimientos como la diabetes. Actualmente los decesos debido a esta
enfermedad representan el 14.01% de los decesos totales, sin embargo su incidencia en la
población está creciendo a una tasa anual del 14.5% <www.mexicomaxico.org> (2007). El
tratamiento de este padecimiento es a través del suministro de insulina, que en la mayoría
de los casos es administrada vía inyección u otros métodos invasivos, lo que ha conllevado
a que los pacientes con diabetes tipo I descuiden o suspendan su terapia. Por esta razón,
existe una gran demanda de desarrollar e implementar la obtención de vehículos para la
administración de insulina que ya no sean invasivas.
En la actualidad, los estudios realizados se han enfocado al encapsulamiento de
fármacos como la insulina en matrices biopoliméricas, debido a que poseen la ventaja de
ser biocompatibles y biodegradables. Dentro de estas matrices biopoliméricas se encuentran
aquellas formadas por complejos polielectrolíticos, ya que han demostrado poseer mejores
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
14
propiedades para la encapsulación y la liberación controlada de compuestos bioactivos.
Sin embargo, la liberación en estos sistemas es debida al efecto de los gradientes de
concentración que existen en el interior y exterior de las microcápsulas, haciéndola de
manera transitoria. Por lo que el presente trabajo propone utilizar la inclusión de partículas
magnéticas dentro de las microcápsulas, con la finalidad de lograr la liberación de la
insulina a tasas constantes. Lo anterior implica que al regular y controlar el movimiento de
partículas magnéticas dentro de la matriz biopolimérica mediante la inducción de un campo
magnético externo, es posible mantener un flujo constante de insulina hacia el torrente
sanguíneo y así mejorar la biodisponibilidad de dicho fármaco. La magnitud de la
liberación se encuentra directamente relacionada con la intensidad del campo magnético
inducido, la magnetización de las partículas y el número de movimientos de las partículas
en la matriz biopolimérica.
Para lograr tal objetivo, el uso de las microcápsulas se conjuntaría con el uso de un
dispositivo externo nanoestructurado, el cual será empleado como un agente modulante
abierto en un sistema de circuito de histéresis abierto, que podría usarse como una pulsera
por el paciente.
Por lo que este trabajo describe una propuesta para elaborar microcápsulas con
propiedades magnéticas conteniendo la dosis necesaria de insulina, que puedan ser
administradas vía oral en una única dosis al día y cuya liberación sea de forma prolongada
y controlada. En primera instancia se determinaron las condiciones óptimas de formación
de matrices poliméricas formadas mediante la interacción de dos biopolímeros de carga
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
15
opuesta como el alginato de sodio y el quitosano, para ambos se ha demostrado que son
capaces de entrampar, proteger, almacenar y liberar controladamente compuestos
bioactivos (Tipo de sustancia química que se encuentra en pequeñas cantidades en las
plantas y ciertos alimentos. Los compuestos bioactivos cumplen funciones en el cuerpo que
pueden promover la buena salud). Se encontró que al utilizar una relación de alginato de
sodio-quitosano (AS-Q) de 9:1 en presencia de citrato de sodio (3.5g de Citrato de sodio
por cada gramo de alginato de sodio) y cloruro de calcio (3 M) a un pH de 4.5 y
adicionadas de partículas magnéticas, 5-7 unidades de electromagnetismo/gramo (emu/g),
era posible obtener microcápsulas magnéticas de centro líquido con la rigidez y estabilidad
adecuadas para contener la dosis requerida de insulina (0.05mg/ml). Las microcápsulas
obtenidas presentaron morfologías esféricas, con una distribución de tamaños de partícula
homogénea (< 5 m). La eficiencia de encapsulación de la insulina en el interior de las
microcápsulas magnéticas fue del 98%. Así mismo se evaluaron condiciones simuladas de
pH gastrointestinal (pH 1-2), donde la pérdida de insulina debida a cambios de pH resultó
ser insignificante, permitiendo que las microcápsulas puedan llegar a los sitios de absorción
a nivel de intestino delgado (pH 7), donde se encontró que la liberación pasiva de la
insulina fue del 35% y que para el caso de la inducción de campos magnéticos el contenido
de insulina disponible llegó a ser del 75%.
Con base en los resultados experimentales obtenidos, se realizó el escalamiento del
proceso para la obtención de microcápsulas magnéticas de centro líquido conteniendo
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
16
insulina para cubrir el 20% del mercado nacional, así posteriormente se dejó el análisis de
rentabilidad del mismo.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
CAPÍTULO 2
INTRODUCCIÓN
En México, la población aproximada de personas con diabetes asciende entre 6.5 y 10
millones según datos de la Federación Mexicana de Diabetes (FMD). El principal tratamiento
que se aplica a pacientes con diabetes tipo I (insulino-dependientes) es la administración de
insulina (IN) en dosis invasivas sub-cutáneas, mediante la aplicación de inyecciones en muslos o
en la pared abdominal, lo que algunos casos ha llevado a los pacientes a descuidar e incluso
abandonar la terapia de tratamiento.
Lo anterior ha llevado a la exploración de sistemas que permitan administrar de forma no
invasiva y controlada compuestos bioactivos como la IN. Dentro de estos sistemas se encuentra la
microencapsulación en matrices poliméricas, la cual permite obtener partículas con tamaños que
van desde 1 a 5000 m. Generalmente esta tecnología utiliza biopolímeros capaces de producir
cápsulas que no sólo provean de protección al compuesto bioactivo, sino que además faciliten su
administración, tenga buenas propiedades de liberación en sitios de acción, que sean
biocompatibles y biodegradables.
La selección del material de recubrimiento se realizó con base en sus propiedades funcionales
(térmicas, reológicas y superficiales), debido a que la estructura interfacial que pueda generar da
pauta a la liberación controlada de los compuestos funcionales bioactivos entrampados. El
alginato de sodio (AS) ha sido considerado como uno de los biopolímeros más adecuados para la
producción de microcápsulas debido a que su composición y estructura secuencial tienen una
gran importancia para su función como material de encapsulación (de Vos, 2006).
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
18
El AS es un polisacárido aniónico que se encuentra distribuido en las paredes celulares de las
algas marinas pardas, siendo un polímero orgánico derivado del ácido alginico, su composición y
estructura secuencial tiene una gran importancia para su función como material de encapsulación.
Además, posee la capacidad de reticulación en presencia de cationes divalentes, tales como los
iones de calcio (Ca2+
), los cuales se unen a los residuos de grupos carboxilos del ácido
manurónico y glucurónico, presentes en la molécula de AS (Figura 2.1).
Además se ha reportado que el uso de mezclas biopoliméricas de AS con algunos polímeros
catiónicos como la gelatina, han demostrado ser útiles para la encapsulación de células, fármacos
y otras sustancias demostrando ser altamente eficientes durante la encapsulación y la liberación
del compuesto de interés.
Figura 2.1. Estructura del AS en sus diferentes conformaciones (G=
ácido glucurónico, M= ácido manurónico).
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
19
Por otra parte, el quitosano (Q) ha comenzado a ser un biopolímero de gran importancia
debido a la gran variedad de aplicaciones que se han encontrado. Es un polisacárido lineal que
consiste de un copolímero de unidades - (1-4)-2-amino-2-desoxi-D-glucosa (D-glucosamina) y -
2-acetamido-2-desoxi-D-glucosa o N-acetil-D-glucosamina (Figura 2.2). El grupo amino en Q
tiene un valor de pKa alrededor de 6.5, lo cual lo hace poseer una carga predominantemente
positiva haciéndolo soluble en medios ácidos o en soluciones neutras con dependencia del pH y
de su grado de desacetilación (DA). Este biopolímero se produce comercialmente a partir de la
desacetilación de la quitina, principal compuesto estructural en el exoesqueleto de los crustáceos.
Debido a las diferencias en propiedades iónicas entre AS y Q, es posible promover la
interacción electrostática de los grupos amino (NH2+) del Q con los grupos carboxílicos (COO
-)
del AS, que permita formar una red biopoliméricas con un alto entrecruzamiento para obtener
microcápsulas de centro líquido que contengan la dosis necesaria de tratamiento de IN, y las
cuales permitan controlar la liberación de dicho componente activo o promoverla mediante la
adición de nanopartículas con propiedades magnéticas.
Figura 2.2. Estructura del quitosano.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
20
2.1. Estado del arte
Algunos trabajos encontrados en la literatura han reportado el uso de mezclas biopoliméricas
de AS y Q, donde las perlas obtenidas presentan mejores propiedades superficiales y menor
permeabilidad de compuestos externos que cuando se utilizan los biopolímeros por separado. Sin
embargo, el estudio de la aplicación de este tipo de sistemas aún es escaso, debido principalmente
a la poca resistencia de los materiales de pared bajo condiciones gastrointestinales (bajos pH`s y
presencia de sales biliares), además de que los sistemas formulados no siempre son capaces de
liberar el compuesto bioactivo entrampado en el sitio de máxima absorción.
Una alternativa para contrarrestar dichos inconvenientes es a través de la incorporación de
nanopartículas magnéticas que se encuentren incorporadas dentro de la matriz biopolimérica, las
cuales bajo la inducción de un campo magnético externo sean capaces de moverse y romper la
estructura de la pared de recubrimiento, permitiendo la liberación del compuesto bioactivo en
función de la intensidad del campo. Algunos ejemplos de este tipo de sistemas son los formados
con mezclas de AS y polietilenimina adicionadas con partículas de ferrita de estroncio como
disparador magnético, en los cuales se mejoró la liberación de los fármacos entrampados.
Por tal razón, el uso de materiales con propiedades magnéticas, compatibles con el organismo
ha comenzado a tener gran auge principalmente en aplicaciones biomédicas (incluyendo la
resonancia magnética nuclear para el diagnóstico clínico, la ingeniería de tejidos, fármaco-
orientación magnético, hipertermia anti-cáncer estrategia, la administración de fármacos y la
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
21
inmovilización de enzimas). Siendo los óxidos de hierro Fe3O4, (magnetita; MN) y -Fe2O3, los
principales compuestos útiles para este fin.
A continuación se detallan algunas propiedades de los principales compuestos utilizados para
la obtención de las microcápsulas magnéticas de centro líquido para la incorporación de insulina.
2.1.1. Quitosano (Q)
El Q es un polisacárido lineal que consiste en unidades de β-(1-4)-2-amino-2-desoxi-d -
glucosa (d-glucosamina) vinculado a 2-acetamido-2-desoxi- d glucosa-(N-acetil- d -
glucosamina). En general, se produce comercialmente mediante la desacetilación de quitina, que
es el elemento estructural en el exoesqueleto de los crustáceos. La fuerte interacción
electrostática de los grupos amino del Q con los grupos carboxílicos del AS conduce a la
formación del complejo de Q/AS que da origen a microcápsulas más resistentes y con mejores
propiedades de liberación de moléculas.
2.1.2. Alginato de Sodio (AS)
El AS es un polisacárido anióico distribuido ampliamente en las paredes celulares de las algas
marinas pardas. Estas sustancias corresponden a polímeros orgánicos derivados del ácido
algínico. El componente principal del alginato es la sal sódica del ácido algínico. Contiene dos
ácidos urónicos, β-(1-4)-vinculado d-ácido manurónico (M) y α-(1-4) vinculado l -ácido
gulurónico (G), y se compone de bloques homopoliméricos M-M o G -G, y bloques con una
secuencia alterna de M-G. Producto de la reacción química, de carácter irreversible, y mediante
una técnica adecuada de mezcla, se obtiene una pasta que en pocos minutos (1 a 1,5) gelifica, es
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
22
decir, endurece, pero el tiempo de trabajo y el tiempo de gelificación no deberá de ser menor a 3
minutos ni mayor a 6 minutos.
2.1.3. Magnetita (MN)
La magnetita es un mineral de hierro constituido por óxido ferroso-diférrico (Fe3O4) que
debe su nombre de la ciudad griega de Magnesia. Su fuerte magnetismo se debe a un fenómeno
de ferrimagnetismo: los momentos magnéticos de los distintos cationes de hierro del sistema se
encuentran fuertemente acoplados, por interacciones antiferromagnéticas, pero de forma que en
cada celda unidad resulta un momento magnético no compensado. La suma de estos momentos
magnéticos no compensados, fuertemente acoplados entre sí, es la responsable de que la
magnetita sea un imán, impulsor.
2.1.4. Insulina (IN)
La insulina (del latín insula, "isla") es una hormona polipeptídica formada por
51 aminoácidos, producida y secretada por las células beta de losislotes de
Langerhans del páncreas. La insulina interviene en el aprovechamiento metabólico de los
nutrientes, sobre todo con el anabolismo de los carbohidratos. Su déficit provoca la diabetes
mellitus y su exceso provoca hiperinsulinismo con hipoglucemia.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
23
2.1.5. Cloruro de Calcio
El cloruro cálcico o cloruro de calcio es un compuesto químico,
inorgánico, mineral utilizado como medicamento en enfermedades o afecciones ligadas al
exceso o deficiencia de calcio en el organismo.
Actúa como agente secuestrante, neutra, agente defloculante, endurecedora, fortalecedora
de pastas, emulsora, poniendo firme el agente, reforzadora del sabor, esencias aromáticas,
humectantes, suplementos nutricionales, ayuda de proceso, estabilizador y espesante, agente
tensoactivo, producto sinérgico, texturizador y neutralizante. En este trabajo se utilizará el cloruro
de calcio como secuestrante de iones calcio para evitar la total gelificación del complejo
quitosano/alginato y poder obtener cápsulas de centro líquido que permitan la circulación de los
nano-sólidos magnéticos que promueven la liberación controlada de la insulina.
2.1.6. Pulseras con dispositivo nano estructurado
Las pulseras con el dispositivo nano estructurado para mandar el campo magnético que haga
circular los nano-sólidos magnéticos dentro de las cápsulas se maquilarán con una pequeña
empresa fundada por investigadores del Departamento de Ingeniería Biomédica de la UAM-
Iztapalapa.
2.2. Estudio de mercado
Se estima que la prevalencia de diabetes en México es de aproximadamente 10.7 % en
personas entre 20-69 años de edad. Si tenemos una población de 112, 322, 757 habitantes, esto
se traduce en 12, 018,535 diabéticos, con una tasa anual de crecimiento de aproximadamente el
15 %.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
24
La dosis de inicio será de 0.1-0.3 UI/kg/día (1 UI equivale a 41 mcgr de insulina) en no
obesos y de 0.3-0.5 UI/kg/día en obesos que se administrará en una dosis o en dos. En términos
generales esto se traduce en una dosis diaria de 15-20 UI en pacientes no obesos y de 25-30 UI en
el paciente obeso. Una UI de insulina tiene un equivalente biológico de alrededor de 45.5 μg de
insulina cristalina pura (1/22 mg exactamente).
Nuestra intención es la de abarcar un 20 % de este mercado, lo que equivale a un suministro
de insulina 25 UI/día x 41x10-9
kg/paciente = 2.46 kg/día. Como nuestro mercado potencial son
12, 018, 535 pacientes x 0.20 = 2, 403, 707 pacientes. Por lo tanto deberemos de ser capaces de
suministrar 2, 403, 707 pacientes aproximadamente 897.9 kg de insulina por año. Esta insulina
debe suministrarse en forma de una cápsula de dosis única. Más adelante daremos los detalles de
la composición de las cápsulas, que dará la pauta para el balance de materia necesario para el
escalamiento de una planta a nivel industrial que cubra con dicha necesidad.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
25
CAPÍTULO 3
3.1. Justificación
En México se estima que hay alrededor de 12 millones de personas que tienen diabetes y que
muchos de ellos no siguen un régimen adecuado de tratamiento por 2 motivos fundamentales: (1)
por el estrés producido por el método invasivo y/o (2) por la administración de la dosis de
insulina a tiempos y de manera inadecuada. Esto ha conllevado a un grave problema de salud a
nivel nacional con fuertes implicaciones económicas para el sector de salud, debido a las horas
de trabajo perdidas de cada hombre y a los altísimos costos de hospitalización. En este proyecto
se pretende coadyuvar a la solución de este problema de salud, a través del desarrollo de un
proceso con tecnología y sistema de administración de la insulina que no sea invasiva, y en la que
solamente se requiere de la ingesta de una sola dosis cuya liberación del fármaco se dé a
concentraciones y tiempos adecuados. El nivel normal de azúcar en la sangre cambia según la
hora del día en que se controla (Clinicians, 2012):
Antes de las comidas 70-130 mg/dl
Después de las comidas de 180 mg/dl
Azúcar en la sangre en ayunas de 90-110 mg/dl
2 horas después de comer de 140-180 mg/dL
De acuerdo con esta información, el uso de una microcápsula que contenga IN, que pueda ser
activada mediante un pulso magnético externo específico de acuerdo con las necesidades del
paciente, permitirá mejorar la calidad de vida de los pacientes de diabetes tipo I en México.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
26
CAPÍTULO 4
4.1. Objetivos
4.1.1. Objetivo general
Diseñar una planta productora de cápsulas magnéticas de centro líquido elaboradas a
partir de una mezcla de los biopolímeros Q/AS, que liberen de forma controlada la
insulina, al acoplarse a un campo magnético externo producido por un sistema nano-
estructurado.
4.1.2. Objetivos particulares
• Determinar las condiciones de formación de las microcápsulas conteniendo la dosis de
insulina (IN) requerida.
• Evaluar la liberación controlada de la insulina de las cápsulas en condiciones de pH
gastrointestinales simuladas.
• Implementar el proceso de microencapsulación de insulina (IN) a nivel industrial.
4.1.3. Objetivos Experimentales
Establecer las condiciones necesarias para la formación de microcápsulas
magnéticas y la encapsulación de IN mediante el uso de complejos electrostáticos
entre AS y Q.
Determinar las condiciones de aspersión de las microcápsulas en la solución de
CaCl2 para el endurecimiento de la corteza de las microcápsulas magnéticas
conteniendo insulina.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
27
Caracterizar física y químicamente la estabilidad de las cápsulas magnéticas
conteniendo insulina.
Evaluar la liberación controlada de insulina de las cápsulas magnéticas en
condiciones de pH gastrointestinal simulado.
CAPÍTULO 5
5.1. Materiales y métodos
5.1.1. Materiales
El AS y CS se adquirieron de Merck S.A. de C.V. (Naucalpan, Estado de México, México),
Q de bajo peso molecular con un 92.2% de DA se obtuvo de Sigma–Aldrich (Toluca, Estado de
México, México). IN de páncreas bovino cristalina (99.9 % pureza; 6000 Da) fue comprada a
Novo Nordisk S.A. de C.V. (México, D.F., México). Para la síntesis de MN se utilizaron los
siguientes reactivos de grado analítico: sulfato ferroso heptahidratado (FeSO4·7H2O), nitrato de
potasio (KNO3) e hidróxido de potasio (KOH) todos ellos comprados a Merck S.A. de C.V.
(Naucalpan, Estado de México, México). Los solventes como el ácido acético y el ácido
clorhídrico fueron comprados a J.T Baker (México, D.F, México). En todos los experimentos se
utilizó agua des ionizada provista por la UAM-I.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
28
5.1.2. Formación de Microcápsulas
Las cápsulas se formularon basados en que las siguientes premisas:
i) Se administrará en una cápsula única con una concentración de 1.20 mg de insulina (la
dosis diaria promedio + 5 % exceso, por pérdidas durante la manufactura).
ii) De los estudios de la variación del potencial zeta con pH entre los biopolímeros, para
establecer el punto donde se promueve la máxima interacción entre biopolímeros que
fomenten la formación de complejos solubles (sin que ocurra precipitación) con
densidad de carga negativa.
iii) Se escogió la relación en masa entre los biopolímeros en que se obtuvo un mayor
rendimiento en la formación de los complejos solubles según los datos de la
absorbancia.
Así pues el procedimiento seguido fue el siguiente:
Se mezclaron las soluciones Q, AS, IN y MN (en una relación volumen/volumen) de manera
que la relación entre biopolímeros fuera la óptima para formar complejos solubles. Se ajustó
el pH de 4, de la mezcla donde la interacción fue máxima sin que ocurriera precipitación.
Esta mezcla se asperjó dentro de la solución de CaCl2. La concentración de insulina por
cápsula fue de 1.2 mg.
5.2. Encapsulación
La encapsulación es un proceso mediante el cual ciertas sustancias bioactivas
(carotenoides, vitaminas, aceites esenciales, etc.) pueden ser cubiertas de manera individual para
protegerlas del ambiente y de reacciones deteriorativas, principalmente oxidativas, debido a la
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
29
luz, temperatura, oxígeno, metales pesados, enzimas, extremos de pH, etc. Una ventaja adicional
es que un compuesto encapsulado se libera gradualmente del compuesto que lo ha recubierto y se
obtienen productos alimenticios con mejores características sensoriales y nutricionales.
En este trabajo se usó un aspersor para mezclar la corriente conteniendo la insulina y los
nano-sólidos magnéticos con la dispersión acuosa de la mezcla de biopolímeros
quitosano/alginato, se atomizar la mezcla de las dos corrientes para formar una nube de gotas
atomizadas. Estas gotas en vez de ser secadas con una corriente de aire caliente como se hace en
el secado por aspersión convencional, caerán por gravedad en una solución de CaCl2 para dar
comienzo a la reticulación del alginato, y por ende, a la gelificación del complejo biopolimérico.
Esta gelificación se da de la parte externa hacia el interior de las gotas, formando cápsulas con
una membrana interfacial externa sólida semi-permeable, cuyo interior se mantiene líquido. A fin
de evitar la total gelificación de las cápsulas parcialmente-geladas, estas se filtraran de la solución
de CaCl2 (que se recirculará al aspersor), evitando que la reacción de gelificación continúe,
obteniendo las cápsulas de centro líquido. Las cápsulas semi-geladas se separan de la solución de
cloruro de calcio (que se recircula al tanque contenedor) y se alimentan a un banda transportadora
hasta el punto de llenado de los frascos en los que se comercializará el producto. Una sección de
la banda transportadora pasa por un túnel cerrado donde se inyecta una corriente de aire seco a
las cápsulas para eliminar el agua libre en la superficie de las mismas.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
30
5.3. Metodología experimental
En el Diagrama 5.1 se muestra el diagrama experimental a seguir para llevar a cabo la
determinación de las propiedades necesarias de los materiales utilizados en la fabricación de las
microcápsulas magnéticas, así como de aquellas que son necesarias para la selección y
escalamiento de los equipos a emplear en la planta productora de microcápsulas magnéticas de
centro líquido conteniendo IN.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
31
5.3.1. Diagrama Experimental
Diagrama 5.1. Diagrama experimental a seguir para la obtención de microcápsulas magnéticas conteniendo
insulina.
Caracterización
de biopolímeros
Síntesis de
magnetita
Caracterización
Determinación de las
concentraciones de:
Biopolímeros (AS-Q),
IN,
MN
Citrato de sodio (CS)
Endurecimiento de
la coraza del
material de pared
-Flujo de alimentación al
aspersor
- Concentración CaCl2
Obtención de microcápsulas
magnéticas conteniendo insulina
Liberación
controlada
Evaluar
propiedades
magnéticas Formulación de
microcápsulas
magnéticas
- Tamaño
- Contenido de humedad
- Morfología
- Eficiencia de encapsulación
Determinación de magnitud del campo
magnético inducido.
Liberación de insulina en medios
acuosos.
Obtención de las
microcápsulas magnéticas
conteniendo IN
-Viscosidad y parámetros
reológicos.
- Potencial zeta vs. pH
- No. de miliequivalentes químicos
en biopolímeros
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
32
5.3.2. Síntesis de Magnetita
La MN fue sintetizada de acuerdo con lo reportado por Tapia et al. (2009) con algunas
modificaciones. Se prepararon tres soluciones: (A) se colocaron 2 g de FeSO4·7H2O en 150 mL
de agua y se disolvieron, (B) se agregaron 60 mg de KNO3 y 0.8 g de KOH y se disolvieron en
60 mL de agua. Las soluciones A y B se calentaron hasta alcanzar una temperatura de 75 °C y a
esta temperatura se mezclaron y agitaron con una varilla de vidrio. Durante este proceso se formó
una suspensión de color verdosa que posteriormente se volvió negra. La suspensión resultante se
llevó a 90°C y se mantuvo a esa temperatura durante 10 min mientras se agitaba. Transcurrido
este tiempo, la solución se dejó enfriar a temperatura ambiente mediante la ayuda de un baño de
hielo. La solución resultante se acidificó con una solución 3M de HCl formando un precipitado.
Dicho precipitado se filtró utilizando un papel filtro Whatman No. 42 y el sólido resultante se
lavó dos veces con volúmenes de 50 mL de agua desionizada. El sólido resultante en el papel
filtro fue colocado en una caja Petri y llevado a una estufa a 45°C durante 24 h para su secado.
Finalmente el polvo negro obtenido se raspó del papel filtro y peso para obtener el rendimiento
de la síntesis mediante la diferencia de pesos.
5.3.3. Caracterización de Magnetita
La caracterización magnética se realizó usando un magnetómetro de muestra vibrante (sus
siglas en ingles VSM). Las nanopartículas de MN fueron colocadas en un gel de gelatina
siguiendo el procedimiento descrito a continuación. 150 mg de muestra se colocaron en 1 mL de
gelatina (5% p/p) utilizando un tratamiento con ultrasonido en un baño de agua caliente. Se
colocaron 0.15 mL de la suspensión en una celda de plástico para las mediciones magnéticas. El
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
33
tamaño de las partículas de MN fue determinado en un Zetasizer nano ZS (Malvern Instruments,
Worcestershire, UK), por dispersión de luz al colocar una suspensión de MN sintetizada en agua
desionizada en una celda desechable.
5.3.4. Soluciones stock de Biopolímeros
Se prepararon dispersiones acuosas de Q al 2% (p/p) en una solución de ácido acético al 1 %
(v/v) y de AS al 2 % (p/p) en agua desionizada adicionados de 3.5g de CS por cada g de AS. Las
dispersiones se dejaron hidratar durante 12 h previas a su uso. Se preparó una solución de IN al
0.05% (p/p) en agua desionizada. Todas las soluciones tipo stock fueron almacenadas a 4°C hasta
su uso.
5.3.5. Viscosidad de las Soluciones Biopoliméricas
Las soluciones biopoliméricas fueron sometidas a pruebas reológicas de cizalla con la
finalidad de determinar el comportamiento de la viscosidad aparente ( ap) en función de la tasa
de corte ( ) aplicada. Las curvas resultantes fueron ajustadas a un modelo de ley de potencias
(Ec. 1) con la finalidad de estimar los parámetros de flujo.
(1)
donde k es el índice de consistencia y n es el índice de flujo (n>1 fluido reoespesante, n<1 fluido
reoadelgazante, y n=1 fluido newtoniano).
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
34
5.3.6. Potencial Zeta (ζ) en función del pH.
Las soluciones de los biopolímeros fueron ajustadas a diferentes valores de pH (2.5 a 6.5)
mediante la adición de soluciones 0.1N de HCl y/o 0.1N de NaOH, según fuera el caso. Una vez
que las soluciones estuvieron al pH indicado se determinó la carga promedio de las moléculas de
biopolímero en solución mediante el potencial zeta. Aproximadamente 1 mL de cada solución se
colocó en una celda desechable de potencial zeta y se realizaron las mediciones utilizando un
Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments, Worcestershire, UK). El pH al cual se obtiene la menor
diferencia estequiométrica de las cargas (pHest) será utilizado para formar los complejos entre
AS-CS y Q.
5.3.7. Punto de Equivalencia de AS-CS y Q
Se realizó una titulación ácido-base para las soluciones de AS-CS y Q, con la finalidad de
encontrar el punto de equivalencia en el cual las cargas positivas de Q pueden ser neutralizadas
por las fracciones aniónicas de la mezcla de AS-CS, y de esta manera encontrar la relación
másica en la cual se lleva a cabo la mejor interacción entre ambos biopolímeros. Dicho punto de
equivalencia se determinó al obtener de forma numérica la primera derivada ( pH/ VNaOH),
donde el máximo de ésta representa el punto de neutralización de los iones presentes en los
biopolímeros (punto de inflexión).
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
35
5.3.8. Formación de las microcápsulas magnéticas
La solución de IN y MN fueron colocadas en un matraz Erlenmeyer en las cantidades
adecuadas, esta solución se mezcló con la solución de Q utilizando un homogenizador Ultra
turrax T20 (IKA, Inc., USA) a una velocidad de 600 rpm durante 5 min. La mezcla resultante fue
redispersada en la solución de AS-CS ajustando el pH a aquel en el que se obtuvo la menor
diferencia estequiométrica (pHest), de acuerdo con el procedimiento descrito en la sección 7.4., y
estas soluciones fueron mezcladas en diferentes relaciones másicas de AS-CS: Q (1:1, 2:1, 6:1,
7:1 y 9:1) con la finalidad de verificar las mejores condiciones de formación de un recubrimiento
suficientemente estable.
La dispersión resultante fue transferida a un aspersor con un flujo de entrada de 1.2 mL/min, y
pasada a través de una aguja con diámetro 0.7 mm, las gotas resultantes fueron captadas en un
vaso de precipitado que contenía una solución 3M de CaCl2. Las microcápsulas gelificadas
obtenidas fueron decantadas de la solución y lavadas al menos 3 veces con agua des ionizada
para retirar el exceso de iones Ca2+
.
5.3.8.1. Caracterización de las microcápsulas
La caracterización de las microcápsulas consistió en la evaluación del tamaño, morfología y
contenido de humedad. La muestra se colocó en un portaobjetos y se observaron en un
microscopio óptico con luz polarizada (Olympus BX45) acoplado a una cámara digital (Olympus
E-620). Fueron observadas utilizando un objetivo de 10X. Las micrografías obtenidas para las
diferentes relaciones fueron analizadas mediante un software de análisis de imágenes (Motic
Images Plus 2.0ML). La morfología consistió únicamente en establecer la forma de las
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
36
microcápsulas. El contenido de humedad se realizó al colocar 1 g de las microcápsulas en una
celda de aluminio y someterlas a un secado isotérmico a 90 °C durante 60 min en un analizador
termogravimétrico (TGA 2965 HiRes, TA Instruments, Delaware, E.U.A.), detectando la
reducción de peso debida a la pérdida de humedad, hasta obtener un peso constante.
5.3.9. Rendimiento de encapsulación (RE%)
Las microcápsulas obtenidas conteniendo IN fueron desestabilizadas al colocarlas en etanol
absoluto para extraer la IN, y se centrifugaron a 6000 rpm durante 15 min a 4°C para precipitar
los polímeros en su totalidad. La concentración de IN en el sobrenadante se determinó en un
HPLC Agilent 1200 equipado con una bomba cuaternaria y detector de arreglo de diodos. Se
utilizó una columna de fase reversa ODS, 5 mm, 25 cm 34.6 mm i.d.; Zorbax), con un loop de
inyección de 250 µL. La fase móvil consistió de una solución 0.2M de sulfato de sodio anhidro
ajustado a un pH 2.3 con ácido fosfórico y acetonitrilo. La detección se realizó a 214 nm con un
flujo de 1.2 mL/min (Khaksa et al., 1998) a una temperatura de 30°C. El rendimiento de
encapsulación de la IN contenida en las microcápsulas fue determinado mediante la
cuantificación de IN entrampada en el núcleo de la microcápsula respecto al contenido inicial
agregado y calculado de acuerdo con la Ec. 2.
(2)
donde es la concentración de IN dentro de la microcápsula y corresponde a
la concentración de IN agregada a la solución de Q. Se utilizó un patrón externo para la
cuantificación mediante la elaboración de una curva estándar con IN a diferentes
concentraciones.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
37
5.3.10. Estabilidad de IN en las microcápsulas magnéticas
Se evaluó la estabilidad de la IN entrampada en las microcápsulas magnéticas durante el
almacenamiento. Para ello, las microcápsulas fueron almacenadas 20 días en una solución
amortiguadora de fosfatos (4 mM, pH 7.4) a 4°C y se monitorearon los posibles cambios en
tamaño, forma y contenido de IN durante el tiempo.
5.3.11. Liberación de IN de las microcápsulas magnéticas
Debido a que se requiere tener información respecto al efecto de valores bajos de pH que
simulen las condiciones de acidez de jugos gástricos, las microcápsulas fueron colocadas en
soluciones a diferentes valores de pH (1-3) y se dejaron en agitación durante 1 h. Posteriormente
se decantaron y la solución resultante de este proceso fue analizada para determinar la
concentración de IN que fue liberada del interior de las microcápsulas.
Por otra parte, la liberación de IN debida a la inducción del campo magnético se realizó
colocando una cápsula de AS-CS-Q en una solución de gelatina y aplicando un campo magnético
oscilante durante 30 min a diferentes tiempos de medición. Las muestras resultantes fueron
mezcladas con etanol absoluto para llevar a cabo la precipitación de los biopolímeros, y
posteriormente se realizó la cuantificación de la IN liberada.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
38
5.3.12. Análisis estadísticos
Todas las mediciones fueron realizadas por triplicado, los resultados son expresados como el
promedio de las mediaciones y su correspondiente desviación estándar. Se realizó un análisis de
varianza de una vía (ANDEVA) y una comparación de medias con un nivel de significancia
p<0.05.
CAPÍTULO 6
6.1. Diseño de la planta
6.1.1. Ubicación de la Planta
La ubicación de la planta es una decisión estratégica que tendrá una influencia vital para las
operaciones de la empresa. La rapidez de respuesta a los pedidos, su costo de producción, su
facilidad para crecer, los impuestos que debe pagar, la inversión inicial en terrenos y
construcción, la disponibilidad de recursos humanos y de profesionistas, la influencia de los
sindicatos, la facilidad para obtener refacciones, materias primas y servicios eficientes y de bajo
costo, dependen de la ubicación de la planta.
Inversión inicial.- La localización de la planta se ve influenciada por las facilidades de los
estados para el desarrollo industrial, por ello la ubicación de la planta en la mejor zona
industrial del Municipio de Naucalpan de Juárez, el Fraccionamiento Industrial Alce Blanco.
Naucalpan económicamente está considerado como uno de los municipios más poderosos del
país; en la zona colindante con el Distrito Federal se ubican un sinnúmero de industrias
pequeñas y medianas; entre las que se pueden mencionar laboratorios farmacéuticos, industria
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
39
de autopartes, industria química, manufactura de textiles y de inyección de plásticos. Por otro
lado el sector comercial y de servicios es importante y en los últimos 40 años ha tenido un
gran desarrollo. Sin embargo, para evaluar la inversión inicial debemos tomar en cuenta
además los costos de construcción, y las regulaciones respecto a contaminantes ambientales
como desechos, ruido y emisiones a la atmósfera.
Costos y tiempos de producción.- La estructura de los costos y los tiempos de entrega de los
pedidos se ven favorecidos gracias a las fuentes de abastecimiento son muy cercanas, como
materias primas y artículos de importación, al igual que con los centros consumidores bajan
los costos de transportación y agilizan las operaciones. Por su ubicación estratégica,
Naucalpan es uno de los municipios que recibe un número importante de rutas metropolitanas
del Distrito Federal.
Recursos materiales.- La facilidad y el costo para la obtención de los recursos materiales y
servicios, es un factor tan importante como el costo. Los servicios públicos son otorgados por
el municipio y la cobertura de los principales es como sigue:
La región de asentamiento de la planta cuenta con infraestructura necesaria para surtirla de los
insumos necesarios para su operación.
Agua potable 98.47%
Drenaje 98.99%
Energía eléctrica 99.14%
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
40
Recursos humanos.- La disponibilidad de mano obra. Se requiere mano de obra calificada,
en este caso Naucalpan debido a su por ubicación geográfica, el salario mínimo aplicable a
esta zona es de $62.33 pesos, teniendo como ventaja que en mano de obra, profesiones y
oficios, los precios son más bajos. La disponibilidad de profesionistas y técnicos calificados
son vitales para operaciones a bajo costo y sin interrupciones.
Comunicaciones.- La infraestructura de carreteras, transportes y servicios de carga
mantienen las operaciones ágiles y a costos bajos y puede ser la diferencia entre una
operación continua o con interrupciones por falta de opciones y diversidad. En Naucalpan de
Juárez, los medios de comunicación hay 102 oficinas postales: 12 administraciones, 2
agencias y 88 expendios; 5 oficinas telegráficas; la telefonía de larga distancia automatizada
cubre toda la municipalidad.
Las vías de comunicación; en el 2007, estaban registrados 57,710 vehículos: 9 845 camiones
de carga; la longitud carretera de Naucalpan era de 77.30 kilómetros. El municipio de
Naucalpan de Juárez es uno de los estado de México; las coordenadas de la cabecera
municipal es: Longitud Norte 19° 28’ y Longitud Oeste 99° 14’ y su altitud 2 220 msnm. El
municipio está ubicado en el Valle de México en la parte meridional y pertenece a la región
II Zumpango, al noroeste del D.F., limita al norte con Atizapán de Zaragoza, Tlalnepantla de
Baz y Jilotzingo; al sur con Huixquilucan; al este y sureste con el Distrito Federal; al oeste
nuevamente con Jilotzingo, y al suroeste con los municipios de Otzolotepec, Xonacatlán y
Lerma.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
41
Figura 6.1. Mapa de localización para la ubicación de la empresa en Naucalpan de Juárez, Estado de México.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
42
6.2. Estudio de mercado y producción
6.2.1. Producción y precio del Quitosano
Cuando la quitina se somete a la acción de un medio alcalino muy concentrado, y a
temperaturas superiores a 60°, se produce la reacción de desacetilación. Esta reacción consiste
en la pérdida del resto acetilo del grupo amido del carbono 2, denominándose quitosano y
presenta propiedades significativas diferentes a la quitina de partida. El quitosano constituye el
derivado más importante de la quitina.
El quitosano, poli [ß (1-4)-2-amido-2-desoxi-D-glucopiranosa], existe en baja concentración
en la quitina nativa y se produce con diferentes grados de desacetilación mediante la reacción
antes mencionada. También están presentes en forma natural en algunos hongos, pero siempre
en menor proporción que la quitina.
El grado de desacetilación (GD) identifica la relación relativa de grupos amino en el polímero.
Las quitinas tendrán GD inferiores al 60%. Cuando el polímero contiene menos del 40% de
grupos acetilos, se refiere a un quitosano que se puede expresar como quitosano con GD de
60%.
Los quitosanos presentan niveles de GD superiores al 60%. Se diferencian fundamentalmente
de la quitina por ser solubles en soluciones de ácidos diluidos.
El quitosano es el único polisacárido catónico natural; ello le confiere características
especiales que lo hacen útil en numerosas aplicaciones.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
43
Precio de quitosano:
6.2.2. Producción y Precio del Alginato de sodio
Los alginatos son polisacáridos que se extraen de las algas cafés. Estos tienen propiedades
para formar geles y soluciones altamente viscosas, por lo que se emplean en la industria
alimenticia, farmacéutica y textil, entre otras.
El proceso consiste en tratar las algas con solución de HCl a pH 4, extraer el alginato con una
solución de Na2CO3 a pH 10 calentando a 80 ⁰C diluir la pasta y separar las partículas
insolubles en un filtro rotatorio al vacío. El alginato en solución se precipita con una solución
de CaCl2 para obtener fibras insolubles. Estas fibras se tratan con HCL para obtener el ácido
alginico y finalmente se neutralizan con Na2CO3 para obtener alginato de sodio.
El alginato se seca con aire caliente, se pulveriza y se tamiza a diferentes tamaños de malla.
Precio: US $15 - 16 / Kilogramo (aprox. MXN 193.56 -
206.47 / Kilogramo)
Cantidad de pedido mínima: 100 Kilogramo/s
Capacidad de suministro: 800 Kilogramo/s por Año
Plazo de entrega: dentro de 20 días después del pedido
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
44
Precio del alginato de sodio
Precio por kilogramo de alginato:
Descripción
ALGINATO DE SODIO DE ALTA CALIDAD. SIN OLORES (Para uso farmacéutico).
Precio $ 302.22 por kilogramo de Alginato de sodio
Área Metropolitana
6.2.3. Producción y precios de la insulina
Las primeras fuentes de la insulina para uso clínico en seres humanos fueron
del páncreas de la vaca, caballo, cerdo o ciertos pescados. La insulina proveniente de estas
fuentes es eficaz en los seres humanos, ya que es casi idéntica a la insulina humana
(tres aminoácidos de diferencia en comparación con la insulina bovina, una diferencia de
aminoácidos en los porcinos). Las diferencias en la idoneidad de la insulina vacuno, porcino, o
de los peces para pacientes humanos ha sido históricamente debido a una menor pureza en la
preparación, lo que resultaba en la aparición de reacciones alérgicas por la presencia de
sustancias no insulínicas. Aunque la pureza ha mejorado constantemente desde el decenio de
1920, en última instancia, llegando a una pureza del 99% a mediados de los años 1970 gracias
a la cromatografía líquida de alta resolución, las reacciones alérgicas menores siguen
produciéndose de vez en cuando, reacciones que también se han visto producirse en respuesta
a las variedades sintéticas de la insulina. La producción de insulina de origen animal fue
generalizada durante décadas, pero el manejo diabético de muy pocos pacientes hoy día se
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
45
basan en ese tipo de insulina, principalmente porque son pocas las compañías farmacéuticas
que las producen en la actualidad.
La insulina se produjo comercialmente por primera vez en los Estados Unidos en 1922. La
empresa Eli Lilly, habría colaborado en el proceso de su descubrimiento con Frederick
Banting y Charles Brest, investigadores de la Universidad de Toronto.
Un año después de su aparición en los Estados Unidos, en 1922, la insulina pudo ser producida
en la Argentina en la Sección Sueroterapia del Departamento Nacional de Higiene por el Dr.
Sordelli y el Dr. Deulefeu.
De hecho, desde el comienzo la producción local de insulina se concentró en pocas y grandes
empresas productoras conformando un oligopolio en el cual pocas empresas, gran parte de
ellas filiales de empresas transnacionales compiten entre sí no sólo con el precio sino
introduciendo al mercado nuevas variedades de insulina, es decir un oligopolio con
diferenciación de producto.
En los años ochenta las dos grandes firmas que lideraban el mercado de ventas internacionales
eran Eli Lilly (Estados Unidos) y Novo (Dinamarca). Otras firmas menores como Novo
Nordisk, Pharmachin, Hoescht, Organon, etc. solo abastecían sus respectivos mercados.
Precio de la insulina:
Producto Medicamento Presentación Laboratorio Precio
Insulina Actrapid Hm insulina humana 100UI F.Amp. x 10ml Novo Nordisk $ 166.20
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
46
6.2.4. Producción y Producción y precio de magnetita
La magnetita es el más magnético de todos los minerales que ocurren naturalmente en la Tierra.
Naturalmente piezas magnéticas de la magnetita, llamado magnetita, atraerá a pequeños trozos de
hierro. La temperatura Curie de la magnetita es 858 K (585 ° C; 1085 ° F). Es de color negro o
marrón-negro con un brillo metálico, tiene una dureza de Mohs de 5-6 y una raya negro.
1. Las partículas de magnetita trituradas son ordenados por el separador magnético de
acuerdo con el grado de magnetismo. Y a continuación, esas partículas de magnetita de
diferente magnetismo se entregan al sistema de flotación.
2. Añadir una cierta cantidad de reactivos de beneficio para el sistema de flotación, por
encima de todo, diferentes propiedades minerales requieren diferentes reactivos.
3. Después de que el proceso de beneficio, el espesante se reducirá la humedad, y el
secador se parch los productos.
Precio de la Magnetita
Precio: US $85 - 89 / Tonelada (aprox. MXN 1,101.25 - 1,153.07 /
Tonelada)
Cantidad de pedido mínima: 5 Tonelada/s Métrica/s
Plazo de entrega: 30 días después del pedido
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
47
6.3. Tecnologías de microencapsulación
La microencapsulación de pequeñas moléculas como enzimas hasta células y microorganismos
puede realizarse por diferentes técnicas. La selección de la técnica de encapsulación adecuada se
ve determinada por las propiedades físico-químicas del material soporte y la aplicación final
deseada con el objeto de asegurar la biodisponibilidad de los compuestos, su funcionalidad e
incluso su fácil incorporación en los alimentos sin la alteración de sus propiedades sensoriales. Al
emplear el alginato como matriz polimérica, las técnicas de micro encapsulación en aplicaciones
alimentarias se reducen a: extrusión, emulsión y secado por aspersión.
6.3.1. Extrusión
La técnica consiste en la formación de gotas de la solución de alginato que contiene el
componente a encapsular al hacer pasar dicha solución por un dispositivo extrusor de tamaño y
velocidad de goteo controlado. Estas gotas caen sobre un baño que contiene la fuente del ion
divalente, quien induce la gelificación mediante el mecanismo de gelificación externa (Chan et
al., 2009). La principal limitación presentada por esta técnica ha sido el gran tamaño de las
microcápsulas, lo cual depende del diámetro de la boquilla del dispositivo extrusor. Entre otras
desventajas, la dificultad de producción a gran escala debido a que la formación de las
microcápsulas se logra una a una lo cual trae como consecuencia largos tiempos de gelificación.
Adicionalmente, es de considerar aspectos que influyen en su forma esférica y tamaño como la
distancia de separación de la boquilla al baño, el efecto de la gravedad y la tensión superficial de
la solución que induce la gelificación (Chan et al., 2009). A pesar de todos estos factores, la
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
48
técnica de micro encapsulación por extrusión ha sido empleada tradicionalmente al permitir la
producción de microcápsulas con tamaños uniformes. Recientes estudios, demuestran que la
aplicación de esta técnica mejora notablemente al incorporar dispositivos extrusores como
boquillas múltiples y discos aspersores, inyectores con impulsos vibratorios e incluso con flujo de
aire incorporado, todos diseñados bajo el mismo objetivo, la producción masiva de
microcápsulas. Como ejemplo, en la Fig. 6.2 se muestran diferentes tipos de dispositivos
extrusores para la preparación de microcápsulas.
Figura 6.2. Tipos de dispositivos aspersores.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
49
6.3.2. Emulsión
La técnica de encapsulación en emulsión se ha definido como el proceso de dispersión de un
líquido en otro líquido inmiscible donde la fase dispersa consta de la matriz que incluye el
componente a encapsular. La adición de un tensioactivo mejora la formación y estabilidad de la
emulsión, así como la distribución de tamaño de las gotas. En este sentido, la preparación de
microcápsulas por emulsificación puede llevarse a cabo empleando el mecanismo de gelificación
externa o interna. Para el primer caso, la gelificación externa en emulsión consta en la dispersión
de una mezcla solución de alginato componente en una fase continua no acuosa, seguido de la
adición de una fuente de calcio que al difundirse a la fase dispersa inicie la gelificación
permitiendo la encapsulación, y a su vez, la desestabilización de la emulsión para la separación
de las cápsulas formadas.
Mientras que, la técnica en emulsión por gelificación interna se fundamenta en la liberación del
ión calcio desde un complejo insoluble o parcialmente soluble en cuyo caso se adiciona un agente
secuestrante, contenido en una solución de alginato-componente el cual es dispersado en una fase
continua no acuosa generando una emulsión agua en aceite (W/O). La liberación del ion calcio
ocurre con la adición de un ácido orgánico soluble en la fase continua que al difundirse
disminuye el pH del medio solubilizando la sal y produciendo la gelificación. Las técnicas de
micro encapsulación en emulsión se describen en la Fig. 6.3.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
50
Figura 6.3. Técnica de encapsulación en emulsión
6.3.4. Aspersión
La Aspersión ha sido una tecnología ampliamente usada por la industria debido a
su reproducibilidad y economía. Su aplicación principal se ha usado para enmascarar sabores,
aromas y la encapsulación de vitaminas. El procedimiento consiste en la preparación de una
emulsión o suspensión que contenga al compuesto a encapsular y el material polimérico, el cual
es pulverizado sobre un gas caliente que generalmente es aire promoviendo así la evaporación
instantánea del agua, permitiendo que el principio activo presente quede atrapado dentro de una
película de material encapsulante.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
51
Las macropartículas en polvo obtenidas son separadas del gas a bajas
temperaturas. Una de las grandes ventajas de este proceso es, además de su simplicidad, que es
apropiado para materiales sensibles a altas temperaturas debido a que los tiempos de exposición
son muy cortos (5 a 30 s).
A pesar, que la suspensión o emulsión a pulverizar con la técnica de secado por atomización se
ha limitado a formulaciones acuosas, trabajos recientes han demostrado que la combinación de
distintos biopolímeros de fuentes naturales como las gomas (carregenato, goma arábica y
alginato), proteínas (suero, caseinatos y gelatina), maltodextrinas, dextrosas, ceras y sus mezclas,
crean nuevas matrices poliméricas altamente versátiles y que por tanto facilitan ser empleadas
con otras formulaciones. La preparación de microcápsulas con esta técnica requiere
primeramente, la selección del tipo de atomizador considerando la viscosidad de la solución, así
como el tamaño de gota deseado a fin de generar la mayor superficie de contacto entre el aire
caliente y el líquido, la forma de contacto entre las gotas y el aire caliente dependiendo de la
sensibilidad al calor del producto, el tiempo de contacto gota-aire, la temperatura del aire y por
último el tipo de método de separación de los sólidos secos. Básicamente su aplicación con
alginato se resume en tres etapas: dispersión del principio activo en el alginato, atomización de la
mezcla y deshidratación.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
52
6.4. Evaluación técnica
6.4.1. Descripción del proceso
En el Diagrama 6.1 (página 81) se presenta la propuesta del proceso para la producción de
microcápsulas magnéticas de centro líquido conteniendo de insulina. En la tabla anexa se
presenta la nomenclatura de las corrientes que se usaron en el proceso.
En el primer tanque de mezclado (TM1) se alimentan dos corrientes; la primera (C1) se
alimenta agua a temperatura ambiente y la segunda (C2) se alimenta insulina (IN), en un
tanque de almacenamiento (TA-1) entran dos corrientes en la primera (C3) se alimenta agua y
en la segunda corriente (C4) se alimenta ácido acético puro en un segundo tanque de
almacenamiento (TA-2) se alimentan dos corrientes en la primera (C6) se alimenta quitosano
y en la segunda corriente se alimenta (C5) la solución de ácido acético al 2% proveniente del
tanque de almacenamiento (TA-2), que posteriormente en un segundo tanque de mezclado
(TM-2) también se alimentan 2 corrientes, en la primera (C7) se alimenta magnetita (MN), en
la segunda (C8) proveniente del tanque de almacenamiento (TA-2) se alimenta la solución de
ácido acético al 2%. En un tercer tanque de mezclado (TM-3) se introducen otras 2 corrientes;
en la primera (C9) se alimenta la suspensión de Citrato de sodio (CS) y en la segunda
corriente (C12) se alimenta la suspensión de alginato de sodio (AS) proveniente de un tanque
de almacenamiento (TA-4). Las corrientes (C14 y C15) se mezclan para formar la corriente
(C16) , que es la mezcla de biopolímeros para la formación de la microcápsula, que
posteriormente con la ayuda de una bomba es alimentada aun cuarto tanque de mezclado
(TM-4) al igual que la corriente (C13), estas dos corrientes se mezclan para la formación de la
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
53
corriente (C17) que es alimentada a un aspersor (ASP) para la formación de las
microcápsulas en este aspersor tiene en el fondo una solución de cloruro de calcio (CaCl2)
3M para el endurecimiento de estas, que contiene un agitador. En un sexto tanque de
almacenamiento (TA-6) se tiene una solución de CaCl2 (3M) que se va a estar alimentando
cada hora al fondo del aspersor (ASP) para mantener la concentración del CaCl2 (3M). En la
corriente (C19) se filtran las microcápsulas ya formadas para llevarse a un filtro (FIL) para
lavarlas con la ayuda de una corriente de agua (C18) que proviene de un tanque de
almacenamiento (TA-5), para quitar el exceso de CaCl2, en la corriente (C21) sale el agua
utilizada para los lavados de las microcápsulas. Posteriormente son pasadas a un secador por
medio de una banda neumática con un porcentaje de humedad del 80%, así por ultimo pasar
a su directo almacenamiento del producto a un tanque de almacenamiento (TA7) para su
envasado y su directa venta.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
54
6.4.2. Balances de materia y energía
Se tiene que de la cantidad de enfermos con diabetes tipo I cubriremos el 20% lo que nos da:
(12,018,535)(0.20)= 2403707 pacientes
A esos pacientes se les suministra aproximadamente 25 Unidades de insulina por paciente en un
día lo que nos da:
252,403,707pacientes 60,092,675
UIdia UI
diapaciente
941 1060,092,675 2.46
1
x kg kgINUIdia diaUI
3652.46 897.9
1consumo
consumoonsumo
diaskgIN kgdia añoaño
Producción anual
11 1897.9 0.46
8245labor
consumo laborables
diaañokg kgturno
año hhdiasturno
Producción /hora
61 1 100.46 383,333.3
1.2 1IN
microcàpsula x mgkg microcàpsulash hmgIN kg
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
55
1.5 1
383,333.3 5751 1000
microcàpsulaskgg kgmicrocàpsulash hmicrocàpsula g
Ahora realizamos un balance de materia sobre una microcápsula.
Microcápsula
1.37cm d = 0 0.50cm
Para calcular el volumen de la insulina en el centro de la microcápsulas .Sol INSULINAV
Sabemos que: 2r D (2)
Despejamos a r
(2.1)
Después sabemos que el volumen de la esfera es
34
3
rV (3)
Sustituimos a (2.1) en (3)
3
.
4
3 2Sol INSULINA
DV (4)
2
Dr
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
56
Reacomodando
3.
1
6Sol INSULINAV D (4.1)
Por tanto el volumen de insulina que se encuentra en cada microcápsulas es de:
3. 0.065Sol INSULINAV cm (4.3)
Para el volumen total de la microcápsulas
(5)
(5.1)
Por tanto el volumen total de la microcápsula es igual a la suma del volumen de los biopolímeros
más el volumen de insulina en cada microcápsula.
T B IV V V (6)
Entonces el volumen de la pared de biopolímero se puede conocer de despejar a BV
B T IV V V (6.1)
Para así obtener que:
31.127BV cm Volumen de biopolímeros (6.2)
31
6TV D
3 31(1.37) 1.34
6TV cm
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
57
Tenemos una relación de 9:1 (ALGINATO/QUITOSANO) del volumen de la pared del
biopolímero tenemos que:
3
3
(1.127 )(0.1) 0.127
(1.27 )(0.9) 1.143
Q
A
V cm
V cm (7a, 7b)
Como las concentraciones están al 2 y 3%
3
3
(0.127 )(0.02) 0.00254
(1.127 )(0.03) 0.0338
Q m g
A cm g (8a, 8b)
Para la cantidad que utilizaremos de cada biopolímero/ año la obtenemos de la siguiente
manera:
0.00254383,333.3 973.666 /
1
0.0338383,333.3 12,956.665 /
1
Q
A
gQ g turno
Capsula
gA g turno
Capsula
(9a, 9b)
De la mezcla de biopolímeros en relación (9:1)
A 9 al 3%
(ALGINATO/QUITOSANO)
Q 1 al 2%
Alginato=0.03g Agua=0.97g
Quitosano=0.02g Agua=0.98g
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
58
Con base a la relación 9:1 dentro de la Microcápsula tenemos que
60% Centro Líquido (Insulina): 1.2mg
1.5g peso de una microcápsula
40% Biopolímeros (Alginato/Quitosano):
Entonces para calcular los flujos de entrada tenemos que:
1973.666 48.683
20
10012,956.665 43,188.883
30
LQ g L
LA g L
(10a, 10b)
Con el balance por capsula ya tenemos la cantidad que produciremos por turno de 8 horas. Ahora
hacemos balance de materia equipo por equipo.
A=35% Q=5%
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
59
Materiales a utilizar para formación de microcápsulas:
383,333.3 microcápsulas/h
BALANCES DE MATERIA EQUIPO POR EQUIPO
Balance para quitosano (Q), alginato (AS)
0.0025 1383,333.3 0.95
1 1000
gQ kgmicrocàpsulas kgQh hmicrocàpsula g
Quitosano 3%
Ácido acético 2%
Alginato de sodio
2% Citrato de sodio
Magnetita
Insulina
Agua
383,333.3 microcápsulas/h
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
60
Para la corriente que sale del TA-2
C5 + C6 = C8 (11)
ln 2%6 47.5 0.95 46.55sokg kgQ kgAcetico
Ch h h
(11.1)
13 0.96 6kg
C Ch
(12)
(13)
Para C4 y C5 (14)
6 4 5
(46.55)(2%)
(100%)
5 0.93
C C C
kgC
h
6 4 5
2%46.55 4 0.93
C C C
kgAceticoC
h
(15)
ln100
0.952
sokgh
13 47.5kg
Ch
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
61
2
4 46.55 0.93
4 45.62
C
kgH OC
h
Por tanto: C3= 45.62 kgH2O/h
C4= 0.93kg/h acético
C5= 46.55kg acético 2%
C6= 0.95kgQ/h
C8= 47.5kg/h
Balance TA-4 para alginato de sodio (C10)
0.034 1383,333.3 13.03
1 1000
gAS kgmicrocàpsulas kgASh hmicrocàpsula g
Para la corriente C12 es una solución al 3% del AS con CS tenemos que:
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
62
(16)
(13.03)(3%)
100%
(16.1)
Ahora para la corriente C11
ln
11 12 10
11 434.33 13.03So AS
C C C
kg kgASC
h h
(17)
211 421.3kgH O
Ch
Por tanto: C10= 13.03kgAS/h
C11= 421.3 kgH2O/h
C12= 434.33 kg soln. AS/h
( 10)(3%)12
100%
CC
ln12 434.33 So ASkgC
h
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
63
Balance para TA-3 solución de citrato de sodio
La relación de citrato de sodio a utilizar es de3.5g de Citrato de sodio por cada gramo de alginato
de sodio.
(18)
Cabe mencionar que este tanque se rellena cada mes.
Se tiene que para la corriente C9:
3.513.03 45.60 /
kgCSkgASkgCS h
h kgAS (19)
Para rellenar el TA-3 cada mes:
8 2245.60 8025.6
h diaskgCS kgh mesdia mes
(20)
3.5gCS
gAS
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
64
Balance para la corriente (C12) solución de magnetita
Lo que cada microcápsula debe contener en magnetita es 0.1mg de magnetita por cada ml de
solución de quitosano.
ln
0.1
so
mgMN
ml Q (21)
ln
0.1 1000 0.95
1000 0.928 1so
mgMN gMN ml g kgQ
ml Q mg g kgQ h
C7= 0.10 g MN/h (22)
Por tanto: C7= 0.10g MN/h
Balance de materia para el mezclador (TM-2)
8 7 14C C C (23)
14 47.5 0.11000
kgkg gC
h h g (24)
14 47.5kg
Ch
(24.1)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
65
Por tanto C14= 47.5 kg/h
Balance de materia para mezclador (TM-3)
9 12 15
15 434.33 45.60
15 479.93
C C C
kgAS kgCSC
h h
kgC
h
(25)
Por tanto C15= 479.93kg/h
Balance para la corriente (C16)
16 14 15
16 47.5 479.93
16 527.43
C C C
kg kgC
h h
kgC
h
(26)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
66
Por tanto C16= 527.43kg/h
Balance para el mezclador (TM-1) Solución de insulina
C13= Solución de Insulina (IN) a una concentración de 1.22mg por microcápsula por tanto C2 es
igual a:
6
1.22 383,333.3 12
1 10
2 0.46
mgIN microcàpsulas kgC
microcàpsula h x mg
kgINC
h
Por lo que 2
2
1.20.018
65
mgIN kgINkgH OmgH O
Para la corriente C1 tenemos que:
2
2
0.461
0.018
1 25.55
kgINC
kgINkgH O
C kgH O
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
67
Y por tanto la corriente C13
13 1 2C C C (27)
213 25.55 0.46C kgH O kgIN (27.1)
13 26.01 lnC kgso IN (27.2)
Por tanto C13= 26.01kg Soln. IN
Balance para mezclador (TM-4)
(28)
17 26.01 527.43
17 553.44
C
kgC
h
13 16 17C C C
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
68
Por tanto C17= 553.44 kg/h
Balance para el aspersor (ASP)
C17= 553.44 kg/h
La relación Q-AS y CaCl2 es igual a:
2
2
6.9
5.5
gCaClQ AS
CaCl gAS Q (29)
219 17 20 CaClC C C C consumido
2 26.9
19 26.01 32.635.5
kgCaCl kgCaClkgAS QC consume
h hkgAS Q
Sabemos que
nc
v
n Mv
c PM n
(30, 30.1)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
69
Por lo que
32,63094.6
115 3
gh ltrv
hg molmol ltr
La densidad es igual a: 1kg
ltr
Por tanto C19 es igual a
2 2(3 )19 26.01 94.6 5.4
kgCaCl M kgCaClkgAS QC
h h h (31)
19 5405.82kg
Ch
Por lo que la corriente
2 222 21 5.4C C kgCaCl H O (32)
Donde el H2O es el que había en la solución de CaCl2 usado.
22 126.01 5.4 100 32.63 (42.9)
22 2875
C
kgC
h
Por tanto C19= 5405.82kg/h
C22=2875 kg/h
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
70
Balance de energía
(33)
Donde:
(34, 35, 36,37)
Donde GS = gasto másico de aire seco,
Y1= humedad del aire de entrada
Y4= humedad del aire de salida
X2= humedad de la mezcla a secar a la entrada
X3= humedad de la mezcla a secar a la salida
L2= gasto másico del material a secar a la entrada
S2 = gasto másico del sólido seco a la entrada
S3 = gasto másico del sólido seco a la salida
H1 = entalpia del aire a la entrada,
H4 = entalpia del aire a la salida,
h2 = entalpia del material a secar a la entrada
h3= entalpia del material a secar a la salida
t0 = temperatura de referencia,
t = temperatura,
Cp2 = capacidad calorífica del material húmedo a t2
Cp3 = capacidad calorífica del material seco a t3
CpH2O = capacidad calorífica del agua a t3
1 2 4 3S S S S PG H S h G H S h Q
1 1 1 0 1 0
4 4 4 0 4 0
2 2 2 0
3 3 2 3 3 0
( )
( )
( )
( )( )
H t
H t
p
p pH O
H C t t Y
H C t t Y
h C t t
h C C X t t
. .kgA S
hr
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
71
Qp = calor perdido
∆Tlm = diferencia de temperaturas media logarítmica.
Uv = coeficiente volumétrico de transferencia de calor.
V = volumen del secador, m3
Q = calor total transferido
El calor transferido está dado por la siguiente ecuación:
Q = Uv V ∆Tlm (38)
Balance para secador (S)
El balance de humedad en el secador de es el siguiente:
(39)
Donde:
Sustituimos las ecuaciones anteriores y tomando en cuenta que la masa del solido seco y el flujo
de aire seco es constante para todo el proceso.
2 2 1 1
1 wdmG Y G Y
A dt
w xxm m x
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
72
(40)
Por tanto se tiene que:
(41)
Donde N=kg w/hr.m2
de sección transversal y G=kg de aire seco / hr. m2 de sección transversal.
C23= 575 kg microcápsulas/h
En el secador se pierde el 80% de humedad
Balance de energía
El balance de energía para el secador es:
(42)
2 1( )xxm dXG Y Y
A dt
2 1( )N G Y Y
1 1 2( )( ) ( )xxxx w xx xx w
m dX dTG Cp Y Cp T T m Cp XCp Q
A dt dt
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
73
Sustituyendo se tiene la siguiente expresión
(42.1)
El lado izquierdo de la ecuación anterior, es el cambio de entalpia del gas, y del lado derecho el
primer término se refiere al calor necesario para evaporar el agua contenida en el sólido, el
segundo término al calentamiento del mismo sólido y Q es el calor que se disipa a los
alrededores.
Balances de energía para las bombas
Balance de energía mecánica o ecuación de Bernoulli
Energía de presión + Energía potencial + Energía cinética + Energía de bomba + Energía
por fricción = 0
(43)
Todos los términos están expresados en J (Joules) S.I.
Si trabajamos en unidad de masa J/kg
(44)
Pérdidas por fricción
(45)
1 1 2 2 1( )( ) ( ) ( )xx w xx xx w
dTG Cp Y Cp T T G Y Y m Cp XCp Q
dt
2 2
2 12 1 2 1
( )( ) ( ) 0
2S
V VmP P mg Z Z m mW mF
2 2
2 1 2 12 1
( ) ( )( ) 0
2S
P P V Vg Z Z W F
2
2f
L Vh f K
D g
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
74
Potencia de la bomba
(46)
Dónde: m= flujo másico (kg/s)
Hs= altura manométrica (m)
Pb= potencia (W)
Altura Neta Positiva de Aspiración (NPSH)
(47)
(48)
Donde
(49)
Con L: longitud de tubería (pies)
n: (rpm)
V: velocidad en tubería (pies3/s)
C: Cte. Bomba 0.200 simple
0.115 doble
0.066 triple
K Cte. Fluido 1.4 agua
sb
mh gP
2
1 21 2
2
1 21 2
( )2
( )2
VCENTRIFUGA f
VALTERNATIVA f a
P P VZ Z h
g g
P P VNPSHA Z Z h h
g g
a
c
LVnCh
Kg
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
75
Temperatura de descarga
El incremento de temperatura del bombeo es la suma del incremento por fricción más el de
compresión del líquido:
(50, 51,52)
Donde todas las unidades están en sistema inglés, T (⁰C), hp (pies), Cp (BTU/lb⁰F), P (psi), G
(peso específico = 1 para agua).
3.77 3.729
778
( )
1000
Total Friccion Compresion
Friccion
GDe AsCompresion
T T T
T hpCp
P PT e
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
76
6.4.3. Lista de Equipos
6.4.3.1. Lista de Equipo Principal
Tabla 6.1. Equipos de mezclado
Nombre Descripción Material de
construcción
TM1 Mezcladora de
solución de IN
Acero Inoxidable
TM2 Mezcladora de
suspensión de MN/Q
Acero 1Inoxidable
TM3 Mezcladora de
solución de CS/AS
Acero Inoxidable
TM4 Mezcladora de
biopolímeros/IN
Acero Inoxidable
Tabla 6.2. Tanques de almacenamiento
Nombre Descripción Material de
Construcción
TA-1 Solución de ácido acético al 2% Acero
Inoxidable
TA-2 Suspensión de quitosano con Ácido
acético al 2%. Para la formación de
biopolímero de pared
Acero
Inoxidable
TA-3 Suspensión de citrato de sodio con
agua Para la formación de biopolímero
de pared
Acero
Inoxidable
TA-4 Suspensión Alginato de sodio con
agua para la formación de biopolímero
de pared
Acero
Inoxidable
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
77
TA-5 Agua limpia para el lavado de las
microcápsulas
Acero
Inoxidable
TA-6 Ácido CaCl2 para mantener la
concentración en el fondo del aspersor
Acero
Inoxidable
TA7 Microcápsulas secas para su
almacenamiento y venta.
Acero
Inoxidable
Tabla 6.3. Equipo de formación Aspersor
Nombre Descripción Cantidad
AS Asperjar pequeñas gotas de suspensión
AS-Q-MN-IN
1
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
78
6.4.3.2. Lista de Equipo Complementario
Tabla 6.4. Bombas
Nombre Descripción Potencia (hp) Eficiencia (%) Flujo
máximo
(L/min)
B-01 Bomba centrífuga
periférica elevadora del
agua
2.0 80 600
B-03 Bomba centrífuga
periférica elevadora del
agua
2.0 73 600
B-04 Bomba reciprocante
elevadora del ácido acético
puro
0.75 87.3 260
B-05 Bomba reciprocante
elevadora de ácido acético
diluido al 2%
0.75 85.3 260
B-08 Bomba reciprocante
elevadora de mezcla Q-
Acético al 2%
2.0 80 600
B-09 Bomba centrífuga
periférica elevadora de CS
2.0 80 600
B-11 Bomba centrífuga
periférica elevadora de
agua
3.0 62 900
B-12 Bomba peristáltica
elevadora de la mezcla
AS-agua
3.0 62 900
B-13 Bomba peristáltica
elevadora de IN
3.0 80 900
B-14 Bomba peristáltica
elevadora de la mezcla Q-
Acético al 2%-MN
2.0 80 600
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
79
B-15 Bomba centrífuga
periférica elevadora de la
mezcla AS-CS-agua
3.0 97.6 1000
B-16 Bomba peristáltica
elevadora de la mezcla de
biopolímeros
3.5 97.6 1000
B-17 Bomba peristáltica
elevadora de la mezcla de
biopolímeros-IN
3.5 77.6 1000
B-20 Bomba peristáltica
elevadora de CaCl2 puro
1.5 77.6 600
Tabla 6.5. Lista de tuberías
Plano Tamaño
(Pulg)
Servicio Desde Hasta
Operación
Diseño
T-C1 ½ Servicio Almacén TM1 25
T-C2 1 ½ Proceso Almacén TM1 25
T-C3 1 ½ Proceso Almacén TA-1 25
T-C4 ½ Servicio Almacén TA-1 25
T-C5 1 ½ Proceso TA-1 TA-2 30
T-C6 1 ½ Proceso Almacén TA-2 30
T-C7 1 ½ Proceso Almacén TM-2 25
T-C8 1 ½ Proceso TA-2 TM-2 25
T-C9 ½ Servicio TA-3 TM-3 25
T-C10 1 ½ Proceso Almacén TA-4 25
Descripción Temperatur
a (⁰C)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
80
T-C11 ½ Servicio Almacén TA-4 25
T-C12 1 ½ Proceso TA-4 TM3 25
T-C13 1 ½ Proceso TM-1 TM4 30
T-C14 1 ½ Proceso TM-2 M 25
T-C15 1 ½ Proceso TA-3 M 25
T-C16 1 ½ Proceso M TM-4 25
T-C17 1 ½ Proceso TM-4 ASP 25
T-C18 1 ½ Proceso TA-5 FIL 25
T-C19 1 ½ Proceso ASP FIL 25
T-C20 1 ½ Proceso TA-6 ASP 25
T-C21 1 ½ Proceso FIL C 25
T-C22 1 ½ Proceso FIL S 25
T-C23 1 ½ Proceso S TA7 25
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
81
6.5. Diagramas y planos
6.5.1. Diagrama de flujo de proceso
Diagrama 6.1.Proceso para la elaboración de microcápsulas magnéticas.
C Corrientes TA Tanque de Almacenamiento ASP Aspersor
FIL Filtro TM Tanque de Mezclado S Secador
DIAGRAMA DEL PROCESO
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
82
Tabla 6.6. Resumen de corrientes de alimentación del proceso para microcápsulas
CORRIENTE UTILIDAD EQUIPO
C1 Alimentación de agua Tanque de mezclado
C2 Alimentación insulina (IN)
polvo
Tanque de mezclado
C3 Alimentación de agua Tanque de
almacenamiento
C4 Alimentación de ácido acético
puro
Tanque de
almacenamiento
C5 Alimentación de Ácido acético
2% (Ac)
Tanque de
almacenamiento
C6 Alimentación de Quitosano
(Q) polvo
Tanque de
almacenamiento
C7 Alimentación de Magnetita
(MN)
Tanque de mezclado
C8 Alimentación –Acético al 2% Tanque de mezclado
C9 Alimentación solución de
citrato de sodio (CS)
Tanque de mezclado
C10 Alimentación de Alginato (A)
polvo
Tanque de
almacenamiento
C11 Alimentación de Agua Tanque de
almacenamiento
C12 Alimentación de la mezcla AS Tanque de mezclado
C13 Alimentación de la solución de
IN
Tanque de mezclado
C14 Alimentación de la mezcla de
Acetico-Q
Tanque de mezclado
C15 Alimentación de la mezcla
AS-CS
Tanque de mezclado
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
83
C16 Alimentación de biopolímeros Tanque de mezclado
C17 Alimentación de la mezcla
para la formación de las
microcápsulas
Aspersor
C18 Alimentación de agua Filtro
C19 Microcápsulas con solución de
CaCl2
Filtro
C20 CaCl2 nuevo 3M Aspersor
C21 Salida de agua de lavado Tanque de
almacenamiento
C22 Microcápsulas con 80% de
humedad
secador
C23 Microcápsulas sólidas para su
venta
Tanque de
almacenamiento
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
84
6.5.2. Diagrama de tuberías, e instrumentación
Diagrama 6.2. Plano de tuberías e instrumentación para la fabricación de microcápsulas magnéticas.
T-C Tuberías de Corrientes
B Bombas
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
85
6.6. Dimensionamiento de líneas principales
TANQUE DE ALMACENAMIENTO
PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO
Los tanques de almacenamiento de materias primas y productos de la planta se
diseñan según el código API‐ASME, para el diseño de tanques que trabajan a presión
atmosférica y contienen productos (líquidos o sólidos) en su interior.
Geometría de los recipientes
¬ Recipientes para sólidos:
Cabeza: elipsoidal 2:1
Fondo: cónico
Carcasa: cilíndrica
¬ Recipientes para líquidos:
Cabeza y Fondo: elipsoidal 2:1
Carcasa: cilíndrica.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
86
Las dimensiones para cada una de las partes vendrán determinadas en función de la
altura de la carcasa cilíndrica H son las siguientes proporciones:
Figura 6.4. a) Tanque con fondo cónico para sólidos, b) Tanque para líquidos
Volumen de los recipientes
Vcilindro= π∙R2∙H (53)
Vcono = ⅓∙π∙R2∙hcono (54)
Vcabeza= (π∙D2∙hcab)/6 (55)
VTanque Sólidos= Vcilindro+ Vcono + Vcabeza (56)
b) a)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
87
VTanque Líquidos= Vcono+ 2∙Vcabeza (57)
Se ha de tener en cuenta que los recipientes por seguridad estarán llenos como máximo
al 80 %, por lo que habrá que tenerlo en cuenta a la hora de establecer sus dimensiones.
En función del volumen necesario de almacenamiento se establece el valor de H, y en
función de éste el resto de dimensiones del tanque.
Altura del tanque
La altura del tanque será la suma de las longitudes de las tres partes que lo forman,
carcasa, cabeza y fondo.
Recipientes para sólidos:
Ht=H+ hcono + hcab (58)
Recipientes para líquidos:
Ht=H+ 2∙hcab (59)
Espesor de los recipientes
El espesor (t) de cada una de las partes de los recipientes viene dado por las siguientes
expresiones:
tcilindro = (γ∙d∙r)/ σt∙Es (60)
tcono = (γ∙d2∙tgα)/ 4∙σt∙Es∙cosα (61)
tcabeza = (P∙De)/2∙σt∙Es+ 1,8∙P (62)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
88
donde:
γ = peso específico del producto almacenado, kg/cm3.
d = nivel máximo de producto almacenado, cm.
r = radio del cilindro, cono y cabeza elipsoidal, cm.
σt= tensión máxima admisible del material, kg/cm2.
Es= eficiencia de soldadura según tipo de soldadura. Para junta soldada a tope en doble
V y no examinada, toma valor de 0.6.
P = presión externa, kg/cm2.
De =Diámetro externo, cm.
α = semiángulo de la abertura del cono, ◦.
Habrá que tener en cuenta la corrosión debido al producto almacenado y a los agentes
externos, por lo que el espesor final será:
tfcilindro = tcilindro+ tcorrosión, mm (63)
tfcono = tcono + tcorrosión, mm (64)
tfcabeza = tcabeza + tcorrosión, mm (65)
El espesor de corrosión será función del material elegido para la construcción, y las
condiciones de operación del tanque.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
89
Material de construcción
Se escoge un material de construcción para el tanque de acuerdo con las necesidades de
almacenamiento del producto y con tensión admisible (σa) suficiente para la
construcción del mismo.
Para el cálculo de los espesores de almacenamiento, es necesario utilizar la tensión
máxima admisible del material, σt, que es el resultado de dividir la tensión admisible del
material por el coeficiente de seguridad aplicado en cada caso.
σt= σa/n (66)
donde:
n = coeficiente de seguridad.
Tabla 6.7. Dimensiones para los tanques de almacenamiento para sólidos y líquidos.
TANQUES DE ALMACENAMIENTO PARA SOLIDO Y LIQUIDO
Tanque para Sólidos Tanque para Líquidos
(Tamaño 1)
(Tamaño 2)
Volumen (ltrs) 500 1637 700
Altura (m) 2.7 2.7 2.7
Espesor (cm) 0.20 0.20 0.20
Material Acero Inoxidable Acero Inoxidable Acero Inoxidable
Ubicación en el
proceso
TA-3 TA-2,4 TA-1,5,6,7
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
90
TANQUES DE MEZCLADO
En la siguiente Figura 6.2 se presenta esquemáticamente la nomenclatura empleada en
las siguientes ecuaciones.
Figura 6.5. Factores de forma para el diseño de tanques de mezclado
Existen relaciones para la geometría óptima de tipos de agitador y del tanque. A
continuación se muestran algunas proporciones típicas expuestas por MacCabe (1993),
para el diseño de un tanque con agitador de turbina.
- Diseño del tanque
V= 200lt = 2.0 m3
(67)
Tomando Diámetro = Altura (D=h)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
91
(68)
Despejando D
(68a)
(69)
- Diseño del Agitador
Se empleara una turbina con 6 palas ya que este tipo de agitador puede operar en un rango
muy amplio de viscosidades del líquido que se desea agitar y su construcción es bastante
sencilla. En base a l diámetro calculado se dimensionara el agitador siguiendo la siguiente
tabla de proporciones básicas.
Tabla 6.8. Porciones básicas para el dimensionamiento de un tanque de mezclado
Porciones Básicas
0.3 0.5a
t
Da
D 1
t
H
D
1
3t
C
D
1 2
5 3
d
a a
DW
D D
1
4a
L
D
1
12t
J
D
En Figura 6.2 se muestra un agitador normal, en el cual se indica cada una de las
proporciones que deben ser calculadas en base a la tabla 9.
2 2
4 4
D DV h
3 34 (2.0)(4)
1.4
(1.4 )(1.30) 1.82 2.0
VD m
h m m m
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
92
1 1(1.4) 0.47
3 3
0.5 (0.5)(1.4) 0.7
1 1(0.7) 0.14
5 5
2 2(0.7) 0.5
3 3
1 1(0.7) 0.18
4 4
1 1(1.4) 0.11
12 12
t
a t
a
d a
a
t
C D m
D D m
W D m
D D m
L D m
J D m (70, 71, 72, 73, 74,75)
- Calculo de la Potencia del Agitador
Un número muy importante para caracterizar los tanques de agitación es el número a
dimensional de potencia, deseamos que la mezcla sea perfecta, a cual tiene una
densidad de 1066 kg/m3 y una viscosidad de 62.53 cps. Por lo cual se requiere el número
de Reynolds se encuentra al inicio del estado turbulento (NRe=10000).
2
ae
D NNR (76)
Donde:
NRe=Numero de Reynolds
Da=Diámetro del Agitador, m.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
93
N= revoluciones del eje por segundo, rps.
Ρ=Densidad, kg/m3
µ=Viscosidad, kg/m.seg.
Despejando para N
21.2e
a
NRN rps
D (77)
Para calcular la potencia se emplea la siguiente fórmula
3 5
T aP K N D (78)
Es necesario tener el valor de KT en el cual se busca en la siguiente tabla de acuerdo al
tipo de flujo con el que se está trabajando (KL=Laminar, KT=Turbulento) el tipo de
agitador empleado y el número de palas.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
94
Tabla 6.9. Constantes de KL, KT
Valores de las constantes KL, KT para los tanques que tienen cuatro deflectores en
la pared del tanque, cuya anchura es igual o menor al 10% del diámetro del
tanque.
Tipo de impulsor KL KT
Impulsor hélice, tres palas
Paso 1.0 41 0.32
Paso 1.5 48 0.87
Turbina
Disco se seis palas 65 5.75
Seis palas inclinadas ------ 1.63
Cuatro palas inclinadas 44.5 1.27
Paleta plana, dos palas 36.5 1.70
Impulsor HE-3 43 0.28
Ancla 300 0.35
El valor de KT para una turbina con seis palas es 0.87.
(79)
(80)
3 5(5.75) (1.2) (0.7) (1066) 1780.16P W
11780.16 2.38
745.699
HPP W HP
W
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
95
Figura 6.6. Esquema de dimensionamiento de un tanque mezclador
50 cm
70 cm 47
cm
18 cm
140 cm
14
cm
11 cm
140
cm
200
cm
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
96
Tabla 6.10. Dimensiones para los tanques de mezclado.
TANQUES DE MEZCLADO
Tanque para Líquidos
(Tamaño 1)
(Tamaño 2)
Volumen (ltrs) 1637 700
Altura (m) 2.0 1.5
Espesor (cm) 0.20 0.20
Largo propela (m) 1.40 0.90
Potencia (hp) 3.0 2.5
Velocidad de rotación del
eje principal (rpm)
12 12
Material Acero Inoxidable Acero Inoxidable
Ubicación en el proceso TM-4 TM-1,2,3
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
97
SECADOR
El secado de materiales pesados granulares es una operación compleja que involucra
transferencia simultánea de masa y calor.
Los tres factores más importantes a tener en cuenta en el diseño de un secador son:
Capacidad para cumplir con las especificaciones del producto final
Capacidad para manejar materiales y
La seguridad de equipos y de personal.
El transportador se ajusta mejor al proceso.
Transportador: el secado se efectúa mientras se traslada el material en una cinta
transportadora.
Figura 6.7. Secador de banda transportadora con circulación cruzada
. La capacidad del secador se calcula normalmente para la máxima producción
esperada. Al conocer la cantidad de producto que hay que secar diariamente, se
dimensiona el secador que se necesita.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
98
Las dimensiones óptimas de funcionamiento de un secador se pueden determinar
matemáticamente mediante una simulación de secado, si se conocen los siguientes
datos: tipo de producto y finalidad de su uso, contenidos de humedad inicial y final, y
cantidad de producto que se va a secar.
No obstante, en vista de la complejidad de dichos cálculos, se puede simplificar ese
dimensionamiento si se conoce el valor de algunas variables del sistema.
Si se conociera el espesor de la capa y el flujo de aire, entonces se tiene:
p
p
mA
p H (81)
Donde:
mp = Masa de producto a secar por partida
pp= Peso específico global del producto
H= Espesor de la capa del producto
A= Área de la cámara de secado
El flujo de aire de secado (Q) se puede calcular en función del flujo de aire (Qa), dado
en m³/s, y del área de la cámara de secado:
aQ Q A (82)
La presión estática del ventilador se puede obtener sumando las pérdidas de carga del
sistema. Estas pérdidas se producen por la disminución del aire al pasar por los
conductos, ampliaciones, camas, válvulas y principalmente, al pasar a través de la capa
de producto. Las pérdidas de carga referentes al sistema de distribución del aire se
pueden calcular por mecánica de fluidos.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
99
Así, si se conoce la presión estática del sistema y el flujo de aire necesario, se puede
calcular la potencia útil que necesita el ventilador. Para calcular la potencia útil del
ventilador se acostumbra aumentar el flujo de aire en cerca del 25%, por razones de
seguridad.
- Humedad (en base seca)
SH SS
SS
P PX
P (83)
Donde:
X= Humedad
PSH=Peso del solido Húmedo
PSS= Peso del Solido Seco
- Humedad (en base húmeda)
C
S XW
A (84)
Donde:
WC= velocidad de secado constante
A= superficie expuesta al secado
S= solido seco
ΔX= variación de la humedad en base seca
Δθ= variación del tiempo de secado
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
100
Velocidad periodo constante.- Este periodo va desde la humedad inicial X0, hasta la
humedad critica XC. Para este periodo hacemos uso de la siguiente ecuación:
S dx
WA d
(Ecuación cinética del secado) (85)
1 2W W W (86)
Donde:
W1= velocidad para el periodo constante
W2= velocidad para el periodo decreciente
Velocidad total en la operación del secado
SH SS
SH
P PX
P (87)
Calculo de tiempo de secado en el periodo constante.- es el tiempo necesario para
que la humedad del solido descienda desde su valor inicial por integración y se obtiene
a partir de:
xi
xf
S dX
A W (88)
Periodo anticrítico.- como durante este periodo w=constante, la integración de la
ecuación anterior va desde la humedad inicial hasta la humedad crítica nos lleva a:
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
101
i ca
c
X XS
A W (89)
Donde:
θa= Tiempo anticrítico
Wc= velocidad del secado constante
A=Superficie expuesta al secado
S= sólido seco
Xi= humedad inicial
Xc= humedad crítica
- Cálculo de la longitud del secador
Para el cálculo de la longitud del secador se basara en la transmisión de calor en donde
la temperatura del aire como la del solido varía a lo largo del secador.
Cabe distinguir en estos tipos de secadores está distribuido en 3 zonas de secado para lo
cual cada nivel de esta tendrá su temperatura.
Humedad de salida del aire
1 2 1 2( )SGY Y X X
G (90)
Se calcula la entalpia del aire a la salida del secador por aplicación de un balance
general de energía:
Entalpia del aire a la salida del secador
2( ) 2 2 2(0.24 0.46 ) 597.2airedesalidaH Y T Y (91)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
102
Entalpia del sólido a la entrada
1( ) 1 1( )solisoentrad sH Cps X T (92)
Se calcula la temperatura de salida del aire empleando la ecuación
(0.24 0.46 ) 597.2aireH Y T Y (93)
Temperatura de salida del gas
1( ) 1
1
1
597.2
0.24 0.46
airedeentradaH YT
Y (94)
Se calcula la temperatura de salida del aire de las zona III, TB y la temperatura del sólido
en la zona II, que es la temperatura humedad del aire en esta zona, por aplicación de un
balance de energía a la zona III del que se deduce que:
Temperatura de salida del aire de las diferentes zonas del secador
2 2( )S SB s w
C GT T T T
cG (95)
Este cálculo ha de efectuarse por tanto, para lo cual se supone un valor de TW. Se
calcula TB para el valor supuesto de TW y con este valor de TB e Y2 se determina TW.
Se calcula la temperatura de salida del aire en la zona II, tA por un balance de energía de
acuerdo con la ecuación:
1 1 1 1( / ) ( )SA S W s
GT T C X C C T T
G (96)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
103
Se calcula separadamente el número de elementos de transmisión de cda una de estas
zonas, de acuerdo a la ecuación:
Número de elementos de transmisión de cada una de las zonas
'
( )OT
log
tN
T (97)
Se calcula la longitud de la unidad de transmisión de acuerdo con la ecuación:
Longitud de la unidad de transmisión
0.257OT
c GH
a (98)
Longitud total del secador
( ) ( ) ( )OT OT I OT OT II OT OT IIIz H N H N H N (99)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
104
Tabla 6.11. Dimensiones del equipo secador de banda
Nota: El equipo secador de banda es un producto especialmente diseñado de acuerdo a las
especificaciones del material.
Tipo Secador de banda
Número de unidades 1
Ancho de la banda(m) 1.2
Longitud de la sección de secado(m) 8
Grosor del material (mm) 10
Temperatura (℃) 45
Presión del vapor (MPa) 0.4
Consumo de vapor (kg/h) 150
Tiempo de secado (min) 45
Capacidad de secado (kg H2O/h) 120
Potencia del ventilador (hp) 13.3
Potencia del equipo (hp) 15
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
105
ASPERSOR
Figura 6.8. Aspersor
El dimensionamiento del aspersor se realizó en función del diámetro de la gota D95, es
decir, el diámetro dentro del cual se encuentra el 95% de la nueve asperjada, de tal forma
que se garantiza que una gota de este tamaño se seca antes de llegar a la pared de la cámara
entonces el 95% de la nube también lo hará. D95, se define como sigue:
(100)
Dimensionamiento del aspersor
La relación Hcamara/ Dcamara de la cámara, con una sección cilíndrica (Hcilindro) y una cónica
(Hcono), con atomizador rotatorio es de 1.2 a 1.5.
A través de la revisión de la literatura de equipos comerciales, se encontró que las
dimensiones de la cámara de aspersor puede proponerse como sigue (Fig.6.9.):
95 1.4VS
D D
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
106
(101, 102, 103, 104,105)
Figura 6.9. Diagrama esquemático de las dimensiones de la cámara de aspersor
1.5
tan( )2
10
60
camara camara
conocono camara cono
cilindro camara cono
camaracono
cono
H D
DH R
H H H
DD
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
107
Características
1. El área de la superficie donde el material es rociado aumenta considerablemente. Así, se
logra que entre el 95% ~98% del agua se evapore rápidamente, durante el flujo de aire
caliente. Logrando obtener materiales secos en pocos segundos.
2. En caso de trabajar con materiales especiales, cuyos contenidos de humedad lleguen a
niveles de 90%, después de ser secado, no necesitan ser triturados y clasificados,
reduciendo así, los procesos de producción y mejorando tanto la eficiencia como la pureza
del producto final.
3. Tanto el diámetro de las partículas del producto, como su holgura y contenido de agua
pueden ser ajustados, simplemente con cambiar las condiciones de operación.
Atomizadores rotatorios
Difieren de los de presión en que el líquido logra velocidad sin alta presión. En la siguiente
tabla se resumen los efectos de las variables en el tamaño de la gota en un atomizador
rotatorio.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
108
Tabla 6.12. Efecto de las variables sobre el tamaño de la gota
Variable Efecto
Disco rápido
Flujo de alimentación
constante
1 2
2 1
1 2
2 1
p
q
D N
D N
D Q
D Q
D=diámetro del disco
N= velocidad del disco, (rpm)
P=0.55-0.8
Q=flujo de alimentación
q= 0.1-0.12
Densidad del liquido
0.5
1 2
2 1
D
D
ρ=densidad
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
El tamaño promedio de las gotas se puede estimar por el siguiente modelo matemático:
0.24
1
0.12
14000
( ) ( )0.6vs
QD
nh Nd
donde Dvs es el diámetro promedio (µm), d es el diámetro del disco atomizador (m), h es la
altura del aspa (pueden ir desde 8mm hasta 30mm) (m), N es la velocidad (rpm), Q1 es el
flujo másico (Kg/h) y n es el número de aspas (pueden ir en un número desde 18 a 36).
Distribución de tamaños. La distribución de tamaños para atomizadores rotatorios se
representa por:
0.6 ( )
a
m b d
KQD
N d nh
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
109
donde K, a, b, y d son función de la velocidad del disco y velocidad de carga del aspe. En la
siguiente tabla se resumen los valores reportados.
Tabla 6.13. Valores de K y exponentes aplicables en la ecuación
Velocidad
de disco
Velocidad
de carga de
aspa
A B D K
Normal Bajo
0.24
0.82
0.24
1.4 85-115
Normal-alto
25
Normal
85-180
Muy alto
250-1500
Normal-alto
0.2 0.8 0.2 1.6
180-300
Normal-alto
1000-3000
Muy alto
0.12 0.77 0.12 1.25
85-140 3000-60000 0.12 0.8 0.12 1.2
Fuente: Spray Drying Handbook (Masters, 1991)
Potencia necesaria para lograr la velocidad periférica:
10 2 2 23.8 10 2L dPk M N d d
Dónde: Pk es la potencia requerida (kW); d y dd son los diámetros de la boquilla y del
ducto distribuidor respectivamente (m); ML es el flujo másico (Kg/h).
La ecuación para la bomba es:
Aplicando la ecuación de Bernoulli y del análisis de variables
2
1
( ) 2
4(40)
P
P
K P VdP W Ev
G Nsp
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
110
Donde K, P variación en las energías cinética y potencial, la integral definida relaciona el
cambio de la presión a volumen constante, W es el trabajo requerido para impulsar el fluido
y Ev son las pérdidas de energía mecánica, G son los grados de libertad y representan el
número de variables en un conjunto de ecuaciones independientes a los que es necesario
asignar valores para resolver las ecuaciones, Nsp es el número de componentes o especies
que hay en la corriente.
Tabla 6.14. Dimensiones del aspersor.
Variable Valor o concepto
Tipo de boquilla Rotatoria
Diámetro (mm) 120
Velocidad periférica (m/s) 120
Flujo de alimentación (kg/h) 100
Potencia requerida (W) 334
Material de construcción Acero inoxidable
Especificación de las variables para la cámara de secado
Tiempo de residencia (s) 35
Temperatura de entrada ( C) 25
Variables especificas para la bomba
Presión de entrada (mmHg) 587
Presión de salida (mmHg) 760
Altura o longitud (m) 5
Eficiencia (%) 50
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
111
Dimensiones (m): Hcilindro= 9.01
Hcono= 1.6
D= 1.8
Dcono= 0.30
Volumen=24.26m3
La capacidad de evaporación del agua está relacionada con las propiedades del material y la
temperatura de entrada y salida
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
112
CAPITULO 7
7.1. Evaluación económica
7.1.1. Insumos
A continuación se presentan los requerimientos de insumos necesarios para la
elaboración de microcápsulas:
a) AGUA
Para el cálculo del consumo de agua se consideró lo siguiente:
Consumo humano
A nivel de proyecto, se considera el consumo de agua por persona en 0.005m3
diarios. Así:
(34 personas)(0.005m3 diarios/persona)=0.17m
3/día
330.17 30
5.11
m dias mmesdia mes
Consumos para el proceso
Piletas
Capacidad del tanque es de 51m3 cada pileta, para realizar el proceso de lavado y se
cambia agua 3 veces por semana, considerando estos datos se tiene que:
3351 4
2041
m piletas mdiapileta dia
Total por mes
33204 12
2448m dias m
mesdia mes
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
113
Consumos para otros usos
(1m3/dia)(30dias/1mes) = 1,275.9m
3
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
114
b) ENERGÍA ELÉCTRICA
El consumo de energía eléctrica para el funcionamiento de la planta es:
Tabla 7.1.
I. ILUMINACIÓN
Ubicación Área
(m3)
Luces
promedio
Potencia
(W)
kWh Kw/día kW/mes Valor promedio
kWh
Precio
trabajando 8
Horas
Oficina 159 46 2x40 3.86 30.88 679.36 0.09 993.6
Bodegas 1340 9 400 3.6 28.8 633.60 0.09 194.4
Área de
producción
713 14 400 5.6 44.8 985.60 0.09 302.4
Mantenimiento 65 8 2x40 0.64 5.12 112.64 0.09 172.8
Comedor 150 16 2x40 1.28 10.24 225.28 0.09 345.6
Caseta 6 1 100 0.1 0.8 17.60 0.09 21.6
Servicios
sanitarios
67 16 2x40 1.28 10.24 225.28 0.09 345.6
Exterior 567 8 400 3.2 25.6 563.20 0.09 172.8
Sub Total 1 156.48 3,442.56 4,520.9664
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
115
Tabla 7.2.
II. FUERZA MOTRIZ
Cantidad HP/Unidad HP
Total
kWh kW/día kW /mes Valor promedio
kWh
Precio
trabajando 8
Horas
Mezcladoras 4 3.0 12 8.95 71.6 1575.2 0.09 141.77
Secadora 1 11.4 11.4 8.5 68 1496 0.09 134.64
Bombas 16 2.5 40 30 240 5280 0.09 475.2
Aspersor 1 107 107 80 640 14,080 0.09 1267.2
Sub Total 2 127.45 1,19.6 22,431.2 2,018.81
Rendimiento promedio de los motores= 85%
Factor de potencia promedio=0.90
Uso del alumbrado en kW, en un turno de 8 horas /día corriente en watts: 156.48 kW /h, lo anterior más 10% de consumo por
imprevistos=172 kW
Potencia en kW A= Watts totales = 172 191.11 = 191 kWA
Factor de potencia 0.9
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
116
REQUERIMIENTO DE ESPACIO
La determinación de las áreas, cuya diversidad en la planta difiere de acuerdo a la
magnitud y capacidad de la planta, conlleva un análisis para determinar cuál es el grado de
necesidad de la empresa, y cuáles son las áreas más recomendables, de acuerdo a estas
necesidades.
Las áreas de la planta se clasifican en:
Servicios generales
Están formados por las funciones que sirven a toda la planta, consiste mayormente en
áreas de oficinas generales y actividades relacionadas.
Estas áreas se calculan en base al número de personal requerido para cada función. Así:
Áreas m2
Gerencia general 35
Secretaria y recepción 15
Departamento de ventas 30
Compras 30
Personal 35
Servicios generales 14
Total 159
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
117
Servicios al personal
Esta función de satisfacer o de dar un mejor servicio al personal. Los requerimientos
de estas áreas están estimados en función del número de personas de la empresa
Servicios Sanitarios (m2)
Armarios, lavados y urinarios 55
Inodoros 12
Total 67
Comedor (m2)
Cafetería 150
Total 150
Parqueo (m2)
Área del parqueo 152
Total 152
Total general (m2): 671
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
118
Servicios físicos a la planta
Están relacionadas con las facilidades físicas.
Áreas para servicios físicos a la planta (m2)
Mantenimiento 65
Reloj marcador 1
Caseta de vigilancia 6
Zona verde 90.5
Total 162.5
7.1.2. Personal requerido
Los requerimientos de personal, se presentan a continuación:
a) GERENCIA GENERAL
1 Gerente general
1 Secretaria
b) DEPARTAMENTO DE VENTAS
1 Encargado de ventas
c) DEPARTAMENTO ADMINISTRATIVO
1 Gerente Administrativo
1 Secretaria
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
119
1 Encargado de recursos humanos
1 Encargado de finanzas y presupuesto
d) DEPARTAMENTO DE COMPRAS
1 Encargado de Compras
e) DEPARTAMENTO DE PRODUCCION
1 Gerente de producción
2 Supervisores de producción
10 Operarios
1 Bodegueros
1 Supervisor de calidad
7.1.3. Organización de la empresa
De acuerdo al organigrama (véase diagrama No.4), se presentan las funciones,
responsabilidades y autoridad respectiva, para cada área específica, en relación a la
estructura de organización en que se fundamenta.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
120
a) Gerencia general
Responsable ante la junta directiva de la empresa del buen funcionamiento y
administración de la empresa, por lo que deberá planificar, organizar, dirigir y
coordinar las diferentes actividades de la empresa, establecerá un programa a seguir
para cumplir las políticas y metas medioambientales establecidas por la empresa, así
como de llevar las auditorias del sistema de gestión medioambientales (paso 16).
Tendrá bajo su mando directo
A las gerencias de ventas, administrativa, de producción y de control de calidad.
b) Asistente administrativa
Desarrolla actividades tales como: atender el teléfono, correspondencia, archivar.
c) Departamento de ventas
Planifica e investiga nuevos mercados, planificar, controlar y supervisar las ventas
(presupuestos y gastos).
d) Departamento administrativo
Responsable ante la gerencia general, se encarga de planificar, organizar, dirigir y
coordinar las actividades de compra, personal, finanzas, servicios generales y el
comité de higiene y seguridad industrial (aplicando los pasos 6 y 13 de la norma
ISO 14000).
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
121
e) Compras
Efectúa las gestiones necesarias para adquisición de bienes y servicios de la
empresa. Estudia mercados, proveedores, precios y disposiciones gubernamentales
y negocia contratos de compra.
f) Personal
Responsables de la disciplina de todo el personal de la empresa, de las políticas de
reclutamiento, selección y contratación, d la administración de sueldos y salarios,
presentaciones y gestionar y desarrollar adiestramientos.
g) Comité de higiene y Seguridad industrial
Empleados de la empresa conforman este comité, el cual investigara las causas de
los riesgos ocupacionales, proponer medidas para corregirlas y vigilar que se
cumplan tales medidas; también eliminar o minimizar tales riesgos; además, deben
ser encargados de ejecutar el plan de emergencia, especificado en el paso 12 de la
norma ISO 14000.
h) Servicios generales
Encargado de controlar, programar y supervisar las actividades de limpieza,
vigilancia, mensajería y cuidado de las instalaciones.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
122
i) Departamento de producción
Planifica, organiza, coordina dirige y controla las actividades productivas; de tal
manera que, la maquinaria, equipo, materiales y recursos humanos, sean utilizados
de la mejor forma posible.
j) Mantenimiento
Su objetivo principal es realizar el mantenimiento preventivo y correctivo de la
maquinaria de la empresa.
k) Control de calidad
Su función es inspeccionar, controlar y verificar la calidad de la materia prima,
productos en proceso y producto terminado.
l) Bodegas
Su principal función es almacenar la materia prima y los productos terminaos,
controlar las entradas y salidas de estos al proceso y a la venta.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
123
ORGANIGRAMA DE LA EMPRESA
Diagrama 7.1. Organigrama de la empresa.
GERENTE
Secretaria
Departamento de
Administración
Departamento de
Ventas
Departamento de
Compras
Departamento de
Producción
Personal
Planta de Producción
Bodegas
Departamento de
Calidad
Finanzas
Servicios Generales
Comité de Higiene y
Seguridad Industrial
Mantenimiento
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
124
7.2. Estudio económico
7.2.1. Inversiones
Las inversiones necesarias para la ejecución de este proyecto, asciende a
$2, 355,943.52 de los cuales el 96% corresponden a las inversiones fijas y el 4% al
capital de trabajo
7.2.1.1. Plan Global de Inversiones
A continuación se presenta el plan global de las inversiones, en él se muestran los
desembolsos que se efectúa en cada uno de los rubros de inversiones fijas y activos
circulantes.
PLAN GLOBAL DE INVERSIONES
RUBROS DE INVERSIONES
TOTAL ($)
FUENTE
PROPIO ($) EXTERNO ($)
1 INVERSIONES FIJAS 2,261,705.78
a) Inversiones fijas tangibles
1. Terreno 651,000.00 420,546.00
2. Edificio 453,120.00 453,120.00
3. Maquinaria y Equipo 277,459.24 58,365.95 219093.29
4. Otras Inst. Auxiliares 7,228.00 7,228.00
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
125
5. Eq. Y suministro de Ofic. 58,501.00 58,501.00
6. Repuestos y Accesorios 16,798.012 16,798.012
7. Imprevistos 38,406.19 38,406.19
b) Inversiones fijas intangibles
1. Gastos de Organización 4,200.00 4,200.00
2. Puestas en Marcha 777,307.26 777,307.26
3. Inst. y Montaje de Maq. 10,566.92 10,569.00
4. Intereses 27,122.47 27,122.47
5. Imprevistos 2,622.47 2,622.47
2 CAPITAL DE TRABAJO 31,611.96 31,611.96
a) Materia Prima y
materiales
1,163.84
b) Producto en proceso 618.91
c) Producto terminado 4,555.81
d) cuentas por cobrar 10,492.63
e) Caja y banco 14,780.77
TOTAL DE INVERSION 2,355,943.52 202,084.88 691,129.00
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
126
7.2.1.2. Inversiones Fijas
Las inversiones fijas para el presente proyecto, se detallas a continuación:
7.2.1.3. Inversiones Fijas Tangibles
a) Terreno
El precio del terreno propuesto para la construcción de la planta es de $2,800.00
(precio por metro cuadrado), teniendo el terreno un área de 5,425 m2 su costo sería
de 15, 190,000.00
b) Edificio
El área total de construcción es de 2,758.50m2 y su costo es de $213,2970.00
Tabla 7.3. Costos del edificio
COSTOS DEL EDIFICIO
ÁREA m2
$ m2 TOTAL ($)
Oficinas
administrativas
190.00 144.00 27,360.00
Área de producción
(incluye bodegas)
1,148.00 100.00 137,760.00
Área de secado 1,028.00 50.00 114,800.00
Servicios sanitarios 67.00 102.00 6,834.00
Cafetería 150.00 68.00 10,200.00
Estacionamiento 152.00 50.00 7,600.00
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
127
Banco de
transformaciones
17.50 68.00 1,190.00
Caseta de
vigilancia
6.00 50.00 300.00
Total 2,758.50 306,044.00
c) Maquinaria y equipo
La maquinaria será importada a través de distribuidores locales.
Tabla 7.4. Costo de maquinaria y equipo
COSTO DE MAQUINARIA Y EQUIPO
CÓDIGO CANTIDAD NOMBRE COSTO
UNITARIO ($)
COSTO
TOTAL ($)
1 1 Aspersor 63,034.24 63,034.24
2 1 Secador 26,068.00 26,068.00
3 1 Báscula (909 Kg) 729.00 729.00
4 1 Báscula (404.5 Kg) 380.00 380.00
TOTAL MAQUINARIA 90,211.24
5 1 Montacargas 115,848.33 115,848.33
6 18 Tarimas 150.00 2,700.00
7 EQUIPO DE
MANTENIMIENTO
1 Caja de herramientas 1750.00 1,750.00
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
128
1 Caja de electricista 2250.00 2,250.00
1 Equipo de soldadura 1900.00 1,900.00
8 OTROS
15 Pares de botas de hule 350.00 5,250.00
9 17 Pares de guantes 50.00 850.00
10 15 Mascarillas 180.00 2,700.00
TOTAL EQUIPO 133,248.00
VEHÍCULO
11 1 Pick-up 54,000.00 54,000.00
GASTO TOTAL DE MAQUINARIA Y EQUIPO = $ 277,459.24
d) Instalaciones Auxiliares
Se refiera a la construcción de las piletas para el almacenamiento de agua.
Construcción de 4 piletas para el servicio del proceso.
Tabla 7.5. Costo de instalaciones auxiliares.
COSTO DE INSTALACIONES AUXILIARES
Capacidad: 51m3
Longitud 8 m
Alto: 1.20 m
Ancho: 3.5 m
Volumen total: 67.2 m3
Costo total = $65/m2 x 111.2 m
2 = $7,228
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
129
e) Equipo y Suministro de oficina
La inversión total en equipo y mobiliaria de oficina.
Tabla 7.6. Costo de equipo y suministro de oficina
COSTO DE EQUIPO Y SUMINISTRO DE OFICINA
CANTIDAD DESCRIPCIÓN COSTO
UNITARIO ($)
COSTO TOTAL
($)
1 Escritorio tipo ejecutivo 1,790.00 1,790.00
13 Escritorio tipo sencillo 790.00 10,270.00
1 Silla tipo ejecutivo 640.00 640.00
10 Silla tipo sencillo 320.00 3,200.00
10 Computadoras 3300.00 33,000.00
3 Impresoras 340.00 1,020.00
1 Fax 1,190.00 1,190.00
4 Archivos 400.00 1,600.00
6 Calculadoras 190.00 1,140.00
5 Papeleras plásticas 110.00 550.00
4 Basureros plásticos 37.50 150.00
2 Cafetera 600 1,200.00
6 Extinguidores 400 2,400.00
SUB TOTAL $58,150.00
Artículos de limpieza
4 Escobas 17.80 71.20
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
130
2 Palas plásticas 115.00 230.00
4 Trapeadores 5.00 20.00
6 Mantas para trapeadores 5.00 30.00
SUB TOTAL $351.20
TOTAL 58,501.00
Imprevistos = $38,117.06
f) Repuestos y Accesorio
Se calcula un 5% del valor total y equipo. El costo de repuestos y accesorios es de
$16,798.012
g) Imprevistos
Esto se estima en un 5% del valor total de todas las inversiones fijas tangibles. El
costo por imprevistos es de $38,406.19.
7.2.1.4. Inversiones Fijas Intangibles
a) Gastos de organización
Estos son los gastos correspondientes a los trabajos administrativos de
constitución de la empresa, los gastos legales, los gastos de la norma ISO 14000
estarían siendo contemplados en los sueldos ya que el proyecto es con un
enfoque a la norma ISO 14000 y los gastos no se contemplan para la ejecución
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
131
y gastos de oficina del periodo que anteceden al inicio de la ejecución del
proyecto.
GASTOS DE ORGANIZACIÓN
Consultas técnicas $2,000.00
Gastos notariales $1,000.00
Tramitación de gastos contables $500.00
Sueldos y gastos de oficina imputable al proyecto $700.00
TOTAL $ 4,200.00
b) Puesta en Marcha
Los gastos de puesta en marcha son los que se estiman realizar antes que las
maquinas estén ajustadas y en condiciones de producir normalmente, incluyen
consumo de mano de obra y materia prima, durante el periodo de prueba que se
ha estimado para un periodo de un mes.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
132
Tabla 7.7. Costos de puesta en marcha.
COSTOS DE PUESTA EN MARCHA
TIEMPO
(Día)
PERSONAL No. DE
EMPLEADOS
SALARIO/EMPLEADOS
por día ($)
TOTAL
($)
1 Gerente de
producción
1 680.16 680.16
1 Supervisor de
producción
2 340.07 680.14
1 Supervisor de
calidad
1 340.7 340.07
1 Operarios 10 171.40 1,714.00
SUB TOTAL 3,414.37
1 Energía
eléctrica y
fuerza motriz
3,315.37
1 Agua 317.02
1 Materia prima y
materiales
770,260.5
SUB TOTAL 773,892.89
TOTAL 777,307.26
La inversión de gastos de puesta en marcha será amortizada en 5 años, así cada año se
tendrá la amortización siguiente:
777,307.26 /5 años $155,461.452
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
133
COSTO DE MATERIA PRIMA PARA UN MES
PRODUCTO CANTIDAD COSTO UNITARIO ($) COSTO TOTAL ($)
Quitosano 200kg 193.56 38,712.00
Alginato 2300kg 302.22 695,106.00
Insulina 100kg 166.20/ml 16,620.00
Magnetita 18kg 1,101.25 19,822.5
c) Instalación y Montaje de maquinaria
El costo de instalación de maquinaria para el proceso de elaboración de
microcápsulas es de $10,560.
d) Intereses
Estos son los que se pagaran en el periodo pre operativo por los préstamos
obtenidos, su costo total es de $27,122.47
e) Imprevistos
Se estima en un 5% del valor total de todas las inversiones fijas intangible, su
costo total es de $2,622.47
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
134
7.2.2. Capital de Trabajo
El monto disponible que debe tener la empresa para atender sus necesidades normales de
operación es de $770,943.99; y está compuesto por los rubros siguientes:
a) Materia Prima en Existencia
Se determinó en base a su costo de adquisición y a la política de inventario será para
una semana de producción
b) Otros Materiales
Necesarios para la producción; la política de almacenar estos materiales es de
acuerdo para cubrir las necesidades de dos semanas.
OTROS MATERIALES
Viñetas 226 x 0.04 $9.04
Bolsas 226 x 0.23 $51.98
Cintas 118.8 x 0.03 3.56
$64.58
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
135
c) Producto en Proceso
Este rubro se calculó en base al requerimiento de costos directos y gastos de
fabricación necesarios para la producción de un día (turnos de 8 horas) la inversión.
Necesidades para un día (obtenida de cuadro costos de producción para el primer
año).
PRODUCTO EN PROCESO
COSTOS DIRECTOS $ 227.16
GASTOS DE FABRICACIÓN $ 391.75
TOTAL $ 618.91
d) Producto terminado
La política de inventario para la producción terminado es de una semana. La
inversión para este rubro se estimó de acuerdo a los costos de fabricación y costos
de administración.
Para determinar la cantidad necesaria de capital para producto terminado se ha
considerado en base a la política de inventario que es de 1 semana utilizando para
ello la siguiente fórmula:
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
136
CT= T x (COSTOS DE FABRICACIÓN + COSTOS DE ADMINISTRACIÓN)*
CT= 5 días x ($618.91 + $209.42)
CT= $4,141.65
e) Cuentas por cobrar
La política de ventas que se determinó, establece el 60% de las ventas al crédito de
las ventas al crédito a 30 días plazo y 40% al contado.
Para determinar el capital de trabajo, se estimó el costo del producto determinado
que se dará el crédito para un mes.
CT= T x COSTO DE OPERACIÓN
Donde:
CT = Capital de trabajo para la inversión de cuentas para cobrar.
T= Tiempo o periodo de crédito concedido.
Microcápsulas
Costo de producción anual $240,190.73
Menos
Depreciación $10,464.54
Interés $ 46,444.44
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
137
Costo de operación anual $183,281.75
Costo de operación mensual $ 14,583.00
$14,583.00(1 ) (60%) $8,749.80
1CT mes
mes
TOTAL CUENTAS POR COBRAR = $8,749.80
f) Cajas y Bancos
Para el cálculo de este rubro se consideraron los gastos en que incurría la empresa
para el desarrollo de sus labores durante un mes.
CAJA Y BANCO
(1 Mes de operación)
Mano de obra directa $2,571.00
Mano de obra indirecta $2,995.37
Sueldos y salarios administrativos $4,358.410
Sueldos y salarios para ventas $408.08
Repuestos $401.88
Agua $325.35
Energía eléctrica $3,640.68
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
138
TOTAL $14,780.77
7.2.3. Presupuestos de costos e ingreso
En esta sección se presenta la estructura de los costos de producción, clasificados como:
costos de fabricación, costos de administración, costos de vender y costo financiero.
También las ventas.
7.2.3.1. Costos de producción
El costo anual de la empresa, tradicionalmente se ha clasificado en: costos de fabricar,
costo de administrar, costo de vender y costo financiero.
COSTOS DE PRODUCCIÓN PARA EL PRIMER AÑO
COSTOS DE FABRICAR
Costos directos
Materia prima $28,674.00
Materiales directos $3,283.92
Mano de obra directa $30,852.00
Sub Total $62,809.92
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
139
Gastos de fabricación
Materiales indirectos Repuestos $5,782.60
Útiles de aseo $ 174.2
Mano de obra indirecta $35,944.44
Gastos indirectos Energía eléctrica $43,688.16
Guantes, botas y mascarillas $850.00
Agua $3,904.20
Depreciación $11,628.00
Amortización de gastos puesta en
marcha
$2,113.38
Imprevistos $5,158.16
Sub Total $108,321.31
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
140
COSTOS DE ADMINISTAR
Sueldos y salarios $52,300.99
Artículos de oficina y papelería $890.00
Depreciación de equipo de
oficina
$2,755.50
Imprevisto $2,757.32
Sub Total $57,903.71
COSTOS DE VENDER $4,897.04
Sueldos y salarios $244.85
Sub Total $5,141.89
COSTOS FINANCIEROS
Interés a largo plazo $55,291.00
Sub Total $55,291.00
TOTAL $289,467.83
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
141
A continuación se presentan los costos en forma desglosada para el primer año de
operación.
7.2.3.2. Costos de fabricación
Estos costos están formados por los costos directos y los gastos de fabricación o carga
fabril.
a) Costos directos
Comprende la materia prima y material que se incorporan al producto y pasan a
formar parte del mismo, así como la mano de obra utilizada directamente en la
fabricación de ellos.
TOTAL DE COSTOS DIRECTOS: $62,809.92
b) Gastos de fabricación
Comprende los materiales indirectos, mano de obra indirecta y gastos indirectos.
TOTAL DE GASTOS DE FABRICACION: $108,321.31
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
142
7.2.3.3. Costos de administración
Estos costos son los resultantes de la administración de la empresa, dependientemente de
los gastos productivos de la misma.
TOTAL DE COSTOS DE VENDER: $ 57,903.71
7.2.3.4. Costos de venta
Estos se refieren a los sueldos y salarios de los vendedores.
TOTAL DE COSTOS DE VENDER: $ 5,141.89
7.2.3.5. Costos de financieros
En estos costos se incluyen los intereses a largo plazo, a pagar por los financiamientos
obtenidos.
TOTAL DE INTERES A PAGAR: $55,291.00
7.2.3.6. Costos por línea de producción
Partiendo de los costos totales de Producción.
Los costos totales para la línea son:
- Microcápsulas $240,726.57
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
143
7.2.3.7. Ecuación de costos
Los costos unitarios de producción se obtuvieron a partir de la ecuación de costos de
fabricar, de administrar, de vender y de financiamiento, en fijos y variables, como a
continuación se muestra:
DISTRIBUCIÓN DE COSTOS FIJOS Y VARIABLES PARA EL PRIMER AÑO
MICROCÁPSULAS MAGNÉTICAS
Volumen de Producción: 7,666,666 Kg/mes
COSTOS TOTAL PARTE FIJA PARTE VARIABLE
Costos de fabricar
Costo directo $52,760.33 $25,915.68 $26,844.65
Gasto de fabricar $88,563.49 $48,585.91 $39,977.58
SUB TOTAL $141,323.82 $74,501.59 $66,822.23
Costo de administrar 48,639.12 48,639.12
Costo de vender 4,319.19 4,319.19
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
144
Costo financiero 46,444.44 46,444.44
SUB TOTAL 99,40,726.57 173,904.34 $66,822.23
TOTAL 249,726.57 173,904.34 $66,822.23
La clasificación de los costos, en fijos y variables se muestra a continuación
CLASIFICACIÓN DE COSTOS EN FIJOS Y VARIABLES
1 COSTOS FIJOS
a. Costos directos
Mano de obra directa
b. Gastos de fabricación
Repuestos
Útiles de aseo
Mano de obra indirecta (sueldos y salarios)
Botas, guantes, mascarillas
Depreciación
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
145
Amortización de gastos de puesta en marcha
Imprevistos
c. Costos de administración
Sueldos y salario
Artículos de papelería y oficina
Depreciación de equipo de oficina
Imprevistos
d. Costos de ventas
Sueldos y salarios
Imprevistos
e. Costos financieros
Interés a largo plazo
2 COSTOS VARIABLES
a. Costos directos
Materia prima
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
146
Materiales
b. Gastos de fabricación
Energía eléctrica y fuerza motriz
Agua
7.2.3.8. Costo unitario
La ecuación de costos que se utilizó para determinar loa costos unitarios, para cada
producto, tomando en cuenta todos los gastos en que se incurren para elaborar estos. Se
determinó una ecuación para el producto:
a) Microcápsulas
PRODUCCIÓN: 91, 999,992 Kg/año (x)
Costo de fabricar (G1)
Costo fijo: $74,501.59
Costo variable: $66,822.23/ 227,480= $0.293
G1: $74,501.59+$0.293(x)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
147
Costo de administrar (G2)
Costo fijo: $48,639.12
G2: $48,639.12
Costo de vender (G3)
Costo fijo: $4,319.19
G3: $4,319.9
Costo financiero (G4)
Costo fijo: $46,4444.44
G1: $46,4444.44
GASTOS TOTALES = G1 + G2 + G3 + G4
Entonces: GT = $173,904.33 + 0.293 x
Luego: C.U. = .
. .C F
C VPRODUCCION
AÑO
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
148
Donde:
C.U. = Costo unitario total
C.F. = Costo fijo total
C.V. = Costo variable total
Por lo tanto:
17,390,433. . 0.293
2,274.80C U x
C.U.=$7,645.11/kg
7.2.4. Ventas
7.2.4.1. Fijación de precio de venta
Para la fijación de los precios de venta, se ha tomado las consideraciones siguientes:
a) Precios en el mercado existente de productos similares
Precio por frasco de 40/microcápsulas
Microcápsulas $1,228.00
b) El producto se venderá al mercado nacional
c) Obtener utilidades que cubran los compromisos adquiridos
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
149
De acuerdo a las consideraciones anteriores, se determinó el siguiente precio:
Microcápsulas
Precio unitario: $19.11 por microcápsula
Precio de venta: $20.12
Utilidad: 37%
La utilidad se considera a partir del margen que permite haber cubierto los costos unitarios
hasta el tope del precio de compra en el mercado.
7.2.4.2. Ingreso por venta
a) Plan de ventas para el primer año
Como política de la empresa se ha considerado que las ventas serán el 40% al
contado y el 60% al crédito, con un plazo de 30 días.
Para el primer año se tiene: Ventas anuales: $4, 395,938.25
Ventas mensuales: $336,328.19
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
150
A continuación se muestra una comparación de los precios por tratamiento de cada paciente
por mes.
PRESENTACION COSTOS
(M.N)
TRATAMIENTO
p/1mes
COSTOS
(M.N)
Frascos c/40
pastillas
$1,228.00 P/13 días tomando 3 al
día (2 frascos)
$2,456.00
Inyecciones $228.00 Tomando 3 al día (90
inyecciones)
$20,520.00
Frascos c/40
pastillas
$804.00 p/1 mes y 1 semana
tomando 1 diaria
$804.00
PLAN DE VENTAS PARA EL PRIMER AÑO
MES CONTADO
(40%)
CREDITO
(60%)
TOTAL ($)
ENERO 13,305.80 0.00 13,305.80
FEBRERO 13,305.80 19,958.70 33,264.50
MARZO 13,305.80 19,958.70 33,264.50
ABIL 13,305.80 19,958.70 33,264.50
MAYO 13,305.80 19,958.70 33,264.50
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
151
JUNIO 13,305.80 19,958.70 33,264.50
JULIO 13,305.80 19,958.70 33,264.50
AGOSTO 13,305.80 19,958.70 33,264.50
SEPTIEMBRE 13,305.80 19,958.70 33,264.50
OCTUBRE 13,305.80 19,958.70 33,264.50
NOVIEMBRE 13,305.80 19,958.70 33,264.50
DICIEMBRE 13,305.80 19,958.70 33,264.50
7.2.5. Financiamiento
El monto total de la inversión de este proyecto, será financiado en un 23% con fondos
propios y el resto provendrá de fuentes externas.
Para el financiamiento externo s propone cualquier banco del sistema.
7.2.5.1. Préstamo para terreno
Monto $15,190,00.00
Plazo 10 años
Tasa de interés 8%
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
152
7.2.5.2. Préstamo para edificio
Monto $213,297.00
Plazo 10 años
Tasa de interés 8%
Tabla 7.8. Fondo de amortización para préstamo del edificio.
FONDO DE AMORTIZACIÓN PARA PRÉSTAMO DEL EDIFICIO
AÑO CUOTA ($) INTERES ($) CAPITAL ($) SALDO ($)
1 0 17,064 0 213,297
2 34,144.52 17,064 17,081 196,216
3 34,144.52 15,697 18,447 177,769
4 34,144.52 14,22 19,923 157,846
5 34,144.52 12,628 21,517 136,329
6 34,144.52 10,906 23,238 113,091
7 34,144.52 9,047 25,097 87,994
8 34,144.52 7,039 27,105 60,889
9 34,144.52 4,871 29,273 31,615
10 34,144.52 2,529 31,615 0
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
153
7.2.5.3. Préstamo para maquinaria
Tabla 7.9. Fondo de amortización para préstamo de la maquinaria.
FONDO DE AMORTIZACIÓN PARA PRÉSTAMO DE LA MAQUINARIA
AÑO CUOTA ($) INTERÉS ($) CAPITAL ($) SALDO ($)
1 0 4,583 0 57,286
2 17,295.83 4,583 12,713 44,573
3 17,295.83 3,566 13,730 30,843
4 17,295.83 2,467 14,828 16,015
5 17,295.83 1,281 16,015 0
Monto $57,286.00
Plazo 5 años
Tasa de interés 8%
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
154
7.2.5.5. Ganancias
Tabla 7.10. Valor actual neto.
VALOR ACTUAL NETO
AÑO INGRESO EGRESO FLUJO NETO FACTOR VAN
1 450,503.93 300,959.91 149,544.02 0.93 138,466.69
2 580,367.75 379,392.57 200,975.18 0.86 172,303.82
3 668,523.94 398,850.99 269,672.95 0.79 214,075.08
4 778,700.62 420,223.44 358,477.19 0.74 263,491.43
5 912,599.12 443,021.47 469,577.65 0.68 319,586.66
6 1,046,169.22 444,136.61 602,032.62 0.63 379,382.67
7 1,222,833.50 468,965.96 753,867.54 0.58 439,874.47
8 1,408,793.49 492,385.34 916,408.14 0.54 495,106.80
9 1,617,345.06 520,944.12 1,096,400.94 0.50 548,473.44
10 1,847,214.87 551,993.76 1,295,221.11 0.46 599,937.98
TOTAL 3,570,699.04
VAN= -Inversión Inicial + Σ VAN
VAN = $2, 677,485.06 VAN>0
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
155
7.2.5.4.1. Tasa interna de retorno o de recuperación
La tasa interna de retorno, es aquella que reduce la VAN a cero, su expresión es la
siguiente:
Donde:
n= Años
(It-Et)= Flujo Neto
I= Tasa de Prueba
(1+i)n = Factor
Tabla 7.11. Tasa interna de retorno.
AÑO FLUJO
NETO
TASA DE
PRUEBA
FACTOR VAN
1 149,544.02 0.36849978 1.36849978 109,275.88
2 200,975.18 0.36849978 1.872791648 107,313.15
3 269,672.95 0.36849978 2.562914958 105,221.18
4 358,477.19 0.36849978 3.507348556 102,207.46
5 469,577.65 0.36849978 4.799805728 97,832.64
6 602,032.62 0.36849978 6.568533082 91,654.04
7 753,867.54 0.36849978 8.989036078 83,865.23
8 916,408.14 0.36849978 12.3014939 74,495.68
9 1,096,400.94 0.36849978 16.83459169 65,127.86
10 1,295,221.11 0.36849978 23.03813502 56,220.74
ΣVAN 893,213.88
0
( )
(1 )
t n
nt
It Et
i
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
156
VAN = ΣVAN – Inversión Inicial
VAN = $ 893,213.88
VAN = 0
Por lo que la TIR = 36.85%
7.2.5.4.2. Rentabilidad del proyecto
El proyecto económicamente es rentable, los análisis financieros demuestran que se puede
cubrir los gastos para ejecutar el funcionamiento de la planta a la vez generar utilidades.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
157
CAPITULO 8
8.1. Aspectos ambientales
Análisis de los principales aspectos ambientales del producto en TODO SU CICLO
DE VIDA.
- Responsable de desarrollo de producto: liderar la evaluación-priorización.
Transmitir las claves al diseñador externo y la importancia de cada etapa. Coordinar
al equipo.
- Dirección general: será informado de los resultados (importante para el
entendimiento del proceso y la toma de decisiones).
- Otros departamentos: facilitar información (estados de ventas y compras,
cálculos de transporte, pesos de materias primas,…)
- Experto medioambiental externo: ayudar con los conocimientos en la
evaluación-priorización de aspectos ambientales.
- Diseñador externo: se recomienda su participación en el proceso de
determinación y priorización de aspectos ambientales.
Esquema de la etapa
Personas o departamentos implicados
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
158
- Matriz MET
- Eco-indicadores
- Herramientas, Análisis de ciclo de vida.
Cuando se empezó el proyecto de Eco-diseño, se tomó en cuenta algo muy importante;
obtener una perspectiva general de los aspectos del producto que causan mayores impactos
ambientales, para identificar las prioridades para la realización de mejoras de este
producto.
Para la obtención de esta perspectiva general no solo basto con estudiar el producto físico,
sino que se requiere una visión del sistema del producto en su conjunto.
El análisis de los aspectos ambientales de la microcápsula, se tomó en cuenta el frasco, la
tapadera y las capsulas. Véase la siguiente figura grafica de un sistema del producto.
Herramientas
Acortar los límites del sistema del producto.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
159
Figura 8.1. Sistema del producto físico de la microcápsula
Un criterio importante para la definición del sistema del producto estuvo en concluir
aquellos aspectos externos al producto que pueden verse afectados al modificar el diseño.
Las microcápsulas cambia la consistencia si se encuentra en algún lugar con temperaturas
C).
- Aspecto ambiental: según la norma ISO 14001: “elemento de las actividades,
productos o servicios de una organización que puede interactuar con el medio
ambiente”. Está asociado por tato directamente al PRODUCTO.
Frasco
Microcápsulas
¿Qué son los aspectos ambientales del producto y por qué es importante identificarlos
y priorizarlos?
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
160
- Impacto ambiental: “cualquier cambio en el medio ambiente, sea adverso o
beneficioso, resultante en todo o en parte de las actividades, productos o servicios de
una organización”. Está asociado, por tanto, directamente al MEDIO ABIENTE
GLOBAL.
Ahora, ya centrados en nuestro producto hacemos el Eco diseño, los que nos
intereso es la identificación de los aspectos ambientales concretos en este producto
para tratar de optimizarlos.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
161
ÁREA DE
INCIDENCIA
CAUSA
Aspecto medioambiental
EFECTO
Impacto medioambiental
RESIDUOS
Residuos peligrosos
Residuos inertes o
inertizados
Residuos urbanos o
municipales.
Contaminación del
suelo
Contaminación de las
aguas subterráneas
Detraimiento de la
biodiversidad
Bioacumulación
Riesgos para la salud
humana
Destrucción de la capa
de ozono
Efecto invernadero
Lluvia acida
Smog
Riesgos para la salud
humana
Eutrofización
Disminución de la
biodiversidad
Muerte de especies
acuáticas
Riesgos para la salud
humana
ATMOSFERA
Emisiones
Inmisiones
Focos fijos
Focos móviles
Captación
de agua
Vertido de
aguas residuales
Manantial,
pozo o rio
Rio, mar o
red de
saneamiento
AGUA
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
162
Diagrama 8.1. Posibles causas-efectos derivados de los diferentes aspectos ambientales y sus impactos.
Efectos locales:
Generación
ruidos/vibraciones/olor
es/humos
Riesgos para la salud
humana
Contaminación del
suelo
Contaminación de las
aguas subterráneas
Contaminación
atmosférica
Riesgos para la salud
humana
Agotamiento de recursos
naturales:
Energía
Agua
Materias primas
Contaminación de las
aguas subterráneas
Contaminación de las
aguas superficiales
Pérdida de
biodiversidad
Riesgos para la salud
humana
AMBIENTE
EXTERIOR
Ruido y
vibraciones
Olores
SUSTANCIAS
PELIGROSAS
Almacenamiento
Transporte
RECURSOS
NATURALES
Consumo de agua
Consumo de energía
Consumo de
combustibles
Consumo de papel,
madera,…
SUELOS Contaminación
de suelo
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
163
Para el caso de las microcápsulas, como afectan a los impactos ambientales globales:
Existen varios métodos, cualitativos y cuantitativos, para analizar el perfil ambiental del
producto y establecer prioridades ambientales. Todos los métodos en el análisis de ciclo de
vida, lo que significa que estos métodos analizan todas las fases del ciclo de vida del
producto en cuanto a los aspectos ambientales del producto en cada una. Los objetivos de
utilización de estos métodos son:
- Obtener una perspectiva general de los principales aspectos ambientales del
producto durante todo su ciclo de vida.
- Identificar las principales ambientales que se trataran durante el proceso del Eco
diseño.
ASPECTOS AMBIENTALES IMPACTOS AMBIENTALES
- Consumo de agua,
energía
- Residuos inertes
- Ruidos, vibraciones y
olores
- Almacenamiento y
transporte
- Agotamiento de recursos
naturales
- Contaminación del suelo,
aguas y riesgos para la
salud
- Efectos locales
- Contaminación del suelo,
aguas y riesgos para la
salud
-
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
164
Matriz MET
Es un método cualitativo o semicualitativo que sirve para obtener una visión global de
las entradas y salidas en cada etapa del ciclo de vida del producto.
La matriz MET engloba:
M- utilización de Materiales en cada etapa de ciclo de vida. Se refiere a todas las
entradas (consumos) en cada una de las etapas del ciclo de vida. Esto proporciona
una visión de cuáles son las entradas prioritarias por su mayor cantidad, toxicidad,
o porque son materiales escasos.
E- utilización de Energía. Se refiere al impacto de los procesos y de transporte de
cada etapa del ciclo de vida (aquellos que consumen mucha energía
principalmente). Esto proporciona una visión de cuáles son los procesos o
transportes de mayor impacto en todo en ciclo de vida del producto.
T- Emisiones Toxicas (todas las salidas: emisiones, vertidos o residuos tóxicos).
Se refiere a todas las salidas producidas en el proceso. Esto da una idea de cuáles
fueron las salidas más importantes por su toxicidad.
Estos son los aspectos que están incluidos en la matriz MET, de forma simplificada y
organizados según las etapas del ciclo de vida del producto.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
165
Tabla 8.1. Matriz MET.
Usos de MATERIALES
(entradas)
M
Uso de ENERGIA (entradas)
E
EMISIONES TOXICAS (salidas:
emisiones, vertidos y residuos)
T
Obtención y consumo
de materiales y
componentes
- Todos los materiales,
piezas y componentes
necesarios que son
comprados tal cual.
- Consumo de energía
necesarios para la obtención
en bruto de los materiales
comprados.
- Energía necesaria para
obtener los materiales en el
estado que son adquiridos
(laminados, tratamiento
superficial,…)
- Consumo de energía para
el transporte de materiales
comprados hasta fabrica.
- Residuos tóxicos
generados en la obtención y
transformación de los materiales
adquiridos antes de su llegada a la
empresa.
Producción en
fabrica
- Materiales auxiliares
comprados tal cual
(tornillería, elementos
eléctricos,…).
- Sustancias auxiliares que
- Consumo de energía en
los procesos empleados en
fábrica.
- Residuos tóxicos
producidos en fábrica.
- Restos de materiales:
recortes, rechazos,…
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
166
son usadas en el procesos d
producción y no incluidas
en la etapa anterior
(elementos para soldadura,
pintado, moldeo de fibra de
vidrio,…
Distribución - Embalajes del
producto.
- Elementos de re
embalaje empleados para el
transporte y distribución.
- Consumos de energía en
el empaquetado y el
embalaje.
- Transporte desde fábrica
a los distribuidores finales.
- Residuos de la combustión
producidos durante el transporte.
- Residuos de embalaje.
Uso o utilización - Consumibles
- Piezas de repuestos
estimadas.
- Energía consumida por el
producto a lo largo de su vida
útil estimada.
- Residuos de consumibles.
- Residuos de piezas de
repuesto.
Sistema de fin de vida
Eliminación final
- Consumo de
materias primas y
auxiliares para el
tratamiento de fin de vida.
- Energía utilizada en
algunos de los sistemas fin de
vida de materiales o partes
(incineración, desmontaje,
reciclado,…)
- Energías para el
transporte a los sistemas de
fin de vida.
- Residuos tóxicos que
genera el producto y que son
destinados a gestor autorizado.
- Materiales de vertedero
- Reciclaje de materiales
- Residuos de la combustión.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
167
Para priorizar con la matriz MET es conveniente seguir una serie de reglas que
orientan sobre las principales fuentes de impacto ambiental.
- El producto a la hora de la elaboración, el consumo de energía es un punto
importante de gran interés.
- Habrá que tener especial cuidado con aquellos materiales como lo son el ácido
acético y cloruro de calcio.
- Prestar atención al consumo de materiales auxiliares durante la fase de lavado
del producto.
En general los materiales a utilizar en el producto no ocasionan mayor daño al medio
ambiente ya que la mayoría de materia prima a utilizar en biodegradable, amable con
el medio ambiente.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
168
8.3. Aspectos de seguridad
La industria farmacéutica es un importante elemento de los sistemas de asistencia
sanitaria de todo el mundo; está constituida por numerosas organizaciones públicas y
privadas dedicadas al descubrimiento, desarrollo, fabricación y comercialización de
medicamentos para la salud humana y animal.
.
Los avances en la medicina suscitan, a su vez, una nueva preocupación por la protección
de la salud y la seguridad de los trabajadores en la industria farmacéutica.
Son muchos los factores dinámicos científicos, sociales y económicos que configuran la
industria farmacéutica.
Los reglamentos y las políticas de asistencia sanitaria aplicables a los productos
farmacéuticos son sensibles intereses públicos, de grupos de defensa y privados. La
interacción de todos estos complejos factores influye en el descubrimiento, desarrollo,
fabricación, comercialización y venta de fármacos.
Riesgos generales para la salud y la seguridad
- Ergonomía y manipulación del material
Los materiales transportados, almacenados, manipulados, procesados y envasados en la
varían desde grandes cantidades de materias primas a pequeños envases con producto.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
169
Las materias primas para las microcápsulas se transportan en grandes contenedores (p.
ej., camiones cisterna, vagones), tambores de metal y fibra, papel reforzado y bolsas de
plástico. En la elaboración de las microcápsulas se utilizan cantidades menores de
materias primas, debido a la escala reducida de las operaciones. Se utilizan diversos
dispositivos de manipulación del material (p. ej., carretillas elevadoras, paletas,
montacargas de vacío y gatos de tambor) para la manipulación del material durante las
operaciones de producción y almacenamiento. Pueden producirse riesgos ergonómicos
al desplazar materiales y equipos sin disponer de dichos aparatos.
Las buenas prácticas de ingeniería industrial y de gestión de las instalaciones reducen las
lesiones causadas por la manipulación del material mejorando el diseño y las
características del equipo y el lugar de trabajo y disminuyendo el tamaño y peso de los
contenedores. Las medidas de control técnico (p. ej., diseño ergonómico de
herramientas, materiales y equipo) y administrativo (p. ej., rotación de los trabajadores,
formación) reducen los riesgos de traumatismos durante las operaciones repetitivas de
producción y envasado.
- Protección de las máquinas y control de la energía peligrosa
Las piezas móviles sin protección de los equipos de fabricación y envasado presentan
riesgos mecánicos. Los “puntos de choque y contacto” expuestos de los equipos abiertos
pueden causar lesiones graves. Los riesgos mecánicos son mayores debido al número y a
la variedad del diseño de los equipos, a la masificación en el lugar de trabajo y a las
frecuentes interacciones entre trabajadores y equipo. Las protecciones de bloqueo, los
interruptores de control, los dispositivos de parada de emergencia y la formación de los
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
170
operarios son medios importantes de reducción de los riesgos mecánicos. El pelo suelto,
la ropa de manga larga, las joyas u otros objetos pueden quedar atrapados en el equipo.
La inspección de rutina y las actividades de reparación identifican y controlan los
riesgos mecánicos durante las operaciones de producción y envasado.
Se debe liberar o controlar la energía peligrosa eléctrica, neumática y térmica antes de
trabajar con el equipo y los servicios activos. Los trabajadores se protegen de las fuentes
de energía peligrosa aplicando procedimientos de bloqueo/cierre.
- Exposiciones al ruido
Los equipos y servicios de fabricación (p. ej., aire comprimido, y sistemas de
ventilación) pueden generar altos niveles de ruido. Debido al diseño en módulos
cerrados de los lugares de trabajo, los trabajadores se encuentran a menudo próximos a
las máquinas durante las operaciones de fabricación y envasado. De hecho, observan e
interactúan con el equipo de producción y envasado, aumentando de esta forma su
exposición al ruido. Los métodos de ingeniería reducen los niveles de ruido
modificando, cerrando y amortiguando las fuentes de ruido.
La rotación de los trabajadores y el uso de dispositivos de protección auditiva (p. ej.,
tapones para los oídos) reducen la exposición individual a altos niveles de ruido. Los
programas de conservación de la audición identifican las fuentes de ruido, reducen los
niveles de sonido en los lugares de trabajo y forman a los trabajadores acerca de los
riesgos de la exposición al ruido y el uso adecuado de dispositivos de protección
auditiva. El control del ruido y el seguimiento médico (p. ej., con audiometrías) evalúan
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
171
las exposiciones del trabajador al ruido y las pérdidas de audición resultantes. Esto
ayuda a identificar los problemas de ruido y a evaluar la adecuación de las medidas
correctoras.
- Exposiciones a vapores de disolventes y fármacos potentes
La exposición de los trabajadores a vapores tóxicos de disolventes, como los polvos
transportados por el aire, puede ser objeto de preocupación. Esta exposición se puede
producir durante distintas operaciones de fabricación, que necesitan ser identificadas,
evaluadas y controladas para garantizar la protección de los trabajadores. Los controles
técnicos son los medios de control preferidos, debido a su eficacia y fiabilidad. Los
equipos cerrados de procesado y los sistemas de manipulación de materiales previenen
las exposiciones de los trabajadores. Es necesario aumentar el confinamiento de las
instalaciones y del proceso para controlar los disolventes, y el uso de respiradores de
presión positiva (p. ej., de purificación por corriente de aire y admisión de aire) y de EPP
cuando se manipulan y procesan disolventes muy tóxicos y fármacos potentes. Son
preocupantes las operaciones en las que se generan altos niveles de vapores de
disolventes (p. ej., composición, granulación y recubrimiento de comprimidos) y polvos
(p. ej., secado, molturación y mezclado). Las salas estanco y de duchas, las prácticas de
descontaminación y las buenas prácticas sanitarias (p. ej., lavado y duchas) son
necesarias para prevenir o minimizar los efectos de las exposiciones de los trabajadores
dentro y fuera del lugar de trabajo.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
172
- Gestión de seguridad de los procesos
En la industria farmacéutica se aplican programas de seguridad de los procesos debido a
la complejidad de la química, la peligrosidad de los materiales y las operaciones en la
fabricación de productos químicos a granel. Deben evaluarse la termodinámica y la
cinética de estas reacciones químicas, ya que pueden participar materiales altamente
tóxicos y reactivos y compuestos lacrimó-genos e inflamables o explosivos. La gestión
de la seguridad de los procesos implica la realización de ensayos de los riesgos físicos de
los materiales y reacciones, la organización de estudios de análisis de riesgos para
revisar la química del proceso y las prácticas técnicas, el examen del mantenimiento
preventivo y la integridad mecánica del equipo y servicios del proceso, la formación de
los trabajadores y la elaboración de instrucciones de trabajo y procedimientos de
respuesta de emergencia. Las características técnicas especiales para la seguridad del
proceso incluyen la selección de recipientes a presión adecuados, los sistemas de
aislamiento y supresión y la ventilación de seguridad para amortiguar la presión con
tanques de captación. Las prácticas de gestión de la seguridad de los procesos son
similares en las industrias farmacéutica y química cuando se fabrican productos
farmacéuticos.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
173
8.2.1. Análisis HAZOP PROYECTO: ELABORACION DE MICROCAPSULAS
1 ASENTAMIENTO DE
TERRENO-FALLA GEOMÉTRICO
si BF 4 GRAVE ELIMINAR EL RIESGO QUE PUEDA
AFECTAR LAS INSTALACIONES O PROCESO
2 CONTAMINACIÓN
AMBIENTAL DE
FUENTES EXTERNAS QUE AFECTEN AL
PROYECTO
no MA
3
LEVE MINIMIZAR LOS EFECTOS DE LOS
RIESGOS DESENCADENADOS
3 CRECIDA PLUVIAL no BF-O 6 LEVE ELIMINAR EL RIESGO QUE PUEDA AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
4 HUMEDAD-NEBLINA
AMBIENTAL
no BF-O 8 LEVE ELIMINAR EL RIESGO QUE PUEDA
AFECTAR LAS INSTALACIONES O PROCESO
5 INUNDACIÓN si BF-O 20 SERIO MINIMIZAR LOS EFECTOS DE LOS
RIESGOS DESENCADENADOS
6 LLUVIAS EXTERNAS si BF 8 LEVE MINIMIZAR LOS EFECTOS DE LOS RIESGOS DESENCADENADOS
8 SISMOS si BF-O 8 GRAVE ESTABLECER PLANES DE EMERGENCIA
Y DE CONTINGENCIA
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
174
RIESGOS ASOCIADOS A LOS INSUMOS PARA LAS OPERACIONES-CONSTRUCCION-MONTAJE-PUESTA EN MARCHA
9 FALLA O MENOR
CANTIDAD EN EL
SUMINISTRO DE
PRODUCCIÓN PARA EL PROCESO (PROVEEDOR
EXTERNO)
SI O 4 GRAVE MINIMIZAR LOS EFECTOS DE LOS RIESGOS DESENCADENADOS
10 FALTA DE AGUA PARA
PROCESOS EN PLANTA
SI O 4 LEVE MINIMIZAR LOS EFECTOS DE LOS
RIESGOS DESENCADENADOS
11 FALTA/FALLA TOTAL DE
ENERGÍA ELÉCTRICA.
SUMINISTRO EXTERNO
SI O 4 SERIO ELIMINAR EL RIESGO QUE PUEDA
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
12 MATERIAL ENTREGADO POR EL PROVEEDOR NO
CUMPLE ESTÁNDARES
SI O 3 GRAVE ELIMINAR EL RIESGO QUE PUEDA AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
175
13 CAÍDA DE PERSONAS A
DISTINTO NIVEL
SI P 3 SERIO APLICAR MEDIDAS DE CONTROL DE
RIESGO
14 CAÍDA DE PERSONAS A
MISMO NIVEL
SI P 3 LEVE APLICAR MEDIDAS DE CONTROL DE
RIESGO
15 COLAPSO
ESTRUCTURAL
SI BF-O 8 GRAVE ESTABLECER PLANES DE EMERGENCIA
Y DE CONTINGENCIA
16 CORROSIÓN SI BF-O 8 GRAVE ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
17 CHOQUES-
VOLCAMIENTOS
(ACCIDENTES DE
TRÁNSITO)
SI BF-P-O 25 SERIO ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
18 DERRAMES DE
LÍQUIDOS/ SÓLIDOS
INTERNOS EN PLANTA
SI BF-P-O 15 SERIO ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
19 EXPLOSIÓN POR
PRESENCIA DE
VAPORES, POLVO O
SOBREPRESIÓN EN
RECIPIENTES, REDES
SI P-C-FB-
O
12 GRAVE ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
176
20 FALTA DE
DESTREZA/HABILIDADES
POR PARTE DEL
OPERADOR
SI P-BF 4 GRAVE MINIMIZAR LOS EFECTOS DE LOS
RIESGOS DESENCADENADOS
21 FALTA DE ESPACIO
PARA OPERAR
SI O-P 15 GRAVE ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
22 FALTA DE
HERRAMIENTAS-
DISPOSITIVOS PARA
INTERVENIR LOS
EQUIPOS O SISTEMAS
SI O-P 25 SERIO ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
23 FALLA EN UN
COMPONENTE DE UN
SISTEMA O EQUIPO
SI O-BF-P 18 GRAVE ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
24 FUGAS POR UNIONES Y
EMPAQUE DUROS
SI O 12 GRAVE ESTABLECER PLANES DE EMERGENCIA
Y DE CONTINGENCIA
25 GOLPEAR CONTRA UN
OBJETO FIJO O EN
MOVIMIENTO
SI O-BF 25 GRAVE ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
26 INCENDIO SI O-BF-P 20 GRAVE ESTABLECER PLANES DE EMERGENCIA
Y DE CONTINGENCIA
27 INESTABILIDAD DE
EQUIPOS, ESTRUCTURAS,
ALMACENAMIENTOS
SI O-BF-P 10 GRAVE APLICAR MEDIDAS DE CONTROL DE
RIESGOS
28 TEMPERATURAS FUERA
DE LOS ESTÁNDARES EN
SISTEMAS, EQUIPOS O
INSTALACIONES
SI O 6 GRAVE APLICAR MEDIDAS DE CONTROL DE
RIESGOS
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
177
29 MANEJO DE RESIDUOS
SÓLIDOS
SI P-C-MA 3 SERIO ELIMINAR RIESGOS QUE PUEDE
AFECTAR LAS INSTALACIONES O
PROCESO
30 CONTAMINACIÓN DE
AIRE POR GASES-
VAPORES-HUMOS-
AEROSOLES
SI MA-P 3 SERIO ESTABLECER PLANES DE EMERGENCIA
Y DE CONTINGENCIA
31 RUIDO QUE AFECTE A
LA COMUNIDAD
SI C 5 LEVE ESTABLECER PLANES DE EMERGENCIA
Y DE CONTINGENCIA
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
178
32 ACTOS DE SABOTAJE SI O-BF 3 LEVE APLICAR MEDIDAS DE CONTROL DE
RIESGOS
33 INTROMISIÓN DE
PERSONAS AJENAS AL
PROCESO
SI O-BF 3 LEVE APLICAR MEDIDAS DE CONTROL DE
RIESGOS
34 ROBO DE VALORES SI O 3 LEVE APLICAR MEDIDAS DE CONTROL DE
RIESGOS
35 VANDALISMO SI O-BF 3 LEVE
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
179
Planillas de observaciones
Nodo 1 Distrac
ción
Choque del carrito
transportador
Ruptura de válvula de alivio Poner señalamientos Protección a válvulas,
caminos específicos
Protección de válvulas
Nodo 2 Distrac
ción o
derram
e
Caída o resbalo Fractura, lesiones o pérdida de
conocimiento
Poner señales y evitar
derrames
Utilización de equipos
(botas) adecuadas.
Utilización de equipo y revisión
continua
Nodo 3 Incendios Quemaduras e incluso la muerte Utilización de equipos de
seguridad (ropa contra
incendios), extintores
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
180
CAPITULO 9
9.1. Resultados experimentales
A continuación se presentan los principales resultados experimentales necesarios para
la realización del escalamiento de la planta industrial para producir microcápsulas
magnéticas conteniendo insulina.
Obtención y caracterización de MN
De acuerdo con el procedimiento descrito en la sección 7.2, se obtuvo un polvo de
color negro, el cual presentó a simple vista propiedades magnéticas cuando se
encontraba en presencia de un magneto simple (Figura 9.1)
Figura 9.1. Síntesis de la magnetita y prueba preliminar de las propiedades magnéticas.
Al someter la MN al campo inducido por el VSM, se obtuvo que las muestras
sintetizadas presentaban 60 ± 5 unidades de electromagnetismo (emu)/g sólidos secos. Lo
cual indica, de acuerdo con los reportes de aplicaciones biomédicas de este tipo de
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
181
compuestos magnéticos, que se requiere que la concentración máxima de MN en las
microcápsulas sea de 0.1 mg/mL de solución de Q para obtener una concentración
final de entre 5 y 7 emu/g [19]. Por otra parte, el tamaño de las partículas magnéticas
fue de 120 ± 5 nm.
Viscosidad de las soluciones biopoliméricas
Se encontró que ambas soluciones biopoliméricas (AS-CS y Q) presentaron un flujo no
newtonianos dependiente de la tasa de corte aplicada. Ambos biopolímeros mostraron un
comportamiento reoadelgazante en función de la cizalla como puede notarse en la Figura
9.2 .
1E-3 0.01 0.1 1 10
0.1
1
10
ap
(P
a s
)
Tasa de corte (s-1)
(a)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
182
1E-3 0.01 0.1 1 10
0.01
0.1
1
10
ap
(P
a s
)
Tasa de corte (s-1)
Figura 9.2. Curvas de viscosidad aparente (hap) de: (a) AS-CS a una
concentración de 2% (p/p) y (b) Q al 2% (p/p).
Debido a que ambos biopolímeros presentaron comportamientos reoadelgazantes
conforme el incremento de la velocidad de cizalla o tasa de corte ( ), los perfiles de flujo
se ajustaron al modelo ley de potencias (Ec. 2) obteniendo los siguientes parámetros de
flujo n y k, siendo 0.707 y 0.04 para AS-CS y 0.88 y 0.014 para Q, respectivamente. Los
coeficientes de correlación (R2) para los ajustes fueron superiores a 0.989. La
determinación de estos parámetros permitirá diseñar las condiciones de flujo de estas
soluciones a través de tuberías, así como la potencia requerida de una bomba para el
transporte de las mismas.
(b)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
183
Potencial zeta de las soluciones biopoliméricas
La Figura 14 muestra los perfiles de potencial zeta en función del pH de las soluciones.
Los resultados obtenidos muestran que la solución de AS-CS posee una carga
predominantemente negativa en el intervalo de pH probado, sin embargo para el caso del
quitosano se puede observar que éste posee una carga predominantemente positiva a
valores de pH bajos, perdiendo su capacidad de ionización alrededor de un pH de 5.5 y
formando precipitados por arriba de este valor.
Figura 9.3. Perfiles de potencial zeta en función del pH
para las soluciones biopoliméricas.
A partir de los perfiles mostrados anteriormente se puede observar que a un pH
aproximadamente de 4.5 se obtiene un valor absoluto de carga casi estequiométrico, en
este valor de pH (pHest), la suma de las cargas opuestas de ambos biopolímeros llevará a la
neutralización de los grupos iónicos responsables de dichas cargas conduciendo a una
máxima interacción y a la formación de una red estructural más compacta. Cabe mencionar
2 3 4 5 6
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
Quitosano
Alginato
Po
ten
cia
l Z
eta
(m
V)
pH
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
184
que si se colocará la mezcla de AS-CS-Q al pHest, se obtendría la máxima interacción de
grupos, sin embargo las microcápsulas formadas no serían capaces de reticularse en
presencia del CaCl2, debido a la falta de grupos ionizables disponibles, produciendo
microcápsulas “suaves”. Debido a ello, el pH al cual se trabajará debe ser aquel en el cual
el AS-CS se encuentre en mayor proporción de grupos ionizables respecto a los de Q y
donde este último no presente problemas de solubilidad, por lo que se decidió trabajar a un
pH de 5.
Punto de equivalencia de AS-CS y Q.
La Figura 15 muestra los perfiles de titulación obtenidos para AS-CS y Q. Esta prueba
indica la cantidad de grupos ionizables equivalentes a NaOH en cada uno de los
biopolímeros, encontrando que para AS-CS hay 3.89 ± 0.30 meq NaOH/g mientras que para
Q hay 33.45 ± 0.54 meq NaOH/g respectivamente.
.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
4
5
6
7
8
9
10
11
2% alginato
Derivada
meQ NaOH/ 2 g de alginato
pH
0
1
2
3
4
5
6
p
H/
V
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
2% Quitosano
Derivada
meQ NaOH/ 2 gramos de quitosano
pH
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
pH
/V
Figura 9.4. Perfiles de titulación con NaOH 0.1N para AS-CS.
a) b)
)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
185
Para corroborar esta información se prepararon diferentes mezclas AS-CS:Q en
diferentes relaciones másicas R[AS-CS:Q] como se observa en la Tabla 1. Debido a que se
desea que las interacciones mantengan un exceso en cargas negativas (potencial zeta
negativo) que promuevan la reticulación de los complejos solubles (mayor absorbancia)
con los iones Ca2+
, es conveniente el usar relaciones AS-CS:Q más altas.
Tabla 9.1 Determinación de la relación óptima AS-CS: Q para la formación de microcápsulas.
R[AS-CS:Q] Absorbancia -potential (V)
[1:1] 0.32 ± 0.04a +34.2 ± 2.5
a
[3:1] 0.07 ± 0.04a +15.6 ± 1.5
b
[5:1] 0.03 ± 0.02a -10.7 ± 0.8
c
[7:1] 2.52 ± 0.36b -17.2 ± 1.1
d
[9:1] 3.35 ± 0.23c -19.4 ± 0.6
d
Letras diferentes en la misma columna indican diferencia significativa a un valor de
p<0.05.
Obtención de las microcápsulas magnéticas
Se obtuvieron diferentes microcápsulas conteniendo IN en el centro y MN en el interior
del material de recubrimiento con las diferentes relaciones R[AS-CS:Q]. De acuerdo con la
Figura 8, sólo las microcápsulas que se encontraron en una relación [9:1] fueron las que
presentaron las mejores propiedades físicas para su manejo, ya que eran lo suficientemente
fuertes para resistir el trasvase y lavado sin afectar su tamaño, morfología ni consistencia.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
186
Las relaciones donde la concentración de AS-CS fue más bajo, presentaron estructuras más
débiles y poco manejables.
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Figura 9.5. Imágenes de microcápsulas de AS-CS-Q obtenidas al utilizar diferentes
relaciones másicas R [AS-CS: Q]: a) [1:1], b) [3:1], c) [5:1], d) [7:1] y e) [9:1].
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
187
Caracterización de las microcápsulas magnéticas
La Figura 9.5 muestra las micrografías obtenidas para las microcápsulas con R[AS-CS:Q]
de 9:1 vistas a través de un microscopio con un objetivo 10X. Se puede observar que las
microcápsulas poseen un alto grado de esfericidad; sin embargo al realizar el análisis del
tamaño por análisis de imágenes se encontró que la mejor manera de determinar el
diámetro real de las microcápsulas fue mediante el ajuste con elipses, por lo el diámetro
promedio calculado fue realizando la corrección del diámetro promedio de un círculo entre
el ancho y el alto de la elipse obtenida. En la Figura 9.6 se puede apreciar mediante un
círculo de color amarillo la forma en la que se consideró cada perla para la determinación
del tamaño. Cabe mencionar que dado que estas microcápsulas se obtuvieron mediante el
paso de la mezcla de IN, MN y biopolímeros a través de un aspersor, el tamaño promedio
de las microcápsulas presentó una distribución monomodal (un único tamaño) con una
media de 2.5 ± 0.2 mm.
Figura 9.6. Micrografía de las microcápsulas conteniendo IN
utilizando AS-CS-Q como material de recubrimiento en una relación
R[9:1] después de haber sido asperjadas en una solución de CaCl2
3M.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
188
Rendimiento de encapsulación de IN y estabilidad de las microcápsulas
Una vez que se obtuvieron microcápsulas con la rigidez necesaria para resistir procesos
de manipulación y/o transporte, se cuantificó la cantidad de IN entrampada en el interior de
las microcápsulas. Se encontró que la concentración real de IN encapsulada corresponde al
95% del contenido inicial de IN agregado a la solución de Q, lo cual indica que las
pérdidas durante el proceso de fabricación representan el 5% de material bioactivo, sin
embargo se considera que este porcentaje no afecta para la presentación final de los
microencapsulados de IN.
Por otra parte, las microcápsulas se sometieron a pruebas de almacenamiento con la
finalidad de verificar la ausencia de lixiviación del fármaco encapsulado y establecer la
estabilidad y tiempo de vida de anaquel del producto. Al cabo de 20 días no se presentó
diferencia significativa (p<0.05) respecto al contenido de IN en las microcápsulas frescas,
indicando buena estabilidad en dichos sistemas.
Liberación de IN de las microcápsulas magnéticas.
En la Figura 9.7 se muestran los perfiles de elución de IN bajo diferentes condiciones de
estrés (pH y/o inducción de campos magnéticos) a una concentración igual para cada caso.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
189
Figura 9.7. Perfiles cromatográficos de IN:a) sin encapsular, b)
encapsulada pero sometida a pH ácido, y c) encapsulada y con
inducción de campo magnético.
De acuerdo con los resultados obtenidos, se puede observar que cuando la IN se
encapsula dentro de una matriz biopolimérica compuesta de AS-CS-Q en una relación
másica R [9:1], el material de recubrimiento formado es suficientemente resistente a
condiciones de acidez, siendo que el contenido de IN liberado al medio continuo de la
solución ácida representó un 25% del área correspondiente al pico de elución de la IN que
no fue encapsulada (Figura 10a), lo anterior indica que cuando las microcápsulas pasen a
nivel de estómago, el estrés que sufren debido a pHs bajos no implique una pérdida
significativa de la dosis requerida de IN, dando pie a controlar la liberación por medio de
agentes externos como los campos magnéticos inducidos.
Así, cuando las microcápsulas fueron sometidas a la inducción de un campo magnético
(0.15 T), se encontró que el contenido de IN liberada debido a la presencia de campos
magnéticos representa el 75-80% del área del pico de la IN sin encapsular.
(a) (b) (c)
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
190
CAPITULO 10
10.1. Conclusiones
De acuerdo con el análisis económico, es posible llevar a cabo la implementación de una
planta industrial para producir microcápsulas conteniendo insulina. Que al cabo de 10
años se va a recuperar la inversión inicial. Que estas microcápsulas son capaces de liberar
de manera controlada la insulina mediante la aplicación de estímulos externos, y que
promete mejorar la calidad de vida de los pacientes de diabetes tipo I.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
191
10.2. Referencias
Bourriot, S., Garnier, C., Doublier, J.L. (1999). Phase separation, rheology and
microstructure of micellar casein-guar gum mixtures. Food Hydrocolloids 7, 90-95.
Briceño, S., Brämer-Escamilla, W., Silva, P., Delgado, G.E., Diaz, Y., Plaza, E., Cañizales,
E. (2013). Síntesis, caracterización y propiedades magnéticas de las nanopartículas de
CoFe2O4 usando PEG como surfactante. Revista Latinoamericana de Metalurgia y
Materiales, 33, 156-162.
Carvajal, M. N. (2000). Estudio del Sembrado en Procesos de Cristalización por Lotes.
Tesis de Maestría en Ciencias en Ingeniería Química, Instituto Tecnológico de Celaya,
México.
Chan, L.W., Lee, H.Y., Heng, P.W.S. (2002). Production of alginate microspheres by
internal gelation using an emulsification method. International Journal of
Pharmaceutics 242 (1–2), 259–262.
Cheng, F.Y., Su, C.H., Yang, Y.S., Yeh, C.S., Tsai, C.Y., Wu, C.L., Wu, M.T., Shieh, D.B.
(2005). Characterization of aqueous dispersions of Fe3O4 nanoparticles and their
biomedical applications. Biomaterials 26, 729–738.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
192
Clinicians. Iniciando insulina-una guía para pacientes.
http://clinicians.org/images/upload/6%20Control%20de%20las%20Dosis%20LL.pdf.
Accesado el 21/11/2012.
Da Silva, D., Zancan, P., Coelho, W.S., Gómez, L.S., Sola-Penna, M. (2010). Metformin
reverses hexokinase and 6-phosphofructo-1-kinase inhibition in skeletal muscle, liver
and adipose tissues from streptozotocin-induced diabetic mouse . Archives of
Biochemistry and Biophysics 496, 53-60.
de Vos, P., Faas, M.M., Strand, B., Calafiore, R. (2006). Alginate-based microcapsules for
immunoisolation of pancreatic islets. Biomaterials 27, 5603–5617.
Edelman, E.R., Langer, R. (1993). Optimization of release from magnetically controlled
polymeric drug release devices Biomaterials 14, 621–626.
Finotelli, P.V., Da Silva, D., Sola-Penna, M., Rossi, A.M., Farina, M., Andrade, L.R.,
Takeuchi, A.Y., Rocha-Leão, M.H. (2010). Microcapsules of alginate/chitosan
containing magnetic nanoparticles for controlled release of insulin. Colloids & Surfaces
B: Biointerfaces 81, 206-211.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
193
Finotelli, P.V., Morales, M.A., Rocha Leão, M.H., Baggio, M., Saitovitch, E.M., Rossi,
A.M. (2004). Magnetic studies of iron(III) nanoparticles in alginate polymer for drug
delivery applications. Materials Science Engineering C 24, 625-629.
Gaumann, A., Laudes, M., Pormmersheim, R., Laue, C., Vogt, W., Schrezenmeir, J.
(2000). Effect of media composition on long-term in vitro stability of barium alginate
and polyacrylic acid multilayer microcapsules Biomaterials 21, 1911-1917, 2000.
Guardado Pinto J. M. A. y otros. Univercidad Albert Einstein, 1983. Guía académica para
la formulación y evaluación de proyectos.
Grases, F. F., Costa, B. A., Söhnel, O. (2000). Cristalización en disolución, conceptos
básicos. Editorial Reverté, México.
Grenha, A., Remunán-López, C., Carvalho, E.L.S., Seijo, B. (2008). Microspheres
containing lipid/chitosan nanoparticles complexes for pulmonary delivery of
therapeutic proteins. European Journal of. Pharmaceutics and Biopharmaceutics 69,
83–93.
Huynh, D.P., Nguyen, M.K., Pi, B.S., Kim, M.S., Chae, S.Y., Lee, K.C., Kim, B.S., Kim,
S.W., Lee, D.S. (2008). Functionalized injectable hydrogels for controlled insulin
delivery. Biomaterials 29, 2527–2534.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
194
Iskakov, R.M., Kikuchi, A., Okano, T. (2002). Time-programmed pulsatile release of
dextran from calcium-alginate gel beads coated with carboxy-n-propylacrylamide
copolymers. Journal of Controlled. Release 80, 57–68.
Jain, A.K., Khar, R.K., Ahmed, F.J., Diwan, P.V. (2008). Effective insulin delivery using
starch nanoparticles as a potential trans-nasal mucoadhesive carrier. European Journal
of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 69, 426–435.
Khaksa, G.,Nalini, K., Bhat, M., Udupa, N. (1998). High - performance liquid
chromatographic determination of insulin in rat and human plasma. Analytical
Biochemistry 260, 92–95.
Kim, D.K., Zhang, Y., Kehr, J., Klason., T., Bjelke, B., Muhammed, M. (2001).
Characterization and MRI study of surfactant-coated superparamagnetic nanoparticles
administered into the rat brain. Journal of Magnetism and Magnetic 225(1–2):256–261.
Kost, J., Langer, R. (2001). Responsive polymeric delivery systems. Advanced Drug
Delivery Reviews 46, 125-148.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
195
Krochta, E.M. (1990). Emulsion films on food products to control mass transfer. En: Food
Emulsions and Foams, (E.L. Gaden y E. Doi, eds.), Pp. 65-78. Plenum Press, Nueva
York.
MexicoMaxico. <http://www.mexicomaxico.org/Voto/MortalidadCausas.htm.> México,
principales causas de mortalidad desde 1938. Recopilación: Ing. Manuel Aguirre
Botello, con datos de INEGI, OMS y SINAIS. Accesado el 5 de octubre de 2012.
Molinos, M., Carvalho, V., Silva, D.M., Gama, F.M. (2012). Development of a hybrid
dextrin hydrogel encapsulating dextrin nanogel as protein delivery system.
Biomacromolecules 13, 517-527.
Morales, M.A., Finotelli, P.V., Coaquira, J.A.H., Rocha-Leão, M.H.M., Diaz-Aguila, C.,
Baggio-Saitovitch, E.M., Rossi, A.M. (2008). In situ synthesis and magnetic studies of
iron oxide nanoparticles in calcium-alginate matrix for biomedical applications.
Materials Science and Engineering: C 28, 253-257.
Morris, E.D., Rees, D.A., Thom, D. (1980). Characterisation of alginate composition and
block-structure by circular dichroism. Carbohydrate Research 81, 305–314.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
196
Pasparakis, G., Bouropoulos, N. (2006). Swelling studies and in vitro release of verapamil
from calcium alginate and calcium alginate–chitosan beads. International Journal of
Pharmaceutics 323 (1–2), 34–42.
Rodríguez-Huezo, M.E., Lobato-Calleros, C., Reyes-Ocampo, J.G., Sandoval-Castilla, O.,
Pérez-Alonso, C., Pimentel-González, D.J. (2010). Survivability of entrapped
Lactobacillus rhamnosus in liquid- and gel-core alginate beads during storage and
simulated gastrointestinal conditions. Revista Mexicana de Ingeniería Química 10,
353-361.
Saslawski, O., Couvreur, P., Peppas, N.A. (1988). Alginate magnetic release systems:
crosslinked structure, swelling and release studies. Proceedings International
Symposium Controlled Release of Bioactive Materials 15, 26–27.
Saunders, L. (1994). Beverage creation. Design elements. Disponible en:
www.foodproductdesign.com/archive/1994/0494DE.html. Accesado: 11 de julio de
2013.
Shu, X.Z., Zhu, K.J. (2002) The influence of multivalent phosphate structure on the
properties of ionically cross-linked chitosan films for controlled drug release. European
Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 54, 235–243.
Microcápsulas magnéticas para la liberación controlada de insulina
197
Singh, B., Chauhan, N. (2009). Modification of psyllium polysaccharides for use in oral
insulin delivery. Food Hydrocolloids 23, 928-935.
Tapia, N., Cabrejos, J., Rojas, N., Torres, F., Reyes, I. (2009). Preparación de perlas de
alginato de calcio con propiedades magnéticas y su aplicación en la adsorción de Cu
(II). Revista Peruana de Química e Ingeniería Química 12(2), 29-33.
Wenk, E., Wandrey, A.J., Merkle, H.P., y Meinel, L. (2008). Silk fibroin spheres as a
platform for controlled drug delivery. Journal of Controlled Release 132, 26–34.