Sorción dinámica de vapor 101: ¿Qué es, por qué y cómo funciona?

El agua está en todas partes. Quienes estudian el mundo físico o fabrican materiales dentro de él, tarde o temprano se ven obligados a reconocer el impacto de la humedad en las sustancias con las que trabajan.

Más concretamente, el agua —tanto en el material como a su alrededor— es un factor crucial a la hora de determinar cómo y dónde se puede utilizar un producto o material, cuándo se degradará, qué tratamientos o recubrimientos necesita (si es que necesita alguno) o si es necesario reformularlo por completo.

La humedad no se puede ignorar sin más, así que, ¿cómo se puede medir y tener en cuenta su impacto?

Mediante análisis de sorción de vapor.

¿Qué es la sorción dinámica de vapor (DVS)?

El objetivo del análisis de sorción de vapor es determinar la cantidad de disolvente (normalmente agua) que adsorbe o desorbe un material y la rapidez con la que se produce este proceso.

Para averiguarlo, se coloca una muestra del material en un entorno en el que se puede controlar y ajustar la cantidad de vapor de disolvente (humedad). A continuación, se miden los cambios en el peso de la muestra y se utilizan para calcular la cantidad de vapor que adsorbe o desorbe.

La sorción dinámica de vapor (DVS) es una forma muy popular de analizar la sorción de vapor. Hasta hace unas décadas, el método principal para analizar la sorción de vapor era un proceso lento y manual que requería el uso de desecadores. En 1991, Daryl Williams desarrolló la DVS para reducir la enorme cantidad de tiempo y trabajo manual que se necesitaba para obtener datos significativos.

Cómo funciona la sorción dinámica de vapor

Existen varios tipos de dispositivos DVS, pero la mayoría son similares en su mecanismo de acción.

Un dispositivo típico de sorción dinámica de vapor mantiene una muestra en una cámara con temperatura controlada. A continuación, utiliza aire humidificado o desecado para llevar la cámara a un nivel de humedad relativa determinado. Una vez que la muestra alcanza el equilibrio (supuesto por peso) con el nivel de humedad relativa de la cámara, se registra su cambio de masa. A continuación, el dispositivo repite el proceso con niveles de humedad relativa aumentados o disminuidos y registra los cambios adicionales. Después de recopilar los datos necesarios, algunos dispositivos DVS los utilizan para generar una isoterma.

Una vez preparada e insertada la muestra, los dispositivos de sorción dinámica de vapor realizan automáticamente el análisis de sorción de vapor. Para registrar los mismos datos antes de la tecnología DVS se necesitaban varios recintos desecadores, una sala con temperatura estrictamente controlada y varias semanas o meses para rotar las muestras por diferentes cámaras y registrar los resultados.

Cuándo y por qué se utiliza la sorción dinámica de vapor

Los mercados competitivos y las regulaciones más estrictas han impulsado a empresas de sectores muy diversos a investigar cómo responden sus productos a las condiciones ambientales. Probablemente por eso, en los más de 30 años transcurridos desde su invención, la sorción dinámica de vapor se ha adoptado ampliamente.

Hoy en día, el análisis de sorción de vapor sigue extendiéndose a nuevas industrias. El análisis de sorción de vapor suele responder a preguntas similares a estas:

• ¿Qué condiciones provocan que un material en polvo, ya sea un producto final o una materia prima, se apelmace, forme grumos y se vuelva inutilizable o poco atractivo?
• ¿En qué medida protegerá un determinado material de embalaje un producto frente a condiciones adversas de transporte, clima o almacenamiento?
• ¿Durante cuánto tiempo mantendrá su eficacia el ingrediente activo de un producto farmacéutico, nutracéutico o complemento alimenticio cuando se expone a fluctuaciones de humedad como las que se producen en el botiquín del cuarto de baño?

Otras aplicaciones más específicas incluyen la comprobación de los efectos de la humedad en materiales compuestos utilizados en aviación, lentes de contacto y artículos de higiene personal, entre muchos otros.

Resultados y análisis del DVS, parte 1: cinética de sorción de vapor

Los resultados de una prueba dinámica de sorción de vapor suelen visualizarse de dos maneras diferentes. La primera, denominada cinética de sorción de vapor, se centra en el tiempo. Representa gráficamente los niveles de humedad relativa en la cámara y los cambios en la masa de la muestra a lo largo del tiempo.

Dicho de otro modo, la cinética de sorción muestra la rapidez con la que la muestra absorberá y liberará agua del entorno circundante. Esto resulta útil en casos en los que el tiempo es un factor crítico, como en los estudios de vida útil acelerada.

Resultados y análisis del DVS, parte 2: isotermas de sorción de vapor

La otra forma de visualizar los datos de sorción de vapor consiste en representar gráficamente los datos de actividad del agua (humedad relativa) de la muestra en un eje y el peso (a veces se utiliza el contenido de humedad en su lugar) en el otro.

Estas isotermas no hacen hincapié en cómo influye el tiempo en la muestra, pero sí muestran cómo cambia el contenido de masa o humedad en relación con la humedad relativa.

Las isotermas de alta resolución de este tipo facilitan la identificación exacta de los puntos en los que se producen transiciones indeseadas en la textura y la calidad. A menudo se denominan «límites críticos» y se manifiestan como saltos o caídas repentinas en el contenido de humedad o la masa. Esta información es crucial en muchas situaciones de la fabricación de alimentos:

• En productos secos como los polvos, es importante mantenerse por debajo de un límite máximo para evitar la formación de grumos y aglomeraciones, pero lo suficientemente alto como para que el producto sobresecado y con peso insuficiente no corroa los márgenes de beneficio.
• En un aperitivo de carne curada, lo ideal sería que el intervalo límite crítico fuera lo suficientemente bajo como para evitar la proliferación de microbios, pero lo suficientemente alto como para que el aperitivo tenga una textura jugosa y agradable al paladar.
• En productos alimenticios con alto contenido de humedad, como las barritas de fruta, se necesitan ciertos niveles de actividad del agua para evitar la sinéresis.

Explicación de la adsorción, la desorción y la histéresis

Es importante tener en cuenta la diferencia entre adsorción y desorción tanto en la cinética de sorción de vapor como en las isotermas.

La adsorción se refiere a la unión de una muestra con la humedad, extrayéndola de entornos húmedos. La desorción es cuando la muestra libera humedad en entornos secos o desecados.

Pocos materiales absorben y liberan agua de la misma manera o al mismo ritmo. La diferencia entre la adsorción y la desorción se denomina histéresis.

La histéresis es un concepto importante que hay que recordar. Cada ciclo de adsorción/desorción por el que pasa un material cambia los efectos de los ciclos de adsorción/desorción futuros. Si un producto ha superado un punto de transición, su estructura podría sufrir un cambio irreversible que no se puede revertir simplemente secándolo de nuevo.

La histéresis se utiliza principalmente para comprender un producto, pero también puede utilizarse para evaluar la capacidad de retención de agua de un producto, como en el caso de los recubrimientos, los humectantes o las nuevas formulaciones.

Interpretación de isotermas DVS: un ejemplo

La interpretación de las isotermas varía según la aplicación, pero el desglose de un método puede ayudar a conceptualizar otros; en este caso, un análisis de los cambios de fase inducidos por el vapor en la leche en polvo secada por atomización.

Para obtener más ejemplos sobre cómo se pueden interpretar las isotermas (para estimar la vida útil, determinar la eficacia de las películas y recubrimientos repelentes a la humedad, etc.), vea o lea la transcripción de nuestro seminario web Comprender las isotermas.

El primer paso para interpretar esta isotermia con el fin de estudiar los cambios de textura es encontrar los límites críticos de actividad del agua mencionados anteriormente, es decir, el punto en el que comienzan a producirse cambios indeseables en la textura.

El uso de la segunda derivada de esta isoterma de sorción ayuda a resaltar los picos de esta curva. Los picos se correlacionan con los niveles de actividad del agua en los que el contenido de humedad aumenta más rápidamente.

En este caso, es a una actividad del agua de 0,67. Esto significa que una actividad del agua de 0,67 o una humedad relativa del 67 % es un punto de transición crítico para este polvo, en el que su textura cambiará.

A niveles bajos de actividad del agua, hay un número limitado de sitios de unión al agua. Pero una vez que alcanza 0,67, el número de sitios aumenta y se puede unir más agua. A medida que sube aún más, comienzan a producirse aglomeraciones y apelmazamientos graves (en este producto específico). La isoterma muestra exactamente dónde ocurrirán estos fenómenos.

Sorción de vapor de agua frente a sorción de vapor orgánico

La mayoría de los instrumentos de sorción dinámica de vapor están diseñados para estudiar las propiedades de sorción del agua, aunque algunos dispositivos también analizan cómo interactúan las muestras con los vapores orgánicos.

Los objetivos y principios del proceso siguen siendo los mismos: aprender cómo una muestra adsorbe y desorbe vapor. En estos dispositivos, la cámara de muestras se llena con vapor orgánico, no vapor de agua, a un nivel de humedad predeterminado.

El DVS con vapores orgánicos es utilizado con mayor frecuencia por científicos de materiales que desarrollan métodos de control de procesos químicos. También ha resultado útil para ayudar a la industria farmacéutica a desarrollar ingredientes activos estables y biodisponibles.

Instrumentos de sorción dinámica de vapor

Un dispositivo DVS debe ser capaz de medir la masa de la muestra y exponerla a aire humidificado o desecado. Aparte de estas características comunes, los dispositivos DVS varían mucho en cuanto a tamaño, forma y capacidad. A la hora de comprar un dispositivo DVS, tenga en cuenta lo siguiente:

• Tamaño del dispositivo. Algunos dispositivos de mesa son muy compactos (aproximadamente 30 centímetros cúbicos), mientras que algunos dispositivos multistación pueden ocupar toda una mesa de laboratorio grande o incluso ser tan grandes como un armario independiente.
• Tiempos de lectura. Algunos dispositivos tardan días en crear una isotermia. Otros, semanas. Antes de comprar, piense detenidamente cuáles son sus necesidades en cuanto al rendimiento de las muestras.
• Resolución de datos. Sin una resolución isotérmica lo suficientemente alta, es imposible identificar con precisión los puntos críticos de transición. ¿Necesita cinéticas de sorción de baja resolución o isotermas de alta resolución?
• Tamaño de la muestra. Algunos dispositivos DVS pueden analizar con precisión muestras de tan solo diez miligramos. Otros requieren una muestra mayor para realizar un análisis preciso.

Otros métodos de análisis de sorción de vapor

El análisis tradicional de sorción de vapor, que consiste en dejar que las muestras se equilibren en desecadores, todavía se realiza en algunos laboratorios y universidades, a pesar del trabajo y el equipo que requiere.

Quienes elijan este método necesitarán varias cámaras climáticas, soluciones salinas saturadas y espacio para almacenarlas durante bastante tiempo. Después de preparar los materiales y comenzar la prueba, se necesitará un técnico de laboratorio para extraer muestras de las cámaras, pesarlas regularmente y registrar los cambios en la masa hasta obtener el conjunto de datos deseado.

Este método requiere un esfuerzo constante a lo largo del tiempo y es posible que no proporcione la información detallada que ofrecen otros métodos.

Otra alternativa es el método Dynamic Dewpoint Isotherm (DDI), una mejora relativamente reciente y poco conocida del método DVS. Mientras que los dispositivos DVS imitan el método de la cámara climática utilizando el peso para determinar cuándo una muestra ha alcanzado el equilibrio con un nivel de humedad específico, el método DDI alcanza el equilibrio mediante la actividad del agua de la muestra.

Los dispositivos DDI utilizan aire humidificado o desecado para cambiar la humedad relativa de la muestra en un intervalo establecido (0,01 aw o 1 % HR), permiten que la cámara se equilibre con el nuevo estado de la muestra y, a continuación, registran tanto el aw como el peso de la muestra. Este proceso, que se repite muchas veces a lo largo de un par de días, da como resultado isotermas con 100-150 o más puntos de datos que los 5-10 del método DVS, lo que resalta los puntos de transición e imita las condiciones fluidas del mundo real.

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