La leche es el segmento más grande del mercado alimenticio y las bebidas a base de leche siguen siendo los productos lácteos de mayor consumo en el mundo, seguidos por la mantequilla y el queso. Los productos lácteos se consideran parte de una dieta saludable y diversos países tienen recomendaciones en cuanto a la ingesta diaria de leche o sus derivados. Por este motivo, el consumo de productos lácteos está aumentando a nivel mundial. 

El consumo, cada vez mayor, genera presión sobre la industria para el mejoramiento de los procesos. Los procesadores de lácteos se concentran en la calidad, el cumplimiento de las normas de seguridad del producto y la higiene del proceso. El uso eficiente de las materias primas con un sistema adecuado de gestión de residuos garantiza la eficiencia de los costos y los recursos. La sustentabilidad es un área de interés cada vez más importante y, con adecuados controles de proceso y las herramientas de optimización y de medición, los productores pueden cumplir más fácilmente sus objetivos de sustentabilidad, utilizar el material de forma eficiente y reducir los residuos. Si se realizan mediciones exactas en los procesos, se puede aumentar la rentabilidad y el rendimiento durante la elaboración de productos lácteos 

Diferentes procedimientos para la elaboración de productos lácteos

La leche consta principalmente de agua, grasa, proteínas, lactosa (azúcar de la leche) y minerales (sales). Cuando se elimina el agua y el gas, el residuo se denomina contenido de materia seca (DM) o de sólidos totales (TS) de la leche. Las industrias utilizan varios procedimientos de elaboración para los productos lácteos, como por ejemplo:

Evaporación y secado

Al evaporar la leche a un mayor contenido de sólidos y secarla en forma de polvo, se logra que el producto sea más ligero, más fácil y más económico de transportar porque puede entrar más producto en un espacio reducido. Además, la vida útil del polvo es mayor y el producto es más fácil de manipular y de transportar, ya que normalmente los patógenos necesitan condiciones húmedas o mojadas para desarrollarse. Por todo esto, la leche en polvo es el producto agrícola más comercializado a nivel mundial.

La leche también se evapora hasta cierto punto cuando se procesa como leche condensada o leche condensada azucarada. Para realizar todas estas operaciones, se necesita un control estricto de la evaporación y una escala de medición común, que puede ser el Brix o la medición de sólidos totales (TS).

Sólidos totales e identificación de productos

La leche fresca, normalmente envasada en cartones de leche, se elabora de diferentes maneras que van desde la leche desnatada sin grasa hasta la leche entera. Debido a su corta vida útil, este producto es más bien un producto local. En la elaboración, primero se quita toda la grasa de la leche cruda y luego se vuelve a añadir en función de la normativa y de la receta. Este paso del proceso se llama estandarización y es una fase crítica, ya que cada país tiene diferentes regulaciones para la composición de la leche.

Después de la estandarización, normalmente tiene lugar la homogeneización. En este proceso se reducen las moléculas de grasa a un tamaño tan pequeño que no se elevan y no crean una capa de crema sobre la leche. Al elaborar leche fresca, los productores quieren medir el contenido total de sólidos (TS) de forma precisa para poder cumplir con las normativas y para poder fabricar productos con un mínimo de residuos. Gracias a la rápida identificación de los productos lácteos en línea se logra obtener mejores rendimientos y, por lo tanto, un ahorro para los productores al reducir al mínimo el desperdicio de productos, inhibir las mezclas de productos y las costosas retiradas de productos.

Fórmula infantil

La leche infantil es una versión sintética de la leche materna, diseñada para poder utilizarla como alimento suplementario o como sustituto que satisfaga las necesidades nutricionales del bebé. Es fundamental para los productores tener una certeza absoluta sobre las condiciones higiénicas y la seguridad del producto, protegiendo, al mismo tiempo, el valor nutricional. En el proceso de elaboración, la medición de sólidos totales (TS) es una medición crítica para cualquier productor de fórmulas infantiles.

Mezcla y saborizado de productos

La leche, los lácteos, el yogur, el helado y los productos lácteos alternativos se pueden mezclar con mermeladas, saborizantes y jarabes para crear productos deliciosos. En este proceso es esencial que la mezcla correcta y exacta.

Medición del proceso con el refractómetro de Vaisala

Además del estricto control del proceso y de las condiciones higiénicas, para tener una mejor rentabilidad se necesitan mediciones precisas y confiables del proceso, así como alimentos limpios, seguros y de sabor familiar, elaborados con exactitud según una receta.

La solución de Vaisala para optimizar el proceso de producción de lácteos es el sistema Refractómetro de proceso sanitario PR-43  que consiste en un refractómetro compacto o de sonda y una interfaz gráfica de usuario que facilita su uso. El  refractómetro  también se puede usar como un dispositivo independiente. Las diferentes opciones de la interfaz de usuario van desde una versión robusta a una compacta y ligera, y una versión basada en la web. La interfaz permite al usuario seleccionar el modo preferido de acceder y utilizar los datos de medición y diagnóstico del refractómetro.

La medición del refractómetro no se ve afectada por burbujas, partículas o vibración. El diseño higiénico tiene una certificación sanitaria 3-A y el producto puede soportar operaciones de limpieza en el lugar (CIP, cleaning-in-place) y esterilización en el lugar (SIP, sterilization-in-place). El refractómetro cubre todo el rango de Brix 0-100 %.

¡Aprenda más sobre los diferentes procesos y sobre el modo en que un refractómetro puede ayudarle a controlar, optimizar y ahorrar materia prima y energía en nuestro eBook sobre la Optimización del procesamiento de lácteos!

A finales de 2018, Vaisala adquirió Finnish K-Patents Group, pionero en mediciones de líquidos en línea para aplicaciones industriales. La adquisición le permite a Vaisala expandir su experiencia tecnológica y su cartera de productos de gas a medición de líquidos. La nueva área de productos, Mediciones de Líquidos, ofrece la reconocida tecnología de índice de refracción (RI) y productos de refractómetro de proceso en línea disponibles para muchos tipos de aplicaciones de control de procesos industriales.

Conceptos básicos de refractometría

Los científicos consideran que la medición del índice de refracción (IR) es una forma ideal de medir las concentraciones de líquidos.
El procedimiento es relativamente simple y se basa en la refracción de la luz. Un ejemplo simple de esta propiedad de la luz, aparece cuando uno coloca un lápiz en un vaso de solución. Parece que el lápiz se dobla cuando de hecho la luz se dobla.

Muchos experimentan este fenómeno de primera mano, por ejemplo, con una pajilla en un refresco o jugo o con remos de un bote de remos.

Un punto importante del principio de medición es comprender que incluso si hay partículas o burbujas de gas en la solución, el ángulo de flexión es el mismo que en las soluciones transparentes. Las partículas o burbujas no tienen influencia en el ángulo de flexión, por lo que lo único que influye en el ángulo es el cambio en la concentración de la solución.
 

El ángulo crítico

El estudio de la propiedad de la luz se ha convertido en la ciencia de la refractometría.

La luz viaja a diferentes velocidades en diferentes medios. Cuanto más denso es un medio, más lenta es la velocidad de la luz en ese medio. Cuando la luz pasa de un medio a otro en cualquier ángulo que no sea 90 °, cambia no solo la velocidad sino también la dirección en el límite entre los dos medios. Cuando un haz de luz ingresa al líquido, se refracta parcialmente al líquido y se refleja parcialmente. El punto donde comienza la reflexión total se llama ángulo crítico.

En la mayoría de las soluciones, la concentración de soluto en un solvente puede determinarse midiendo el RI. La relación entre el índice de refracción y la concentración depende del solvente y el soluto, la temperatura y la longitud de onda.

En la práctica, la dependencia de la longitud de onda (dispersión) se evita mediante el uso de luz monocromática. La dependencia de la temperatura se compensa matemáticamente mediante el uso de una fórmula de compensación.

Combinación de un refractómetro de proceso verdaderamente digital con un diseño resistente

El RI se desarrolló primero como una técnica de laboratorio que más tarde hizo una transición en la medición del proceso una vez que los refractómetros se desarrollaron y se volvieron mucho más resistentes. La construcción del refractómetro en línea en el proceso debe soportar condiciones duras y exigentes que pueden incluir elementos cáusticos, vibraciones, polvo, calor, presión o una combinación de estos.

Los refractómetros K-PATENTS® de proceso digital determinan el RI de la solución de proceso mediante la medición del ángulo crítico de refracción. El ángulo crítico lo mide una cámara digital CCD. El refractómetro de proceso proporciona una salida de CC de 4 a 20 mA o una señal de Ethernet proporcional a la concentración de la solución de proceso compensada por temperatura.

El refractómetro avanza la óptica CORE patentada de K-PATENTS® (elemento rígido óptico compacto), que incorpora todos los componentes ópticos LED (diodo emisor de luz), lentes, prisma y cámara CCD, así como el elemento de temperatura pT-1000 en uno módulo rígido. El módulo óptico CORE está aislado del cuerpo del refractómetro y, por lo tanto, las fuerzas externas como la presión, el flujo y los cambios de temperatura no influyen en la medición. No hay necesidad de mantenimiento regular debido a la construcción sin partes móviles, sin recortes y con la óptica CORE de estado sólido.

El mismo principio se aplica a varios diseños de modelos de refractómetro que son fáciles de instalar en tuberías, tanques y pequeños o grandes reactores. Las aplicaciones van desde sustancias peligrosas potencialmente explosivas hasta líquidos químicamente agresivos que requieren aleaciones especiales o piezas no metálicas, como productos químicos de la fabricación utilizados en el procesamiento de obleas de semiconductores.

Los refractómetros de proceso K-PATENTS® de Vaisala están encerrados, funcionan de forma continua, se interconectan con otros elementos de un sistema de control de proceso y son más caros que por ejemplo, los instrumentos portátiles, debido a su solidez y complejidad, los elementos necesarios para realizar monitoreos seguros de los procesos.

Con la tecnología única y patentada de índice de refracción, la medición de temperatura integrada y principio de medición digital, no es posible la desviación de medición, lo que hace que los refractómetros innovadores K-PATENTS® sean únicos y una solución de medición definitiva para todos los líquidos.

En este blog, respondemos las preguntas que recibimos durante nuestro nuevo webinar sobre Los beneficios del índice de refracción (RI) en el desarrollo y la producción de ingredientes farmacéuticos activos (API). 

La grabación del webinar está disponible aquí.

Usted mencionó la Clase VI de USP. También es importante indicar la temperatura a la que esto es válido, por ejemplo 121 °C.

El PTFE modificado que se utiliza como material de la junta del prisma, se ha probado según el protocolo de la clase de USP para plásticos a 70 °C. En caso de que se requiera una temperatura más alta, especifíquelo al comienzo del proyecto para que se seleccione el producto adecuado para la aplicación.

¿Tiene alguna diapositiva que muestre cuán sensible es el índice de refracción a la temperatura (datos de laboratorio)?

Por lo general, un centígrado en grados Celsius corresponde a ± 0,1% en concentración, pero es bueno tener en cuenta que depende de la sustancia química o la que será medida. Cada valor del índice de refracción se calibrará para que coincida con la curva química para esa medición y aplicación en particular.

¿Está certificado el refractómetro para uso en áreas peligrosas?

También suministramos refractómetros de proceso intrínsecamente seguros que se pueden usar en ubicaciones peligrosas en la Zona 0, Zona 1 y Zona 2. El refractómetro está disponible con certificaciones ATEX e IECEx. 

En el ejemplo de lavado de pasta, la imagen incluía un tipo de sonda que se usaba en un aparato de tubo muy pequeño. ¿Fue por esto que el usuario final quiso escalar este refractómetro de sonda para una eventual escala de producción?

Tenemos un modelo de producto farmacéutico compacto y escalable, que presentamos, pero en este caso particular, el cliente eligió utilizar un refractómetro de sonda que ya está en el laboratorio, que es el mismo modelo que están utilizando en diferentes puntos de sus plantas piloto y de gran escala.

¿Puede comentarnos sobre la exactitud de las mediciones del RI? ¿Si se indicará la capacidad de precisión del instrumento?

La precisión en términos del índice de refracción nD es de ± 0,0002.

Realizamos un paso de cristalización de enfriamiento durante la fabricación de API. Estoy interesado en detectar cuándo comienzan a formarse los cristales. ¿Puedo ver los cristales con mediciones del índice de refracción?

En la suspensión, los cristales suspendidos no influyen en la medición del índice de refracción. Por lo tanto, no podemos "ver" los cristales. Sin embargo, probablemente le interese determinar el punto en el que comienzan a formarse los cristales y eso se puede lograr mediante mediciones del índice de refracción. Si monitorea la concentración del licor madre mediante un refractómetro, podrá ver cómo aumenta la concentración durante el enfriamiento hasta un punto de saturación o sobresaturación, después del cual la concentración comienza a disminuir y esto sucede porque el compuesto en el líquido o solvente comienza a cristalizar y la transferencia de masa del líquido al sólido conlleva a la formación de cristales. Ese es el punto que desea conocer y monitorear.

Can refractive index detect turbidity?

No, porque los sólidos suspendidos causan la turbidez y solo el material disuelto de la solución influye en el índice de refracción.

¿Cómo puedo realizar la recalibración del refractómetro?

El refractómetro K-Patents no presenta desviación de medición. Esto significa que el refractómetro se envía calibrado a la fábrica para el índice de refracción y no será necesaria una recalibración. Sin embargo, las pautas de GMP requieren que realice la verificación en un período que define la práctica empresarial. K-Patents calibra cada refractómetro utilizando los líquidos del índice de refracción estándar de Cargille sobre todos los demás. Por lo tanto, la calibración del refractómetro K‑Patents se puede verificar fácilmente en el sitio con los líquidos del índice de refracción de rastreo N.I.S.T. Las instrucciones para los pasos de verificación se proporcionan en la pantalla del refractómetro. Se puede imprimir y firmar un informe de los resultados de la verificación.

Tengo un proceso de destilación para una mezcla de cloroformo y acetato de etilo. ¿Puedo supervisar en tiempo real la concentración de cloroformo? Es necesario para detener la operación.

El punto de ebullición del cloroformo parece ser menor (61 °C) que el acetato de etilo (77 °C), por lo que el cloroformo debería ser el producto principal. Ciertamente, puede medir la concentración en tiempo real con un refractómetro, pero en este caso, se debe realizar después del condensador. Necesitaríamos verificar el rango del índice de refracción y la temperatura y otros detalles del proceso, pero esto no debería ser un problema. Esto parece ser una buena aplicación para el refractómetro y una buena oportunidad para optimizar el proceso. Puede solicitar que nos contactemos con usted para enviarle un formulario y completar los detalles necesarios para la evaluación de la solicitud.

¿Tiene alguna experiencia en el uso de RI en sistemas de alta presión? De ser así, ¿cuáles son las tolerancias de presión más altas que pueden soportar las sondas?

Según nuestra especificación técnica, podemos suministrar el instrumento a presiones de proceso de hasta 40 bares.

Con la colaboración de: Vaisala y K-Patents

Comuníquese con nosotros si desea obtener más información o averiguar cómo los refractómetros de proceso K-PATENTS® podrían mejorar su proceso.

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La salud es un activo social y económico fundamental y el desarrollo de medicamentos efectivos va de la mano con el desarrollo humano y de las sociedades modernas. Podemos curar, prevenir y controlar enfermedades más que nunca. Sin embargo, con las condiciones y enfermedades médicas emergentes, los investigadores de productos farmacéuticos están en constante búsqueda de nuevos desarrollos de medicamentos.

Los medicamentos constan de dos partes: los Ingredientes farmacéuticos activos (API), que son los componentes curativos de la enfermedad y los excipientes químicamente inactivos apropiados, que son el vehículo que administra el fármaco al cuerpo humano o animal. Un enfoque importante en la Investigación y Desarrollo de productos farmacéuticos e ingeniería de productos es explorar nuevos componentes API para desarrollar nuevos medicamentos, innovadores y quizás en el futuro personalizados.

La complejidad de la fabricación de productos farmacéuticos

El desarrollo de nuevos medicamentos es un proceso de alto riesgo, costoso y largo. El Centro Tufts para el Estudio de Desarrollo de Medicamentos estimó que llevar un medicamento al mercado cuesta más de USD 2 mil millones y, según Pharmaceutical Journal, solo 1 de cada 10 medicamentos que comienzan la fase clínica llegan al mercado, solo para dar una idea. Además, se necesitan entre 10 y 15 años para desarrollar un medicamento y para cuando esté disponible para la venta, podrían pasar hasta 10 años para recuperar el alto costo de inversión. Para equilibrar los riesgos involucrados en la fabricación de nuevos medicamentos, muchas compañías farmacéuticas fabrican productos genéricos, enfocándose en productos de patentes vencidas o modificando ligeramente una patente.

Otros desafíos que enfrentan las compañías farmacéuticas son las estrictas regulaciones relacionadas con la fabricación de medicamentos y los elevados costos operativos que conllevan. La fabricación de medicamentos requiere un sistema que garantice que el producto final cumpla con las especificaciones predeterminadas. El enfoque convencional ha sido producir medicamentos en procesos por lotes con pasos distintos, que incluyen largos tiempos de almacenamiento y control de calidad fuera de línea después de cada etapa. La producción por lotes puede incluso requerir que el producto intermedio se transfiera de una instalación a otra para otras etapas de producción. Este enfoque garantiza el cumplimiento y los productos de alta calidad, pero también crea importantes obstáculos e ineficiencias en el proceso, extendiendo el tiempo total de procesamiento y aumentando considerablemente los costos de producción.

Todo esto afecta el desempeño financiero de las compañías farmacéuticas y, en última instancia, los costos de los productos para los pacientes y la sociedad. Al mismo tiempo, existe una creciente presión en bajar los precios de los medicamentos y, como solución, las compañías farmacéuticas están en la búsqueda de nuevas formas de trabajar. Muchos de los líderes de la industria están invirtiendo fuertemente en Investigación y Desarrollo para explorar soluciones técnicas que puedan acelerar el tiempo de desarrollo de medicamentos y hacer que el proceso sea rentable.   

Implementación de Fabricación Continua (CM)

La Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) se encuentra en la misión de apoyar la innovación y la modernización farmacéutica como parte de su compromiso de proteger y promover la salud pública. Sobre esta base, la FDA lanzó la iniciativa de Tecnología Analítica de Procesos (PAT) y publicó un marco, que respalda el uso de mediciones oportunas y herramientas analíticas que proporcionan medios para obtener información suficiente para la comprensión del proceso. La estrategia PAT también proporciona la base correcta para pasar de los procesos por lotes a la fabricación continua (CM) en la producción farmacéutica y biofarmacéutica.

Para implementar la CM, se requiere una comprensión completa del proceso para crear una estrategia de control que minimice la variación de material entrante. Se deben identificar los atributos críticos de calidad del medicamento, así como las variables de producción que tienen efecto sobre ellos, para establecer tolerancias de desviación aceptables y definir las herramientas PAT correctas para el monitoreo y el control. Las mediciones en tiempo real desde las primeras etapas del descubrimiento de fármacos ayudan a recopilar una gran cantidad de datos para obtener conocimiento científico para mitigar los riesgos asociados con el desarrollo de nuevos fármacos y para diseñar procesos sólidos capaces de ofrecer una alta calidad del producto de manera consistente.

Índice de refracción como herramienta PAT

PAT implica no solo el uso de sensores de proceso convencionales como de presión, de temperatura y de pH, sino también nuevas tecnologías de analizador en línea. Una tecnología emergente es el índice de refracción (RI), una medición directa de la concentración de líquido basada en la refracción de la luz. Otras industrias han adoptado las mediciones de RI durante décadas, por ejemplo, en pulpas y papel para la medición del contenido sólido de licor negro y la industria azucarera para la medición de Brix en la fabricación de azúcar,   pero para cuando comenzó la iniciativa PAT todavía era bastante inexplorado en el sector farmacéutico.

Una ventaja importante de RI es que se puede medir en línea mediante un refractómetro de proceso, lo que respalda la tendencia actual en la industria farmacéutica de avanzar hacia el procesamiento continuo. Los refractómetros de proceso se utilizan principalmente para medir, monitorear y controlar las concentraciones de líquidos. Estas mediciones también son importantes en el procesamiento farmacéutico, ya que muchos pasos de procesamiento se llevan a cabo en un medio líquido. Pero es en las aplicaciones menos convencionales donde el principio detrás de la medición, el índice de refracción, ofrece muchas otras oportunidades para el desarrollo y procesamiento de medicamentos.

Las mediciones del índice de refracción han demostrado ser precisas para la identificación del producto, incluso más que las mediciones de densidad y conductividad, ya que cada producto químico tiene un valor de índice de refracción distintivo. Esta característica única revela el potencial del índice de refracción como herramienta analítica PAT en otras aplicaciones, como la detección de interfaz entre diferentes solventes o entre solvente y producto y el monitoreo de la reacción donde el valor RI de la mezcla cambia a medida que los reactivos se convierten en productos. Las mediciones del índice de refracción en línea proporcionan una ventana al proceso e información que no se pudo obtener mediante las pruebas tradicionales de laboratorio fuera de línea.

El índice de refracción brinda un enorme potencial para la comprensión del proceso fundamental

Una gran compañía farmacéutica en Europa realizó un estudio hace unos años donde identificó 11 aplicaciones potenciales para el índice de refracción únicamente en la fabricación de API. Los científicos concluyeron que al medir el RI en tiempo real, se obtiene un perfil de proceso específico para el proceso, que puede usarse como referencia para el desarrollo LEAN y la ampliación del proceso y, en última instancia, para reducir considerablemente el trabajo y tiempo del desarrollo de medicamentos.

Los beneficios de las mediciones del índice de refracción no se limitan a la fabricación de API. Las mediciones del IR ya se aplican ampliamente en el procesamiento biofarmacéutico y los refractómetros se utilizan actualmente para monitorear aplicaciones como fermentación, cultivo celular, vacunas, proteínas, plasma sanguíneo y producción de enzimas.

El índice de refracción se está convirtiendo en un método revolucionario que crea una comprensión del proceso fundamental. Además, es útil investigar varias dinámicas de procesos e interacciones químicas requeridas para el diseño de procesos sólidos rentables y estrategias de control que reduzcan la variabilidad del producto. Los ejemplos presentados anteriormente son solo algunos, pero no hay duda de que las oportunidades aumentarán, ya que las compañías farmacéuticas comienzan a mirar hacia el futuro y las mediciones del índice de refracción se utilizan al máximo potencial en los procesos farmacéuticos.

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