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Suspensión (química)

mezcla heterogénea

En química, una suspensión es una mezcla heterogénea formada por un sólido en polvo o por pequeñas partículas no solubles (fase dispersa) que se dispersan en un medio líquido (fase dispersante o dispersora). Cuando uno de los componentes es líquido y los otros son sólidos suspendidos en la mezcla, son conocidas como suspensiones mecánicas. Las partículas que forman parte de una suspensión pueden ser microscópicas, y de distintos tamaños, dependiendo del tipo de sustancia.[1]​ De igual manera este tipo de suspensiones puede requerir de distintas formas de energía, para la elaboración de mezclas homogéneas y coloides distintos entre sí.[2]​

Suspensión de harina en un vaso de agua.

Composición de una suspensión

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Las suspensiones se definen como dispersiones heterogéneas sólido-líquido constituidas por dos fases:[3]​

  • Fase sólida: Fase interna, discontinua, o dispersa: está formada por partículas sólidas, insolubles, finamente divididas y suspendidas en el vehículo o medio dispersante.
  • Fase líquida: Fase externa, continua o dispersante: consiste en un líquido, acuoso o un semisólido, que tiene cierta consistencia y que puede ser acuoso o graso.
  • Tensoactivos: agentes dispersantes: los tensoactivos son sustancias que impiden que las partículas se agreguen, ya que a mayor tamaño, las partículas tienen mayor tendencia a sedimentar. Una suspensión estable suele tener en su fórmula algún agente tenso activo.
  • Estabilizantes: cualquier sustancia que se incluye en la formulación de la suspensión que impida que esta pierda su estabilidad. Aquí se incluyen espesantes, anticongelantes, conservantes.

Son sistemas que, con el tiempo, decantan las partículas sólidas dispersas en el medio dispersante. Para evitar este proceso, las suspensiones químicas meta estables suelen tener una viscosidad alta para evitar que estas partículas sedimenten.

Estabilidad de las suspensiones

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Las suspensiones no son estables. La estabilidad física de las suspensiones podría definirse como una condición en la cual las partículas no se agregan y permanecen distribuidas de forma homogénea en la suspensión a lo largo de un tiempo determinado, sin sedimentar ni separarse fases.[3]​[4]​

Para disminuir la velocidad de segmentación hay que:

  • Disminuir el tamaño de las partículas.
  • Aumentar la viscosidad de medio.
  • Evitar cambios bruscos de temperatura durante el almacenaje, transporte...
  • Evitar cristalizaciones mediante la inclusión de anticongelantes en la formulación.

Sedimentación

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Artículo principal: Sedimentación

Si se deja reposar una suspensión, un sólido con una densidad mayor que la del líquido puro se hunde lentamente hasta el fondo (a diferencia de una solución) con un tamaño de partícula no demasiado pequeño y forma un sedimento (sedimentación). El líquido sobrenadante puede verterse (decantación) y así el sólido (sedimento) puede separarse del líquido (decantar). La sedimentación puede ralentizarse añadiendo las llamadas tixotropíass o sustancias activas interfaciales, y acelerarse añadiendo floculantes.

La estabilidad de una suspensión puede definirse con un sedígrafo. Este mide la velocidad de hundimiento de diferentes partículas según la ley de Stokes.

Cuanto más pequeña es una partícula, menor es su densidad y cuanto mayor es la viscosidad del líquido, más lenta es la sedimentación. La forma y estructura de las partículas y otras propiedades de la partícula y del líquido también influyen en la sedimentación.

La sedimentación puede acelerarse mediante centrifugación.

Un método para determinar las propiedades de la sustancia o el tamaño de las partículas y su distribución es la espectroscopia de atenuación ultrasónica.

Métodos acelerados para observar la estabilidad de las suspensiones

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El proceso de desestabilización cinética puede ser bastante largo (hasta varios meses o incluso años para algunos productos) y a menudo es necesario para el formulador usar métodos más rápidos para alcanzar el tiempo de desarrollo razonable para el diseño de nuevos productos sobre la base de suspensiones concentradas.[5]​

Los métodos térmicos son los más utilizados y consisten en el aumento de la temperatura para acelerar la desestabilización (por debajo de las temperaturas críticas de inversión de fase o degradación química). La temperatura afecta no solo la viscosidad, sino también la tensión interfacial en el caso de los tensioactivos no iónicos. El almacenamiento de una dispersión a altas temperaturas permite la simulación de ciertas condiciones de la vida real de un producto (por ejemplo, tubo de crema de protección solar en un coche en verano), sino también para acelerar la desestabilización hasta unas 200 veces. Es lo que se conoce vulgarmente como ensayo de envejecimiento acelerado.[6]​

La aceleración mecánica incluyen la vibración, la centrifugación y la agitación. Consiste en someter el producto a diferentes fuerzas que empujan las partículas/gotas unas contra otras, por lo tanto, ayuda a que se acelere el proceso de sedimentación de estas partículas suspendidas. Sin embargo, algunas emulsiones nunca tienden a unirse con una gravedad normal, mientras que lo hacen bajo esta gravedad artificial.[7]​ Por otra parte, la segregación de las diferentes poblaciones de partículas se han puesto de relieve cuando se utiliza la centrifugación y la vibración.[8]​

Otra técnica para monitorear la estabilidad física

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La dispersión múltiple luz y acoplada al escaneo vertical es la técnica más extendida para controlar el estado de suspensión, porque reconoce y cuantifica el fenómeno de desestabilización.[9]​[10]​[11]​[12]​ Se utiliza en suspensiones concentradas sin dilución. Cuando la luz pasa a través de una suspensión, las partículas de la materia sólida reflejan la luz. La intensidad de la luz reflejada es proporcional a la cantidad y el volumen de sólidos en suspensión. Así, los cambios locales de concentración (sedimentación) y los cambios globales de concentración (floculación[13]​[14]​ y agregación) pueden ser rastreados y detectados.

Algunos ejemplos

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Caso del helado

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El helado es un coloide alimentario complejo formado por burbujas de aire, glóbulos de grasa, cristales de hielo y una fase de suero no congelada. Los cristales de hielo y las burbujas de aire suelen medir entre 20 y 50 μm. Las burbujas de aire suelen estar parcialmente recubiertas de glóbulos de grasa y los glóbulos de grasa están recubiertos de una capa de proteína/emulsionante. La fase de suero consiste en los azúcares y polisacáridos de alto peso molecular en una solución concentrada por congelación.[15]​

Varias etapas del proceso de fabricación, como la pasteurización, la homogeneización, el envejecimiento, la congelación y el endurecimiento, contribuyen al desarrollo de esta estructura. Las proteínas y los emulsionantes compiten por el espacio interfacial durante la homogeneización de la grasa y la creación de la emulsión de mezcla. Tras la homogeneización, la emulsión se ve afectada además por los cambios que se producen durante la fase de envejecimiento, es decir, la cristalización de la grasa y la reorganización de la membrana de glóbulos grasos hasta alcanzar el estado de menor energía libre. A continuación, esta emulsión se somete tanto al batido como a la formación de cristales de hielo durante el proceso de congelación dinámica, lo que contribuye al desarrollo de los cuatro componentes estructurales principales del producto congelado: una espuma discontinua, una red de grasa parcialmente coalescida que rodea las burbujas de aire, cristales de hielo y una solución acuosa continua, concentrada por congelación y no congelada.[16]​[17]​[18]​[19]​

Véase también

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Referencias

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  1. ↑ «Partículas en suspensión». Consultado el 20 de agosto de 2014. 
  2. ↑ Herrera, M. «Suspenciones». Archivado desde el original el 18 de febrero de 2015. Consultado el 20 de agosto de 2014. 
  3. ↑ a b Solid-Liquid Two Phase Flow. Elsevier. p. 534. ISBN 978-0-444-52237-5. 
  4. ↑ “Food emulsions, principles, practices and techniques” CRC Press 2005.2- M. P. C. Silvestre, E. A. Decker, McClements Food hydrocolloids 13 (1999) 419–424.
  5. ↑ P. Bru, L. Brunel, H. Buron, I. Cayré, X. Ducarre, A. Fraux, O. Mengual, G. Meunier, A. de Sainte Marie and P. Snabre Particle sizing and characterization Ed T. Provder and J. Texter (2004)
  6. ↑ O. Mengual, G. Meunier, I. Cayre, K. Puech, P. Snabre, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 152 (1999) 111–123
  7. ↑ J-L Salager, Pharmaceutical emulsions and suspensions Ed Françoise Nielloud, Gilberte Marti-Mestres (2000)
  8. ↑ P. Snabre, B. Pouligny Langmuir, 24 (2008) 13338-13347
  9. ↑ I. Roland, G. Piel, L. Delattre, B. Evrard Revista Internacional de Farmacia 263 (2003) 85-94
  10. ↑ C. Lemarchand, P. Couvreur, M. Besnard, D. Costantini, R. Gref, Pharmaceutical Research, 20-8 (2003) 1284-1292
  11. ↑ O. Mengual, G. Meunier, I. Cayre, K. Puech, P. Snabre, Coloides y superficies A: aspectos fisicoquímicos y de ingeniería 152 (1999) 111–123
  12. ↑ P. Bru, L. Brunel, H. Buron, I. Cayré, X. Ducarre, A. Fraux, O. Mengual, G. Meunier, A. de Sainte Marie y P. Snabre Dimensionamiento y caracterización de partículas Ed T. Provder y J. Texter (2004)
  13. ↑ Slomkowski Stanislaw, Alemán José V., Gilbert Robert G., Hess Michael, Horie Kazuyuki, Jones Richard G., Kubisa Przemyslaw, Meisel Ingrid, Mormann Werner, Penczek Stanisław, Stepto Robert F. T. (2011). «Terminología de polímeros y procesos de polimerización en sistemas dispersos (Recomendaciones IUPAC 2011)». Química pura y aplicada 83 (12): 2229-2259. S2CID 96812603. doi:10.1351/PAC-REC-10-06-03. Archivado desde el original el 20 de octubre de 2013. Consultado el 23 de junio de 2023. 
  14. ↑ Richard G. Jones, Edward S. Wilks, W. Val Metanomski, Jaroslav Kahovec, Michael Hess, Robert Stepto, Tatsuki Kitayama (2009). Compendio de terminología y nomenclatura de polímeros (Recomendaciones IUPAC 2008) "El Libro Púrpura" (2da edición). RSC Publishing. ISBN 978-0-85404-491-7. 
  15. ↑ V.B. Alvarez, C.L. Wolters, Y. Vodovotz, T. Ji, Physical Properties of Ice Cream Containing Milk Protein Concentrates, Journal of Dairy Science, Volume 88, Issue 3, 2005, Pages 862-871, ISSN 0022-0302,
  16. ↑ The Science of ice cream. Ice Cream Nation [1]
  17. ↑ Ice, Cream... and Chemistry. Brian Rohrig February 2014. American Chemical Society
  18. ↑ Gooch, A. “The Chemistry behind Ice Cream.” Chicago Tribune, June 30, 2004: http://articles.chicagotribune.com/2004-06-30/entertainment/0406300068_1_ice-cream-homemade-ice-ice-crystals-form .
  19. ↑ Halford, B. “Ice Cream: The Finer Points of Physical Chemistry and Flavor Release Make this Favorite Treat so Sweet.” Chemical & Engineering News, Nov 28, 2004
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